第1章緒論20080919化工傳遞

分離工程

SeparationEngineering

2008.8-2009.11任課教師簡介姓名：高華晶職稱：副教授所在院系：化工與材料工程學院化學工程系辦公地址：化工實驗樓216室E-mail：huajing_gao@163.com2課程性質(zhì)：必修、考試課程學分：3計劃學時：48考核方法：閉卷考試成績評定：平時成績（作業(yè)、考勤）占30%閉卷考試卷面成績占70%上課班級：化學工程與工藝0502、0503上課時間：周五3、4（1-18周）2-111

周一3、4(13-18周)2-111課程簡介3分離工程：研究分離過程中分離設備的共性規(guī)律，是混合物分離與提純的一門工程學科。分離過程：將一混合物轉變?yōu)榻M成互不相同的兩種或幾種產(chǎn)品的操作過程。學科分類：一級學科：化學工程與技術；二級學科：化學工程、化學工藝、工業(yè)催化、生物化工等；三級學科：反應工程、分離工程、系統(tǒng)工程，傳遞過程等。本課程研究對象：傳質(zhì)分離過程本課程的任務和內(nèi)容、與其它課程的相互關系

4課程主要學習內(nèi)容第1章緒論（6-8學時）第2章單級平衡過程（4學時）第3章多組分精餾和特殊精餾（8-10學時）第4章氣體吸收（4學時）第5章液液萃取

（2學時）第6章多組分多級分離的嚴格計算（4學時）第7章吸附（6學時）第8章結晶（2學時）第9章膜分離（2學時）第10章分離過程及設備的選擇與放大（2學時）5課程主要任務：掌握常用化工分離過程（精餾、特殊精餾、吸收）的基本理論、操作特性、簡捷與嚴格的計算方法和強化改進分離操作的途徑，了解一些新的分離技術。預修課程：物理化學、化工熱力學、傳遞過程、化工原理必要說明：（1）本課程在學生課前預習、自學的基礎上，進行重點內(nèi)容的課堂講授；（2）本課程的重點是第1.4、2、3、4、6、7章；（3）本課程的部分計算題要求采用計算機編程求解。本課程的任務和內(nèi)容、與其它課程的相互關系

6[1]陳洪鈁,劉家祺編.化工分離過程[M].北京:化學工業(yè)出版社,1995[2]J.D.Seader,ErnestHenley.SeperationProcessPrinciples[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002[3]鄧修,吳俊生編著.化工分離工程[M].北京:科學出版社出版社,2006[4]郁浩然主編.化工分離工程[M].北京:中國石化出版社,1992[5]陳洪鈁主編.基本有機化工分離工程[M].北京:化學工業(yè)出版社,1981[6]伍欽,鐘理等.傳質(zhì)與分離工程[M].廣州:華南理工大學出版社,2005主要學習參考書7分離工程

（SeparationEngineering）

第1章緒論(Chapter1Introduction)8本章主要學習內(nèi)容思考題掌握了解1.1分離過程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用1.2分離過程的特征與分類1.3分離過程的集成化了解1.4設計變量掌握9本章學習要求(1)了解分離操作在工業(yè)生產(chǎn)中的重要地位；(2)掌握分離因子的定義；(3)掌握傳質(zhì)分離過程的分類和特征；(4)了解分離過程的開發(fā)目的和方法；(5)掌握分離系統(tǒng)的變量分析和設計變量的確定方法。10化工分離技術發(fā)展過程生產(chǎn)實踐是分離工程形成與發(fā)展的源泉。早期人類生產(chǎn)活動中的分離過程，早在數(shù)千年前，人們已利用各種分離方法制作許多人們生活和社會發(fā)展中需要的物質(zhì)。例：（１）日光蒸發(fā)海水結晶制鹽；古書《世本》記載“皇帝時，諸侯有夙沙氏，始以海水煮乳煎成鹽?！保弧短旃ら_物》記載“煮酒”、“糖霜”的制作。孕育著“蒸發(fā)”、“結晶”兩種分離技術。（２）農(nóng)產(chǎn)品的干燥；（３）從礦石中提煉金、銀、銅、鐵等金屬；（熔煉）（４）從植物中提取藥物；(精餾、萃取等)（５）釀造葡萄酒時用布袋過濾葡萄汁等等。

