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1、第三章单元的设计变量现在学习的是第1页，共25页课内作业1.什么是设计变量和设计变量数？如何计算设计变量数？2.分离过程的变量有几类，分别包含哪些变量？3.分离过程的独立方程数（独立约束关系数目）包括哪几类？需要特别注意哪些地方？4.推导计算表3-1中第10个单元分凝器的总变量数、独立方程数和设计变量数（P59）。现在学习的是第2页，共25页第三章第三章 气液传质分离过程气液传质分离过程p3.1 设计变量设计变量3.1.1 单元的设计变量单元的设计变量3.1.2 设备的设计变量设备的设计变量p3.2 多组分精馏多组分精馏p3.3 特殊精馏特殊精馏p3.4 间歇精馏间歇精馏p3.5 吸收与解吸吸
2、收与解吸现在学习的是第3页，共25页3.1 设计变量设计变量Independent Design Variables物理量：物理量：流率、浓度、温度（物流、系统）、压力、热负荷、机流率、浓度、温度（物流、系统）、压力、热负荷、机械功、传热面积、理论板数等。械功、传热面积、理论板数等。设计前需预先给定数值的变量称为设计前需预先给定数值的变量称为设计变量设计变量。设计变设计变量的个数称为量的个数称为设计变量数设计变量数。例如：两组分精馏，一股进料，只有顶、釜采出，则很简单，例如：两组分精馏，一股进料，只有顶、釜采出，则很简单，但对于多线采出等复杂情况，则需知道确定的方法。但对于多线采出等复杂情况，
3、则需知道确定的方法。设计前需给定数值的变量设计前需给定数值的变量 现在学习的是第4页，共25页公式 郭慕荪教授所建立的方法 ND=NV-NE 式中：ND设计变量数 NV总变量数 NE独立方程数 ND the number of independent variables NV all pertinent variables NE the total number of independent equations现在学习的是第5页，共25页求设计变量数ND的方法:首先列举出过程有关的全部变量Nv，然后再减去与各变量有关的独立方程总数NE 首先我们分析一下化工中的变量类型和独立方程数的确定方法。现
4、在学习的是第6页，共25页变量类型 p强度变量 (intensive variables）p容度变量(extensive variables)p设备参数(equipment parameters)强度变量：组成，温度，压力容度变量：流率，传热量设备参数：平衡级数，进料位置现在学习的是第7页，共25页8VN出入物流变量数能量交换数（热、功）出入物流变量数能量交换数（热、功）+设备变量数设备变量数 (1)(1)物流变量数物流变量数 任一物流的自由度任一物流的自由度：2+-=Cf组分数组分数 相数相数 对于单相流股：对于单相流股：1=1+=Cf完全描述一个流动流股还应加上该流股的流率。完全描述一个流
5、动流股还应加上该流股的流率。因此对于任一单相流股独立变量数：因此对于任一单相流股独立变量数：21)1(+=+=CCNV系系统统的的总总变变量量数数现在学习的是第8页，共25页（1）物流变量数任一单相流股独立变量：任一单相流股独立变量：C+2现在学习的是第9页，共25页VN出入物流变量数能量交换数（热、功）出入物流变量数能量交换数（热、功）+设备变量数设备变量数 (2)(2)能量交换数能量交换数 系统与环境间能量交换数的确定：有一股热量交换，增加系统与环境间能量交换数的确定：有一股热量交换，增加一个变量数。既有一股热量交换，又有一股功交换时，应一个变量数。既有一股热量交换，又有一股功交换时，应增
6、加两个变量数。增加两个变量数。系系统统的的总总变变量量数数(3)(3)设备变量数设备变量数 例如：精馏塔塔板数例如：精馏塔塔板数现在学习的是第10页，共25页CN依据约束关系式依据约束关系式(1)(1)物料衡算式物料衡算式 M M有有C C个组分的系统，能够建立个组分的系统，能够建立C C个物料衡算式。个物料衡算式。(2)(2)能量衡算式能量衡算式 H H(3)(3)相平衡关系式相平衡关系式 E E(4)(4)与设备结构相关的关系式与设备结构相关的关系式 (5)(5)内在关系式内在关系式 S S每个系统只有每个系统只有1 1个能量衡算式。个能量衡算式。根据相平衡条件根据相平衡条件(逸度相等、压
7、力相等、温度相等逸度相等、压力相等、温度相等)能能够建立够建立 C(C(-1)+2 1)+2 个相平衡关系式。个相平衡关系式。约定的关系，如：物料温度、压力相等、归一化方程。约定的关系，如：物料温度、压力相等、归一化方程。约约束束关关系系数数现在学习的是第11页，共25页设计变量的指定原则 当设计独立变量数被确定以后，重要的是在这些设计变量当中，那些是需要由设计者来指定的。指定的原则指定的原则：需要设定的独立变量数必须等于由设备结构(如塔的平衡级数、进料股数、进料位置、侧线出料股数、侧线出料位置等等)和由外部手段所能控制的(如系统温度、压力、进料组成、进料流率、冷凝负荷、加热负荷等等)给定变量
