天津大学化工设计.ppt

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1、第一章 化工过程设计,一、化学工业的发展历史、化学工业覆盖的范围及其在现代经济体系中的地位,1、化学工业的发展历史,化学工业历经了古代、近代、现代三个主要发展阶段。,化学工业发展阶段,、古代化学工业：从数千年前人类阳光晒盐、地下卤水煮盐开始，萌发了古老的化学工业。,、近代化学工业：从18世纪中叶，欧洲造纸、玻璃、肥皂的大规模生产开始，表明近代化学工业的形成。,、现代化学工业：上世纪40年代开始，随着合成橡胶、石油炼制、合成纤维工业的迅速发展，随着化工单元操作理论的日益成熟，在科学技术和生产规模二个层面上，揭示现代化学工业开始形成。,2、化学工业属于过程工业型制造业（流程型制造业）,现代制造业,

2、离散型制造业 （例如汽车工业等）,过程工业型制造业（又称“流程型制造业”） （例如化学工业、冶金行业等）,流程型制造业一般是能耗大户，也是排放的大户。其节能、降耗、减排的任务十分艰巨。,例如：一个年产值不过仅10亿元人民币的合成原料药制造企业，它每天的耗水量可高达5000立方米。,3、现代化学工业覆盖的范围,我国化学工业的分类与美国、欧盟关于化学工业的范畴有一些区别，但逐步在接轨，按美国、欧盟的化学工业年鉴，现代化学工业覆盖以下范围：,现代化学工业,石油化工（包括其衍生的有机化工）,煤化工（包括其衍生的有机化工）,无机化工,精细化工及中间体,化肥工业,农药工业,医药工业,轻工（造纸、玻璃、塑料

3、、合成橡胶等）,染料、油墨、化妆品、清洁剂,生物化工,4、化学工业在现代经济体系中的地位,化学工业是所有高新技术产业的支撑工业，如能源、电子、信息、生物、材料等领域，都离不开化学工业提供的物质支撑。,化学工业绝不是所谓的“夕阳工业”、“夕阳产业”，它现在仍然正在平稳高速的发展，将来必将持续快速发展。,1990年1999年，美国、欧盟化学工业的发展速度是其全部工业平均增长速度的2.69倍。,美国化学工业的规模一直雄居世界化学工业总量的30左右，是美国为数不多在国际贸易体系内具有贸易顺差的制造业之一。,在世界500强企业中，以化工为主或涉足化工领域的企业为数不少。,二、化工过程设计的基本内容,1、

4、化工设计、化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计四个名词之间的联系与区别,化工设计是泛称，在不同场合可分别指称化工厂设计、化工过程设计、化工工艺设计，其内涵最广，但意义不明确。,Chemical Design,英文中没有如此名词！,化工厂设计,化工过程设计（核心）,化工厂房建筑、结构设计,总图设计，.等,非工艺部分设计,化工工艺设计（核心）,公用工程设计、外管设计，等,化工过程设计是针对化工工艺设计的深入、配套与完善。,2、化工过程设计的目标及内容,美国国家顾问团在其“化学工程的新领域”著作中，简明阐述了化工过程设计的主要目标：,确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优投入产出比。在定量计算的基础

5、上，结合专家的经验，考虑安全、健康、环保的因素，确定出一个综合的设计方案。,化工过程设计的内容：,其基本核心内容是化工工艺设计，其附带内容是针对化工工艺设计，对它的配套部分如公用工程、外管设计等进行深入设计和完善。,3、化工过程设计的深化改革,化工过程设计发展方向,复杂大型化工厂的设计,柔性化工厂的设计,自主创新设计,与国际工程设计的接轨,我国化工设计院，原来的专业部门进行了相应的改革调整。,原来的工艺专业部,工艺专业部（大部分为化学工程与工艺专业人员）,工艺系统专业部 （少量化学工程与工艺专业人员，大量其它辅助专业）,工艺专业部：侧重化工工艺设计 工艺系统专业部：侧重化工过程设计中除了化工工