但這些早期的人類生產(chǎn)活動都是以分散的手工業(yè)方式進行的，主要依靠世代相傳的經(jīng)驗和技藝，尚未形成科學的體系。而早期的化學工廠是由化學家根據(jù)實驗室研究結果直接建立的。通過生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)：生產(chǎn)裝置中的化學或物理過程與實驗室玻璃器皿中的現(xiàn)象有很大的不同。而在不同產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，卻有許多過程遵循相似的原理。由此提出的單元操作原理奠定了化學工程學科最初的理論基礎。11現(xiàn)代化學工業(yè)的興起促進分離工程的發(fā)展

現(xiàn)代化學工業(yè)是開始于18世紀產(chǎn)業(yè)革命以后的歐洲。當時，三酸兩堿等無機化學工業(yè)成為現(xiàn)代化學工業(yè)的開端。而19世紀以煤為基礎原料的有機化工在歐洲也發(fā)展起來。當時的煤化學工業(yè)規(guī)模不是很大，主要著眼于苯、甲苯、酚等各種化學品的開發(fā)。在這些化工生產(chǎn)中需要將產(chǎn)品或生產(chǎn)過程的中間體從混合物中分離出來。例：當時著名的索爾維制堿法中，使用了高達20余米的純堿碳化塔，同時應用了吸收、蒸餾、過濾、干燥等分離操作。但在當時，這項成就是由化學家在進行化學工藝過程開發(fā)的同時完成的，他們并沒有意識到自己同時在履行著化學工程師的職責。這時的分離技術是結合在具體的化工生產(chǎn)工藝的開發(fā)過程中，單獨而分散地發(fā)展的。

化工分離技術發(fā)展過程12單元操作和化學工程理論的形成19世紀末，20世紀初大規(guī)模的石油煉制業(yè)促進了化工分離技術的成熟與完善。單元操作概念的建立對化學工程的發(fā)展起了重大的作用。它將用于不同的化學工藝中的同樣的操作，以單元操作的概念抽象出來，對其共同規(guī)律進行研究。通過對單元操作的基礎研究和所用設備的結構、操作特性、設計計算方法及應用開發(fā)等多方面的研究，為分離過程在化工工藝開發(fā)、化工過程放大、化工裝置設計和在化工生產(chǎn)中的正確應用，提供了較為完整的理論體系和經(jīng)濟高效的分離設備，對促進化學工業(yè)的發(fā)展起到了重要的作用。Example化工分離技術發(fā)展過程13化工分離技術發(fā)展過程（distillation）低沸點組分高沸點組分汽化冷凝14化工分離技術發(fā)展過程15自20世紀50年代以來，通過對化學工業(yè)的深入研究，提出“三傳一反”（動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、化學反應工程）的概念，使分離工程建立在更基本的質(zhì)量傳遞基礎上，從界面的分子現(xiàn)象和基本流體力學現(xiàn)象進行分離工程中各個單元操作的基礎研究，并用于定量的數(shù)學模型描述分離過程、分析已有的分離設備、設計新的分離過程和分離設備。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，使得從較基礎的理論角度出發(fā)對分離過程和設備進行研究成為可能并減少了研究誤差和失真現(xiàn)象。開發(fā)了復雜的數(shù)學模型并用于分離過程的優(yōu)化?；し蛛x技術發(fā)展過程16進入20世紀70年代以后，化工分離技術更加高級化，應用也更加廣泛。與時同時，化工分離技術與其它科學技術相互交叉滲透產(chǎn)生一些更新的邊緣分離技術，如生物分離技術、膜分離技術、環(huán)境化學分離技術、納米分離技術、超臨界流體萃取技術等。

化工分離技術發(fā)展過程展望21世紀，化工分離技術將面臨著一系列新的挑戰(zhàn)，其中最主要的是來自能源、原料和環(huán)境保護三大方面。此外，化工分離技術還將對農(nóng)業(yè)、食品加工、城市交通和建設以及保健、提高和改善人們的生活水平方面做出貢獻。17分離過程的選擇除要考慮技術和經(jīng)濟的因素外，環(huán)境保護和生產(chǎn)安全也對分離過程有所要求。分離過程已成為處理“三廢”防治污染環(huán)境的最常用的手段之一。

化工分離技術發(fā)展過程181.1.1分離過程在化工生產(chǎn)中的重要性Significanceofseparationprocessinchemicalindustry

