化工设计物料衡算与热量衡算课件

化工设计第三章物料衡算与热量衡算张美景副教授化工设计张美景副教授本学时讲授内容

第三节化工流程的物料衡算（没有化学反应）本学时讲授内容流程示意图例题：有如图所示的一个连续流程，用于稀醋酸的浓缩处理，图中E代表某种溶剂组分。过程无任何化学反应。已知：

1.产品精馏塔进料中的HAc有67.5%从产品流中产出。

2.F1=2.3F11

3.图中所有组成均为质量百分数。

要求：

1.试作此过程的自由度分析，列出自由度分析表

2.指出完整的物料衡算（MB）计算顺序

3.求解出2号流股的组成及F2/F9

废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔123111085467912基准后流程示意图例题：有如图所示的一个连续流程，用解：

这是一个只做物料衡算的情况，从流程特点可以看出，整个流程系统是：

因为流程中没有化学反应，而所有输入的流股中只含有4种组份，因而可以判定流程中所有流股所含有的组份应该≦4种。

1、7号流股输入流程系统（无化学反应）9、12号流股输出整体第一步、根据流程的特点，确定流程中所有流股含有的组份数。求解步骤：解：

这是一个只做物料衡算的情况，从流程特点可流股号组份数123456789101112

3

2

2

3

3

4

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2

2

4

2

2各流股组份数一览表废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔123111085467912流股号组份数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萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔混合器2溶剂提留塔过程OB（整体）变量总数MB衡算方程数

已知变量数附加关系式数自由度第二步、做流程的自由度分析

流程自由度分析表混合萃取（1）混合器1及萃取塔的自由度分析混合器1萃取塔变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度8321＋212420＋6废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔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萃取塔变量总数MB（2）溶剂提馏塔及整体的自由度分析溶剂提馏塔整体（OB）变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度10430＋311450＋2废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔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）溶剂提馏塔及整体的自由度分析溶剂整体变量总数MB衡算方（3）溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析溶剂回收塔产品精馏塔变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度7330＋1

6221＋1废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔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）溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析溶剂产品精馏塔变量总（4）混合器2及过程的自由度分析混合器2自由度附加关系式数10已知变量数MB衡算方程数31变量总数过程8230＋3废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔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及过程的自由度分析混合器2自由度附加关系式数1（5）整体与过程自由度分析之间的区别●整体：又称“总体”，意指只考虑进出系统的流股，不考虑流程内部的中间流股。“OverallBalance”，简称“OB”。●过程：与整体的区别在于，过程不仅包括进出系统的流股，还要包括流程的所有中间流股。（5）整体与过程自由度分析之间的区别●整体：又称“总体”，流程自由度分析结果一览表混合器1萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔混合器2溶剂提留塔过程OB（整体）变量总数MB衡算方程数

已知变量数附加关系式数原自由度8321+212420+67330+16221+18230+310430+33118

102+111450+2去流程图流程自由度分析结果一览表混合萃取塔溶剂产品混合溶剂过

一个正确（设计条件给得恰好）的化工流程，其“过程”一栏中的自由度必须是0，而且其它单元（包括虚拟的OB）的自由度必须都≧0。而且整体只是一个虚拟的单元，看一个化工流程设计条件给得正确与否，不能只看整体的自由度分析结果，而应该看过程的自由度分析结果。要特别注意过程自由度分析时，MB方程的加和性、附加关系式的加和性。一个正确（设计条件给得恰好）的化工流程，其本例题的过程自由度为＋1，那么肯定不能通过MB计算确定流程中所有流股变量的唯一解。问题：这个例题是不是出错了？全部流程设计条件中，已知的流股变量中，只有组成变量，而没有一个流量变量已知。也就是说，该流程所有设计已知数据只有“强度”性质的数据，而没有一个“容量”性质的数据已知。在这种情况下，该流程设计条件很有可能是所谓的“弹性设计”。回流程图本例题的过程自由度为＋1，那么肯定不能通过MB针对弹性设计流程的自由度分析时应该注意：1、流程是否是弹性设计？一个流程是弹性设计，必需同时满足以下二个条件：（1）、流程过程自由度必需是＋1；（2）、流程的已知流股变量全部是强度性质（没有一个流量变量已知）。2、针对弹性设计，做衡算计算时，就要假设一个流股的流量已知，将某一个流股的流量赋一个值，这个流股的假设流量就称为弹性设计流程的计算基准。针对弹性设计流程的自由度分析时应该注意：1、流程是否是弹性设3、计算基础的挑选原则：（1）、放在自由度最小的单元上；（2）、附带再考虑计算基准对相邻单元的影响。针对本例题，计算基准选谁（假设哪个流股的流量值）？去自由度表3、计算基础的挑选原则：针对本例题，计算基准选谁（假设哪个流

流程自由度分析表（假设F10已知）+2+1+3+3+1+1+6+1自由度计算基准＋20＋3＋300＋6＋1新自由度02001001附加关系式数510332322已知变量数418422343MB衡算方程数113110867128变量总数OB过程溶剂提留塔混合器2产品精馏塔溶剂回收塔萃取塔混合器1本例题最优选择F10已知，将F10作为计算基准。－1－1－1这样，该设计变成了有唯一确定解的正确设计了。问题：基准大小对MB

结果的影响？针对以上分析结果，手工计算应该从哪里入手？流程自由度分析表（假设F10已知）+2+1+3+3+手工计算肯定先从自由度最小的单元开始，尤其是从自由度为0的单元开始。本例题肯定首先解溶剂回收塔和产品精馏塔的MB。而且它们都是完全求解。问题：解完溶剂回收塔和产品精馏塔后，紧接着应该解谁？确定下一步求解单元的原则：从流程图上看上一步求解结果对相邻单元（包括OB）自由度的影响程度而定。手工计算肯定先从自由度最小的单元开始，尤其是从

