《化工分离工程》课件第3讲分离过程

分离过程第2章单级平衡过程?分离过程第2章单级平衡过程?1设计变量提出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。设计变量提出分离装置的设计的实质就是确定与分离装置相关的各2设计变量分类设计变量单元设计变量装置设计变量设计变量分类设计变量单元设计变量装置设计变量3设计变量分类设计变量固定设计变量可调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)以及系统的压力需要设计者确定的变量设计变量分类设计变量固定设计变量可调设计变量指确定进料物流的4设计变量的计算原则根据设计变量的定义，可以很容易得出设计变量的计算公式其中：NiNvNc分别设计变量数，描述系统的独立变量数和这些变量之间的约束关系。如果知道了描述系统的独立变量的数目和这些独立变量之间的约束关系，很容易统计出设计变量数。设计变量的计算原则根据设计变量的定义，可以很容易得出设计变量5系统独立变量（Nv)的计算描述系统的独立变量数可以由进出系统的物流和系统与环境进行能量交换的情况确定具体的原则为：对一单相物流，其独立变量为：如果系统与环境有能量交换，则独立变量应该加上描述能量交换的变量数，如有一股热交换，又有一股功交换，则应该再加上两个设计变量，即：系统独立变量（Nv)的计算描述系统的独立变量数可以由进出系统6独立变量之间约束关系独立变量之间的约束关系包括：1物料平衡关系（对C组分体系有C个）2能量平衡关系（对一个体系只有一个）3相平衡关系（对C组分π相体系有C（π+1）个）4化学平衡关系（分离过程只考虑无化学反应的体系，不考虑该约束条件）5内在关系（指约定的关系，如物流之间温度，压力降之间的关系等）独立变量之间约束关系独立变量之间的约束关系包括：7简单吸收塔的设计变量该装置由N个绝热操作的简单平衡级构成,因此有:在串级之间有物流2(N+1)个,故有LN+1=SVN=DL1V0=F3N-1N-2N-312N4设计变量可以规定为:固定设计变量:两股进料2C+4每级压力N可调设计变量理论级数1简单吸收塔的设计变量该装置由N个绝热操作的简单平衡级构成,因8装置设计变量统计举例分析如图所示精馏装置的设计变量（分为6个单元）单元设计变量全凝器C+4回流分配器C+4N-（M+1）板的平衡级2C+（N-M-1）+5进料级3C+7（M-1）板的平衡串级2C+（M-1）+5再沸器C+4设计变量10C+N+27单元之间有9股物流，故装置的设计变量为:固定设计变量:

可调设计变量:

设计变量规定:

固定设计变量可调设计变量

进料C+2回流为泡点温度1每级压力N总理论级N1全凝器压力1进料位置M+11回流分配器压力1馏出液流率1回流比1C+N+45装置设计变量统计举例分析如图所示精馏装置的设计变量（分为6个9确定装置变量郭氏原则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。确定装置中具有的不同压力的数目。上述之和既为为装置的固定设计变量。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为装置的可调设计变量数。确定装置变量郭氏原则按每一股单相物流有（C+2）个变量，计算10装置设计变量统计举例统计带有一个侧线采出口的精馏塔的设计变量压力等级1进料变量数C+2固定设计变量C+3串级单元数3回流分配器1侧线采出单元数1传热单元数2可调设计变量7装置设计变量C+10假设塔内无压降装置设计变量统计举例统计带有一个侧线采出口的精馏塔的设计变量11装置设计变量统计举例计算如图所示用苯作共沸剂分离乙醇-水恒沸物流程的设计变量数，假设塔板无压降进料异丙醇+水串级串级异丙醇再沸器全凝器分相器富异丙醇相富水相混合器串级水蒸气废水水塔异丙醇塔装置设计变量统计举例计算如图所示用苯作共沸剂分离乙醇-水恒沸12利用郭氏原则统计固定设计变量:进料变量数:进料:温度,压力,流率,异丙醇组成:4水蒸气(温度,压力,流率)3压力等级1合计8可调设计变量:串级3换热单元

2合计5

进料异丙醇+水串级串级异丙醇再沸器全凝器分相器富异丙醇相富水相混合器串级水蒸气废水水塔异丙醇塔利用郭氏原则统计固定设计变量:进料异丙醇+水串级串级异丙醇再13设计变量的规定