分凝、吸收、閃蒸、精餾反應191.1.1分離過程在化工生產(chǎn)中的重要性Significanceofseparationprocessinchemicalindustry

閃蒸、精餾、萃取、吸收、結晶、過濾20分離操作在化工生產(chǎn)中的作用：

1.1.1分離過程在化工生產(chǎn)中的重要性Significanceofseparationprocessinchemicalindustry

總之，分離過程在化工生產(chǎn)中占有十分重要的位置，在提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益和產(chǎn)品質(zhì)量中起著重要的作用。在大型的石油生產(chǎn)過程中分離裝置的投資一般占整個裝置投資的50~90%。如乙烯裝置中達90%左右，能耗占60~80%。為化學反應提供符合質(zhì)量要求的原料(除去對反應或催化劑有害的雜質(zhì),減少副反應和提高收率)；對反應產(chǎn)物起著提純的作用，以得到合格產(chǎn)品和副產(chǎn)品并使未反應的原料得以循環(huán)使用；在環(huán)境保護和資源利用方面有著重要作用。21（1）清潔工藝清潔工藝是生產(chǎn)工藝和防治污染有機地結合起來，將污染物減少或消滅在工藝過程中，從根本上解決工業(yè)污染問題。清潔工藝也稱少廢無廢技術，是當今社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大課題之一。1.1.1分離過程在清潔工藝中的地位和作用

Positionandeffectofseparationprocessindepuratetechnics

節(jié)能、低耗、高效、安全、無污染（2）清潔工藝的本質(zhì)化學工業(yè)是工業(yè)污染的大戶，污染來源有：未回收的原料；未回收的產(chǎn)品；有用和無用的副產(chǎn)物；原料中的雜質(zhì)；工藝的物料損耗。所以，就化學工業(yè)而言，清潔工藝的本質(zhì)是合理利用資源，減少或消除廢料的產(chǎn)生。22（3）清潔工藝的任務（與化工分離過程密切相關）

降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、回收利用率、循環(huán)利用率；

開發(fā)和采用新技術、新工藝，改善生產(chǎn)操作條件，以

控制和消除污染；

采用生產(chǎn)工藝裝置系統(tǒng)的閉路循環(huán)技術（見下圖)；

處理并利用生產(chǎn)中的副產(chǎn)物和廢料，使之減少或消除對環(huán)境的危害；

研究、開發(fā)和采用低物耗、低能耗、高效率的“三廢”治理技術。1.1.1分離過程在清潔工藝中的地位和作用END23一、分離過程是一個不改變物性的物理加工過程，它使得被處理物料（組分）變得更純凈，卻不產(chǎn)生任何新的物質(zhì)。其實質(zhì)是指混合物在內(nèi)因和外因的作用下，在分離場或分離介質(zhì)中使組分有選擇的反應、相變、傳遞、遷移、截留而相互分開，得到互不相同的兩種或幾種產(chǎn)品的操作，以達到產(chǎn)品的提純、提取、凈化、濃縮、干燥或三廢處理等要求。

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

分離過程的組成：混合物（氣、液、固）分離過程能量分離劑ESA質(zhì)量分離劑MSA產(chǎn)品1產(chǎn)品2產(chǎn)品n分離介質(zhì)24

分離過程包含在任何生產(chǎn)過程中。其主要任務包括：從原料、產(chǎn)品、副產(chǎn)品中脫除雜質(zhì)；循環(huán)物料的分離；從廢氣和廢水中脫除污染物。產(chǎn)品原料反應過程分離操作分離操作雜質(zhì)循環(huán)副產(chǎn)品廢氣分離操作廢水潔凈水污染物污染物分離操作潔凈空氣

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

25二、分離過程的特征（Featuresofseparationprocess）

幾種物質(zhì)混合在一起的過程是自發(fā)的，是混亂度或熵增加的過程。分離某種混合物成為不同產(chǎn)品的過程，是熵減小的過程，需要外界對系統(tǒng)作功（或輸入能量）方能進行。分離過程是混合過程的逆過程。任一分離過程所達到的分離程度用分離因子來衡量。

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

26三、分離因子（separationfactor）：

表示任一分離過程所達到的分離程度。

實際產(chǎn)品組成間關系（實際分離因子）。i,j組分在產(chǎn)品1中的摩爾分率的比值除以在產(chǎn)品2中的比值?！蛛x程度以分離因子偏離1的程度來判斷！

