设计变量规定优质PPT.ppt

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在所有的变量中，包括，在所有的变量中，包括，分离设备内部各级间的相互连接的设计变量；

分离设备内部各级间的相互连接的设计变量；

（未知变量）（未知变量）分离设备与上、下游设备连接的设计变量；

分离设备与上、下游设备连接的设计变量；

（部分已知和部分未知）（部分已知和部分未知）分离设备自身的设计变量。

分离设备自身的设计变量。

（设计过程自身产生的未知变量）（设计过程自身产生的未知变量）一、为什么要进行设计变量规定一、为什么要进行设计变量规定在单元装置的设计过程中，在单元装置的设计过程中，“分离设备内部各级间的相互连接的设计变量分离设备内部各级间的相互连接的设计变量”为为待待定变量；

定变量；

“分离设备自身的设计变量分离设备自身的设计变量”是由设计结果确定的是由设计结果确定的变变量，亦为待定变量；

量，亦为待定变量；

“分离设备与上、下游设备连接的设计变量分离设备与上、下游设备连接的设计变量”部分部分为为已知变量，部分为未知的待定变量。

已知变量，部分为未知的待定变量。

一、为什么要进行设计变量规定一、为什么要进行设计变量规定按照独立变量数必定等于独立方程数方程的求按照独立变量数必定等于独立方程数方程的求解规则，化工分离设备的设计求解必定要保证所列解规则，化工分离设备的设计求解必定要保证所列出的独立方程数要达到设计变量数。

出的独立方程数要达到设计变量数。

但是，由于分离过程至少需要将原料分离成为但是，由于分离过程至少需要将原料分离成为两个以上组成互不相同的产品，经常性地遇到所列两个以上组成互不相同的产品，经常性地遇到所列出的方程数和设计变量数不一致。

出的方程数和设计变量数不一致。

对于新设计计算对于新设计计算，产品物流未知，一般所列出的独立，产品物流未知，一般所列出的独立方程数较设计变量数少，方程无解；

方程数较设计变量数少，方程无解；

对于现有设备的核算对于现有设备的核算，产品物流已知，一般所列出的，产品物流已知，一般所列出的独立方程数较设计变量数多，方程可能多解；

独立方程数较设计变量数多，方程可能多解；

一、为什么要进行设计变量规定一、为什么要进行设计变量规定l对于设计型计算，独立方程数少于设计变量数，就对于设计型计算，独立方程数少于设计变量数，就必须规定分离产品间的相互关系，最终达到独立变必须规定分离产品间的相互关系，最终达到独立变量数与独立方程数相等，使得方程可以进行求解；

量数与独立方程数相等，使得方程可以进行求解；

l对于核算型计算，由于产品变量可以通过测量而得，对于核算型计算，由于产品变量可以通过测量而得，是已知数据，因此可能造成方程数多于未知变量数。

是已知数据，因此可能造成方程数多于未知变量数。

因此方程求解仍然需要规定一些已知的变量；

一、为什么要进行设计变量规定一、为什么要进行设计变量规定l然而，由于化工分离装置中的测量误差使得采用不然而，由于化工分离装置中的测量误差使得采用不同的已知产品变量导致的计算结果具有很大的差异，同的已知产品变量导致的计算结果具有很大的差异，如何选取设计变量同样是至关重要的问题；

如何选取设计变量同样是至关重要的问题；

l另一方面，规定变量的不同，也将引起方程求解的另一方面，规定变量的不同，也将引起方程求解的困难。

规定变量不当，将可能造成方程收敛的困难。

困难。

一、为什么要进行设计变量规定一、为什么要进行设计变量规定l因此，对于化工分离装置，无论是设计型还是核算因此，对于化工分离装置，无论是设计型还是核算型，都需要进行可靠的设计变量的规定，以保证设型，都需要进行可靠的设计变量的规定，以保证设计计算的可靠性和可收敛性。

计计算的可靠性和可收敛性。

l在按照一定规则所规定设计变量的条件下，方程的在按照一定规则所规定设计变量的条件下，方程的求解的方法的选择就可以依据而行，进行方程计算求解的方法的选择就可以依据而行，进行方程计算求解就变得容易了，同时，模拟的结果的可靠性就求解就变得容易了，同时，模拟的结果的可靠性就得到了保证。

得到了保证。

二、郭氏设计变量规定重要意义二、郭氏设计变量规定重要意义l自自1956年以来，郭慕荪首先提出设计变量规定的方年以来，郭慕荪首先提出设计变量规定的方法以来，该方法以鲜明的特点成为当时设计变量分法以来，该方法以鲜明的特点成为当时设计变量分析的首要方法，为国外绝大多数教科书所采用；

大析的首要方法，为国外绝大多数教科书所采用；

大概是化工领域中国人唯一上教科书的内容；

概是化工领域中国人唯一上教科书的内容；

l经过多年的发展，郭氏法由于太严格、太复杂、容经过多年的发展，郭氏法由于太严格、太复杂、容易出现错误而不再采用；

易出现错误而不再采用；

l但由于郭氏法采用了复杂化为简单，再通过简单构但由于郭氏法采用了复杂化为简单，再通过简单构成复杂最为典型的经验科学方法论而具有重要的意成复杂最为典型的经验科学方法论而具有重要的意义义三、化工设备变量及其相互关系三、化工设备变量及其相互关系1.设计变量设计变量所谓设计变量亦即工艺参数。

主要包括温度，所谓设计变量亦即工艺参数。

主要包括温度，压力，流量，组成，热负荷和理论板数等，不涉及压力，流量，组成，热负荷和理论板数等，不涉及相平衡常数、焓值、物性等热力学和传递性质参数。

相平衡常数、焓值、物性等热力学和传递性质参数。

实际上，当物流的温度、压力、流量和组成参数实际上，当物流的温度、压力、流量和组成参数确定后，其热力学状态，动力学状态以及物性、传确定后，其热力学状态，动力学状态以及物性、传递性质就已经确定了。

