化工设计概论(3-1)

第三章物料衡算与热量衡算

3.1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”

物料衡算与能量衡算的联立计算(Combined 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—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恰，而忽

略其动能、势能等机械能，在这种情况下：

EBaHB

3、在HB计算中，压力对焙值的影响

热恰是状态函数，严格而言，它同时与温度和压力有关。

但温度对恰值的影响更加显著。在压力水平不高且压力变化不大的化工流程中，一般认为焰值只是温度的函数，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。

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，求解确圧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, X2 , ...... , Xp一1

设备的单元变量：

dQ/dt (Q)、dW/dt (W)、r, (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: /扌比（/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:

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；一

2、单独的MB计算一＜

3、MB、HB的联立计算；L一

4、计算

机辅助MB、HB计算。

3.2化工流程的自由度分析不带反应带反应

一、化工流程自由度的定义

1、数学方程组自由度问题

方程组自由度三变量数一方程数

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

化工流程的自由度三流程变量总数一衡算方程数一已知变量数

—已知其它关系式数

其中：厂流股变量数

流程变量总数Y

J单元变量数

衡算方程数一彳一 MB方程数

一 HB方程数

厂设计约束方程

其它关系式Y

「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, X[, x? , .. , x [

若压力P对热壻影响较小，则流股变量忽略P,变为：

F, T, X[, X? , .. ,X 门一1

进一步，若仅做WIB计算，则流股变量忽略温度T,变为:

F, x

r x

2

, .... ,x

n

_

1

（共n个）注意：对多相流股，其

流股变量的描述比较特别。

2、设备单元变:

在忽略流程做功（dW/dt或W）的情况下，设备单元变量分为两种：

厂r, （i = 1,2,...,m；某单元内含m个独立反

应）

设备单元变量Y （描述反应程度）

L dQ/dt （Q）（描述某设备单元的传热）

3、分流器的自由度分析有特殊性

对一个化工单元设备，一般而言，它涉及到几种组份就相应可以列出几个独立的MB方程。

但唯独分流器（分配器，splitter）具有特殊性。

那么，什么是分流器呢？它有什么作用和特点？

分流器示意图: