《化工分離工程》課件第3講分離過程

分離過程第2章單級平衡過程?分離過程第2章單級平衡過程?1設計變量提出分離裝置的設計的實質就是確定與分離裝置相關的各種物理量的具體數(shù)值。這些物理量之間是相互關聯(lián)的，從數(shù)學的觀點來看，如果這些物理量具有唯一的數(shù)值，這些物理量之間制約關系應該與物理量的數(shù)目相等。在實質分離過程設計中，兩者之間常常不相等，為了使分離過程的計算得以進行，設計者通常要預先對其中的一些變量規(guī)定數(shù)值，設計者規(guī)定數(shù)值的變量稱為設計變量。設計變量提出分離裝置的設計的實質就是確定與分離裝置相關的各2設計變量分類設計變量單元設計變量裝置設計變量設計變量分類設計變量單元設計變量裝置設計變量3設計變量分類設計變量固定設計變量可調(diào)設計變量指確定進料物流的那些變量(例如，進料的組成和流量)以及系統(tǒng)的壓力需要設計者確定的變量設計變量分類設計變量固定設計變量可調(diào)設計變量指確定進料物流的4設計變量的計算原則根據(jù)設計變量的定義，可以很容易得出設計變量的計算公式其中：NiNvNc分別設計變量數(shù)，描述系統(tǒng)的獨立變量數(shù)和這些變量之間的約束關系。如果知道了描述系統(tǒng)的獨立變量的數(shù)目和這些獨立變量之間的約束關系，很容易統(tǒng)計出設計變量數(shù)。設計變量的計算原則根據(jù)設計變量的定義，可以很容易得出設計變量5系統(tǒng)獨立變量（Nv)的計算描述系統(tǒng)的獨立變量數(shù)可以由進出系統(tǒng)的物流和系統(tǒng)與環(huán)境進行能量交換的情況確定具體的原則為：對一單相物流，其獨立變量為：如果系統(tǒng)與環(huán)境有能量交換，則獨立變量應該加上描述能量交換的變量數(shù)，如有一股熱交換，又有一股功交換，則應該再加上兩個設計變量，即：系統(tǒng)獨立變量（Nv)的計算描述系統(tǒng)的獨立變量數(shù)可以由進出系統(tǒng)6獨立變量之間約束關系獨立變量之間的約束關系包括：1物料平衡關系（對C組分體系有C個）2能量平衡關系（對一個體系只有一個）3相平衡關系（對C組分π相體系有C（π+1）個）4化學平衡關系（分離過程只考慮無化學反應的體系，不考慮該約束條件）5內(nèi)在關系（指約定的關系，如物流之間溫度，壓力降之間的關系等）獨立變量之間約束關系獨立變量之間的約束關系包括：7簡單吸收塔的設計變量該裝置由N個絕熱操作的簡單平衡級構成,因此有:在串級之間有物流2(N+1)個,故有LN+1=SVN=DL1V0=F3N-1N-2N-312N4設計變量可以規(guī)定為:固定設計變量:兩股進料2C+4每級壓力N可調(diào)設計變量理論級數(shù)1簡單吸收塔的設計變量該裝置由N個絕熱操作的簡單平衡級構成,因8裝置設計變量統(tǒng)計舉例分析如圖所示精餾裝置的設計變量（分為6個單元）單元設計變量全凝器C+4回流分配器C+4N-（M+1）板的平衡級2C+（N-M-1）+5進料級3C+7（M-1）板的平衡串級2C+（M-1）+5再沸器C+4設計變量10C+N+27單元之間有9股物流，故裝置的設計變量為:固定設計變量:

可調(diào)設計變量:

設計變量規(guī)定:

固定設計變量可調(diào)設計變量

進料C+2回流為泡點溫度1每級壓力N總理論級N1全凝器壓力1進料位置M+11回流分配器壓力1餾出液流率1回流比1C+N+45裝置設計變量統(tǒng)計舉例分析如圖所示精餾裝置的設計變量（分為6個9確定裝置變量郭氏原則按每一股單相物流有（C+2）個變量，計算進料物流所確定的固定設計變量。確定裝置中具有的不同壓力的數(shù)目。上述之和既為為裝置的固定設計變量。將串級單元數(shù)，分配器數(shù)，側線采出單元數(shù)以及傳熱單元的數(shù)目相加為裝置的可調(diào)設計變量數(shù)。確定裝置變量郭氏原則按每一股單相物流有（C+2）個變量，計算10裝置設計變量統(tǒng)計舉例統(tǒng)計帶有一個側線采出口的精餾塔的設計變量壓力等級1進料變量數(shù)C+2固定設計變量C+3串級單元數(shù)3回流分配器1側線采出單元數(shù)1傳熱單元數(shù)2可調(diào)設計變量7裝置設計變量C+10假設塔內(nèi)無壓降裝置設計變量統(tǒng)計舉例統(tǒng)計帶有一個側線采出口的精餾塔的設計變量11裝置設計變量統(tǒng)計舉例計算如圖所示用苯作共沸劑分離乙醇-水恒沸物流程的設計變量數(shù)，假設塔板無壓降進料異丙醇+水串級串級異丙醇再沸器全凝器分相器富異丙醇相富水相混合器串級水蒸氣廢水水塔異丙醇塔裝置設計變量統(tǒng)計舉例計算如圖所示用苯作共沸劑分離乙醇-水恒沸12利用郭氏原則統(tǒng)計固定設計變量:進料變量數(shù):進料:溫度,壓力,流率,異丙醇組成:4水蒸氣(溫度,壓力,流率)3壓力等級1合計8可調(diào)設計變量:串級3換熱單元

2合計5

進料異丙醇+水串級串級異丙醇再沸器全凝器分相器富異丙醇相富水相混合器串級水蒸氣廢水水塔異丙醇塔利用郭氏原則統(tǒng)計固定設計變量:進料異丙醇+水串級串級異丙醇再13設計變量的規(guī)定

對于這個問題,可調(diào)設計變量的規(guī)定有這樣幾種選擇:一操作型:三個串級各自的平衡級級數(shù)；再沸器的蒸發(fā)速率;；冷凝器的過冷溫度;二設計型;異丙醇塔釜液中異丙醇濃度；水塔釜液異丙醇濃度；異丙醇塔的進料位置；再沸器的蒸發(fā)速度；冷凝器的過冷溫度．

這兩種選擇只能作為一般的情況，由于在比較復雜的裝置中，變量數(shù)目多，而且各變量間又相互制約，根據(jù)具體情況對設計新塔和對原有塔的新分離任務確定可調(diào)變量的方案是不相同的，只有對分離過程的機理有比較深入和全面了解，才可能正確選擇設計變量．