6、艺设计以外与工艺有关的内容,工艺专业部：侧重出PID图、PFD图,工艺系统专业部：侧重出UID图、UFD图,PID （Process Instrument Diagram） 带控制点的工艺仪表管道流程图,PFD （Process Flowsheet Diagram） 过程物料流程图,UID （Utility Instrument Diagram） 公用工程仪表管道流程图,UFD （Utility Flowsheet Diagram） 公用工程物料流程图,其中，各种图纸随设计的深入，分成多个版本。,工艺专业部与工艺系统专业部之间，在设计工作过程中有许多需要交流的条件、文件（“条件表”），有发出条

7、件的主导专业，有接收“条件表”的接收专业。,我国化工设计院的专业种类,化学工程与工艺,化工机械,自动化及仪表,总图,概预算（工程经济）,建筑、结构、暖通、给排水、强弱电,热工、环境工程（环保）、工业炉,三、计算机辅助化工过程设计,在20世纪20年代以前，化工过程设计几乎没有理论作指导，几乎是完全凭经验。,在20世纪20年代60年代，化工过程设计已经开始有化工单元操作理论作指导，可以定量计算设计，但几乎完全凭手工计算与绘图完成设计工作。,在20世纪60年代以后，计算机辅助化工过程设计得到了发展。,为什么直到20世纪60年代后，在化工设计领域开开始出现计算机辅助化工过程设计呢？,计算机软、硬件技术

8、的发展,化工单元操作等理论的不断成熟,数学计算技术的发展,计算辅助化工过程设计软件系统的发展情况：,第一代商品化软件系统,20世纪60年代，以美国各高校联合开发的CHESS软件系统为代表。,Chem. Eng. Simulation System,20世纪70年代初，以美国Monsanto公司牵头开发的FLOWTRAN软件系统代表。,第二代商品化软件系统,Flowsheet Translator,第三代商品化软件系统,20世纪80年代，以 ASPEN 和 PROCESS II 两大软件系统代表。,Advanced System for Process Eng.,我国最早由寰球、化工部八院等单位

9、于上世纪90年代率先引进ASPEN软件系统。现在，国内各设计院基本都已经使用ASPEN或Process II软件系统进行计算机辅助化工过程设计。,天津大学拥有正版的ASPEN和Process II 软件系统（教学版）。,计算机辅助化工过程设计软件系统的发展方向（趋势）：,（1）、单元操作模块的种类数； （2）、物性数据库的大小及数据的估算方法； （3）、能处理的流股数量和组份数量； （4）、计算技术方法（求解方法）； （5）、能处理的流股相态； （气、液、固、胶体、电解质等） （6）、软件系统的人性化界面及开放程度； （7）、流程图形输入及识别技术。等等,计算机辅助化工过程设计的优势（优点）：

10、,、设计工作效率高,、规范性好,、设计水平高（可进行优化设计）,四、现代化学工业的发展方向、化学工程伦理学及责任关怀制度,1、现代化学工业的发展方向,人类发展化学工业的目的：,满足人类对化学物质（分子式、数量、质量、多尺度形态）的不断需求。,这个目标由化学家和化学工程师，在技术层面上共同完成。,现代化学工业发展方向,新物质,经济合理的大批量,高质量,柔性化,绿色化,多尺度,其中： 化学工业绿色化的含义：,以“减量化、再利用、资源化”为基本原则，也就是所谓的“3R”原则。 （Reduce、Recycle、Resource）,具体体现在：,（1）、减少化工过程的能耗、物耗； （2）、减少有害物质的

11、使用或生成； （3）、减少废弃物，并使废弃物在系统类在利用； （4）、尽量将排放的废弃物转化为可用的再生资源； （5）、尽量延长产品的生命周期。,Reduce,Recycle,Resource,2、化学工程伦理学及责任关怀制度,在化学工程领域实施注册工程师制度，在化学工程师心目中树立伦理学观念，建立责任关怀制度。开始逐步成为国际化学工程领域的一个发展大趋势。,伦理学理念体现在：,（1）、自觉维护化工过程的安全； （2）、自觉保护环境的意识； （3）、自觉节约资源的意识； （4）、对业主、化工厂操作人员、同事负责的精神。,责任关怀制度的含义：,（1）、提高对安全、健康、环保、资源的认知和行动；

12、（2）、充分报道成绩、行动计划，但不回避缺陷； （3）、与公众沟通，并倾听意见的日常化。等等。,第二章 化工厂设计概述,2.1 我国化工厂基建的一般程序,基建：基本建设的简称，一个项目从设想到建成投产的过程。,我国化工厂基建的程序如下：,前期资料（信息）收集整理工作,项目建议书,初步或详细可行性研究,初步决策、工程评估、最终决策,计划任务书,投资决策期（阶段）,初步设计,扩初设计,施工图设计,施工,设计及施工期（阶段）,试生产,正式投产运行,试生产期（阶段）,化工厂基建分成三个阶段，其它行业工厂的建立程序也大抵如此。,2.1.1 项目建议书,定义： 将收集到的有关项目的资料（信息）整理成文，由

13、某地区、部门、企业向其上级主管部门提出的申请项目投资立项的文件。,项目建议书应该包括的主要内容（章节）：,（1）、项目的背景、意义； （2）、产品价格和市场需求预测分析； （3）、产品方案和建设规模； （4）、工艺技术路线和技术来源； （5）、原料、燃料、动力、水的供应、运输，产品运输等； （6）、厂址选择和厂址条件； （7）、环保方案； （8）、消防及安全措施； （9）、工厂定员及人力资源来源；,（10）、投资估算、资金筹措方案； （11）、基建及投资规划； （12）、经济效益初步分析与评价； （13）、结论及建议,项目建议书的实质： 想投资该项目的主体，将它前期收集的所有资料（信息），经过

14、加工（初步定量计算、并结合专家经验）处理，按以上主要章节整理成一本文件。其目的就是要打动上级决策者，让决策人下决心上该项目。,项目建议书被批准后，才能往下接着进行项目的可行性研究。,2.1.2 项目的可行性研究（简称“可研”）,可行性研究的定义： 根据国家、地区、行业、部门的经济整体规划或布局，对拟建项目的技术、经济和工程、安全、环保等问题进行详细的研究与分析。就该项目是否该建、是否缓建、如何建提出建议，为投资决策提供更可靠的依据。,可行性研究报告 （按内容深度分）,初步可行性研究,详细可行性研究,可行性研究报告 （根据资金来源、投资额、重要性）,业主自行委托,上级主管部门指定,可行性研究报告

15、，必须由有相应设计资质或咨询资质的单位来完成。,可行性研究报告的实质： 主要内容就是项目的技术经济分析报告，要求针对业主自己做出的项目建议书的内容逐一地进行论证研究与分析。,相对于项目建议书，可行性研究报告在以下方面需要加强： （1）、重新收集信息资料，尤其是要求重新做市场预测分析； （2）、做初步的工艺计算，对项目的投资、产品成本、经济效益尽可能详细估算； （3）、加强不确定性、风险性分析； （4）、得出明确的结论与建议,项目的可行性研究十分重要，是基建程序中替国家、业主把关的关键步骤,2.1.3 计划任务书（设计计划任务书）,来源： 项目可行性报告经过论证会（评审会）通过后，上级主管部门将

16、下达“关于项目可行性研究报告的批复”和“关于项目的设计计划任务书”。,定义： 由上级主管部门对拟建项目的地点、规模、投资、建设期、劳动定员等问题，下达的“规定性”文件。它和可行性研究报告一起，共同作为项目的设计依据。,关注我国投资体制的改革问题： （1）、财政资金和限制目录； （2）、谁投资、谁决策、谁收益、谁承担风险的原则； （3）、国家宏观调控下，市场配置资源的原则。,2.1.4 化工项目基建的设计阶段,化工项目设计 （按设计深度）,初步设计（基础设计）,扩初设计（扩大的初步设计）,施工图设计（施工设计）,一、初步设计 是设计深度最浅的设计阶段，一般只要求： 1、PID图； 2、物料及热量

17、核算计算； 3、对土建、公用工程提出要求； 4、对工厂布置（总图）和车间布置提出要求、建议； 5、工程概算； 6、初步设计说明书。,这就是所谓的“三段设计（设计的三个阶段）”,二、扩初设计 在初步设计的基础上，针对工程的关键技术（主要指关键设备、关键工艺）工段，补充以下文件： 1、关键设备设计图纸； 2、关键设备的布置图； 3、关键工艺工段操作说明； 4、扩初设计说明书。,注意： 对于有设备创新、工艺技术创新的化工工程，扩初设计阶段是十分必要的。,但总体而言，扩初设计只是从初步设计到施工图设计的一个过渡阶段，它还不能指导施工建设。,三、施工图设计 这是最详细、最深入的工程设计阶段。只有它的设计

