第三章 設(shè)備的設(shè)計變量

第三章設(shè)備的設(shè)計變量第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例1.絕熱分配器獨(dú)立方程N(yùn)E物料衡算關(guān)系式MC能量衡算關(guān)系式H1相平衡關(guān)系式E單相系統(tǒng)：0設(shè)備結(jié)構(gòu)相關(guān)關(guān)系式簡單設(shè)備：0內(nèi)在關(guān)系式SC+3

=2C+4第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例1.絕熱分配器總變量數(shù)NV=3C+11獨(dú)立方程數(shù)NE=2C+7設(shè)計變量數(shù)ND=C+4第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計變量ND可進(jìn)一步分為：

4固定設(shè)計變量Nx可調(diào)設(shè)計變量NaNx=進(jìn)料物流變量數(shù)＋系統(tǒng)的壓力固定設(shè)計變量Nx

=進(jìn)料＋壓力＝（C+2）+1可調(diào)設(shè)計變量Na=ND-Nx=(C+4)-(C+3)=1＝ND-Nx第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月ND=C+4，Nx=C+3固定設(shè)計變量：進(jìn)料+設(shè)備壓力C+3可調(diào)設(shè)計變量：1個可調(diào)設(shè)計變量：1個，假如選R第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月待求變量與獨(dú)立方程待求變量：2C+7獨(dú)立方程：2C+7第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)求設(shè)計變量作用：確定需要事先給定的變量，使待求變量數(shù)與獨(dú)立方程數(shù)相等，以便進(jìn)行設(shè)計計算或生產(chǎn)過程核算步驟：確定所有變量（最好列表1）確定獨(dú)立方程數(shù)（最好也是列表2）計算設(shè)計變量數(shù)、確定設(shè)計變量（在表1里圈出來）根據(jù)獨(dú)立方程數(shù)，計算求解待求變量（表1中除設(shè)計變量以外的所有變量）第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月課內(nèi)練習(xí)列出表3-1序號14，進(jìn)料板的設(shè)計變量要求：1.列出所有變量（包括變量名，計算總變量數(shù)）2.列出所有獨(dú)立方程3.計算設(shè)計變量數(shù)，確定哪些變量為設(shè)計變量4.列出需要求解的變量第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月上次課練習(xí)P59第10個分凝器(1)總變量NV第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)獨(dú)立方程N(yùn)E第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2設(shè)備的設(shè)計變量設(shè)計變量計算N級串組合單元復(fù)雜組合單元第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、N級串級組合單元

在復(fù)雜的分離設(shè)備中，如精餾塔、吸收塔、萃取塔等，往往都是由若干個平衡級串聯(lián)成一個整體，各平衡級之間有級間蒸汽或液體物流相聯(lián)系，所以稱為N級串級單元。

第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例兩個帶傳熱的平衡級串聯(lián)第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月N串級總變量數(shù)(NV)U各個平衡級變量數(shù)之和:(NV)U=(NV)E1+(NV)E2重復(fù)變量數(shù):2（C+2)第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、N級串級組合單元

N級串級單元的獨(dú)立變量總數(shù)(NV)U等于各個平衡級的獨(dú)立變量數(shù)總和減去重復(fù)計數(shù)了的NR股物流中的變量數(shù)NR(C+2)，再加上應(yīng)該附加變量數(shù)NA，即：

(NV)U=如：串級的單元數(shù)兩個串聯(lián)還是三個串聯(lián)第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月N串級獨(dú)立方程(NE)U無重復(fù)的獨(dú)立方程(NE)U=(NE)E1+(NE)E2第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月N級串級單元的獨(dú)立方程式數(shù)等于各平衡級的獨(dú)立方程數(shù)的總和,即：

第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、N級串級組合單元N個平衡級串內(nèi)有中間物流2(N-1)個第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

(NV)U==N(4C+13)–[2(N-1)](C+2)+1 =9N+2NC+2C+5N個串聯(lián)平衡級的獨(dú)立變量總數(shù)為：第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

N個串聯(lián)平衡級的獨(dú)立方程式數(shù)為：

(NE)U==N(2C+7) =7N+2NC所以：設(shè)計獨(dú)立變量數(shù)為：

(NV)U

：9N+2NC+2C+5

（NE)U：7N+2NC(ND)U

：2N+2C+5-）第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例題….2N+2C+5應(yīng)指定2N+2C+5個設(shè)計變量:StreamVINvariablesC+2StreamLINvariablesC+2每個平衡級的壓力：P1、P2、P3、…PNN

每個平衡級的傳熱：Q1、Q2、Q3、…QNN

塔的平衡級數(shù)目：N1第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)帶有熱交換的N個平衡級串聯(lián)的總變量、獨(dú)立方程和設(shè)計變量第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、復(fù)雜組合單元

