化工系统工程 第二章 化工单元过程模型化及其单元模块.pptVIP

第二章 化工单元过程模型化及其单元模块 化工单元过程模型化及其单元模块 要点： 1）单元模型模块；模型分类及适用范围；过程系统工程对模型的要求。 2）单元模型的自由度；单元模型的分类；单元模型的建立方法。 数学模型：通常为一组数学方程组，包括代数方程组、常（偏）微分方程组、积分方程组或差分方程组，相应称为代数模型、微分模型、积分模型和差分模型，有的单元模型甚至可以是上述几种方程混合而成。 模型化的基本概念 机理模型、统计模型和混合模型 机理模型：由过程机理出发，经推导得到，并得到实验验证。如流体静力学方程。 统计模型：根据小试或工业实际数据拟合或回归得到纯经验的数学关系式。如比热计算式。 混合模型：对实际过程进行抽象概括和合理简化，然后对简化的物理模型加以数学描述得到的数学关系式。又称半经验半理论模型。如关联式。 模型化的基本概念 模型的数学描述 列出有关变量：包括 单元过程输人、输出流股变量中的独立变量。 与过程有关的设备特性参数和操作参数。 单元过程从外界得到（或向外界放出）的热量和功。 列出表示各物流之间有关变量约束关系的全部独立方程 方程包括：物料衡算方程有量衡算方程、动量衡算方程、压力平衡方程、化学平衡方程、相平衡方程、反应动力学方程、传热速率方程、传质速率方程、流动阻力方程。 注意这些方程应该是互相独立的，否则是冗余的，有可能导致方程组无解。 模型化的基本概念 单元模型的自由度 物化中：自由度F=组分数-相数+2 系统工程中： 自由度D=独立变量数L-独立方程数M 自由度含义：物化中确定状态，系统工程中确定方程组唯一解。 状态变量S、过程参数U、几何变量G、决策变量D。 决策变量D可以是上述部分变量之一或组合。 注意：描述单元的方程数为独立方程。 化工单元模型和模块 常见的化工单元过程的数学模型和模块 化工过程中，通常有以下几种类型的单元操作模型 1）钝性流动器械：流股混合器和流股分割器。 2）活性分离器械：精馏塔、吸收塔和萃取塔等。 3）平衡级器械：闪蒸器（等温闪蒸、绝热闪蒸）等。 4）压力变化器械：泵、压缩机、膨胀机、真空泵等。 5）温度变化器械：换热器、再沸器、冷凝器、冷却器。 6）化学反应器：转化率反应器、化学平衡反应器、动力学反应器等。 7）耦合型器械：反应精馏、反应吸收等耦合操作过程。 8）其他器械：沉淀、结晶、干燥等操作过程。 化工单元模型和模块 常见的化工单元过程的数学模型和模块 混合器模块 方法1： 方法2： 变量数L=n(C+3) 变量数L=n(C+2) 方程数M=n+C+2 方程数M=C+2 归一 物衡 焓、压 D=(n-1)(C+2) D=(n-1)(C+2) 化工单元模型和模块 常见的化工单元过程的数学模型和模块 分割器模块 方法1： 方法2： 变量数L=3(C+3)+1 变量数L=3(C+2) +1 方程数M=2（C+3）+1 方程数M=2（C+2） 等温、等压、物衡式各2个； 2（C-1)个分率式；3个归一式 D=(n-1)(C+2) D=(n-1)(C+2) 化工单元模型和模块 常见的化工单元过程的数学模型和模块 无相变换热模块1 变量数L=2(C+3)+1 方程数M=C+4 1个焓平、1个压平、 C个物衡、2个归一 D=C+3 无相变换热模块2 变量数L=4(C+3) 方程数M=2C+8 1个焓平、2个压平、2C个物衡、 4个归一、1个传热 D=2（C+2） 化工单元模型和模块 常见的化工单元过程的数学模型和模块 气液分离器模块 变量数L=3(C+3) 方程数M=2(C+3)+1 2个等温、2个等压、 C1个相平衡、C个物衡、 3个归一、(C-C1)个溶解度 D=C+2 化工单元模型和模块 常见的化工单元过程的数学模型和模块 组分分离器模块 变量数L=3CN+6N+(2C+4)NF+2(NQ+NG+NS)+1 方程数M=3CN+5N+(C+2)NF D=(C+2)NF+N+2(NQ+NG+NS )+1 化工单元模型和模块 通用模型的建立方法 写出关键反应（P30例） 写出原