18、文件，才能交给施工队进行施工建设。是针对初步设计或扩初设计的完全具体化。,对化工工艺部分的设计，施工图设计要出的主要文件： 1、PID最终版； 2、UID图； 3、所有设备的施工图； 4、平立面布置图； 5、配管图（配管设计图）； 6、施工材料明细表； 7、工程预算书； 8、施工图设计说明书。等等。,注意： 按项目工程的大小及复杂程度、上级主管部门的要求、设计能力等情况，设计阶段分成三种情况：,简单工程： 一步直接做施工图设计 中等复杂工程： 初步设计 施工图设计 复杂、创新工程： 初步设计 扩初设计 施工图设计,最后的落脚点都是施工图设计,每步设计对要进行严格的审查,问题：为什么要将设计进行

19、分段？,2.1.5 化工项目（工程）的试生产,化工项目（工程）试生产的顺序（步骤）：,1、清理现场,2、清洗设备及管道,（水洗、气冲，并注意清洗顺序）,3、设备的单体试车,（以水代料）,4、整个工程以水代料联动试车,5、投入物料进行试试车,注意：期间穿插人员的安全、健康、工艺操作培训。,此外，试生产一般处于非正常工况。,2.2 工艺包设计,1、工艺包的定义 工艺包是一个专用的技术名词，特指某个化工产品生产技术方面的全部技术文件的总和。,工艺包是一个化工厂工艺的核心技术文件。,工艺包的来源,国内高等院校、研究院所,国外专利商,2、工艺包（工艺包设计）的主要内容,（1）、工艺包的范围； （2）、工

20、艺的详细说明（原料、公用工程、产品规格，操作条件及流程说明，控制方案，物料性质等。）； （3）、物料及能量核算；,（4）、PID图； （5）、设备一览表（设备规格、材质、数量等）； （6）、布置建议； （7）、化验、检修要领等。,从工艺包的内容来看，它基本达到了工艺初步设计的深度。我国设计院基本都是从接手工艺包开始，直接做项目过程的扩初设计和施工图设计。,2.3 化工工艺设计的内容与步骤,化工厂设计除了化工工艺设计外，还包括工厂总图设计、厂房土建设计、公用工程设计、外管设计等等。 但化工工艺设计是整个化工厂设计的核心。,化工工艺设计贯穿初步设计、扩初设计、施工图设计每个阶段。,一个化工流程的特

21、性（特点、特征、性能）决定于它内部的一些特性参数：,化工流程的特性参数,流程的单元结构参数,单元的种类、数量,单元之间位置关系,流股走向,关键单元设备的特性参数,关键工艺工段的操作参数,化工工艺设计的内容与步骤,第一步：流程组织（过程合成）,第二步：物料衡算及热量衡算,第三步：设备设计及选型,第四步：PFD图及PID图的设计与绘制,第五步：车间流程的平立面布置设计,第六步：主要材料表及概（预）算（工艺部分）,第七步：对流程的技术经济分析,第八步：编写工艺设计说明书,内循环优化,外循环优化,工艺设计不是一蹴而就的，要做许多回合的优化调整。,内循环优化： 在流程结构不变的前提下，通过修改、调整流程

22、内部的部分设备参数和操作参数，来对流程进行优化设计。,外循环优化： 在内循环优化不能满足优化目标的情况下，重新做流程组织，对流程结构进行改头换面的大变动，而达到对流程进行优化设计的目的。,内循环优化经常用于老流程的改造，并对实验室研究开发有指导意义。,外循环优化经常用于新厂设计时，对多个流程方案进行分析比较。,二层循环优化设计，工作量巨大，手工设计很难完成，只有靠计算机辅助设计。,从化工工艺设计的内容与步骤可以看出，设计、技术经济分析、计算机辅助化工设计三者之间的关系： （1）、设计出一个或几个较优的流程是设计的最终目的； （2）、技术经济分析是判断流程优劣的依据（标准）； （3）、计算机辅助