对于这个问题,可调设计变量的规定有这样几种选择:一操作型:三个串级各自的平衡级级数；再沸器的蒸发速率;；冷凝器的过冷温度;二设计型;异丙醇塔釜液中异丙醇浓度；水塔釜液异丙醇浓度；异丙醇塔的进料位置；再沸器的蒸发速度；冷凝器的过冷温度．

这两种选择只能作为一般的情况，由于在比较复杂的装置中，变量数目多，而且各变量间又相互制约，根据具体情况对设计新塔和对原有塔的新分离任务确定可调变量的方案是不相同的，只有对分离过程的机理有比较深入和全面了解，才可能正确选择设计变量．

设计变量的规定对于这个问题,可调设计变量的规定有这样14第2章单级平衡过程2.1相平衡

2.2多组分物系的泡点和露点计算2.3闪蒸过程的计算2.4液液平衡过程的计算2.5多相平衡过程√√√第2章单级平衡过程2.1相平衡√√√152.1相平衡2.1.1相平衡关系2.1.2相平衡常数的计算2.1.3液液平衡√√2.1相平衡2.1.1相平衡关系√√162.1.1相平衡关系一、相平衡条件（准则）：各相的温度、压力相同，各相组分的逸度也相等。2.1.1相平衡关系一、相平衡条件（准则）：各相的温度、压17汽液相平衡关系为把逸度和实测压力、温度、组成等物理量联系起来，引入逸度系数和活度系数。基准态下组分i的逸度。汽液相平衡关系为把逸度和实测压力、温度、组成等物理量联系起来18两种常用的汽液相平衡关系表达式：计算相平衡常数的两个基本关系两种常用的汽液相平衡关系表达式：计算相平衡常数的两个基本关系19二、相平衡关系的表示方法：1.相图2.相平衡常数：yixi0二、相平衡关系的表示方法：1.相图2.相平衡常数：yix20三、分离因子：精馏中，分离因子又称为相对挥发度，相对于汽液平衡常数而言，分离因子对温度和压力的变化不敏感，可近似看作常数，使计算简化。分离因子评价体系分离难易程度，与1的偏离程度表示组分之间分离的难易程度。三、分离因子：精馏中，分离因子又称为相对挥发度，相对于汽液平212.1.2汽液平衡常数的计算有两种常用的汽液相平衡关系表达式：汽液平衡常数：求取相平衡常数的两种方法：状态方程法；活度系数法。2.1.2汽液平衡常数的计算有两种常用的汽液相平衡关系表达22一、状态方程法：汽液相平衡关系：相平衡常数：汽相：液相：应用状态方程分别计算汽、液两相的逸度系数。一、状态方程法：汽液相平衡关系：相平衡常数：汽相：液相：应用23以V、T为独立变量的状态方程表达式：以p、T为独立变量的状态方程表达式：以上两方法作用相同，视方便而用。对状态方程的选择不同以及同一状态的混合规则不同，逸度系数的具体表达式多种多样。（2-16）（2-15）以V、T为独立变量的状态方程表达式：以p、T为独立变24几种状态方程推导的逸度系数计算关系范德华方程:混合物中组分逸度系数其中:其他状态方程的计算可参考相关热力学教材几种状态方程推导的逸度系数计算关系范德华方程:混合物中组分逸25二、活度系数法：汽液相平衡关系：相平衡常数：汽相：液相：如何求取基准态逸度、液相活度系数和汽相逸度系数是计算相平衡常数的关键。二、活度系数法：汽液相平衡关系：相平衡常数：汽相：液相：如何261、基准态逸度fiOL：（1）可凝组分基准态逸度：活度系数等于1的状态基准态：xi1时，i1。代入fiOL——在系统T、P下液相中纯组分i的逸度。即基准态是与系统具有相同T、P和同一相态的纯i组分。?如何求取纯组分i的逸度。1、基准态逸度fiOL：（1）可凝组分基准态逸度：活度系数27纯组分i的逸度：对气、液、固组分均适用。用于计算纯组分i的逸度：将以p、T为独立变量的状态方程式：（2-16）（2-20）纯组分i的逸度：对气、液、固组分均适用。用于计算纯组分i的28纯液体组分i的逸度：纯组分i在一定温度的饱和蒸汽压下的逸度系数。纯液体组分i在系统温度下的摩尔体积，与压力无关。（2-21）校正饱和蒸汽压下的蒸汽对理想气体的偏离。Poynting因子，校正压力对饱和蒸汽压的偏离。纯液体组分i的逸度：纯组分i在一定温度的饱和蒸汽压下的逸度系29（2）不可凝组分基准态逸度：基准态：xi0时，i＊