復(fù)雜組合單元是由若干個操作單元所組成，各個單元之間依靠物流的聯(lián)系構(gòu)成一個完整的多級分離裝置。設(shè)有一個多級復(fù)雜精餾塔，它有一股進(jìn)料，一股側(cè)線采出，全凝器及部分再沸器并每一級均能供熱量或引出熱量。如下圖所示：第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月如何計算設(shè)計變量？第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月方法----枚舉法復(fù)雜單元的設(shè)計變量數(shù)可由枚舉法來確定。首先將復(fù)雜單元分解為一個個已知計算方法的簡單單元用先全部加和再減去重復(fù)計算部分的方法分別計算總變量數(shù)與獨(dú)立方程數(shù)計算設(shè)計變量數(shù)第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月方法一總變量數(shù)=∑組合單元變量數(shù)-由于物流連接所引起的重復(fù)變量數(shù)NR(C+2)+附加變量數(shù)獨(dú)立方程數(shù)=∑組合單元獨(dú)立方程數(shù)設(shè)計變量數(shù)=總變量數(shù)-獨(dú)立方程數(shù)第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月步驟1——復(fù)雜單元分解1）全凝器2）回流分配器3）1～S-1平衡串級4）側(cè)線采出5）S+1～F-1平衡串級6）進(jìn)料7）F+1～N-1平衡串級8）再沸器第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月步驟2——加和各簡單單元變量總數(shù)第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月步驟3——計算重復(fù)變量數(shù)12345678910111213重復(fù)計算的物流數(shù)NR＝13重復(fù)計算變量數(shù)NR(C+2)無重復(fù)被使用的相同簡單單元，NA＝0第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月步驟4——計算獨(dú)立方程數(shù)4.1加和各簡單單元方程數(shù)第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月步驟4——計算獨(dú)立方程數(shù)4.2重復(fù)計算的方程數(shù)：NR=0

獨(dú)立方程數(shù)：

(NE)U=7N+2NC+5C+14

步驟5——計算設(shè)計變量(ND)U=9N+2NC+5C+23

–(7N+2NC+4C+13)=2N+C+10第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月方法二由總變量數(shù)、總方程數(shù)計算公式推導(dǎo)出設(shè)計變量數(shù)計算公式，再根據(jù)公式求解。方法一的兩個公式：

NV(裝置)=∑（NV)e-NR(C+2)+NANE(裝置)=∑（NE)e兩式相減得：

ND(裝置)=∑（ND)e-NR(C+2)+NA第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月方法二：步驟1——設(shè)計變量加和Q第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月方法二：步驟2——計算設(shè)計變量NR=13，NA＝0

ND=2N+C+10第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際指定的設(shè)計變量：各平衡級的壓力（含部分再沸器) [N]回流分配器的出口壓力 [1]全凝器出口壓力 [1]各平衡級的傳熱速率(不含部分再沸器) [N-1]進(jìn)料摩爾濃度和總進(jìn)料流率 [C]進(jìn)料溫度 [1]進(jìn)料壓力 [1]冷凝溫度(即飽和液體溫度) [1]進(jìn)料級位置 [1]側(cè)線采出位置 [1]總平衡級數(shù) [1]側(cè)線物流總流率 [1]塔頂總餾出液流率D或D/F [1]回流流率LR或回流比LR/D [1] (ND)U=2N+C+10第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

上述列表中前九項幾乎是已知或設(shè)定的，第9~14項可由下列變量代替：15.冷凝器冷卻負(fù)荷QC [1]

再沸器加熱負(fù)荷QR [1]

塔釜?dú)埩粑镏幸粋€組分的回收率或摩爾濃度 [1]

塔頂餾出物中一個組分的回收率或摩爾濃度 [1]第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月TWOCASESIncaseⅠ:thedesigncase.recoveryspecificationsaremadeforoneortwokeycomponentsandthenumberofrequiredequilibriumstagesisdetermined.

IncaseⅡ:thesimulationcase.Thenumberofequilibriumstagesisspecifiedandcomponentseparationsarecomputed.第38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月精餾塔計算設(shè)計型計算：對塔進(jìn)行設(shè)計，給出塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)。操作型計算：塔已經(jīng)建好，看塔符合不符合要求。如不符合要求，可調(diào)整參數(shù)，如回流比、采出量（或進(jìn)料位置等。但一般不做改變）。第39頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月精餾塔設(shè)計變量1.進(jìn)料C+22.各級壓力（含部分再沸器) N3.全凝器出口壓力14.分配器出口壓力15.各級傳熱量Q（再沸器除外）N-16.冷凝器溫度1第40頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月7.總板數(shù)18.進(jìn)料級位置NF19.側(cè)線采出位置110.塔頂量111.側(cè)線量112.回流比1

也可對濃度的要求如xiD