1.2分離過程的特征與分類組分i,j在產(chǎn)品中的含量相等，無法分離組分i濃縮于產(chǎn)品1，而組分j濃縮于產(chǎn)品2組分i濃縮于產(chǎn)品2，而組分j濃縮于產(chǎn)品1

1<sija27相平衡狀態(tài)組成的關系（理想分離因子）對于精餾：理想分離因子就是汽液平衡常數(shù)之比，即相對揮發(fā)度。對于液液萃取：理想分離因子就是選擇性系數(shù)。

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

28例：對海水蒸發(fā)淡化過程，產(chǎn)品為蒸餾水和鹽溶液。分離因子：

其中：w（water）,s(salt)

因鹽為不揮發(fā)性物質(zhì)，所以ys為趨于0，則分離因子趨于無窮大。

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

對于液固分離（蒸發(fā)、機械分離）：分離因子趨于無窮大。29實際分離因子與理想分離因子的關系：實際分離因子的定義式?jīng)]有任何限制條件，基于產(chǎn)品的實際組成而獲得分離因子值。大小受系統(tǒng)的平衡組成、傳質(zhì)速率、設備結構、分離流程的影響。根據(jù)平衡組成得到的理想分離因子與根據(jù)實際產(chǎn)品組成而得到實際分離因子都可以用來分析分離過程。通常將實際分離因子與理想分離因子之間的差別程度用效率來表示：

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

30四、分離過程的分類（Classificationofseparationprocess）

按分離過程中有無傳質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生分兩類：

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

1、機械分離過程分離對象：非均相混合物特點：用機械法簡單地將非均相物系分離，而相間并無物質(zhì)傳遞現(xiàn)象發(fā)生。如：過濾、沉降、離心分離、旋風分離、靜電除塵等。2、傳質(zhì)分離過程

分離對象：均相混合物特點：相間有質(zhì)量傳遞現(xiàn)象發(fā)生。如：蒸餾、吸收、萃取、蒸發(fā)、干燥、結晶、吸附、浸取、離子交換等。31傳質(zhì)分離過程根據(jù)分離原理的不同分：平衡分離過程和速率分離過程。（1）平衡分離（EquilibriumSeparation

）原理：在分離媒介的作用下，使均相混合物分成兩相系統(tǒng)，利用混合物中各組分在相平衡時在兩相中的分配不同而進行的分離過程。常采用平衡級（理論板）作為處理手段，并把其它影響歸納于板效率中。氣液傳質(zhì)過程：吸收、氣體的增濕和減濕汽液傳質(zhì)過程：液體的蒸餾和精餾液液傳質(zhì)過程：萃取液固傳質(zhì)過程：結晶、浸取、吸附、離子交換、色層分離、參數(shù)泵分離等氣固傳質(zhì)過程：固體干燥、吸附、升華等

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

32

分離媒介又稱分離劑（separationagent）包括能量分離劑（ESA）和質(zhì)量分離劑（MSA）ESA：傳入或傳出系統(tǒng)的熱或功。（熱，壓力，電，磁，輻射等能量）。

如：蒸發(fā)加入熱量；結晶加入冷量；精餾塔釜加入熱量，塔頂加入冷量；

MSA：加入另外一種物質(zhì)使混合物變成兩相。如：吸收加入的吸收劑：萃取加入的萃取劑；吸附加入的吸附劑。離子交換樹脂，液膜，固膜材料等。在萃取精餾中ESA和MSA同時存在，塔上部加入萃取劑MSA，塔釜加入熱量ESA。

常見平衡分離過程的分離劑見下表。

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

33過程名稱原料分離劑分離原理閃蒸液體ESA揮發(fā)度的不同部分冷凝氣體ESA揮發(fā)度的不同精餾汽、液或汽液混合物ESA揮發(fā)度的不同萃取精餾汽、液或汽液混合物MSA和ESA溶劑改變組分相對揮發(fā)度吸收氣體MSA溶解度不同共沸精餾汽、液或汽液混合物MSA和ESA共沸劑改變組分相對揮發(fā)度液液萃取液體MSA溶解度不同蒸發(fā)液體ESA揮發(fā)度的不同干燥液體或固體MSA和ESA濕分蒸發(fā)結晶液體ESA利用過飽和度吸附氣體或液體MSA吸附能力差別離子交換液體MSA質(zhì)量作用定律常見平衡分離過程的分離劑34（2）速率分離（RateSeparation