設計變量的規(guī)定對于這個問題,可調(diào)設計變量的規(guī)定有這樣14第2章單級平衡過程2.1相平衡

2.2多組分物系的泡點和露點計算2.3閃蒸過程的計算2.4液液平衡過程的計算2.5多相平衡過程√√√第2章單級平衡過程2.1相平衡√√√152.1相平衡2.1.1相平衡關系2.1.2相平衡常數(shù)的計算2.1.3液液平衡√√2.1相平衡2.1.1相平衡關系√√162.1.1相平衡關系一、相平衡條件（準則）：各相的溫度、壓力相同，各相組分的逸度也相等。2.1.1相平衡關系一、相平衡條件（準則）：各相的溫度、壓17汽液相平衡關系為把逸度和實測壓力、溫度、組成等物理量聯(lián)系起來，引入逸度系數(shù)和活度系數(shù)?；鶞蕬B(tài)下組分i的逸度。汽液相平衡關系為把逸度和實測壓力、溫度、組成等物理量聯(lián)系起來18兩種常用的汽液相平衡關系表達式：計算相平衡常數(shù)的兩個基本關系兩種常用的汽液相平衡關系表達式：計算相平衡常數(shù)的兩個基本關系19二、相平衡關系的表示方法：1.相圖2.相平衡常數(shù)：yixi0二、相平衡關系的表示方法：1.相圖2.相平衡常數(shù)：yix20三、分離因子：精餾中，分離因子又稱為相對揮發(fā)度，相對于汽液平衡常數(shù)而言，分離因子對溫度和壓力的變化不敏感，可近似看作常數(shù)，使計算簡化。分離因子評價體系分離難易程度，與1的偏離程度表示組分之間分離的難易程度。三、分離因子：精餾中，分離因子又稱為相對揮發(fā)度，相對于汽液平212.1.2汽液平衡常數(shù)的計算有兩種常用的汽液相平衡關系表達式：汽液平衡常數(shù)：求取相平衡常數(shù)的兩種方法：狀態(tài)方程法；活度系數(shù)法。2.1.2汽液平衡常數(shù)的計算有兩種常用的汽液相平衡關系表達22一、狀態(tài)方程法：汽液相平衡關系：相平衡常數(shù)：汽相：液相：應用狀態(tài)方程分別計算汽、液兩相的逸度系數(shù)。一、狀態(tài)方程法：汽液相平衡關系：相平衡常數(shù)：汽相：液相：應用23以V、T為獨立變量的狀態(tài)方程表達式：以p、T為獨立變量的狀態(tài)方程表達式：以上兩方法作用相同，視方便而用。對狀態(tài)方程的選擇不同以及同一狀態(tài)的混合規(guī)則不同，逸度系數(shù)的具體表達式多種多樣。（2-16）（2-15）以V、T為獨立變量的狀態(tài)方程表達式：以p、T為獨立變24幾種狀態(tài)方程推導的逸度系數(shù)計算關系范德華方程:混合物中組分逸度系數(shù)其中:其他狀態(tài)方程的計算可參考相關熱力學教材幾種狀態(tài)方程推導的逸度系數(shù)計算關系范德華方程:混合物中組分逸25二、活度系數(shù)法：汽液相平衡關系：相平衡常數(shù)：汽相：液相：如何求取基準態(tài)逸度、液相活度系數(shù)和汽相逸度系數(shù)是計算相平衡常數(shù)的關鍵。二、活度系數(shù)法：汽液相平衡關系：相平衡常數(shù)：汽相：液相：如何261、基準態(tài)逸度fiOL：（1）可凝組分基準態(tài)逸度：活度系數(shù)等于1的狀態(tài)基準態(tài)：xi1時，i1。代入fiOL——在系統(tǒng)T、P下液相中純組分i的逸度。即基準態(tài)是與系統(tǒng)具有相同T、P和同一相態(tài)的純i組分。?如何求取純組分i的逸度。1、基準態(tài)逸度fiOL：（1）可凝組分基準態(tài)逸度：活度系數(shù)27純組分i的逸度：對氣、液、固組分均適用。用于計算純組分i的逸度：將以p、T為獨立變量的狀態(tài)方程式：（2-16）（2-20）純組分i的逸度：對氣、液、固組分均適用。用于計算純組分i的28純液體組分i的逸度：純組分i在一定溫度的飽和蒸汽壓下的逸度系數(shù)。純液體組分i在系統(tǒng)溫度下的摩爾體積，與壓力無關。（2-21）校正飽和蒸汽壓下的蒸汽對理想氣體的偏離。Poynting因子，校正壓力對飽和蒸汽壓的偏離。純液體組分i的逸度：純組分i在一定溫度的飽和蒸汽壓下的逸度系29（2）不可凝組分基準態(tài)逸度：基準態(tài)：xi0時，i＊

