物料衡算与热量衡算.ppt

第三章物料衡算与热量衡算
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HB
3、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。
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。