《化工分离工程》PPT课件-第5讲分离过程.ppt

1,分 离 过 程,第2章 单级平衡过程,2,第五讲 (闪蒸（ flash vaporization）过程计算),3,主要内容,闪蒸过程简介 闪蒸过程类型 闪蒸过程计算方程 等温闪蒸和部分冷凝过程计算 绝热闪蒸过程计算,4,闪蒸（ flash vaporization）,闪蒸过程实质是一种连续单级蒸馏：液体进料流过阀门等装置，由于压力的突然降低而引起急剧蒸发，产生部分汽化，形成互成平衡的汽液两相，（也可以通过汽相部分冷凝或液相的部分汽化产生平衡的两相）。 在混合物的t-x相图上，闪蒸的状态位于混合物的泡点线和露点线之间。 通过闪蒸过程可以使易挥发组分在汽相中的浓度提高、难挥发组分在液相中的浓度相应提高，从而达到分离提浓的目的。 除非混合物的相对挥发度很大，闪蒸过程获得的分离程度不高，因此，在工业生产实践中，闪蒸通常是作为进一步分离的辅助操作。 闪蒸计算的目的就是确定汽、液相的组成和气相分率。 闪蒸过程计算方法是许多精馏过程计算的基础，因此、掌握闪蒸过程的计算方法对化学工艺的学生是很重要的。,5,闪蒸在化学工业中应用,渣油溶剂脱沥青过程,6,闪蒸计算与泡点及露点计算的关系,比较泡点计算、露点计算及闪蒸计算可见：在泡点时，液相组成等于原料组成，汽化分率等于零，在露点时，汽相组成等于原料组成，汽化分率等于1，闪蒸时，汽液相的组成与总组成不等，汽相分率在0-1之间。 对于一个给定闪蒸罐压力和进料组成的体系，泡点和露点温度确定了平衡闪蒸的温度范围。这是用来核实闪蒸问题是否可以成立的依据。,7,统计c组分闪蒸总变量 进料流率: f 1 进料组成: zi c 进料温度和压力: tf, pf 2 离开闪蒸塔的气相流率:v 1 离开闪蒸塔的气相组成: yi c 离开闪蒸塔的液相流率: l 1 离开闪蒸塔的夜相组成: xi c 加入(或取走)的热量: q 1 闪蒸温度和压力: p,t 2 总变量数: 3c+8,闪蒸过程的设计变量统计,8,（1）物料衡算m方程：,c个,（3）摩尔分率加和式s方程：,2个,（4）热量平衡式 h方程：,1个,2c3,（2）相平衡e方程：,c个,闪蒸过程独立变量之间的约束关系,9,约束方程总数： 2c+3个,变量数：,3c+8个,其中进料变量数(固定设计变量)：,c+3个,需规定变量数(设计变量)：c5个,（f,tf ,pf ,t,p ,v,l,q，zi ,yi ,xi）,（f,tf ,pf ,zi ）,根据2个可调设计变量的规定方法可将闪蒸计算分为如下五类：,闪蒸过程的设计变量,(可调设计变量)： 2 个,10,闪蒸计算类型,11,闪蒸计算类型的异同点,相同点： 都是气化过程，说明可按气化公式计算 气液两相平衡 相当于一块理论板,可调设计变量不同,不同点：,产生气化的原因不同,部分气化或部分冷凝：外界交换热 绝热闪蒸:不与外界换热,焓变为零,气化：除p外还要已知一个条件 如已知t,求e、x(y) 绝热闪蒸:给定p，体系就固定了 求t、e、x(y),第4周第1次课2007年10月8日,12,物料平衡关系； 热量平衡关系； 组分的汽液平衡关系 组成加合关系,闪蒸过程计算的基本关系,13,对c个组分构成的体系，在给定流率f，组成zi,压力pf和温度tf（或焓hf）的条件下，通过闪蒸过程分离为相互平衡的汽相和液相两股物流，对这样的体系，其物料平衡、热平衡和汽液平衡关系分别为： 物料平衡关系： 热平衡关系：,闪蒸过程计算的基本关系,14,汽液相平衡关系： 总和方程,闪蒸过程计算的基本关系,15,等温闪蒸和部分冷凝过程,汽液平衡常数与组成无关 汽液平衡常数与组成有关,16,（1）已知zi、tf、pf、闪蒸t和p，求、xi、yi。,3、计算步骤,（2）已知zi 、tf、pf 、 和闪蒸p，求t、xi、yi。,2、计算类型：,17,由前面求出（或t)后，可求出l、v，再求出xi、yi；然后求hf、hv、hl。,然后由q+fhf=lhl+vhv 求出过程所需热量。,18,汽液平衡常数与组成无关,由物料恒算方程结合相平衡关系有：,19,汽液平衡常数与组成无关,20,定义汽相分率,汽液平衡常数与组成无关,21,rachord-rice方程方程用于闪蒸迭代计算,rachord-rice方程,22,利用牛顿迭代法的rachord-rice方程迭代方程,设定汽化分率的迭代初值后(在0-1之间的一个数),利用该式迭代出闪蒸的汽化分率,进而可以计算出平衡两相的组成等,完成闪蒸计算.(注意这类计算是在已知温度和压力的情况下,而且相平衡常数与组成无关,这是闪蒸计算中最简单的一类,23,等温闪蒸过程热量计算,迭代出闪蒸的汽液分率后,需要计算过程加入(或取走的热量),热量的计算利用如下的方程完成,汽液相混合物焓值的计算;对于理想溶液，汽液相的焓值分别由纯物质的焓加和求的，对非理想溶液，可以利用物质的偏摩尔焓 加和求得。