传质分离课件

传质分离课件第一页，共四十六页，2022年，8月28日

设计多组分、多级、多相的分离问题，首先要确定各物理量的数值，如温度、压力、组成、流率、热负荷、理论平衡级等等，这些物理量都是相互关联相互制约的，要解决这种复杂分离设备的设计问题，必须确定足够多的设计变量数，使得未知变量数等于独立方程式的数，这样才有可能获得正确的结果，完成设计任务。倘若所选择的设计变量数不正确，就可能使所求的量出现多解或不合理的解。但设计者如何来确定所需的设计变量数呢？第二页，共四十六页，2022年，8月28日公式

郭慕荪教授所建立的方法

ND=NV-NE

式中：ND—设计变量数

NV—总变量数 NE—独立方程数

NDthenumberofindependentvariables

NVallpertinentvariables

NEthetotalnumberofindependentequations第三页，共四十六页，2022年，8月28日求设计变量数ND的方法:首先列举出过程有关的全部变量Nv，然后再减去与各变量有关的独立方程总数NE

首先我们分析一下化工中的变量类型和独立方程数的确定方法。第四页，共四十六页，2022年，8月28日变量类型强度变量(intensivevariables)

几何变量(geometryvariables)

设备参数(equipmentparameters)强度变量：组成，温度，压力几何变量：流率，传热量设备参数：平衡级数，进料位置第五页，共四十六页，2022年，8月28日独立方程物料衡算方程M相平衡方程E焓衡算方程H约束方程S温度恒等、压力恒等(离开平衡级的物料）其他特定情况下的特殊关系第六页，共四十六页，2022年，8月28日指定的原则

当设计独立变量数被确定以后，重要的是在这些设计变量当中，那些是需要由设计者来指定的。指定的原则：需要设定的独立变量数必须等于由设备结构(如塔的平衡级数、进料股数、进料位置、侧线出料股数、侧线出料位置等等)和由外部手段所能控制的(如系统温度、压力、进料组成、进料流率等)给定变量数之和。第七页，共四十六页，2022年，8月28日单元设计变量1)单股物流StreamVariables Nv变量：组分浓度 C

温度 1

压力 1

流速 1 C+3个

Nv=C+3NE

独立方程1ND设计变量ND=NV-NE=C+2

第八页，共四十六页，2022年，8月28日设计变量指定：

(C-1)个组分的组成C-1

温度T1

压力P1

总流量F1C+2第九页，共四十六页，2022年，8月28日

NV=4(C+3)=4C+12V入V出L出L入绝热平衡级2)绝热平衡级AdiabaticEquilibriumStage

第十页，共四十六页，2022年，8月28日

Equations NumberofEquations M方程 C E方程 C H方程1 S方程 4 TVout=TLout 1 PVout=PLout1 NE=2C+7

第十一页，共四十六页，2022年，8月28日Equations NumberofEquationsComponentmaterialbalancesC-1Totalmaterialbalance 1PhaseequilibriumrelationshipsC Energybalance1 Molefractionconstraintsinenteringandexitingstreams4Temperatureequality TVout=TLout 1Pressureequality PVout=PLout1 NE=2C+7第十二页，共四十六页，2022年，8月28日ND=NV-NE=(4C+12)-(2C+7)=2C+5

指定方框内的设计变量入口物流：TV、PV、V、y1、y2、…yc-1、yc

入口物流：TL、PL、L、x1、x2、…xc-1、xc

出口物流：TV´、PV´、V´、y1´、y2´、…yc-1´、yc

´

出口物流：TL´、PL´、L´、x1´、x2´、…xc-1´、xc´

设计变量

Specificationofthese2C+5variablespermitscalculationoftheunknownvariablesLout,Vout,yc,xc,all(xi)LOUT,Tout,andall(yi)Vout.第十三页，共四十六页，2022年，8月28日设计变量的指定ND=2C+5两股进料组成、温度、压力、流量另外一个变量：平衡级的操作压力C-1111第十四页，共四十六页，2022年，8月28日VariableSpecificationNumberofVariablesComponentmolefractions,(xi)LINC-1Totalflowrate,LIN1Componentmolefractions,(yi)VINC-1Totalflowrate,VIN1TemperatureandpressureofLIN2TemperatureandpressureofVIN2Stagepressure(PVoutorPLout

)1

ND=2C+5第十五页，共四十六页，2022年，8月28日

3)全凝器和再沸器

它们各有两股物流和一股热量的进(或出)，所以独立变量总数为：

NV=2(C+3)+1=2C+7V入L出QL入V出Q全凝器再沸器第十六页，共四十六页，2022年，8月28日

独立方程式名称 方程式数 组分物料平衡式 C-1

总物料平衡式 1

热焓衡算式 1

摩尔分率约束式 2 NE=C+3ND=NV-NE=(2C+7)-(C+3)=C+4第十七页，共四十六页，2022年，8月28日

设计变量的指定ND=C+4

组成、流量、温度、压力C+2个输出液体温度、压力2个第十八页，共四十六页，2022年，8月28日

4).部分冷凝和部分汽化器

它们各有三股物流和一股热量的进(或出)，所以独立变量总数为：

NV=3(C+3)+1=3C+10L入V出Q部分汽化器V入V出Q分凝器L出L出第十九页，共四十六页，2022年，8月28日

独立方程式名称 方程式数 组分物料平衡式 C-1

总物料平衡式 1

热焓衡算式 1 3 C 1 1

NE=2C+6

摩尔分率约束式相平衡关系式温度等式压力等式第二十页，共四十六页，2022年，8月28日ND=NV-NE=(3C+10)-(2C+6)=C+4设计变量指定：进料组成、温度、压力、流量C+2系统压力Pout1个系统温度Tout1个也可指定气液比V/L1个和操作压力1个第二十一页，共四十六页，2022年，8月28日

