物料衡算和能量衡算分解课件.ppt
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- 物料 能量 分解 课件
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1、物料衡算和能量衡算2022-11-211 物料衡算和能量衡算是工艺设计中最基本的设计内容物料衡算和能量衡算是工艺设计中最基本的设计内容,一切化工过一切化工过程的开发、设计、操作都是以物料平衡与能量平衡为基础的。其中物料程的开发、设计、操作都是以物料平衡与能量平衡为基础的。其中物料衡算是工艺设计的基础衡算是工艺设计的基础,一般,在物料衡算之后,才能进行能量衡算。一般,在物料衡算之后,才能进行能量衡算。物料衡算的目的:物料衡算的目的:找出原料与产品间的定量关系;找出原料与产品间的定量关系;弄清物料的来龙去脉,对化工过程进行模拟,挖掘设备的生产能力弄清物料的来龙去脉,对化工过程进行模拟,挖掘设备的生
2、产能力及改造现有的设备;及改造现有的设备;对于设计型的衡算,则要确定原料的消耗量及三废的生成量,以利对于设计型的衡算,则要确定原料的消耗量及三废的生成量,以利于合理组织生产与环境控制;于合理组织生产与环境控制;物料衡算是工艺设计计算的基础,用以确定设备的型式、规格、个物料衡算是工艺设计计算的基础,用以确定设备的型式、规格、个数,管路设施及公用工程等。数,管路设施及公用工程等。概概 述述2022-11-212 物料衡算有两种情况,一种是对已有的生产设备或装置,利用实际物料衡算有两种情况,一种是对已有的生产设备或装置,利用实际测定的数据,算出另一些不能直接测定的物料量。用此结果对生产情况测定的数据
3、,算出另一些不能直接测定的物料量。用此结果对生产情况进行分析、做出判断、提出改进措施。进行分析、做出判断、提出改进措施。另一种是设计一种新的设备工装置,根据设计任务,先做物料衡算,另一种是设计一种新的设备工装置,根据设计任务,先做物料衡算,求出进出各设备的物料量,然后再做能量衡算,求出设备或过程的热负求出进出各设备的物料量,然后再做能量衡算,求出设备或过程的热负荷,从而确定设备尺寸及整个工艺流程。荷,从而确定设备尺寸及整个工艺流程。概概 述述2022-11-213 物料衡算的理论依据是质量守恒定律,即在一个孤立的物系中,物料衡算的理论依据是质量守恒定律,即在一个孤立的物系中,不论物质发生任何变
4、化,它的质量始终不变。不论物质发生任何变化,它的质量始终不变。系统中的物料衡算一般表示式为系统中的物料衡算一般表示式为AOIGGGOIGG 对于稳态、无化学反应的过程,上式可写为:对于稳态、无化学反应的过程,上式可写为:概概 述述2022-11-214 进行能量衡算的基础是能量守衡定律,即热力学第一定律进行能量衡算的基础是能量守衡定律,即热力学第一定律WQE 在化工生产中,能量消耗是一项重要的技术经济指标,它是衡在化工生产中,能量消耗是一项重要的技术经济指标,它是衡量工艺过程、设备设计等是否先进合理的主要指标之一。量工艺过程、设备设计等是否先进合理的主要指标之一。EE系统由状态系统由状态1 1
5、到状态到状态2 2能量的变化;能量的变化;)gzu21U()gzu21U(EEE1211222221 Q Q加入系统中的热量;加入系统中的热量;WW系统对环境所做的功,包括体积功和轴功。系统对环境所做的功,包括体积功和轴功。概概 述述2022-11-215 对于有物料输入输出的系统,其能量平衡方程式用文字表达如下:对于有物料输入输出的系统,其能量平衡方程式用文字表达如下:流动流动输入系输入系统的能统的能量速率量速率从环境从环境输入热输入热的速率的速率环境对环境对系统做系统做功的功功的功率率流动输流动输出系统出系统的能量的能量速率速率系统内系统内能量累能量累积的速积的速率率+-=概概 述述202
6、2-11-2161 1、画出流程示意图、画出流程示意图 将进行衡算的过程,用框图的形式画出流程示意图。将进行衡算的过程,用框图的形式画出流程示意图。2 2、列出已知数据,包括各种物料的状态,如流量、温度、压力、密度、列出已知数据,包括各种物料的状态,如流量、温度、压力、密度、焓等(注意:所有数据的单位制统一)焓等(注意:所有数据的单位制统一)3 3、画出、画出衡算范围衡算范围-即找出隔离体即找出隔离体4 4、确定衡算基准、确定衡算基准 衡算基准包括以下几个:衡算基准包括以下几个:时间基准时间基准 质量基准质量基准 体积基准体积基准 干湿基准干湿基准物料衡算、能量衡算的基本步骤物料衡算、能量衡算
