化工设计物料衡算与热量衡算.pdf

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1、化工设计--3.1物料衡算—（1）马利娜2014第三章物料衡算与热量衡算概述自由度物料衡算的基本方法反应过程的物料衡算反应过程的能量衡算应用AspenPlus进行化工过程的物料衡算及能量衡算物料衡算与热量衡算概述物料衡算（MaterialBalance），简称“MB”热量衡算（HeatBalance），简称“HB”能量衡算（EnergyBalance），简称“EB”物料衡算与能量衡算的联立计算（CombinedBalance），简称“CB”MB与HB计算是化工工艺设计中最基本，也是最主要的计算内容。•1.1基本概念1)物料衡算——对指

2、定的系统进行的物料平衡关系计算；2)变量——物料衡算时，可描述系统平衡关系的物理量都称之为变量。显然，这些物理量包括物流流量、组分流量和组成。3)变量数——描述系统某一物流状况最少变量的数值。（等于其组分数）4)系统变量总数——为系统各变量数之和。5)设计变量——在进行物料衡算之前，必须由设计者赋值的变量。一、化工流程（过程）中MB、HB、EB三者之间的关系1、MB与HB之间的关系MB有可能能单独（不依赖HB而独立）求解；HB一般不能单独求解；（间壁式换热器除外）当MB不能独立求解时，它就必须与HB联合起来，求解CB。2、EB与HB之

3、间的关系流程压力水平不高，而且压力变化也不大，系统能量只考虑其热焓，而忽略其动能、势能等机械能，在这种情况下：EBHB3、在HB计算中，压力对焓值的影响热焓是状态函数，严格而言，它同时与温度和压力有关。但温度对焓值的影响更加显著。在压力水平不高且压力变化不大的化工流程中，一般认为焓值只是温度的函数，以简化计算。二、化工工艺计算中的衡算计算的范围要进行衡算计算，就要确定衡算的范围。化工流程设计衡算的范围可能有如下几种情况：1、流程中某一个单元设备；2、流程中某几个单元设备组合的子流程；3、整个流程。衡算计算范围示意图：边界线（Boun

4、daryLine）围起来的区域构成衡算范围。三、MB、HB的定义与任务1、MB、HB的定义与任务从化工流程内的MB方程、HB方程出发，结合其它有关方程，求解确定流程中所有流股的状态，以及有关设备的单元变量。流股状态可用一组流股变量来描述：F，T，P，x1，x2，……，xn－1设备的单元变量：dQ/dt（Q）、dW/dt（W）、ri（i＝1，2，…,m）其它方程包括：设计约束方程（最常见）；相平衡方程，等等。MB、HB衡算计算的任务：就是解MB、HB、其它方程组成的方程（组），求解出衡算范围内未知的流股变量和设备单元变量。2、化工流程的

5、操作状态及其对应的衡算计算基准（1）、连续生产流程（稳态流程）特点：参数是位置的函数，而不随时间而变。适用情况：产量大，物系稳定性较好。衡算计算基准：时间基准（/s,/h,/d）（2）、间歇生产流程（动态流程、批处理过程）特点：参数不仅是位置的函数，也是时间的函数。适用情况：产量小，物系稳定性较差，需要切开批次的过程。衡算计算基准：/批（/Batch）（3）、半间歇半连续生产流程特点：间歇操作和连续操作同时出现在一个流程内。适用情况：物料流在流程内流量变化大；流程内有些物质稳定性好，有些物质稳定性较差。半间歇半连续流程框架示意图：连续

6、部分储罐间歇部分注意：在二种操作模式的交界处，必须设置储罐。衡算计算基准：以二者之间的储罐为分界点，按间歇、连续分段计算。化工流程的自由度分析自由度分析的目的自由度分析，就是研究一个系统（或问题）中的独立变量、平衡方程和约束式数目之间的代数关系，用以说明系统（或问题）的确定性。a.当f>0,则表明系统不确定，限制或约束（设计变量数Nd）少，不可能去解所有的未知变量，有时可能有部分解。b.当f〈0,则系统限制或约束（设计变量数Nd）过多，各种限制条件之间可能出现矛盾，而使系统出现矛盾解。这时候，一般在求解前酌情去掉多余的（或误差大的）限

7、制条件。c.只有当f=0时，系统恰好作了正确的规定，系统各未知变量具有唯一解。方程组自由度≡变量数－方程数方程组自由度﹤0无解方程组自由度﹥0多解（超定解、不定解）方程组自由度＝0有唯一确定解2、化工流程自由度定义化工流程的自由度≡流程变量总数－衡算方程数－已知变量数－已知其它关系式数其中：流股变量数流程变量总数单元变量数MB方程数衡算方程数HB方程数设计约束方程其它关系式相平衡关系式，等等注意：变量、方程全部必须相互独立。二、化工流程自由度分析应注意的几个问题1、流股变量对一个含n种组份的单相流股，其流股变量描述为：F，T，P，x1

8、，x2，……，xn－1若压力P对热焓影响较小，则流股变量忽略P，变为：F，T，x1，x2，……，xn－1进一步，若仅做MB计算，则流股变量忽略温度T，变为：F，x1，x2，……，xn－1（共n个）注意：对多相流股，其流股