物料衡算与热量衡算.ppt

物料衡算与热量衡算概述物料衡算(Material Balance),简称“MB”热量衡算(Heat Balance),简称“HB”能量衡算(Energy Balance),简称“EB”bined Balance),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。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(Boundary Line)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。连续部分间歇部分储罐半间歇半连续流程框架示意图: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。本章讲解顺序:1、化工流程的自由度分析;2、单独的MB计算3、MB、HB的联立计算;4、计算机辅助MB、HB计算。 化工流程的自由度分析一、化工流程自由度的定义1、数学方程组自由度问题方程组自由度≡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有唯一确定解问题:化工流程中为什么也会出现自由度的概念?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:流程变量总数流股变量数单元变量数衡算方程数MB方程数HB方程数其它关系式设计约束方程相平衡关系式,等等注意:变量、方程全部必须相互独立。