化工設(shè)計(jì)第三章物料衡算與熱量衡算張美景副教授化工設(shè)計(jì)張美景副教授本學(xué)時(shí)講授內(nèi)容

第三節(jié)化工流程的物料衡算（沒有化學(xué)反應(yīng)）本學(xué)時(shí)講授內(nèi)容流程示意圖例題：有如圖所示的一個(gè)連續(xù)流程，用于稀醋酸的濃縮處理，圖中E代表某種溶劑組分。過程無任何化學(xué)反應(yīng)。已知：

1.產(chǎn)品精餾塔進(jìn)料中的HAc有67.5%從產(chǎn)品流中產(chǎn)出。

2.F1=2.3F11

3.圖中所有組成均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

要求：

1.試作此過程的自由度分析，列出自由度分析表

2.指出完整的物料衡算（MB）計(jì)算順序

3.求解出2號(hào)流股的組成及F2/F9

廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔123111085467912基準(zhǔn)后流程示意圖例題：有如圖所示的一個(gè)連續(xù)流程，用解：

這是一個(gè)只做物料衡算的情況，從流程特點(diǎn)可以看出，整個(gè)流程系統(tǒng)是：

因?yàn)榱鞒讨袥]有化學(xué)反應(yīng)，而所有輸入的流股中只含有4種組份，因而可以判定流程中所有流股所含有的組份應(yīng)該≦4種。

1、7號(hào)流股輸入流程系統(tǒng)（無化學(xué)反應(yīng)）9、12號(hào)流股輸出整體第一步、根據(jù)流程的特點(diǎn)，確定流程中所有流股含有的組份數(shù)。求解步驟：解：

這是一個(gè)只做物料衡算的情況，從流程特點(diǎn)可流股號(hào)組份數(shù)123456789101112

3

2

2

3

3

4

2

2

2

4

2

2各流股組份數(shù)一覽表廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔123111085467912流股號(hào)組份數(shù)1234567891011123223第二步、做流程的自由度分析

流程自由度分析表混合器1萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔混合器2溶劑提留塔過程OB（整體）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)

已知變量數(shù)附加關(guān)系式數(shù)自由度第二步、做流程的自由度分析

流程自由度分析表混合萃?。?）混合器1及萃取塔的自由度分析混合器1萃取塔變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關(guān)系式數(shù)自由度8321＋212420＋6廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（1）混合器1及萃取塔的自由度分析混合器1萃取塔變量總數(shù)MB（2）溶劑提餾塔及整體的自由度分析溶劑提餾塔整體（OB）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關(guān)系式數(shù)自由度10430＋311450＋2廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（2）溶劑提餾塔及整體的自由度分析溶劑整體變量總數(shù)MB衡算方（3）溶劑回收塔及產(chǎn)品精餾塔的自由度分析溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關(guān)系式數(shù)自由度7330＋1

6221＋1廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（3）溶劑回收塔及產(chǎn)品精餾塔的自由度分析溶劑產(chǎn)品精餾塔變量總（4）混合器2及過程的自由度分析混合器2自由度附加關(guān)系式數(shù)10已知變量數(shù)MB衡算方程數(shù)31變量總數(shù)過程8230＋3廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（4）混合器2及過程的自由度分析混合器2自由度附加關(guān)系式數(shù)1（5）整體與過程自由度分析之間的區(qū)別●整體：又稱“總體”，意指只考慮進(jìn)出系統(tǒng)的流股，不考慮流程內(nèi)部的中間流股?！癘verallBalance”，簡(jiǎn)稱“OB”?！襁^程：與整體的區(qū)別在于，過程不僅包括進(jìn)出系統(tǒng)的流股，還要包括流程的所有中間流股。（5）整體與過程自由度分析之間的區(qū)別●整體：又稱“總體”，流程自由度分析結(jié)果一覽表混合器1萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔混合器2溶劑提留塔過程OB（整體）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)