因此这里所指的设计变量规递性质就已经确定了。

因此这里所指的设计变量规定统指工艺变量。

定统指工艺变量。

三、化工设备变量及其相互关系三、化工设备变量及其相互关系2.设计变量的类型设计变量的类型化工工艺变量一般分为两类：

化工工艺变量一般分为两类：

强度变量强度变量（IntensiveVariable）和广度变量和广度变量（ExtensiveVariable）。

强度变量强度变量：

指与体系总量无关的变量，如体系温：

指与体系总量无关的变量，如体系温度、压力以及进料位置等度、压力以及进料位置等；

广度变量广度变量：

指与体系总量相关的变量，如流量，：

指与体系总量相关的变量，如流量，热量、理论板数等热量、理论板数等；

三、化工设备变量及其相互关系三、化工设备变量及其相互关系组成是一个最为特别的变量，不同表示方法其组成是一个最为特别的变量，不同表示方法其变量性质是不同的变量性质是不同的：

当组成用分率和百分率来表示时，组成为强度变量，需额当组成用分率和百分率来表示时，组成为强度变量，需额外增加一个总流量变量，但需要减少一个组成变量。

外增加一个总流量变量，但需要减少一个组成变量。

C个个组分的组成关系仅需要规定组分的组成关系仅需要规定C-1个就可以了；

个就可以了；

当组成以净流率描述时，为广度变量，但总流量变量不是当组成以净流率描述时，为广度变量，但总流量变量不是独立的。

独立的。

三、化工设备变量及其相互关系三、化工设备变量及其相互关系3.需要规定的独立变量与独立方程数的关系需要规定的独立变量与独立方程数的关系需规定的独立变量数与变量总数与体系的独立需规定的独立变量数与变量总数与体系的独立方程数有关，具体用如下方程表示方程数有关，具体用如下方程表示：

NV表示体系总的变量数；

表示体系总的变量数；

NE表示体系总的独立方程数；

表示体系总的独立方程数；

ND表示体系需规定的独立变量数。

表示体系需规定的独立变量数。

系系统统的的独独立立变变量量数数可可由由出出入入系系统统的的各各物物流流的的独独立立变变量量数以及系统与环境进行能量交换情况来决定。

数以及系统与环境进行能量交换情况来决定。

根根据据相相律律，对对任任一一单单相相物物流流，描描述述它它的的自自由由度度数数f=C-+2，其中，其中C为组分数，为组分数，为相数。

为相数。

但但应应注注意意，相相律律所所指指的的自自由由度度是是指指强强度度性性质质的的变变量量，而而完完全全地地描描述述物物流流除除强强度度性性质质外外必必须须加加上上物物流流的的数数量量。

即即对任一单相物流，其独立变量为对任一单相物流，其独立变量为Nv=f+1=（C-1+2）+1=C+2。

系系统统与与环环境境有有能能量量交交换换时时，Nv应应相相应应增增加加描描述述能能量量交交换换的的变变量量数数。

例例如如，有有一一股股热热量量交交换换时时，应应增增加加一一个个变变量量数数；

既既有有一一股股热热量量交交换换又又有有一一股股功功交交换换时时，则则增增加加两两个个变变量数等。

量数等。

三、化工设备变量及其相互关系三、化工设备变量及其相互关系独独立立方方程程数数包包括括：

物物料料平平衡衡、能能量量平平衡衡、相相平平衡衡、化化学学平平衡衡及及内内在关系式。

在关系式。

（1）根据物料平衡，对有根据物料平衡，对有C个组分的系统，一共可写出个组分的系统，一共可写出C个物料衡算个物料衡算式。

式。

（2）能量衡算式则不同，对每一系统只能写一个能量衡算式。

能量衡算式则不同，对每一系统只能写一个能量衡算式。

（3）相平衡关系是指处于平衡的各相温度相等、压力相等，以及组相平衡关系是指处于平衡的各相温度相等、压力相等，以及组分分i在各相中的逸度相等。

后者表达的是相平衡组成关系，可写在各相中的逸度相等。

后者表达的是相平衡组成关系，可写出出C（-1）个方程式，其中个方程式，其中为平衡相的数目。

为平衡相的数目。

（4）内在关系通常是指约定的关系，例如物流间的温差、压降的关系内在关系通常是指约定的关系，例如物流间的温差、压降的关系式等。

式等。

三、化工设备变量及其相互关系三、化工设备变量及其相互关系三、化工设备变量及其相互关系三、化工设备变量及其相互关系上式看似十分简单，但计算却非常麻烦，主要上式看似十分简单，但计算却非常麻烦，主要的难点在于的难点在于NE的计算问题的计算问题；

鉴于体系的复杂性，变量数及方程数极多，因鉴于体系的复杂性，变量数及方程数极多，因此需规定的独立变量数计算极为烦琐，易于出错。

此需规定的独立变量数计算极为烦琐，易于出错。

按照复杂装置可看作为由各个基本单元共同构成按照复杂装置可看作为由各个基本单元共同构成的体系，郭氏法采用了的体系，郭氏法采用了“复杂化为简单，再通过简复杂化为简单，再通过简单构成复杂单构成复杂”的处理方法，通过对各个基本单元的的处理方法，通过对各个基本单元的分析，最后来构成一个复杂体系的策略来进行分析。

分析，最后来构成一个复杂体系的策略来进行分析。

四、四、基本单元变量规定分析基本单元变量规定分析1）流股变量流股变量（SingleStream）2）绝热平衡级绝热平衡级3）与外