）原理：利用溶液中不同組分在某種推動力（如壓差、濃度差、溫度差、電位差等）作用下，經(jīng)過某種介質(zhì)（如半透膜）時的傳質(zhì)速率（透過率、遷移率、擴散速率）差異而實現(xiàn)分離。特點：所處理的物料和產(chǎn)品屬于同一相態(tài)，僅有組成的差別。速率分離膜分離微濾、超濾、反滲透、滲析及電滲析場分離電泳、熱擴散、高梯度磁力分離

1.2分離過程的特征與分類

Classificationandfeaturesofseparationprocess

P8－935過程集成是20世紀80年代發(fā)展起來的過程綜合領域中一個最活躍的分支。在化工領域中，過程集成的目標是實施清潔工藝，使物耗和能耗最小，達到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。（一）反應過程與分離過程的耦合（二）分離過程與分離過程的耦合（三）過程的集成

1.3分離過程的集成化

Integrationofseparationprocess36傳統(tǒng)分離方法，如精餾、吸收、結晶、萃取等成熟度很高；而膜分離、超臨界萃取等新型分離方法成熟度低，需要進一步研究分離過程發(fā)展現(xiàn)狀圖37（一）反應過程與分離過程的耦合

1、化學吸收：通過溶質(zhì)與溶劑中的活性組分發(fā)生反應，提高傳質(zhì)推動力和液相傳質(zhì)系數(shù)，從而提高吸收率，降低能耗和設備投資。2、化學萃?。喝苜|(zhì)與萃取劑之間發(fā)生化學反應。3、反應精餾：反應與精餾結合，提高分離效率；同時，借助精餾手段，提高反應收率。

1.3分離過程的集成

Integrationofseparationprocess38（二）分離過程與分離過程的耦合1、萃取結晶（加合結晶）：加入有機溶劑使待結晶的無機鹽水溶液中的一部分水被萃取出來，促進無機鹽的結晶過程。（正丁醇萃取結晶生產(chǎn)碳酸鈉）

1.3分離過程的集成

Integrationofseparationprocess2、吸附蒸餾：氣-液-固三相分離過程，同時利用吸附選擇性高、能耗低的優(yōu)點和蒸餾處理量大、設備較簡單、工藝成熟的優(yōu)點。特別適用于共沸物和沸點相近物系的分離及需要高純度產(chǎn)品的情況。3、電泳萃?。涸陔妶鲎饔孟?，帶電溶膠粒子（蛋白質(zhì)）在萃取劑中泳動速度不同的性質(zhì)，實現(xiàn)分離。39（三）過程的集成

1、傳統(tǒng)分離過程的集成

例：共沸精餾與萃取集成以丙酮為共沸劑將（環(huán)己烷／苯）共沸物首先分離為苯和（丙酮／環(huán)己烷）共沸物，然后以水為萃取劑，將（丙酮／環(huán)乙烷）共沸物分離為環(huán)己烷和丙酮水溶液，最后將丙酮水溶液分離得到丙酮和水。

1.3分離過程的集成

Integrationofseparationprocess402、傳統(tǒng)分離過程與膜分離的集成例：精餾與滲透蒸發(fā)的集成發(fā)酵液脫水制備無水乙醇。在乙醇高濃區(qū)，精餾的分離效率極低，在共沸組成處無法分離，此時利用滲透蒸發(fā)技術可越過共沸組成點，達到很高的分離程度。3、膜過程的集成例：超濾、反滲透與滲透蒸餾的集成

1.3分離過程的集成

Integrationofseparationprocess41發(fā)展趨勢(1)傳統(tǒng)分離技術改造

如精餾篩板塔改造為效率更高的填料塔。(2)新型分離過程開發(fā)

如膜分離、反膠團萃取、超臨界萃取等。(3)分離與反應耦合以及分離過程之間的耦合

如反應精餾、吸附精餾、膜精餾等。總趨勢：

多樣化、精細化、潔凈化（環(huán)境友好）。

1.3分離過程的集成

Integrationofseparationprocess42附：分離工藝的熱點研究開發(fā)課題

目標:過程節(jié)能、提高原料利用率、降低成本一、開發(fā)低成本氧、氮和稀有氣體的分離方法1、工業(yè)氣體的生產(chǎn)2、高純度氣體的生產(chǎn)二、開發(fā)酸性氣體的脫除方法：新型膜材料三、有機物/有機物分離的膜過程四、精餾技術的改進：

