化工分离过程(31设计变量)(第5讲)

1、 化工分离过程 Chemical Separation Processes第三章 多组分多级分离过程 分析与简捷计算1第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算2第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算多组分精馏：组分数 c2求解的变量数目较多变量分析塔内分布复杂过程分析计算 简捷法：芬斯克恩德伍德吉利兰法（FUG） 萃取精馏简化法 共沸精馏图解法 吸收因子法 逆流萃取集团法 逐板法：严格计算法（第四章内容）3第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算3.1 设计变量 3.1.1 单元的设计变量 3.1.2 装置的设计变量3.2 多组分精馏过程（普通精馏）3.3 萃取精馏和共沸精馏（特殊精馏）3.

2、4 吸收和蒸出（解吸）过程3.5 萃取过程43.1 设计变量 在任何涉及传热和传质的物理分离过程的设备设计过程中，首要的工作就是进行工艺条件独立变量的规定。 Mooson Kwauk(郭慕荪)，195653.1 设计变量 分离装置的设计的实质就是确定与分离装置相关的各种物理量的具体数值。 这些物理量之间是相互关联的，从数学的观点来看，如果这些物理量具有唯一的数值，这些物理量之间制约关系应该与物理量的数目相等。 在实质分离过程设计中，两者之间常常不相等，为了使分离过程的计算得以进行，设计者通常要预先对其中的一些变量规定数值，设计者规定数值的变量称为设计变量。 63.1 设计变量 设计者首先要确定

3、出需指定变量的具体数目，再选择变量的具体数值。唯一解无数组解无解73.1 设计变量例如二元精馏：可解出：N；（xWA, xDB, R, 进料位置）（F, xF ,q, P）设计变量：确定设计中的已知变量 固有的4个变量 规定的4个变量对于复杂体系变量如何确定？83.1 设计变量设：Nv系统的独立变量数 Nc描述这些独立变量之间的约束关系数设计变量：确定设计变量数（3-1）93.1 设计变量独立变量数 Nv=出入系统的各股物流的独立变量数+ 系统与环境的能量（热、功）交换数相律： x热交换数，功交换数等任意单股物流（一股、单相）：NV=N(c+2)+功进(出)数+能进(出)数只限于轴功（泵）若有

4、N股物流，且有功、能交换：则： 103.1 设计变量 Nc变量之间的约束关系数（独立方程数）包括：（1）物料平衡式 （2）能量平衡式 （3）相平衡式 （4）化学平衡关系式 （5）内在关系式（对c 组分体系有c个） （对一个体系只有1个）（对c组分相体系有c（-1）个） （只考虑无化学反应体系的分离过程，不考虑该约束条件）（指约定的关系，例如：物流间的温差，压力降的关系式等）113.1 设计变量固定设计变量指确定进料物流的那些变量(例如，进料的组成和流量等)以及系统的压力。需要设计者确定的变量设计变量可调设计变量123.1.1 单元的设计变量例1. 分配器 将复杂化工装置分解成简单单元，求三股单

5、相物流，无热量引进和移出。独立变量数为：约束关系： 物料平衡 c 能量平衡 1内在关系: L1和L2 温度、压力相等 2 L1和L2 浓度相等 c-1 2c+2设计变量为： 133.1.1 单元的设计变量例1中的分配器：对于分配器，可调设计变量为：分配比 固定设计变量为： 进料 c+2 压力 1 c+3可调设计变量为：143.1.1 单元的设计变量方程个数物料衡算c热量衡算1相平衡c两相T、P相等2合计2c+3例2. 产物为两相的全凝器其中：可指定为平衡单元温度153.1.1 单元的设计变量方程个数物料衡算c热量衡算1相平衡c两相T、P相等2合计2c+3例3.简单绝热操作理论板 其中：有侧线出