7、的基本步骤 对于连续的操作过程常以单位时间作为基准,对于间歇的操作过对于连续的操作过程常以单位时间作为基准,对于间歇的操作过程,常以一批物料作为基准程,常以一批物料作为基准5 5、进行物料平衡计算或能量平衡计算、进行物料平衡计算或能量平衡计算2022-11-217物料衡算物料衡算 隔离体中的质量守恒隔离体中的质量守恒 如图所示。取截面如图所示。取截面1-11-1至至2-22-2之间的管段作为衡算范围。之间的管段作为衡算范围。根据质量守恒定律,根据质量守恒定律,进料量出料量进料量出料量 隔离体中的累积量隔离体中的累积量 即:即:dVtAuAu222111 定态流动时:定态流动时:222111Au
8、Au 对不可压缩流体:对不可压缩流体:2211AuAu 对于截面为圆管:对于截面为圆管:222211dudu流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算连续性方程连续性方程2022-11-218常数 2ugzp22ugzp2ugzp22222111 能量衡算能量衡算 理想理想流体流体(=0=0)的的机械能衡算方程机械能衡算方程 理想理想流体流体管流管流的的机械能守恒机械能守恒 又又称为柏努利方程称为柏努利方程流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算 式中式中 pp流体的压强,流体的压强,PaPa z z流体相对于某个基准面的高度,流体相对于某个基准面
9、的高度,m m u u流体的流速,流体的流速,m/sm/s2022-11-219能量衡算能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算f2222e2111h)2u(gzph)2u(gzp 实际实际流体流体管流管流的的机械能守恒(以单位质量流体为衡算基准)机械能守恒(以单位质量流体为衡算基准)-单位质量流体由截面单位质量流体由截面1 1流至截面流至截面2 2的机的机械能损失(即阻力械能损失(即阻力损失),损失),J J;fh-截面截面1 1至截面至截面2 2间外界对单位质量流体间外界对单位质量流体加入加入的机械能的机械能,J;eh)2u(2-某截面上单位质量流体动能的平
10、均值。某截面上单位质量流体动能的平均值。2022-11-2110 不同衡算基准下的柏努利方程:不同衡算基准下的柏努利方程:以单位重量流体为衡算基准,单位为以单位重量流体为衡算基准,单位为m m:ghg2uzgpghg2uzgpf2222e2111 以单位体积流体为衡算基准,单位为以单位体积流体为衡算基准,单位为PaPa:f2222e2111h2ugzph2ugzp 流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算能量衡算能量衡算泵的扬程泵的扬程泵泵的有效的有效压头压头静压静压头头位压位压头头动压动压头头2022-11-2111流动阻力计算流动阻力计算 流体流动阻力类型:流体流动
11、阻力类型:直管阻力:流体流经一定管径的直管时,由于流体内摩擦而产生的直管阻力:流体流经一定管径的直管时,由于流体内摩擦而产生的阻力。阻力。局部阻力:流体流经管路中的管件、阀门以及管截面的突然扩大或局部阻力:流体流经管路中的管件、阀门以及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力。缩小等局部地方所引起的阻力。局直总hhhhf流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算2022-11-211222udlhf流动阻力计算流动阻力计算 直管阻力损失计算式:直管阻力损失计算式:统一表达方法:统一表达方法:式中式中是摩擦系数。是摩擦系数。)(Re,d流体流动过程的物料衡算及能量衡算流
12、体流动过程的物料衡算及能量衡算 R Re e 表示流体流动型态的一个无因次的准数表示流体流动型态的一个无因次的准数duRe2022-11-2113流动阻力计算流动阻力计算流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算 Re 2000Re 4000Re 4000时,流体流动型态为湍流时,流体流动型态为湍流 在二者之间时,流体的流动型态可能是层流,也可能是湍流,依赖在二者之间时,流体的流动型态可能是层流,也可能是湍流,依赖于环境,称为过渡区。于环境,称为过渡区。层流时:层流时:Re64湍流时:湍流时:)Re7.182log(274.11d2022-11-2114流动阻力计算流动阻
13、力计算 可以将可以将ReRe数、相对粗糙度数、相对粗糙度/d/d以及摩擦系数以及摩擦系数的关系,按照上的关系,按照上式制成图线,得到图所示的摩擦系数图。式制成图线,得到图所示的摩擦系数图。实际管的实际管的相对相对粗糙度粗糙度流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算2022-11-21152022-11-2116流动阻力计算流动阻力计算 直管阻力计算步骤:直管阻力计算步骤:Step1Step1:明确使用条件:流体种类、操作温度、压强(求:明确使用条件:流体种类、操作温度、压强(求、););管内径管内径d d、管长、管长l l、相对粗糙度、相对粗糙度/d/d、流量、流量V
