化工设计复习思考题.ppt

* 《化工设计》课程流程模拟部分复习思考题 《化工设计》课程复习思考题 关于化工流程模拟技术。 是以工艺过程的机理模型为基础，采用数学方法来描述化工过程，通过应用计算机辅助计算手段，进行化工过程的物料衡算、能量衡算、设备尺寸估算和能量分析，作出环境和经济评价。它是化学工程、化工热力学、系统工程、计算方法以及计算机应用技术的结合产物，是近几十年发展起来的一门新技术。该技术主要通过化工流程模拟软件的使用来实现。 化工过程模拟的基本方法：通过数学模拟方法分析流程。 化工过程模拟的基本步骤：建立化工系统的数学模型，通过对该数学模型的求解，以研究流程系统的整体特性。 化工过程数学模型的构成： 系统数学模型 单元过程数学模型 系统结构数学模型 模型求解计算方法（算法） 物性数据库 8.1.2 化工流程模拟基础 模型的数学描述（由物理模型推导数学模型的步骤） 列出有关变量 物流变量中的独立变量：C+2个独立变量（C：组分数） 设备参数与操作参数 与外界的热量与功的交换 列出全部的独立方程 物流衡算，能量衡算，动量衡算 压力平衡，化学平衡，相平衡 反应动力学，传热速率，传质速率，流动阻力 单元过程数学模型概述 8.1.2 化工流程模拟基础 模型的自由度（独立变量数） 在求解模型之前，通过自由度分析确定独立变量数，可避免由设定不足或设定过度而引起的方程无解问题。 m个变量，n个方程， m n，方程组有无穷多个解； m n，方程组无解； m = n，方程组有唯一一组解； 变量数m和方程个数n之间的差值即为自由度（Fr），即 Fr = m - n 单元过程数学模型概述 8.1.2 化工流程模拟基础 1. 流股混合器 组分数为C，i = 1,2,3，…，C 过程绝热 变量数为 m = 3（C+2） 过程独立方程 压力平衡 物料衡算 焓平衡 独立方程数：n = C + 2 自由度 Fr = m – n = 3(C+2)-(C+2)=2(C+2)=2C+4 通过确定(2C+4)个独立变量的值，可对此混合器进行模拟计算。 1个 1个 C个 过程单元模型和模块 8.1.2 化工流程模拟基础 2. 绝热闪蒸器 组分数为C，i = 1,2,3，…，C 三股物流，独立变量数为： m = 3(C+2) 过程单元模型和模块 8.1.2 化工流程模拟基础 3. 绝热闪蒸器 过程独立方程 压力平衡 热平衡 物料衡算 相平衡 焓平衡 共有(2C+3)个独立方程 自由度 Fr = 3(C+2)-(2C+3) = C+3 需要确定输入物流的(C+2)个变量 + 输出物流的一个变量。 1个 1个 C个（C个组分） 1个 C个 过程单元模型和模块 8.1.2 化工流程模拟基础 4. 无相变换热器 变量分析： 物流变量： 传热面积 A 和传热系数 K； 变量总数：10 （无组分变化） 过程单元模型和模块 8.1.2 化工流程模拟基础 过程独立方程 物料衡算 热量衡算 传热速率 独立方程数：4 自由度 Fr = 10 – 4 = 6 2个 1个 1个 过程单元模型和模块 8.1.2 化工流程模拟基础 6. 间歇蒸馏釜 t 时刻的物料量 = (t + dt) 时刻的物料量 釜内液体量 ，组成 模型简化假设：气液两相达到相平衡 对于间歇过程，各个变量随时间变化 根据不同时刻的总物质量相等，考虑在时间微团dt内物料的变化进行物料衡算 在dt时间内，气化量 ，气相组成 ，液相组成变化 过程单元模型和模块 8.1.2 化工流程模拟基础 数学模型： 物料衡算方程 边界条件 相平衡方程 馏出液平均浓度 ，经时间 后的馏出总量 过程单元模型和模块 8.1.2 化工流程模拟基础 结构单元图（单元与物流） 除去“循环机”与“冷却器” （无物流变量的变化） 加入“混合器” 氨合成系统的结构单元图 过程系统的结构模型 8.1.2 化工流程模拟基础 过程矩阵 (Process Matrix), 矩阵行的序号与结构单元的序号对应，各行中矩阵元素的数值为与该单元有关的物流号； 流入该单元的物流号取正值，流出取负值； 有关物流的次序是任意的。 -5 -4 3 3 -3 2 2 -2 5 1 1 有关物流号 结构单元号 -5 -4 3 0 -3 2 -2 5 1 过程系统的结构模型 8.1.2 化工流程模拟基础 关联矩阵 (Incidence Matrix), 矩阵行序号对应与结构单元号；列序号对应物流号；矩阵中每个元素的位置对应一个结构单元和一股物流； 矩阵i行j列的元素值 若为1，表示物流j流入单元i； 若值为-1，则表示物流j流出单元i； 若