23、化工设计是设计的有力手段。,注意： （1）、在PID图中，关于管路的信息、控制回路的信息十分丰富。 （2）、根据设计的不同阶段，化工工艺设计的深度也相应变化。,PID图样本,2.4 化工厂设计中的一些全局性问题,2.4.1 化工厂厂址的选择,厂址选择是在基建的投资决策阶段必须解决的重要问题，由工艺系统专业部的总图专业牵头完成。,是项目建议书、可行性研究报告中必不可少的内容。,化工厂厂址选择的结果，直接影响到设计、投资、运营成本、生产情况。,一、化工厂厂址选择的工作程序,厂址选择准备阶段,现场考察工作,多方案比较,完成厂址选择报告,从全厂工艺及发展的眼光出发，确定用地大小，初选几处，收集当地水文

24、、地质、天气、人文、历史、用地政策、投资政策等信息。,在项目建议书阶段不强求有选址报告，但选址报告一定要同步于可行性研究报告（或先于“可研”）完成。可以作为可行性研究报告的独立章节。,二、化工厂厂址选址的几个基本原则,1、应符合国家、地区、行业、部门发展大局的需要； 2、应选在原料、燃料、动力充足，运输方便，产品销售便利的地区。并在公用工程、生活设施有良好基础的地区； 3、化工厂厂址附件应该有良好、充足的水源； （化工类企业对水有强烈的需求依赖） 4、应该注意节约用地及占地种类，并考虑工厂发展的需要； 5、应考虑附近居民的安全与健康，厂址的气候及防灾害能力。 6、避免建在国家或地区的水利、历史

25、、自然、文化等各类保护区。,此外，厂址地方的投资及税收政策、人力资源及成本、管理是否方便、协作关系等社会因素也应综合考虑。,2.4.2 化工厂总图布置,总图布置（工厂布置、总图运输），由总图专业牵头完成。,化工厂广义的“车间”包括以下部分：,化工厂,主要生产车间,辅助生产车间（机修、电仪修、中央化验室、仓库等）,服务型车间（厂区办公楼、职工宿舍、医药、食堂等）,公用工程车间（水、电、汽、气、冷冻）,主要生产车间的含义：,车间,输入物流,输出物流,特点： 输入物流和输出物流，其物质在分子层面、形态、纯度等性质发生了变化。,一、总图布置的定义 在全面掌握工厂工艺概况的前提下，结合厂区的各种内、外部

26、条件，对化工厂的所有车间在厂址范围内进行合理的布局，以期获得安全、经济的人流及物流流动路线。,总图布置样图,二、化工厂总图布置的几条基本原则,1、应尽量考虑生产工艺流程的要求，避免物流交叉，缩短物流路线。并尽量减少人流和物流的交叉。,2、对公用工程有大需求的车间，应考虑其与外界的联系，并尽量靠近其供应源。同时遵守“负荷集中”原则。,3、厂区内与外界有大运输量的车间应尽量布置在厂区外缘。,4、厂区内同类型或相似类型的车间应尽量集中布置。（“同类集中”原则） （如制药厂内同类药品种、剂型集中，放射、有毒、易燃易爆类分别集中）,5、厂区布置应考虑防火、防爆及卫生健康的要求。 （易燃易爆车间不要布置在

27、厂区中央，并考虑相邻车间的安全。有粉尘、气味的车间尽量布置在下风口）,6、工厂布置应考虑工厂、车间发展的需要。,2.4.3 化工厂的车间布置,一、化工厂车间的构成,生产部分,原料工段 生产工段 成品工段 回收工段 控制室,辅助部分,变配电室 通风空调室 车间化验室 机电仪修室 各类中转室,生活部分,车间办公室 工人休息室 浴室及更衣间 卫生间,化工厂的一个车间,车间布置的任务： 在化工厂总图布置的框架下，按车间生产流程的工艺要求，同时考虑安全、操作方便、设备维修、经济合理等因素，将车间内生产部分、辅助部分、生活部分的所有硬件（主要是生产流程中的所有设备），在车间厂房的三维空间内进行合理的布局。