14、V或流速或流速u u。)(Re,d Step2Step2:查图(或公式)求:查图(或公式)求。22udlhfStep3Step3:计算阻力:计算阻力流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算2022-11-2117流动阻力计算流动阻力计算 局部阻力计算:局部阻力计算:方法一:方法一:近似认为局部阻力损失服从平方定律:近似认为局部阻力损失服从平方定律:22uhf -局部阻力系数,可由实验测得。局部阻力系数,可由实验测得。流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算2022-11-2118流动阻力计算流动阻力计算 方法二:方法二:近似认为局部阻力损失可以相
15、当于某个长度的直管:近似认为局部阻力损失可以相当于某个长度的直管:l le e-管件的当量长度,由实验测得。管件的当量长度,由实验测得。22udlhef 当量直径:当量直径:流体在流道里的流通截面积与润湿周边长之比。流体在流道里的流通截面积与润湿周边长之比。例:试导出流道截面为圆形、矩形及环行的当量直径。已知:圆直例:试导出流道截面为圆形、矩形及环行的当量直径。已知:圆直径径d d,矩形长和宽为,矩形长和宽为a a和和b b,环形内径和外径为,环形内径和外径为d d1 1和和d d2 2。流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算2022-11-2119流动阻力计算流动阻
16、力计算 解:解:1 1、圆截面:、圆截面:dddAde2444 2 2、矩形截面:、矩形截面:)(2)(244baabbaabAde)()()(44412212122ddddddAde 3 3、环形截面:、环形截面:流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算2022-11-2120泵的有效功率(扬程)的计算泵的有效功率(扬程)的计算流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算 泵的有效功率(扬程)是指单位质量(重量)液体通过泵(由进口泵的有效功率(扬程)是指单位质量(重量)液体通过泵(由进口至出口)所获得的能量的增值(至出口)所获得的能量的增值(W W
17、或米液柱)。或米液柱)。gh)zz()g2ug2u()gpgp(Hf12212212eghgh)zz()g2ug2u()gpgp(Hff12212212e出出口口入入口口2022-11-2121流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算离心泵的效率计算离心泵的效率计算泵的总效率:泵的有效功率与轴功率的比值称为泵的(总)效率。泵的总效率:泵的有效功率与轴功率的比值称为泵的(总)效率。NHgqNNeveH He e 泵的有效压头,即单位重量液体自泵处净获得的能量,泵的有效压头,即单位重量液体自泵处净获得的能量,m m;q qv v 泵的实际流量,泵的实际流量,m m3 3/s
18、/s;液体的密度,液体的密度,kg/mkg/m3 3;Ne Ne 泵的有效功率,即单位时间内液体从泵处获得的机械能,泵的有效功率,即单位时间内液体从泵处获得的机械能,W W N N 由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率,由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率,W W2022-11-2122管路计算管路计算 分支与汇合管路计算:分支与汇合管路计算:分支与汇合管路分支与汇合管路流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算2022-11-2123 流体输送管路计算管路计算管路计算 例:例:用 长 度用 长 度 l l=5 0 m,=5 0 m,直 径直 径 d d1 1=25mm=
19、25mm 的总管的总管,从高度从高度z=1Om z=1Om 的水的水塔向用户供水。在用水处水平安装塔向用户供水。在用水处水平安装 d d2 2=1Omm=1Omm 的支管的支管1010个个,设总管的摩擦设总管的摩擦系数系数=0.03=0.03,总管的局部阻力系总管的局部阻力系数数 。支管很短支管很短,除阀门阻除阀门阻力外其他阻力可以忽略力外其他阻力可以忽略,试求试求:201 计算用图计算用图 (1 1)当所有阀门全开当所有阀门全开 (=6.4)(=6.4)时时,总流量为多少总流量为多少 m m3 3/s?/s?(2 2)再增设同样支路)再增设同样支路1010个,各支路阻力同前,个,各支路阻力同