1。代入（2-23）或：（T、P一定，xi0）（2-24）亨利定律一般來說，亨利常數(shù)H不僅與溶劑、溶質的性質和系統(tǒng)溫度有關，而且還與系統(tǒng)壓力有關。在低壓下，溶質組分的逸度近似等于它在氣相中的分壓，亨利常數(shù)不隨壓力而改變。（2）不可凝組分基準態(tài)逸度：基準態(tài)：xi30小節(jié)：對于由一種溶質（不凝性組分）和一種溶劑（可凝性組分）構成的兩組分溶液，通常:溶劑的活度系數(shù)按xi1，i1定義基準態(tài)；溶質的活度系數(shù)按xi0，i＊1定義基準態(tài)。由于兩組分的基準態(tài)不同，稱為不對稱型標準化方法。小節(jié)：對于由一種溶質（不凝性組分）和一種溶312、液相活度系數(shù)i：活度系數(shù)i由過剩自由焓GE推導得出：如有適當?shù)腉E的數(shù)學模型，則可求i的表達式?；崃W中溶液的熱力學研究內(nèi)容2、液相活度系數(shù)i：活度系數(shù)i由過剩自由焓GE推導得出32（1）

Margules單參數(shù)方程（2）

VanLaur方程（兩參數(shù)）

過剩自由焓：

活度系數(shù)方程（1）Margules單參數(shù)方程（2）VanLa33（3）Margules二參數(shù)方程過剩自由焓：

活度系數(shù)方程：（3）Margules二參數(shù)方程過剩自由焓：活度系數(shù)34應用局部組成概念的活度系數(shù)方程：（4）威爾遜方程過剩自由焓：

二元物系

應用局部組成概念的活度系數(shù)方程：（4）威爾遜方程過剩自35多元物系

參數(shù)

為威爾遜參數(shù)，為組分i和組分j之間的二元相互作用能量參數(shù)，J/mol；分別純液體i和j的摩爾體積。多元物系參數(shù)為威爾遜參數(shù)，為組分i和組分36

威爾遜方程特點：

①僅需用二元參數(shù)即可預見多元系的活度系數(shù)；

②適用范圍廣，對酮、醇、醚、腈及水、硫、鹵化物的互溶系統(tǒng)均有較高的正確度；

④不能預計液液平衡時的活度系數(shù)。

③基本上與T無關，因此活度系數(shù)方程中包含了T的影響；威爾遜方程特點：①僅需用二元參數(shù)即可預見多元系的37（5）

NRTL（有規(guī)雙液）方程過剩自由焓：

活度系數(shù)方程，二元物系（5）NRTL（有規(guī)雙液）方程過剩自由焓：活度系數(shù)方38多元物系其中

為組分i和組分j之間的二元相互作用能量參數(shù)；其中

為模型參數(shù)之一，通常在0.2~0.47之間。多元物系其中為組分i和組分j之間的二元相互作用能量參數(shù)；其39（6）UNIQUAC（通用化學）方程過剩自由焓：

組合過剩自由焓:

剩余過剩自由焓：

活度系數(shù)：

將下標1和2對調(diào)得計算式。（6）UNIQUAC（通用化學）方程過剩自由焓：組合過剩自403、汽相逸度系數(shù)：選用適宜的狀態(tài)方程求取汽相逸度系數(shù)。如采用維里方程可得到逸度系數(shù)的表達式：或3、汽相逸度系數(shù)：選用適宜的狀態(tài)方程求取汽相逸度系數(shù)。如采用41將可凝組分基準態(tài)逸度表達式（2-21）：代入相平衡常數(shù)表達式（2-17）：（2-21）（2-17）得到活度系數(shù)法計算相平衡常數(shù)的通式：（2-35）將可凝組分基準態(tài)逸度表達式（2-21）：代入相平衡常數(shù)表達式42（2-35）組分i在液相中的活度系數(shù)。純組分i在溫度為T時的飽和蒸汽壓。組分i在溫度為T、壓力為Pis時的逸度系數(shù)。純組分i的液態(tài)摩爾體積。組分i在溫度為T、壓力為P時的汽相逸度系數(shù)。（2-35）組分i在液相中的活度系數(shù)。純組分i在溫度為T時的43各種簡化形式：（1）汽相為理想氣體，液相為理想溶液：化簡得：（2-35）1111（2-36）各種簡化形式：（1）汽相為理想氣體，液相為理想溶液：化簡得：44（2）汽相為理想氣體，液相為非理想溶液化簡得：（2-35）111（2-38）（2）汽相為理想氣體，液相為非理想溶液化簡得：（2-35）14