已知變量數(shù)附加關(guān)系式數(shù)原自由度8321+212420+67330+16221+18230+310430+33118

102+111450+2去流程圖流程自由度分析結(jié)果一覽表混合萃取塔溶劑產(chǎn)品混合溶劑過

一個(gè)正確（設(shè)計(jì)條件給得恰好）的化工流程，其“過程”一欄中的自由度必須是0，而且其它單元（包括虛擬的OB）的自由度必須都≧0。而且整體只是一個(gè)虛擬的單元，看一個(gè)化工流程設(shè)計(jì)條件給得正確與否，不能只看整體的自由度分析結(jié)果，而應(yīng)該看過程的自由度分析結(jié)果。要特別注意過程自由度分析時(shí)，MB方程的加和性、附加關(guān)系式的加和性。一個(gè)正確（設(shè)計(jì)條件給得恰好）的化工流程，其本例題的過程自由度為＋1，那么肯定不能通過MB計(jì)算確定流程中所有流股變量的唯一解。問題：這個(gè)例題是不是出錯(cuò)了？全部流程設(shè)計(jì)條件中，已知的流股變量中，只有組成變量，而沒有一個(gè)流量變量已知。也就是說，該流程所有設(shè)計(jì)已知數(shù)據(jù)只有“強(qiáng)度”性質(zhì)的數(shù)據(jù)，而沒有一個(gè)“容量”性質(zhì)的數(shù)據(jù)已知。在這種情況下，該流程設(shè)計(jì)條件很有可能是所謂的“彈性設(shè)計(jì)”?；亓鞒虉D本例題的過程自由度為＋1，那么肯定不能通過MB針對(duì)彈性設(shè)計(jì)流程的自由度分析時(shí)應(yīng)該注意：1、流程是否是彈性設(shè)計(jì)？一個(gè)流程是彈性設(shè)計(jì)，必需同時(shí)滿足以下二個(gè)條件：（1）、流程過程自由度必需是＋1；（2）、流程的已知流股變量全部是強(qiáng)度性質(zhì)（沒有一個(gè)流量變量已知）。2、針對(duì)彈性設(shè)計(jì)，做衡算計(jì)算時(shí)，就要假設(shè)一個(gè)流股的流量已知，將某一個(gè)流股的流量賦一個(gè)值，這個(gè)流股的假設(shè)流量就稱為彈性設(shè)計(jì)流程的計(jì)算基準(zhǔn)。針對(duì)彈性設(shè)計(jì)流程的自由度分析時(shí)應(yīng)該注意：1、流程是否是彈性設(shè)3、計(jì)算基礎(chǔ)的挑選原則：（1）、放在自由度最小的單元上；（2）、附帶再考慮計(jì)算基準(zhǔn)對(duì)相鄰單元的影響。針對(duì)本例題，計(jì)算基準(zhǔn)選誰（假設(shè)哪個(gè)流股的流量值）？去自由度表3、計(jì)算基礎(chǔ)的挑選原則：針對(duì)本例題，計(jì)算基準(zhǔn)選誰（假設(shè)哪個(gè)流

流程自由度分析表（假設(shè)F10已知）+2+1+3+3+1+1+6+1自由度計(jì)算基準(zhǔn)＋20＋3＋300＋6＋1新自由度02001001附加關(guān)系式數(shù)510332322已知變量數(shù)418422343MB衡算方程數(shù)113110867128變量總數(shù)OB過程溶劑提留塔混合器2產(chǎn)品精餾塔溶劑回收塔萃取塔混合器1本例題最優(yōu)選擇F10已知，將F10作為計(jì)算基準(zhǔn)。－1－1－1這樣，該設(shè)計(jì)變成了有唯一確定解的正確設(shè)計(jì)了。問題：基準(zhǔn)大小對(duì)MB

結(jié)果的影響？針對(duì)以上分析結(jié)果，手工計(jì)算應(yīng)該從哪里入手？流程自由度分析表（假設(shè)F10已知）+2+1+3+3+手工計(jì)算肯定先從自由度最小的單元開始，尤其是從自由度為0的單元開始。本例題肯定首先解溶劑回收塔和產(chǎn)品精餾塔的MB。而且它們都是完全求解。問題：解完溶劑回收塔和產(chǎn)品精餾塔后，緊接著應(yīng)該解誰？確定下一步求解單元的原則：從流程圖上看上一步求解結(jié)果對(duì)相鄰單元（包括OB）自由度的影響程度而定。手工計(jì)算肯定先從自由度最小的單元開始，尤其是從

