傳質(zhì)分離課件

傳質(zhì)分離課件第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

設計多組分、多級、多相的分離問題，首先要確定各物理量的數(shù)值，如溫度、壓力、組成、流率、熱負荷、理論平衡級等等，這些物理量都是相互關(guān)聯(lián)相互制約的，要解決這種復雜分離設備的設計問題，必須確定足夠多的設計變量數(shù)，使得未知變量數(shù)等于獨立方程式的數(shù)，這樣才有可能獲得正確的結(jié)果，完成設計任務。倘若所選擇的設計變量數(shù)不正確，就可能使所求的量出現(xiàn)多解或不合理的解。但設計者如何來確定所需的設計變量數(shù)呢？第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月公式

郭慕蓀教授所建立的方法

ND=NV-NE

式中：ND—設計變量數(shù)

NV—總變量數(shù) NE—獨立方程數(shù)

NDthenumberofindependentvariables

NVallpertinentvariables

NEthetotalnumberofindependentequations第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月求設計變量數(shù)ND的方法:首先列舉出過程有關(guān)的全部變量Nv，然后再減去與各變量有關(guān)的獨立方程總數(shù)NE

首先我們分析一下化工中的變量類型和獨立方程數(shù)的確定方法。第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月變量類型強度變量(intensivevariables)

幾何變量(geometryvariables)

設備參數(shù)(equipmentparameters)強度變量：組成，溫度，壓力幾何變量：流率，傳熱量設備參數(shù)：平衡級數(shù)，進料位置第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月獨立方程物料衡算方程M相平衡方程E焓衡算方程H約束方程S溫度恒等、壓力恒等(離開平衡級的物料）其他特定情況下的特殊關(guān)系第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月指定的原則

當設計獨立變量數(shù)被確定以后，重要的是在這些設計變量當中，那些是需要由設計者來指定的。指定的原則：需要設定的獨立變量數(shù)必須等于由設備結(jié)構(gòu)(如塔的平衡級數(shù)、進料股數(shù)、進料位置、側(cè)線出料股數(shù)、側(cè)線出料位置等等)和由外部手段所能控制的(如系統(tǒng)溫度、壓力、進料組成、進料流率等)給定變量數(shù)之和。第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月單元設計變量1)單股物流StreamVariables Nv變量：組分濃度 C

溫度 1

壓力 1

流速 1 C+3個

Nv=C+3NE

獨立方程1ND設計變量ND=NV-NE=C+2

第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月設計變量指定：

(C-1)個組分的組成C-1

溫度T1

壓力P1

總流量F1C+2第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

NV=4(C+3)=4C+12V入V出L出L入絕熱平衡級2)絕熱平衡級AdiabaticEquilibriumStage

第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

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11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月Equations NumberofEquationsComponentmaterialbalancesC-1Totalmaterialbalance 1PhaseequilibriumrelationshipsC Energybalance1 Molefractionconstraintsinenteringandexitingstreams4Temperatureequality TVout=TLout 1Pressureequality PVout=PLout1 NE=2C+7第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月ND=NV-NE=(4C+12)-(2C+7)=2C+5

指定方框內(nèi)的設計變量入口物流：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′

設計變量

Specificationofthese2C+5variablespermitscalculationoftheunknownvariablesLout,Vout,yc,xc,all(xi)LOUT,Tout,andall(yi)Vout.第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月設計變量的指定ND=2C+5兩股進料組成、溫度、壓力、流量另外一個變量：平衡級的操作壓力C-1111第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月VariableSpecificationNumberofVariablesComponentmolefractions,(xi)LINC-1Totalflowrate,LIN1Componentmolefractions,(yi)VINC-1Totalflowrate,VIN1TemperatureandpressureofLIN2TemperatureandpressureofVIN2Stagepressure(PVoutorPLout

)1

ND=2C+5第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

3)全凝器和再沸器

它們各有兩股物流和一股熱量的進(或出)，所以獨立變量總數(shù)為：

NV=2(C+3)+1=2C+7V入L出QL入V出Q全凝器再沸器第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

獨立方程式名稱 方程式數(shù) 組分物料平衡式 C-1

總物料平衡式 1

熱焓衡算式 1

摩爾分率約束式 2 NE=C+3ND=NV-NE=(2C+7)-(C+3)=C+4第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

設計變量的指定ND=C+4

組成、流量、溫度、壓力C+2個輸出液體溫度、壓力2個第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

4).部分冷凝和部分汽化器

它們各有三股物流和一股熱量的進(或出)，所以獨立變量總數(shù)為：

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19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

獨立方程式名稱 方程式數(shù) 組分物料平衡式 C-1

總物料平衡式 1

熱焓衡算式 1 3 C 1 1

NE=2C+6

摩爾分率約束式相平衡關(guān)系式溫度等式壓力等式第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月ND=NV-NE=(3C+10)-(2C+6)=C+4設計變量指定：進料組成、溫度、壓力、流量C+2系統(tǒng)壓力Pout1個系統(tǒng)溫度Tout1個也可指定氣液比V/L1個和操作壓力1個第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

