《化工分离工程》PPT课件-第3讲分离过程.ppt

分 离 过 程,第2章 单级平衡过程,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,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：ni nv nc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。,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：,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组分相体系有c（ +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）,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=s,vn=d,l1,v0=f,3,n-1,n-2,n-3,1,2,n,4,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,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+4 n-（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n 1 全凝器压力 1 进料位置m+1 1 回流分配器压力 1 馏出液流率 1 回流比 1 c+n+4 5,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。,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,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,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,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,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,2.1 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,2.1.1 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。,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。,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,二、相平衡关系的表示方法：,1. 相图,2. 相平衡常数：,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。,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。,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。,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）,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,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。,1、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,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。,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：,（2-20）,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。,（2）不可凝组分基准态逸度：,代入,（2-23）,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。,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，i1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。,2、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,（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,（3）margules二参数方程,过剩自由焓：,活度系数方程：,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,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。,威尔逊方程特点：,仅需用二元参数即可预见多元系的活度系数；,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；,不能预计液液平衡时的活度系数。, 基本上与t无关，因此活度系数方程中包含了t的影响；,（5） nrtl（有规双液）方程,过剩自由焓：,活度系数方程，二元物系,多元物系,（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。,3、汽相逸度系数：,选用适宜的状态方程求取汽相逸度系数。,如采用维里方程可得到逸度系数的表达式：,或,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）,（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。,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）,1,1,1,1,（2-36）,（2）汽相为理想气