1。代入（2-23）或：（T、P一定，xi0）（2-24）亨利定律一般来说，亨利常数H不仅与溶剂、溶质的性质和系统温度有关，而且还与系统压力有关。在低压下，溶质组分的逸度近似等于它在气相中的分压，亨利常数不随压力而改变。（2）不可凝组分基准态逸度：基准态：xi30小节：对于由一种溶质（不凝性组分）和一种溶剂（可凝性组分）构成的两组分溶液，通常:溶剂的活度系数按xi1，i1定义基准态；溶质的活度系数按xi0，i＊1定义基准态。由于两组分的基准态不同，称为不对称型标准化方法。小节：对于由一种溶质（不凝性组分）和一种溶312、液相活度系数i：活度系数i由过剩自由焓GE推导得出：如有适当的GE的数学模型，则可求i的表达式。化工热力学中溶液的热力学研究内容2、液相活度系数i：活度系数i由过剩自由焓GE推导得出32（1）

Margules单参数方程（2）

VanLaur方程（两参数）

过剩自由焓：

活度系数方程（1）Margules单参数方程（2）VanLa33（3）Margules二参数方程过剩自由焓：

活度系数方程：（3）Margules二参数方程过剩自由焓：活度系数34应用局部组成概念的活度系数方程：（4）威尔逊方程过剩自由焓：

二元物系

应用局部组成概念的活度系数方程：（4）威尔逊方程过剩自35多元物系

参数

为威尔逊参数，为组分i和组分j之间的二元相互作用能量参数，J/mol；分别纯液体i和j的摩尔体积。多元物系参数为威尔逊参数，为组分i和组分36

威尔逊方程特点：

①仅需用二元参数即可预见多元系的活度系数；

②适用范围广，对酮、醇、醚、腈及水、硫、卤化物的互溶系统均有较高的正确度；

④不能预计液液平衡时的活度系数。

③基本上与T无关，因此活度系数方程中包含了T的影响；威尔逊方程特点：①仅需用二元参数即可预见多元系的37（5）

NRTL（有规双液）方程过剩自由焓：

活度系数方程，二元物系（5）NRTL（有规双液）方程过剩自由焓：活度系数方38多元物系其中

为组分i和组分j之间的二元相互作用能量参数；其中

为模型参数之一，通常在0.2~0.47之间。多元物系其中为组分i和组分j之间的二元相互作用能量参数；其39（6）UNIQUAC（通用化学）方程过剩自由焓：

组合过剩自由焓:

剩余过剩自由焓：

活度系数：

将下标1和2对调得计算式。（6）UNIQUAC（通用化学）方程过剩自由焓：组合过剩自403、汽相逸度系数：选用适宜的状态方程求取汽相逸度系数。如采用维里方程可得到逸度系数的表达式：或3、汽相逸度系数：选用适宜的状态方程求取汽相逸度系数。如采用41将可凝组分基准态逸度表达式（2-21）：代入相平衡常数表达式（2-17）：（2-21）（2-17）得到活度系数法计算相平衡常数的通式：（2-35）将可凝组分基准态逸度表达式（2-21）：代入相平衡常数表达式42（2-35）组分i在液相中的活度系数。纯组分i在温度为T时的饱和蒸汽压。组分i在温度为T、压力为Pis时的逸度系数。纯组分i的液态摩尔体积。组分i在温度为T、压力为P时的汽相逸度系数。（2-35）组分i在液相中的活度系数。纯组分i在温度为T时的43各种简化形式：（1）汽相为理想气体，液相为理想溶液：化简得：（2-35）1111（2-36）各种简化形式：（1）汽相为理想气体，液相为理想溶液：化简得：44（2）汽相为理想气体，液相为非理想溶液化简得：（2-35）111（2-38）（2）汽相为理想气体，液相为非理想溶液化简得：（2-35）14