8、数之和。现在学习的是第12页，共25页3.1.1 单元的设计变量单元的设计变量现在学习的是第13页，共25页3.1.1单元的设计变量单元的设计变量Design variables for elements 一个化工流程由很多装置组成，而每个装置又可一个化工流程由很多装置组成，而每个装置又可以分解为多个进行简单过程的单元。以分解为多个进行简单过程的单元。确定单元的设计变量遵循前述的一般原则即可确定单元的设计变量遵循前述的一般原则即可：单元单元装置装置流程流程eceveDNNN-=现在学习的是第14页，共25页例1.绝热分配器（表3-1第1个）总变量NV物流变量数进料1：C+2出料2：（C+3）*
9、2能量变量数绝热过程：0设备变量数简单设备：0Nv=3C+8现在学习的是第15页，共25页例1.绝热分配器独立方程NE物料衡算关系式 MC能量衡算关系式 H1相平衡关系式 E单相系统：0设备结构相关关系式 简单设备：0内在关系式 SC+3 =2C+4现在学习的是第16页，共25页例1.绝热分配器总变量数 NV=3C+8独立方程数 NE=2C+4设计变量数 ND=C+4现在学习的是第17页，共25页设计变量设计变量N ND D可进一步分为：可进一步分为：固定设计变量固定设计变量N Nx x可调设计变量可调设计变量N Na aN Nx x=进料物流变量数系统的压力进料物流变量数系统的压力固定设计变
10、量固定设计变量N Nx x =进料压力（进料压力（C+2C+2）+1+1可调设计变量可调设计变量N Na a=N ND D-N Nx x=(C+4)-(C+3)=1=(C+4)-(C+3)=1N ND D-N Nx x现在学习的是第18页，共25页例例2.产物为两相的全凝器产物为两相的全凝器 出入物流变量数：出入物流变量数：（C+2C+2）+2+23 3能量交换数：能量交换数：1 1+)+)NvNv=3C+9=3C+9物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：设备结构关系式：设备结构关系式：内在关系式：内在关系式：C C1 1C(C(-1)+2=C+2-1)+
11、2=C+20 02 2N NE E=2C+5=2C+5N ND De e=N Nv ve eN NE Ee e =C+4 =C+4VL1L2QVNeENe设备变量数：设备变量数：0 0现在学习的是第19页，共25页固定设计变量固定设计变量N Nx x =进料压力（进料压力（C+2C+2）+1+1可调设计变量可调设计变量N Na a=N ND D-N Nx x=(C+4)-(C+3)=1=(C+4)-(C+3)=1VL1L2Q 产物为两相的全凝器产物为两相的全凝器 如单元温度或引入的冷量如单元温度或引入的冷量现在学习的是第20页，共25页例例3.有传热的平衡级有传热的平衡级 出入物流变量数：出入
12、物流变量数：（C+2C+2）+2+24 4能量交换数：能量交换数：1 1+)+)NvNv=4C+11=4C+11物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：设备结构关系式：设备结构关系式：内在关系式：内在关系式：C C1 1C(C(-1)+2=C+2-1)+2=C+20 02 2N NE E=2C+5=2C+5N ND De e=N Nv ve eN NE Ee e =2C+6 =2C+6VNeENe+)+)设备变量数：设备变量数：0 0现在学习的是第21页，共25页固定设计变量固定设计变量N Nx x =进料压力进料压力2 2（C+2C+2）+1+12C2C5
13、 5可调设计变量可调设计变量N Na a=N ND D-N Nx x=(2C+6)-(2C+5)=1=(2C+6)-(2C+5)=1有传热的平衡级如传热量或单元温度如传热量或单元温度现在学习的是第22页，共25页例例4.有侧线采出的平衡级有侧线采出的平衡级 出入物流变量数：出入物流变量数：（C+2C+2）+3+35 5能量交换数：能量交换数：0 0+)+)NvNv=5C+13=5C+13物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：设备结构关系式：设备结构关系式：内在关系式：内在关系式：C C1 1C(C(-1)+2=C+2-1)+2=C+20 0C+1+3C+1
14、+3N NE E=3C+7=3C+7N ND De e=N Nv ve eN NE Ee e =2C+6 =2C+6VNeENe+)+)V0V1L1L0S设备变量数：设备变量数：0 0现在学习的是第23页，共25页设计变量数的确定设计变量数的确定EVDNNN-=VN出入物流变量数出入物流变量数EN物料衡算式物料衡算式 能量衡算式能量衡算式 相平衡关系式相平衡关系式 化学反应平衡式化学反应平衡式 内在关系式内在关系式 能量交换数（热、功）能量交换数（热、功）xN进料物流变量数进料物流变量数压力等级数压力等级数xN分配器数分配器数 换热单元数换热单元数 侧线采出数侧线采出数 串级数串级数 设备变量数设备变量数现在学习的是第24页，共25页固定设计变量固定设计变量N Nx x =进料压力进料压力2 2（C+2C+2）+1+12C2C5 5可调设计变量可调设计变量N Na a=N Ni i-N Nx x=(2C+6)-(2C+5)=1=(2C+6)-(2C+5)=1V0V1L1L0S有侧线采出的平衡级有侧线采出的平衡级 侧采量侧采量现在学习的是第25页，共25页