6、料的平衡级？163.1.1 单元的设计变量注意：其中可调设计变量为1的有三类单元。（分配器、侧线采出单元、换热单元）各种单元的设计变量归纳在P56的表3-1中，请大家自己推算。表中共15种单元。组合单元：3种简单单元：12种有浓度变化的：6种无浓度变化的：6种173.1.1 单元的设计变量 若干个简单平衡级所组成的组合单元称为串级。串级单元在精馏塔的变量分析中十分有用。由于串级单元是重复地应用同一种单元（简单平衡级），所以在确定变量总数时，除一般的强度性质（T、P、浓度等）和容度性质（流率）外，应该另加一个变量，以说明不同理论板数所组成的串级单元间的区别。因此，虽然简单平衡级的可调设计变量：但

7、串级单元的183.1.2 装置的设计变量 装置是由若干个单元所组成，各个单元又是依靠单元间的物流而连接成一个装置，因此，整个装置的设计变量应为各单元的设计变量之和。 在装置中某一单元被重复使用时，则应该增加一个变量数以区别于一个这种单元与其他单元连接的情况，这一表示单元重复使用的变量数为重复变量。 此外，由于装置中相互连接的单元之间必有一股或几股物流，在连接的单元之间有了新的约束关系，显然，每一个连接两个单元之间的单相物流将产生(c+2)个约束关系，因此，装置的设计变量为：193.1.2 装置的设计变量装置的设计变量由各单元的设计变量确定：N连接单元之间的单相物流数重复使用一种 单元为Nr=1

8、每一个连接两个单元之间的单相物流将产生c+2个等式203.1.2 装置的设计变量例4. 简单吸收塔（N块理论板串级）（重复使用理论板）为12（N-1）股汽、液流量变量数相等查表3-1：213.1.2 装置的设计变量吸收塔的设计变量：其中：一般指定为理论板数或关键组分吸收率此方法易混淆！223.1.2 装置的设计变量（1）按每一股单相物流有（c+2）个变量，计算进料物流所 确定的固定设计变量数；（2）确定装置中具有不同压力的数目；（3）上述两项之和即为装置的固定设计变量数；（4）将串级单元数，分配器数，侧线采出单元数以及传热单 元的数目相加，便是装置的可调设计变量数。 （*表3-1中Na=1的单

9、元）（5）装置的设计变量：简便、可靠的确定装置设计变量的郭氏原则：233.1.2 装置的设计变量（1）固定设计变量的指定： 每股物流的温度、压力、流率和(c-1)个组成共有(c+2)个 注：多股进料时为c1+2+c2+2+ 各单元压力：平衡级（包括再沸器） N 冷凝器 1 分配器 1 应与前面的方法相互对应。设计变量的指定：（2）可调设计变量的指定 有核算型和设计型之分； 要注意比较两种指定方法的异同点。243.1.2 装置的设计变量例5. 简单精馏塔单元Na换热单元2回流分配器1串级单元2侧线采出单元0合计5253.1.2 装置的设计变量进料（T、P、F、组成c-1）c+2每级压力（包括再沸

10、器）N全凝器压力1回流分配器压力1合计c+N+4（固定设计变量指定）（可调设计变量指定）回流温度（泡点）1回流比1适宜的进料位置1塔底某组分浓度1塔顶某组分浓度1合计5263.1.2 装置的设计变量例6. 分析带有侧线采出的精馏塔的设计变量数，塔顶为全凝器，塔釜有再沸器，忽略塔内压降。 进料 c+2 压力 1 c+3（固定设计变量）解:（1）（固定设计变量） （2）换热单元2回流分配器1串级单元3侧线采出单元1合计7273.1.2 装置的设计变量进料（T、P、F、组成c-1）c+2塔的操作压力1塔顶馏出液中轻关键组分浓度1塔釜出料中重关键组分浓度1侧线采出位置及采出量2回流温度、回流比、进料位置3 （3）（固定设计变量指定）（4）（可调设计变量指定）