熱串級；蒸汽壓縮；化學合成與精餾的耦合；膜分離和精餾的集成等。五、稀溶液的分離：

反應金屬絡和吸附；滲透汽化；連續(xù)吸附；電滲析膜分離等。六、手性化合物的分離：HPLC；結晶；選擇性手性膜滲透等。七、廢高聚物的分離回收新型吸附劑和分離膜43分離過程的開發(fā)方法（補充）

ResearchMethodofseparationprocess分離過程的開發(fā)是研究適宜分離方法的工業(yè)化途徑，以期經(jīng)濟合理地實現(xiàn)規(guī)定的分離任務。分離過程開發(fā)應達到下列目的：①適宜分離方法和流程的選擇；②工藝操作條件的優(yōu)化；③分離設備的合理選型和幾何尺寸的確定。化工過程新技術開發(fā)有三個關鍵環(huán)節(jié)：概念形成到課題的選定、技術與經(jīng)濟論證(可行性)和放大技術。其中，放大技術是研究開發(fā)的核心。

放大技術可以采用數(shù)學模型方法、逐級經(jīng)驗放大、工程理論指導放大和參照類似工業(yè)裝置放大等方法。對于一個缺乏參照系統(tǒng)的新的分離操作來說，前兩種方法更為常用。441、數(shù)學模型法復雜過程數(shù)學模型物理模型設計求解方程試驗確定方程中的模型參數(shù)綜合研究和尋優(yōu)中間試驗檢驗計算結果的可靠性簡單子過程分解分析描述進行設備設計重新分析分離過程的開發(fā)方法（補充）

ResearchMethodofseparationprocess452、逐級經(jīng)驗放大法小試確定操作條件和設備形式稍大中試以確定設備尺寸放大后的影響（放大效應）工業(yè)規(guī)模的大型裝置目的目的逐級放大法缺點：耗資大，開發(fā)周期長數(shù)學模型法：方法上科學、合理,與逐級放大方法相比,可以節(jié)省試驗費用,縮短開發(fā)周期，結果比較可靠。但在化工中的實際應用至今仍然有限。主要原因在于化工過程太復雜,建立可靠又合理的簡化的數(shù)學模型比較難。第１次作業(yè)分離過程的開發(fā)方法（補充）

ResearchMethodofseparationprocessEND46第１章第一次作業(yè)查閱文獻，撰寫文獻綜述。（１）查閱內(nèi)容：關于化工分離技術的若干新進展關鍵詞：化工分離技術、新進展（新技術、展望）（２）以能正式發(fā)表文章格式撰寫

(具體格式參見吉林化工學院學報）（３）交紙版（A4）和電子版（發(fā)到郵箱）

huajing_gao@163.com

（４）上交時間：9月19日（周五）（５）查閱方法：校園網(wǎng)，學術期刊網(wǎng)址：

用戶名：db0050密碼：jlhgxy

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫4748(1)了解分離操作在工業(yè)生產(chǎn)中的重要地位；(2)掌握分離因子的定義；(3)掌握傳質(zhì)分離過程的分類和特征；(4)了解分離過程的開發(fā)目的和方法；

內(nèi)容回顧49

一、設計變量:指在設計分離裝置時，必須規(guī)定的參數(shù)。

1.4設計變量（Designvariable）

各獨立變量之間約束關系數(shù)（描述約束關系的獨立方程式的數(shù)目）描述系統(tǒng)的總變量數(shù)稱為獨立變量數(shù)

必須規(guī)定的參數(shù)的數(shù)目稱為設計變量數(shù)①獨立變量數(shù)：出入系統(tǒng)的各物流變量數(shù)總和及與環(huán)境的能量交換情況。由相律：

任一單相物流：這里的自由度是指強度性質(zhì)注：系統(tǒng)與環(huán)境有能量交換時應增加獨立變量數(shù)物流數(shù)量（容度性質(zhì)）50②約束關系數(shù)(1)物料平衡式：c個組分的物系可寫出c個方程式；(2)能量平衡式：對于一個系統(tǒng)只能寫出1個方程式；(3)相平衡關系式：能寫出c+2個方程式，即