5).带有热量传递的平衡级

有四股物流和一股热量，所以独立变量总数为：

NV=4(C+3)+1=4C+13V入V出L出L入绝热平衡级Q第二十二页，共四十六页，2022年，8月28日

独立方程式名称

方程式数

组分物料平衡式 C-1

总物料平衡式 1

热焓衡算式

1 4 C 1 1

独立方程式数

NE=2C+7

摩尔分率约束式相平衡关系式温度等式压力等式第二十三页，共四十六页，2022年，8月28日

ND=NV-NE=(4C+13)-(2C+7)=2C+6设计变量

设计变量的指定ND=2C+6两股进料组成、压力、温度、流量2(C+2)平衡级的操作压力P1

传热量Q1第二十四页，共四十六页，2022年，8月28日

6).带有热量传递和进料的平衡级

有 五股物流和一股热量，所以独立变量总数为：

NV=5(C+3)+1=5C+16V入V出L出L入绝热平衡级QF第二十五页，共四十六页，2022年，8月28日带有热量传递和进料的平衡级

6).带有热量传递和进料的平衡级

有 五股物流和一股热量，所以独立变量总数为：

NV=5(C+3)+1=5C+16V入V出L出L入绝热平衡级QF第二十六页，共四十六页，2022年，8月28日

独立方程式名称

方程式数

组分物料平衡式

C-1

总物料平衡式

1

热焓衡算式

1 5 C 1 1

独立方程式数

NE=2C+8

摩尔分率约束式相平衡关系式温度等式压力等式第二十七页，共四十六页，2022年，8月28日

所以：设计变量数为：

ND=NV-NE=(5C+16)-(2C+8)=3C+8设计变量

进料组成、T、P、V(三个流股VLF)：

3(C+2)个平衡级:压力PvoutorPLout1个温度TvoutorTLout1个第二十八页，共四十六页，2022年，8月28日

7).带有热量传递和侧线的平衡级

有 五股物流和一股热量，所以独立变量总数为：

NV=5(C+3)+1=5C+16V入V出L出L入

平衡级QS第二十九页，共四十六页，2022年，8月28日

组分物料平衡式

C-1

总物料平衡式

1

热焓衡算式

1 5 C 1 1

侧线物流摩尔分率等式

C-1

侧线物流温度等式

1

侧线物流压力等式

1NE=3C+9摩尔分率约束式相平衡关系式温度等式压力等式第三十页，共四十六页，2022年，8月28日

所以：设计变量数为：

ND=NV-NE=(5C+16)-(3C+9)=2C+7进料:组成、T、P、V：2(C+2)个平衡级:压力PvoutorPLout1个温度TvoutorTLout1个侧线量：S或S/LOUT1个第三十一页，共四十六页，2022年，8月28日

8).带有热量传递、进料物流和侧线的平衡级

有六股物流和一股热量，所以独立变量总数为：

NV=6(C+3)+1=6C+19V入V出L出L入

平衡级QSF第三十二页，共四十六页，2022年，8月28日

组分物料平衡式

C-1

总物料平衡式

1

热焓衡算式

1 6 C 1 1

侧线物流摩尔分率等式

C-1

侧线物流温度等式

1

侧线物流压力等式

1NE=3C+10摩尔分率约束式相平衡关系式温度等式压力等式第三十三页，共四十六页，2022年，8月28日

所以：设计变量数为：

ND=NV-NE=(6C+19)-(3C+10)=3C+9

进料:组成，T，P，F3(C+2)=3C+6

平衡级:压力1

温度1

侧线量SorS/Lout1设计变量

第三十四页，共四十六页，2022年，8月28日

9).混合器、分配器、分相器

(I)混合器：

混合器是三股物流，没有相变化，有热交换，但三股物流的温度、压力、组成和流率均不同，所以独立变量总数为：

NV=3(C+3)+1=3C+10L入IL出L入IIQ第三十五页，共四十六页，2022年，8月28日

独立方程式名称

方程式数

组分物料平衡式

C-1

总物料平衡式

1

热焓衡算式

1

摩尔分率约束式

3

独立方程式数

NE=C+4

设计变量数为：

ND=NV-NE=(3C+10)-(C+4)=2C+6第三十六页，共四十六页，2022年，8月28日

(II)分配器：分配器有三股组成相同的物流，但温度压力不同，两股出口物流的温度、压力和组成相同，但流率不同，物流均没有相变化，所以，独立变量总数为：

NV=3(C+3)+1=3C+10L出IL入L出IIQ第三十七页，共四十六页，2022年，8月28日

独立方程式名称

方程式数

组分物料平衡式

C-1

总物料平衡式

1

热焓衡算式

1

摩尔分率约束式

3

出口物流温度等式

1

出口物流压力等式

1

出口物流组成等式

C-1

独立方程式数

NE=2C+5ND=NV-NE=(3C+10)-(2C+5)=C+5第三十八页，共四十六页，2022年，8月28日

ND=NV-NE=(3C+10)-(2C+5)=C+5

进料：组成、温度、压力、流量C+2

出料：温度１压力1L2

与L３的关系1第三十九页，共四十六页，2022年，8月28日

(II)分相器：

分相器有三股物流，其温度、压力、组成及流率均不同，物流没有相变化但有浓度变化，所以，独立变量总数为：

NV=3(C+3)+1=3C+10

L出IL入L出IIQ三个流股组成不同两个出料流股未达平衡第四十页，共四十六页，2022年，8月28日

独立方程式名称

方程式数

组分物料平衡式