28、,车间布置 （车间平立面布置）,车间各层平面布置图,车间的立面布置图（各种剖面）,车间平立面布置需要的主要资料： 1、化工厂总图布置图，厂房土建结构图； 2、PID图； 3、物料衡算及能量衡算结果、物性数据； 4、设备一览表（尺寸、重量、安装及保温情况）； 5、车间公用工程用量及车间外管情况； 6、车间定员（人数、男女比例、倒班情况）。,车间平立面布置样图,配管设计样图,化工厂总图布置与车间布置的关系： 1、总图布置是大局，车间布置是局部。车间布置服从于总图布置； 2、总图布置先完成，再进行车间布置。少数情况下，二者可能同步进行。,2.5 化工厂设计的部分参考资料,在工艺包设计和化工工艺专业设

29、计的过程中，设计人员需要查阅许多参考资料，才能正确完成设计任务。例如，项目产品牵涉到的化工基础数据及其估算方法、产品生产流程信息、产品生产流程中相关主要单元操作技术要点、产品设计需要遵守的各类设计规范、行业各类标准设备图集、一些化工厂设备或仪表或管件的产品样本以及一些与设计有关的工艺技术评价和工艺经济评价方面的参考资料等等。,化工设计的参考资料主要来源于以下四个方面； 1、各类化工方面的中外文杂志、期刊、专利、文摘等； 2、各类中外文化工百科全书（这类百科全书一般包括许多文献资料，而且一般间隔一段时间会再版更新）； 3、各类化工设计规范、手册（一般以国内出版的规范及手册为主）； 4、世界著名研

30、究机构编写的一些以产品目录为索引的化工技术及经济方面的报告。例如，美国斯坦福研究所（SRI International）编写的以活页形式装订的化工技术经济报告。这类报告在化工产品范围内覆盖面较广，而且经常更新，尤其在初步设计时，极具参考价值。目前我国部分化工设计研究单位、化工信息中心（如大庆石化院等）等少数单位有此出版物。,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

31、 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： EBHB,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

32、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 ，xn1,设备的单元变

33、量： dQ/dt （Q）、dW/dt （W）、ri （i1，2，,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

34、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。,不带反应,带反应,3.2 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

35、自由度问题,方程组自由度变量数方程数,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。,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，x1， x2 ，x n1,若压力P对热焓影响较小，则流股变量忽略P，变为： F，T，x1， x2 ，x n1,进一步，若仅做MB计算，则流股变量忽

36、略温度T，变为： F，x1， x2 ，x n1 （共n个）,注意：对多相流股，其流股变量的描述比较特别。,2、设备单元变量,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：,设备单元变量,ri （i1,2,m；某单元内含m个独立反应） （描述反应程度）,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：,分流器,分流器的特点： 、其所有流股的组成相同； 、无反

37、应，各流股只是流量不相同。,分流器的作用： 将一个流股拆分为几个组成相同、流量不同的分流股，分拆开的流股，一部分回流（recycle），一部分防空（purge）。,分流器单元的MB方程数的特殊性： 无论分流器牵涉到多少种组份，其独立MB方程只有1个。,例题：有如下一个分流器：,解：1、该分流器的自由度分析表如下：,2、具体MB计算（略）,12,1（而不是3）,9,2,0,6（42）,1（而不是3）,3（12）,2,0,在开始下一节讲授之前，大家先考虑一个精馏塔的MB问题。,例题：有人提出了一个无反应的单精馏塔流程的方案，试做其MB计算:,解：该精馏塔系统的自由度分析如下：,10,4,6,1,1

38、,5,0,0,0,MB计算时的自由度分析对设计条件正确与否起校验作用。,3.3 化工流程的物料衡算（不带反应）,本节主要目的：,1、化工流程的自由度分析；,2、利用自由度分析结果判断物料衡算计算顺序；,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,基准后,解

39、： 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。,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：,3,2,2,3,3,4,2,2,2,4,2,2,各流股组份数一览表,第二步、做流程的自由度分析,流程自由度分析表,（1）混合器1及萃取塔的自由度分析,8,3,2,1,2,12,4,2,0,6,（2）溶剂提馏塔及整体的自由度分析,10,4,3,0,3,11,4,5,0,2,（3）溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析,7,3,3,0,1,6,2,2,1,1