PⅠ=PⅡ；TⅠ=TⅡ；(I=1,2…c)(4)化學平衡關系式：分離過程不涉及反應過程。(5)內(nèi)在關系：指約定的關系式，如物流間的溫差、壓力降、比例關系等獨立的關系式。設計變量分為固定設計變量和可調(diào)設計變量。1.4設計變量（Designvariable）

已被給定或常被給定的變量(進料物流及系統(tǒng)壓力的變量)由設計者決定的變量Ni=Nv-Nc511、無濃度變化的單元如分配器、泵、加熱器、冷卻器、換熱器、全凝器、全蒸發(fā)器，每一物流均可看成單相物流。例1：絕熱下操作的分配器。

①獨立變量數(shù)：NVE=3(c+2)=3c+6

②約束關系式:物料平衡式：c

能量平衡式：1內(nèi)在關系式：PL1=Pl2；TL1=TL2

2

L1和L2組成相同c-1

NcE=2c+2③單元的設計變量數(shù)為：NiE=(3c+6)-(2c+2)=c+4④固定設計變量：NxE=c+2(1股進料)+1(壓力)=c+3⑤可調(diào)設計變量：NaE=(c+4)-(c+3)=1

此可調(diào)設計變量可選為分配比：L1/F或L2/F

ＦL1Ｌ21.4.1單元的設計變量（Designvariableofcell

）

52例2：加熱器

物料平衡式

C個；能量平衡式1個(2股物流+Q)此可調(diào)設計變量可選出口溫度或Ｑ值１股進料；1個壓力1.4.1單元的設計變量（Designvariableofcell

）

532、有濃度變化的單元混合器、分相器、部分蒸發(fā)器、分凝器、簡單平衡級。例1：產(chǎn)物為平衡兩相的全凝器①獨立變量數(shù)：

NvE=3(c+2)+1(Q)=3c+7(３股物流+Q)②約束關系式:物料平衡式：c

能量平衡式：1液-液兩相平衡：P、T、xi

c+2

NcE＝c+1+(c+2)=2c+3

③設計變量數(shù)為：NiE=(3c+7)-(2c+3)=c+4④固定設計變量:NxE=c+2(1進料)+1(壓力)=c+3⑤可調(diào)設計變量:NaE=(c+4)-(c+3)=1

此可調(diào)設計變量可選為全凝溫度。VQL2L11.4.1單元的設計變量（Designvariableofcell

）

54注：C個物料衡算式、一個熱量衡算式

C個相平衡關系式、兩相的P、Tj平衡級例2：理論板（絕熱，簡單平衡級）注:２股進料、一個壓力P18表1-2各種單元的設計變量可調(diào)設計變量NaE與組分數(shù)無關，而且NaE不是1就是0。組分數(shù)目只出現(xiàn)在NxE中出現(xiàn)。1.4.1單元的設計變量（Designvariableofcell

）

55裝置由若干個單元所組成，各單元間用物流聯(lián)結成整體。

則裝置的設計變量數(shù)：在聯(lián)結的單元間產(chǎn)生的新約束關系：Ncu=n(C+2),其中n為連結單元間的單相物流數(shù)。裝置的設計變量數(shù)為：在裝置中某一種單元以串聯(lián)的形式被重復使用時，則應增加一個變量以區(qū)別于這種單元與其他單元相聯(lián)結的情況。表示單元重復使用的變量數(shù)稱為重復變量Nr。對于簡單吸收塔：Nr=1；普通精餾塔：Nr=2；

有側線采出的精餾塔：Nr=3：兩股進料的精餾塔：Nr=3+Nr1.4.2裝置的設計變量

Designvariableof

device

56在串級內(nèi)聯(lián)結單元的單相物流數(shù)1.4.2裝置的設計變量

例1：由N個絕熱操作的簡單平衡級串聯(lián)構成的簡單吸收塔。可指定理論板數(shù)N,或某一組分的回收率。57①全凝器②回流分配器塊板的平衡串級④進料板塊板的平衡串級⑥再沸器單元間聯(lián)結物流數(shù)為9股，123456789例2：普通精餾塔

③⑤①②③④⑤⑥（由6個單元組成）塔的設計變量數(shù)：58塔的固定設計變量數(shù)：(NxU)塔＝c+2(１股進料)+N(壓力)+2（全凝器、分配器壓力）＝c+N+4塔的可