,代入下式计算过程所须热量,24,核算闪蒸问题是否成立,闪蒸计算完成后,还需要核算闪蒸问题是否成立,闪蒸问题成立的条件是在闪蒸压力下.闪蒸计算的温度应该在闪蒸物系的露点温度和泡点温度之间. 核算闪蒸问题是否成立常用的有两种方法,25,等温闪点计算的核算,1 计算在闪蒸压力下进料混合物的泡点温度和露点温度，如果闪蒸温度在混合物的泡点和露点之间，则闪蒸问题成立。 也就是求解如下的泡点和露点方程: 可以利用以上计算结果确定汽相分率的初值,26,等温闪点计算的核算,2 假设闪点温度就是进料的泡点温度， 则： 应该成立 ，如果， 说明tbt, 综合两种试算结果，只有tbt t d成立 ，才能构成闪蒸问题。,27,部分冷凝（汽化）的闪蒸计算步骤,这类问题一般规定了压力和汽液分率,计算温度,计算步骤为:假设温度，计算相平衡常数，利 用rachord-rice方程计算出汽液分率,以核实假设值是否正确，利用f() t作图有助于确定下次迭代的温度.此外也可以利用以下公式估计t：,基准组分平衡常数,阻尼因子,28,汽液平衡常数与组成有关的闪蒸计算,当相平衡常数不仅是温度和压力的函数，而且还是组成的函数时，求解rachord-rice方程就复杂得多，此时一般需要利用计算机编程计算,下面介绍的是两种普遍化算法。,29,k为组分函数时等温闪点计算框图,rachford-rice方程,30,k为组分函数时等温闪点计算框图,rachford-rice方程,计算新的k时要对组成进行归一化处理,31,绝热闪蒸过程计算,已知流率、组成、压力、温度（或焓）的液体进料节流膨胀到较低压力便产生部分汽化。绝热闪蒸计算的目的是确定闪蒸温度、汽液相组成及流率。绝热闪蒸问题的计算问题，原则上还是利用物料平衡、相平衡和热量衡算和组成总和方程联立求解。目前工程计算中均选择温度和汽化率为迭代变量。根据物性的差别，又分三种具体的算法。,32,序贯迭代法,一、宽沸程混合物 (汽化率对温度不敏感）,利用热量恒算方程迭代温度，用闪蒸方程迭代汽化分率,外层循环,内层循环,二、窄沸程混合物 (汽化率对温度敏感）,利用热量恒算方程迭代汽化率，用闪蒸方程迭代温度,外层循环,内层循环,33,宽沸程绝热闪蒸过程计算,所谓宽沸程混合物指的是构成混合物各组分的挥发度相差悬殊，其中一些很容易挥发，而另一些很难挥发，它的特点就是离开闪蒸罐时各相的量几乎完全决定于相平衡常数。 对这类体系，在很宽的温度范围内，易挥发组分主要集中在汽相中，而液相中则主要集中了难挥发组分。进料焓值的增加将使温度提高，但是对汽液两相的流率的影响不大，因此，宽沸程闪蒸的热衡算跟主要取决与温度，而不是汽化率。,34,绝热闪蒸过程计算,对绝热闪蒸过程，用牛顿法迭代讲求闪蒸温度,需要构造一个迭带代方程。该方程可以利用对热衡算方程，,式中各项分别为节流前后物料的摩尔焓,由于节流为绝热过程,故利用该式可以计算汽化率,在压力为已知的条件下,该式中的焓值为温度的函数,因此,假设温度后可以计算出相应的汽化率,35,绝热闪蒸过程计算,利用牛顿迭代公式有: 其中:,36,y n n y,选择t初值,计算 函数 f(),计算g(t),abs(g(t) ,重新估算t,abs(f() ,选择初值,重新估计,宽沸程绝热闪蒸过程计算框图,37,窄沸程绝热闪蒸过程计算,窄沸点闪蒸过程特点是混合物中各组分的沸点很接近，因而热量衡算主要受汽化潜热的影响，既主要受汽化率的影响，改变进料的热焓值会使汽液相流率发生变化，而平衡温度变化不明显。显然，在这时应该内循环温度，外循环迭代汽化率。,38,对窄沸程绝热闪蒸过程，与等温闪蒸一样采用rachord-rice 方程，迭代t: 其中,窄沸程绝热闪蒸的序贯迭代法,39,窄沸程绝热闪蒸的序贯迭代法,：采用热量平衡方程构造迭代函数迭代汽液分率,迭代方程为方程为 根据牛顿迭代公式有,40,窄沸程绝热闪蒸过程计算框图,n y n y,选择初值,选择t初值,计算f(t),abs(f(t),计算g (),abs(g() ,重新估计,重新估计t,41,闪蒸计算举例,由乙烷(1)、丙烷(2)、正丁烷(3)和正戊烷(4)组成的料液以500kmol/h的流率加入闪蒸室。闪蒸室的压力为1.38mpa(13.6atm)，温度为82.5。料液的组成为： 试计算汽、液相产品的流率和组成。,该物系为轻烃混合物，可按理想溶液处理。由给定的 t 和 p ，从 p - t - k 图查 k i ，再采用上述顺序解法求解,42, 利用p-t-k图查得： k1=4.80，k2=1.96，k3=0.80，k4=0.33 验证料液的泡点和露点： 泡点验证： 露点验证： 可见两者都大于1，说明料液的泡点tb82.5 ，因此在给定温度和压力下，料液将分成汽、液两相。,闪蒸