求解完溶剂回收塔和产品精馏塔后。

01438混合器1萃取塔2自由度0附加关系式数4已知变量数2MB衡算方程数8

变量总数混合器2OB更新自由度分析表（updatinganalysistableoffreedomdegree）460112401144废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）

将对OB、萃取塔、混合器1和混合器2的自由度产生影响。更新自由度分析结果：接着解混合器1，而且是完全求解。求解完溶剂回收塔和产品精馏塔后。014化工设计第三章物料衡算与热量衡算张美景副教授化工设计张美景副教授本学时讲授内容

第三节化工流程的物料衡算（没有化学反应）本学时讲授内容流程示意图例题：有如图所示的一个连续流程，用于稀醋酸的浓缩处理，图中E代表某种溶剂组分。过程无任何化学反应。已知：

1.产品精馏塔进料中的HAc有67.5%从产品流中产出。

2.F1=2.3F11

3.图中所有组成均为质量百分数。

要求：

1.试作此过程的自由度分析，列出自由度分析表

2.指出完整的物料衡算（MB）计算顺序

3.求解出2号流股的组成及F2/F9

废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔123111085467912基准后流程示意图例题：有如图所示的一个连续流程，用解：

这是一个只做物料衡算的情况，从流程特点可以看出，整个流程系统是：

因为流程中没有化学反应，而所有输入的流股中只含有4种组份，因而可以判定流程中所有流股所含有的组份应该≦4种。

1、7号流股输入流程系统（无化学反应）9、12号流股输出整体第一步、根据流程的特点，确定流程中所有流股含有的组份数。求解步骤：解：

这是一个只做物料衡算的情况，从流程特点可流股号组份数123456789101112

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2各流股组份数一览表废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔123111085467912流股号组份数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萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔混合器2溶剂提留塔过程OB（整体）变量总数MB衡算方程数

已知变量数附加关系式数自由度第二步、做流程的自由度分析

流程自由度分析表混合萃取（1）混合器1及萃取塔的自由度分析混合器1萃取塔变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度8321＋212420＋6废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔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萃取塔变量总数MB（2）溶剂提馏塔及整体的自由度分析溶剂提馏塔整体（OB）变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度10430＋311450＋2废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔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）溶剂提馏塔及整体的自由度分析溶剂整体变量总数MB衡算方（3）溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析溶剂回收塔产品精馏塔变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度7330＋1

6221＋1废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔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）溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析溶剂产品精馏塔变量总（4）混合器2及过程的自由度分析混合器2自由度附加关系式数10已知变量数MB衡算方程数31变量总数过程8230＋3废料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循环流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4进料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％产品流HAC99%H2O1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔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及过程的自由度分析混合器2自由度附加关系式数1（5）整体与过程自由度分析之间的区别●整体：又称“总体”，意指只考虑进出系统的流股，不考虑流程内部的中间流股。“OverallBalance”，简称“OB”。●过程：与整体的区别在于，过程不仅包括进出系统的流股，还要包括流程的所有中间流股。（5）整体与过程自由度分析之间的区别●整体：又称“总体”，流程自由度分析结果一览表混合器1萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔混合器2溶剂提留塔过程OB（整体）变量总数MB衡算方程数

已知变量数附加关系式数原自由度8321+212420+67330+16221+18230+310430+33118

102+111450+2去流程图流程自由度分析结果一览表混合萃取塔溶剂产品混合溶剂过

一个正确（设计条件给得恰好）的化工流程，其“过程”一栏中的自由度必须是0，而且其它单元（包括虚拟的OB）的自由度必须都≧0。而且整体只是一个虚拟的单元，看一个化工流程设计条件给得正确与否，不能只看整体的自由度分析结果，而应该看过程的自由度分析结果。要特别注意过程自由度分析时，MB方程的加和性、附加关系式的加和性。一个正确（设计条件给得恰好）的化工流程，其本例题的过程自由度为＋1，那么肯定不能通过MB计算确定流程中所有流股变量的唯一解。问题：这个例题是不是出错了？全部流程设计条件中，已知的流股变量中，只有组成变量，而没有一个流量变量已知。也就是说，该流程所有设计已知数据只有“强度”性质的数据，而没有一个“容量”性质的数据已知。在这种情况下，该流程设计条件很有可能是所谓的“弹性设计”。回流程图本例题的过程自由度为＋1，那么肯定不能通过MB针对弹性设计流程的自由度分析时应该注意：1、流程是否是弹性设计？一个流程是弹性设计，必需同时满足以下二个条件：（1）、流程过程自由度必需是＋1；（2）、流程的已知流股变量全部是强度性质（没有一个流量变量已知）。2、针对弹性设计，做衡算计算时，就要假设一个流股的流量已知，将某一个流股的流量赋一个值，这个流股的假设流量就称为弹性设计流程的计算基准。针对弹性设计流程的自由度分析时应该注意：1、流程是否是弹性设3、计算基础的挑选原则：（1）、放在自由度最小的单元上；（2）、附带再考虑计算基准对相邻单元的影响。针对本例题，计算基准选谁（假设哪个流股的流量值）？去自由度表3、计算基础的挑选原则：针对本例题，计算基准选谁（假设哪个流

流程自由度分析表（假设F10已知）+2+1+3+3+1+1+6+1自由度计算基准＋20＋3＋300＋6＋1新自由度