求解完溶劑回收塔和產(chǎn)品精餾塔后。

01438混合器1萃取塔2自由度0附加關(guān)系式數(shù)4已知變量數(shù)2MB衡算方程數(shù)8

變量總數(shù)混合器2OB更新自由度分析表（updatinganalysistableoffreedomdegree）460112401144廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）

將對(duì)OB、萃取塔、混合器1和混合器2的自由度產(chǎn)生影響。更新自由度分析結(jié)果：接著解混合器1，而且是完全求解。求解完溶劑回收塔和產(chǎn)品精餾塔后。014化工設(shè)計(jì)第三章物料衡算與熱量衡算張美景副教授化工設(shè)計(jì)張美景副教授本學(xué)時(shí)講授內(nèi)容

第三節(jié)化工流程的物料衡算（沒有化學(xué)反應(yīng)）本學(xué)時(shí)講授內(nèi)容流程示意圖例題：有如圖所示的一個(gè)連續(xù)流程，用于稀醋酸的濃縮處理，圖中E代表某種溶劑組分。過程無任何化學(xué)反應(yīng)。已知：

1.產(chǎn)品精餾塔進(jìn)料中的HAc有67.5%從產(chǎn)品流中產(chǎn)出。

2.F1=2.3F11

3.圖中所有組成均為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

要求：

1.試作此過程的自由度分析，列出自由度分析表

2.指出完整的物料衡算（MB）計(jì)算順序

3.求解出2號(hào)流股的組成及F2/F9

廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔123111085467912基準(zhǔn)后流程示意圖例題：有如圖所示的一個(gè)連續(xù)流程，用解：

這是一個(gè)只做物料衡算的情況，從流程特點(diǎn)可以看出，整個(gè)流程系統(tǒng)是：

因?yàn)榱鞒讨袥]有化學(xué)反應(yīng)，而所有輸入的流股中只含有4種組份，因而可以判定流程中所有流股所含有的組份應(yīng)該≦4種。

1、7號(hào)流股輸入流程系統(tǒng)（無化學(xué)反應(yīng)）9、12號(hào)流股輸出整體第一步、根據(jù)流程的特點(diǎn)，確定流程中所有流股含有的組份數(shù)。求解步驟：解：

這是一個(gè)只做物料衡算的情況，從流程特點(diǎn)可流股號(hào)組份數(shù)123456789101112

3

2

2

3

3

4

2

2

2

4

2

2各流股組份數(shù)一覽表廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔123111085467912流股號(hào)組份數(shù)1234567891011123223第二步、做流程的自由度分析

流程自由度分析表混合器1萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔混合器2溶劑提留塔過程OB（整體）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)

已知變量數(shù)附加關(guān)系式數(shù)自由度第二步、做流程的自由度分析

流程自由度分析表混合萃?。?）混合器1及萃取塔的自由度分析混合器1萃取塔變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關(guān)系式數(shù)自由度8321＋212420＋6廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（1）混合器1及萃取塔的自由度分析混合器1萃取塔變量總數(shù)MB（2）溶劑提餾塔及整體的自由度分析溶劑提餾塔整體（OB）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關(guān)系式數(shù)自由度10430＋311450＋2廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（2）溶劑提餾塔及整體的自由度分析溶劑整體變量總數(shù)MB衡算方（3）溶劑回收塔及產(chǎn)品精餾塔的自由度分析溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關(guān)系式數(shù)自由度7330＋1

