化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第二章单级平衡过程参考PPT

1、1,第二章 单级平衡过程,2,简单精馏塔,3,内容：,4,第二章 单级平衡过程,第一节 相平衡 第二节 多组分物系的泡点和露点计算 第三节 闪蒸过程的计算,5,第一节 相平衡,返回,2.1.1相平衡条件 2.1.2 相平衡常数的计算,返回,6,2.1.1 相平衡条件 一、相平衡条件 相平衡：由混合物或溶液形成若干相，这些相保持物理 平衡而共存状态。 热力学上看物系的自由焓最小 动力学上看相间表观传递速率为零,7,相平衡条件：,8,引入逸度系数 ：,引入活度系数 ：,1.汽液平衡,9,汽液平衡关系式：,10,2.液液平衡,由（2-7）：,基准态相等,11,二、相平衡常数和分离因子 定义：,精馏、

2、吸收：称汽液相平衡常数 液液萃取：液液相平衡常数（或分配系数）,12,三、用 表示平衡关系,返回,13,2.1.2 相平衡常数的计算,14,一、状态方程法,由（28）：,15,以P为自变量：,16,(2-16)推导：,积分后得（2-16）,返回,17,18,1.用Van der waals方程计算,Van der waals方程：,a、b为Van der waals常数,19,将（215）积分后代入以上结果：,20,步骤：,21,22,2.用维里方程计算,维里方程的截断式：,恢复,恢复,23,的计算：,24, 为简单流体 的对比第二维里系数，计算：, 为校正函数，计算：,25,二元常数 的平均

3、值,26,由（216）：,27,28,用（231）解的步骤： 1.用状态方程4求Vt (两个根返回)、 检验： 4式有实根，取大根，否则用（230）求取。 2.由（231）求,29,3.采用RK方程计算,30,RK方程：,31,RK方程的另一种形式：,推出：,32,计算方法： 1.由6计算ZM 三个根：求气体（ ）取 求液体（ ）取 2.由7求,33,34,二、活度系数法,由（29）：,恢复,35,1.基准态逸度,液相活度系数：,讨论：可凝性组分基准态 不凝性组分基准态 溶液基准态,36,（1）可凝性组分基准态 取基准态：,37,的计算：,38,39,（2）不凝性组分基准态 取基准态：,40,

4、41,2.液相活度系数,化工热力学提出：,1摩尔混合物的过剩自由焓,42,43,发展阶段： 20世纪初：问题集中于溶液的非理想性从何而来？ 二种观点：1.Van Laar认为分子的吸引与排斥 2. Dolezalek认为分子间相互作用能，如缔合 争论了五年之久，由于van der Waals力的提出，1占优势、2被埋没，出现了：Van Laar；Margules方程。 1964年：化学热力学的发展 由 提出 ，Wohl对历年公式加以总结，并推广到多元。 1964年：Wilson提出局部组成新概念，并得到发展。 出现了Wilson方程、NRTL方程、UNQAC方程。,44,1.Wohl型经验关系

5、式,Margules方程 Van Laar方程 SH方程 特点：简便，由于缺乏多元数据，因 此不能应用于多元。,45,2.由局部组成概念建立的半经验方程,Wilson方程： 三个优点：1.推算精度高。 2.对理想系偏离很大的物系也适宜。 3.无须多元实验值。 二个主要缺点； 1.不适用于部分互溶系与液液平衡系。 修正后可用 2. 曲线呈极值点时不适用。,46,NRTL方程： 适用于部分互溶体系，液液平衡体系 。 缺点：引入第三参数 ，其计算由组分化学性质估计（ =0.20.4）。 UNIQUAC方程： 复杂 优点：1.仅用二个调整数 ， 后即可用于液液 体系。 2.参数随T变化很小。 3.主要

6、浓度变量为 ，并非 ，因此还可用于 大分子（聚合物）溶液。,47,三、活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式,计算Ki的普遍化形式（用于严格计算）,48,各种简化形式： 1.汽相是理想气体，液相是理想溶液。 完全理想系,适用物系：P200kPa，分子结构十分相近的 组分溶液,49,2.汽相是理想气体，液相是非理想溶液。,适用物系：低压下，分子结构相差不大的组分溶液。 1,为正偏差溶液 1 ,为负偏差溶液,50,3.汽液相均为理想溶液。,适用物系: 中压下烃类混合物.,51,4.汽相为理想溶液,液相为非理想溶液。,52,例21：计算乙烯的相平衡常数 实验值： 已知：T=311K P=344.2kP

7、a Tc=282.4K Pc=5034.6kPa 解：1.按理想气体、理想溶液计算 2.汽液均按理想溶液计算 A.逸度系数法 B.列线图法,53,例22：计算混合物相平衡常数（甲醇-水） 实验值：K1=1.381 K2=0.428 T=71.29 P=0.1013MPa 已知：1.B11、B22、B12、BM （第二维里系数） 2. 、 3. 4.NRTL方程参数 解1：按汽液均为非理想溶液计算,54,A.求 （采用维里方程计算）,55,B.求 （采用维里方程计算）,56,C.求,57,58,59,60,返回,61,第二节 多组分物系的泡点和露点计算,2.2.1 泡点温度和压力的计算 2.2.