20、前,总流量总流量有何变化有何变化?2022-11-2124 流体输送管路计算管路计算管路计算 解答:解答:(1 1)忽略分流点阻力,在液面)忽略分流点阻力,在液面1 1与支管出口端面与支管出口端面2 2间列机械能衡算间列机械能衡算式得:式得:22222222111uuudlzg 由质量守恒式得:由质量守恒式得:2222122216.125101010uududu 代入上式得:代入上式得:16.122112dlgzu2022-11-2125 流体输送管路计算2212222212.325102020uududu管路计算管路计算 (2 2)如增设)如增设1010个支路则个支路则smqV/1056.7
21、962.001.0785.010342smu/962.014.66.120025.05003.01081.92222022-11-2126 流体输送管路计算管路计算管路计算smqV/1065.7487.001.0785.020342sm/487.014.62.320025.05003.01081.92212.322112dlgzu 支路增加一倍,总流量只增加支路增加一倍,总流量只增加%2.156.756.765.72022-11-2127管路计算管路计算 关于交接点关于交接点0 0处的能量交换和损失,有两种解决方案:处的能量交换和损失,有两种解决方案:若输送管路的其它部分阻力较大,例若输送管路
22、的其它部分阻力较大,例 L/d1000L/d1000,长管之三通阻,长管之三通阻力可以忽略不计,则对于图示的情况,列下列方程:力可以忽略不计,则对于图示的情况,列下列方程:单位质量流体跨越交接点的能量变化看作流过三通管的局部阻单位质量流体跨越交接点的能量变化看作流过三通管的局部阻力损失,由实验力损失,由实验测得测得的值。的值。2332222112332113122221121d4ud4ud4u2u)dl(2u)dl(2u)dl(2u)dl(流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算2022-11-2128管路计算管路计算 并联管路计算:并联管路计算:并联管路规律:并联管路
23、规律:ffffhhhh321 (1 1)支管阻力相等:)支管阻力相等:335322521151321:ldldldqqqVVV (2 2)支管流量关系:)支管流量关系:并联管路并联管路 (3 3)总流量与支管流量关系:)总流量与支管流量关系:321VVVVqqqq流体流动过程的物料衡算及能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算2022-11-2129 流体输送管路计算管路计算管路计算 计算用例计算用例:在在上上图所示的输水管路中图所示的输水管路中,已知水的总流量为已知水的总流量为 3m3m3 3/s/s,水温为水温为 20 20。各支管总长度分别为各支管总长度分别为 l l1 1=1200m=
24、1200m,l l2 2=1500m=1500m,l l3 3=800m=800m;管径管径 d d1 1=600 mm,d=600 mm,d2 2=500 mm=500 mm,d3=800 mmd3=800 mm;求求 AB AB 间的阻力损失及各间的阻力损失及各管的流量。已知输水管为铸铁管管的流量。已知输水管为铸铁管 ,=0.3 mm=0.3 mm。解:假设解:假设各支管的流动进入平方阻力区:各支管的流动进入平方阻力区:000375.08003.0 ,0006.05003.0 ,0005.06003.0332211ddd 查图,得查图,得:6 015.0 ,0177.0 ,017.0321
25、162.0:0343.0:0617.0 8000156.08.0:15000177.05.0:1200017.06.0:555321vvvqqq 则:则:2022-11-2130 流体输送管路计算管路计算管路计算 以下校核以下校核值:值:又又:smqqqvvv33213dqdqdduvv44Re2 查表得知:查表得知:331000 ;101mkgsPasmqsmqsmqvvv33323188.1)162.00343.00617.0(3162.040.0)162.00343.00617.0(30343.072.0)162.00343.00617.0(30617.0 故:故:2022-11-213
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