40、,（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,8,2,3,0,3,（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。“Overall Balance”，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。,流程自由度分析结果一览表,8,3,2,1,+2,12 4 2 0 +6,7 3 3 0 +1,6 2 2 1 +1,8 2 3 0 +3,10 4 3 0 +3,31,18,10,2,+1,11 4 5 0

41、+2,一个正确（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。,去流程图,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

42、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,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。,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

43、自由度表,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,2,0,3,3,0,0,6,1,新自由度,0,2,0,0,1,0,0,1,附加关系式数,5,10,3,3,2,3,2,2,已知变量数,4,18,4,2,2,3,4,3,MB衡算方程数,11,31,10,8,6,7,12,8,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

44、算应该从哪里入手？,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。,求解完溶剂回收塔和产品精馏塔后。,0,1,4,3,8,混合器1,萃取塔,2,自由度,0,附加关系式数,4,已知变量数,2,MB衡算方程数,8,变量总数,混合器2,OB,更新自由度分析表 （updating analysis table of freedom degree）,4,6,0,1

45、,12,4,0,11,4,4,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。,求解完混合器1后。,更新自由度分析表,4,7,0,0,12,4,0,11,7,1,将对OB、萃取塔产生影响。,更新自由度分析的结果：接着解整体，而且是完全求解。,求解完整体（OB）后，将对混合器2、溶剂提馏塔的物料衡算产生影响。,更新自由度分析表,2,5,0,1,10,4,0,8,6,0,但只有溶剂提馏塔的自由度将变成零。所以，这时应该求解溶剂提馏塔，而且是完全求解。,求解完溶剂提馏塔后，将对混合器2、萃取塔的物料衡算产生影响。,更新自由度分析表,2,6,

46、0,0,8,12,4,10,0,2,2,0,结论：解混合器2或萃取塔，必然是完全求解。,从以上分析可以在具体计算之前得出物料衡算的计算顺序：,精馏塔MB,回收塔MB,混合器1MB,整体OB MB,溶剂提馏塔MB,混合器2MB,萃取塔MB,这是一个每步计算都能完全求解的计算顺序。最后一步不必要同时进行混合器2和萃取塔的MB，二者解其一即可。 注意：流程中有几个单元设备，就只需要求解几步， 整体（OB）也相当于一个虚拟单元。,4、按判断的衡算计算顺序进行具体求解,、精馏塔物料衡算（MB）： 按自由度分析的结果出发，可以设F12100Kg/h为计算基准,解得： F10244.44（Kg/h），F11

47、144.44（kg/h） x11,HAC0.33，x11,H2O0.67,总流量衡算方程： F10F11100 HAc组份衡算方程： 0.6F10F11x11,HAC99 设计要求（附加关系式）方程： 990.6750.6F10,、混合器1物料衡算（MB）：,设计要求（附加关系式）方程： F12.3F11332.212 总流量衡算方程： F2F1F11476.652（Kg/h） HAc组份衡算方程： F2x2,HAC0.3332.2120.33144.44 H2O组份衡算方程： F2x2,H2O0.698332.2120.67144.44,解得： F1332.212 （Kg/h）， F2476

48、.652（Kg/h） x2,H2SO40.0014 x2,HAC0.3091 x2,H2O0.6895,、整体（OB）的物料衡算（ MB）：,该例题的最终求解结果： 2号流股组成为：（HAc，H2O，H2SO4）（30.91，68.95，0.14） F2/F9476.652/232.4522.0505,溶剂组份E的衡算方程： 0.99F70.001F9 总流量衡算方程： 332.212F7F9100 H2SO4组份衡算方程： 0.002F1F9x9,H2SO4 HAc组份衡算方程： 0.3F10.99F12F9x9,HAc,解得： F70.2348（Kg/h），F9232.452（Kg/h）,本题小结 1、认识到自由度分析是物料衡算计算的有力工具，掌握物料衡算的求解步骤； 2、在自由度分析之前，必须会根据流程特点判断流程中各流股所含的组份数； 3、会判断流程设计是否是弹性设计，会挑选合适的计算基准； 4、会根据自由度分析结果判断衡算计算顺序，尤其是应该注意