8、2 露点温度和压力的计算,返回,62,汽液平衡时：,63,2.2.1 泡点温度和压力的计算,变量分析：,64,一、泡点温度的计算,1.平衡常数与组成无关的情况,65,采用泡点方程：,66, T=100,67,68,解法3：电算（Newtow迭代法）,设T=70（初值）， 5次完成。T=99.812,69,70,71,2.平衡常数与组成有关的情况,采用试差法,72,计算框图：,图22,73,判别收敛条件： （235）用于低压时近似看成：,74,与泡点温度相同，比较与分析如下：,二、泡点压力的计算,75,泡点方程比较：,76,计算框图：,77,例26：计算泡点压力及汽相组成氯仿（1）乙醇（2） 已

9、知：1. 2. 不计Poynting因子 解：,78,混合物的逸度系数：,79,80,返回,81,已知：P（或T） T（或P） 1.平衡常数与组成无关的情况 露点方程：,2.2.2 露点温度和压力的计算,82,2.平衡常数与组成有关的情况 计算框图：,83,例27：计算50时蒸汽混合物露点压力 已知：1. 2. 汽相组成 解：汽相假定为理想气体，液相为非理想溶液 计算式：,结果：P=85.101kPa,84,计算过程：,85,返回,86,第三节 闪蒸（Flash）过程的计算,87,流程示意图：,液体混合物的汽化,气体混合物的冷凝,88,变量分析：,一般计算后得2C+3个解：,89,第三节 闪蒸

10、过程的计算,2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程 2.3.2 绝热闪蒸过程,90,2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程,变量数：3C+8 方程数：2C+3 指定变量数:(3C+8)-(2C+3)=C+5 及：F、Zi、TF、PF、P、L(或汽化率),变量数：3C+6 方程数： 2C+3 指定变量数:(3C+6)-(2C+3)=C+3 及：F、Zi、T、P,91,一、汽液平衡常数与组成无关 1.联立求解2C+3个方程,对i组分物料衡算：,有：,92,2.RachfordRice方程 用于电算 由(268),(267）：,93,3. Q 的计算 Q吸热为正，移热为负 H混合物的摩尔焓 对于理想混合：,

11、纯组分摩尔焓,94,4.判断闪蒸过程是否可行的方法 方法一：已知P,95,判断：,96,判 断：,97,2.采用RachfordRice方程 烃类物系，K查PTK图,98,4.计算V，L,5.核实,99,二、汽液平衡常数与组成有关的闪蒸计算,对 分层迭代：,100,对 同时迭代：,101,2.2.4 绝热闪蒸,到目前为止，所讨论的都是设置换热器和膨胀阀的平衡闪蒸过程，这使其能够在T，P，或V/F中任选两个参数而不必考虑总的热焓衡算。热焓差是由换热器交换的热量来补足的，反过来，可用热焓衡算来确定所需的热量。 但是，实际生产过程中，闪蒸常常不是通过换热器来实现的，而是依靠将原料通过阀门，等焓节流至

12、低压，生成蒸汽来完成分离作用的，这就是绝热闪蒸，又称为等焓闪蒸。,102,有关概念： 节流：工质在管内流动时，由于通道截面突然缩小，使工质压力降低，这种现象称为节流。 化工过程中常遇见的工质经孔板或阀门等部件时，由于管道的流通截面突然缩小引起工质压力降低，便是节流。因工质流经缩口的时间极短，来不及与外界交换热量，可看成绝热过程。节流前后的焓相等是节流过程的基本特征。,103,前面已经分析了闪蒸过程的自由度为C4，由于Q=0，因此，绝热闪蒸的自由度为C3，除已知的原料变量C2个（原料流量F、组成、温度和压力），可以独立指定的变量就只有一个，这个变量不能再是温度T，因为它可通过焓衡算来确定。,普通

13、的情况是指定闪蒸压力P。 绝热闪蒸的计算任务是： 已知：F、zi、T1、P1和P 计算：T、V、L、xi、yi,图26绝热闪蒸示意图,104,绝热闪蒸计算与等温闪蒸计算相类似，仅增加一个热衡算方程。绝热闪蒸的计算基本方程为：,105,1常用解法 这是目前应用得较多的一种方法，一般选取xi、yi、T和为循环变量，并依照处理体系的沸程宽窄（组分之相对挥发度或沸点差）来设计内外循环变量。 宽沸程体系：热焓衡算更主要取决于温度（外层变量），而不是（内层变量）。 窄沸程体系：热焓衡算更主要受汽化潜热的影响，即受 （外层变量）影响较大，受T （内层变量）影响较小。,106,107,在这一解法中有两点值得指出： 首先是对于所选出的循环变量，并未采取同时迭代求解的方法，而是采取了内、中、外三重嵌套的迭代循环，分别对不同变量分层迭代收敛。内循环是视宽、窄沸程的不同情况，分别迭代收敛或T中的一个变量。内循环收敛后，转入中间循环，迭代收敛xi，yi。中环收敛后，再转入外循环，迭代收敛和T中的另一个。当外循环最后达到收敛时，才结束整个求解过程。 另一点就是在具体的闪蒸计算中，对宽、窄沸程的情况予以区别对待的作法。,108,例如： 设有两种极不相同的混合物，分别为窄沸程和宽沸程，每一种都进入一绝热闪蒸器，从一完全给定状态的原料产生蒸汽和液体产品。 设窄沸程为一纯组分的极限情况。对这种进料，