6221＋1廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（3）溶劑回收塔及產(chǎn)品精餾塔的自由度分析溶劑產(chǎn)品精餾塔變量總（4）混合器2及過程的自由度分析混合器2自由度附加關(guān)系式數(shù)10已知變量數(shù)MB衡算方程數(shù)31變量總數(shù)過程8230＋3廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進(jìn)料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（4）混合器2及過程的自由度分析混合器2自由度附加關(guān)系式數(shù)1（5）整體與過程自由度分析之間的區(qū)別●整體：又稱“總體”，意指只考慮進(jìn)出系統(tǒng)的流股，不考慮流程內(nèi)部的中間流股?！癘verallBalance”，簡(jiǎn)稱“OB”?！襁^程：與整體的區(qū)別在于，過程不僅包括進(jìn)出系統(tǒng)的流股，還要包括流程的所有中間流股。（5）整體與過程自由度分析之間的區(qū)別●整體：又稱“總體”，流程自由度分析結(jié)果一覽表混合器1萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔混合器2溶劑提留塔過程OB（整體）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)

已知變量數(shù)附加關(guān)系式數(shù)原自由度8321+212420+67330+16221+18230+310430+33118

102+111450+2去流程圖流程自由度分析結(jié)果一覽表混合萃取塔溶劑產(chǎn)品混合溶劑過

一個(gè)正確（設(shè)計(jì)條件給得恰好）的化工流程，其“過程”一欄中的自由度必須是0，而且其它單元（包括虛擬的OB）的自由度必須都≧0。而且整體只是一個(gè)虛擬的單元，看一個(gè)化工流程設(shè)計(jì)條件給得正確與否，不能只看整體的自由度分析結(jié)果，而應(yīng)該看過程的自由度分析結(jié)果。要特別注意過程自由度分析時(shí)，MB方程的加和性、附加關(guān)系式的加和性。一個(gè)正確（設(shè)計(jì)條件給得恰好）的化工流程，其本例題的過程自由度為＋1，那么肯定不能通過MB計(jì)算確定流程中所有流股變量的唯一解。問題：這個(gè)例題是不是出錯(cuò)了？全部流程設(shè)計(jì)條件中，已知的流股變量中，只有組成變量，而沒有一個(gè)流量變量已知。也就是說，該流程所有設(shè)計(jì)已知數(shù)據(jù)只有“強(qiáng)度”性質(zhì)的數(shù)據(jù)，而沒有一個(gè)“容量”性質(zhì)的數(shù)據(jù)已知。在這種情況下，該流程設(shè)計(jì)條件很有可能是所謂的“彈性設(shè)計(jì)”。回流程圖本例題的過程自由度為＋1，那么肯定不能通過MB針對(duì)彈性設(shè)計(jì)流程的自由度分析時(shí)應(yīng)該注意：1、流程是否是彈性設(shè)計(jì)？一個(gè)流程是彈性設(shè)計(jì)，必需同時(shí)滿足以下二個(gè)條件：（1）、流程過程自由度必需是＋1；（2）、流程的已知流股變量全部是強(qiáng)度性質(zhì)（沒有一個(gè)流量變量已知）。2、針對(duì)彈性設(shè)計(jì)，做衡算計(jì)算時(shí)，就要假設(shè)一個(gè)流股的流量已知，將某一個(gè)流股的流量賦一個(gè)值，這個(gè)流股的假設(shè)流量就稱為彈性設(shè)計(jì)流程的計(jì)算基準(zhǔn)。針對(duì)彈性設(shè)計(jì)流程的自由度分析時(shí)應(yīng)該注意：1、流程是否是彈性設(shè)3、計(jì)算基礎(chǔ)的挑選原則：（1）、放在自由度最小的單元上；（2）、附帶再考慮計(jì)算基準(zhǔn)對(duì)相鄰單元的影響。針對(duì)本例題，計(jì)算基準(zhǔn)選誰（假設(shè)哪個(gè)流股的流量值）？去自由度表3、計(jì)算基礎(chǔ)的挑選原則：針對(duì)本例題，計(jì)算基準(zhǔn)選誰（假設(shè)哪個(gè)流

流程自由度分析表（假設(shè)F10已知）+2+1+3+3+1+1+6+1自由度計(jì)算基準(zhǔn)＋20＋3＋300＋6＋1新自由度