5).帶有熱量傳遞的平衡級

有四股物流和一股熱量，所以獨立變量總數(shù)為：

NV=4(C+3)+1=4C+13V入V出L出L入絕熱平衡級Q第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

獨立方程式名稱

方程式數(shù)

組分物料平衡式 C-1

總物料平衡式 1

熱焓衡算式

1 4 C 1 1

獨立方程式數(shù)

NE=2C+7

摩爾分率約束式相平衡關(guān)系式溫度等式壓力等式第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

ND=NV-NE=(4C+13)-(2C+7)=2C+6設計變量

設計變量的指定ND=2C+6兩股進料組成、壓力、溫度、流量2(C+2)平衡級的操作壓力P1

傳熱量Q1第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

6).帶有熱量傳遞和進料的平衡級

有 五股物流和一股熱量，所以獨立變量總數(shù)為：

NV=5(C+3)+1=5C+16V入V出L出L入絕熱平衡級QF第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月帶有熱量傳遞和進料的平衡級

6).帶有熱量傳遞和進料的平衡級

有 五股物流和一股熱量，所以獨立變量總數(shù)為：

NV=5(C+3)+1=5C+16V入V出L出L入絕熱平衡級QF第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

獨立方程式名稱

方程式數(shù)

組分物料平衡式

C-1

總物料平衡式

1

熱焓衡算式

1 5 C 1 1

獨立方程式數(shù)

NE=2C+8

摩爾分率約束式相平衡關(guān)系式溫度等式壓力等式第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

所以：設計變量數(shù)為：

ND=NV-NE=(5C+16)-(2C+8)=3C+8設計變量

進料組成、T、P、V(三個流股VLF)：

3(C+2)個平衡級:壓力PvoutorPLout1個溫度TvoutorTLout1個第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

7).帶有熱量傳遞和側(cè)線的平衡級

有 五股物流和一股熱量，所以獨立變量總數(shù)為：

NV=5(C+3)+1=5C+16V入V出L出L入

平衡級QS第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

組分物料平衡式

C-1

總物料平衡式

1

熱焓衡算式

1 5 C 1 1

側(cè)線物流摩爾分率等式

C-1

側(cè)線物流溫度等式

1

側(cè)線物流壓力等式

1NE=3C+9摩爾分率約束式相平衡關(guān)系式溫度等式壓力等式第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

所以：設計變量數(shù)為：

ND=NV-NE=(5C+16)-(3C+9)=2C+7進料:組成、T、P、V：2(C+2)個平衡級:壓力PvoutorPLout1個溫度TvoutorTLout1個側(cè)線量：S或S/LOUT1個第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

8).帶有熱量傳遞、進料物流和側(cè)線的平衡級

有六股物流和一股熱量，所以獨立變量總數(shù)為：

NV=6(C+3)+1=6C+19V入V出L出L入

平衡級QSF第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

組分物料平衡式

C-1

總物料平衡式

1

熱焓衡算式

1 6 C 1 1

側(cè)線物流摩爾分率等式

C-1

側(cè)線物流溫度等式

1

側(cè)線物流壓力等式

1NE=3C+10摩爾分率約束式相平衡關(guān)系式溫度等式壓力等式第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

所以：設計變量數(shù)為：

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

進料:組成，T，P，F(xiàn)3(C+2)=3C+6

平衡級:壓力1

溫度1

側(cè)線量SorS/Lout1設計變量

第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

9).混合器、分配器、分相器

(I)混合器：

混合器是三股物流，沒有相變化，有熱交換，但三股物流的溫度、壓力、組成和流率均不同，所以獨立變量總數(shù)為：

NV=3(C+3)+1=3C+10L入IL出L入IIQ第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

獨立方程式名稱

方程式數(shù)

組分物料平衡式

C-1

總物料平衡式

1

熱焓衡算式

1

摩爾分率約束式

3

獨立方程式數(shù)

NE=C+4

設計變量數(shù)為：

ND=NV-NE=(3C+10)-(C+4)=2C+6第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

(II)分配器：分配器有三股組成相同的物流，但溫度壓力不同，兩股出口物流的溫度、壓力和組成相同，但流率不同，物流均沒有相變化，所以，獨立變量總數(shù)為：

NV=3(C+3)+1=3C+10L出IL入L出IIQ第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

獨立方程式名稱

方程式數(shù)

組分物料平衡式

C-1

總物料平衡式

1

熱焓衡算式

1

摩爾分率約束式

3

出口物流溫度等式

1

出口物流壓力等式

1

出口物流組成等式

C-1

獨立方程式數(shù)

NE=2C+5ND=NV-NE=(3C+10)-(2C+5)=C+5第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

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

進料：組成、溫度、壓力、流量C+2

出料：溫度１壓力1L2

與L３的關(guān)系1第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

(II)分相器：

分相器有三股物流，其溫度、壓力、組成及流率均不同，物流沒有相變化但有濃度變化，所以，獨立變量總數(shù)為：

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

L出IL入L出IIQ三個流股組成不同兩個出料流股未達平衡第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

獨立方程式名稱

方程式數(shù)

組分物料平衡式