分离工程 第三章1ppt

1、传质分离工程传质分离工程刘 丰第三章第三章 气液传质分离过程气液传质分离过程本章内容本章内容 3.1 3.1 设计变量设计变量 3.2 3.2 多组分精馏多组分精馏 3.3 3.3 特殊精馏特殊精馏 3.4 3.4 间歇精馏间歇精馏 3.5 3.5 吸收与解吸吸收与解吸双组双组分和分和多组多组分精馏的异同分精馏的异同相同点相同点：基本原理一致基本原理一致主要工具相同：物料衡算，热衡衡算，相平衡关系主要工具相同：物料衡算，热衡衡算，相平衡关系不同点不同点：双组双组分常用图解法分常用图解法多组分常用多组分常用简捷法简捷法严格计算法（计算机算严格计算法（计算机算）精馏是化工生产中常用的分离方法精馏是

2、化工生产中常用的分离方法 化工生产实际中，遇到的多是化工生产实际中，遇到的多是组分数组分数C2或复杂物系的分或复杂物系的分离和提纯问题。离和提纯问题。 对多组分分离装置的计算，就意味着，涉及到的对多组分分离装置的计算，就意味着，涉及到的变量多变量多，就需要用联立或者迭代法解很多独立方程，并且需要规定足够就需要用联立或者迭代法解很多独立方程，并且需要规定足够多的多的设计变量设计变量，使得，使得未知变量未知变量的数目正好等于的数目正好等于独立方程独立方程数。数。 到底需要规定多少设计变量才能唯一确定出其他各个物理到底需要规定多少设计变量才能唯一确定出其他各个物理量的值？量的值？如何去规定设计变量？

3、如何去规定设计变量？这通常是这通常是分离计算分离计算中，第一步中，第一步就涉及到的问题。就涉及到的问题。3.1 3.1 设计变量设计变量Independent Design VariablesIndependent Design Variables物理量：物理量： 流率、浓度、温度（物流、系统）、压力、热流率、浓度、温度（物流、系统）、压力、热负荷、机械功、传热面积、理论板数等。负荷、机械功、传热面积、理论板数等。 设计前需预先给定数值的变量称为设计前需预先给定数值的变量称为设计变量设计变量。设计变量的个数称为设计变量的个数称为设计变量数设计变量数。例如：两组分精馏，一股进料，只有顶、釜采出，

4、例如：两组分精馏，一股进料，只有顶、釜采出，则很简单，但对于多线采出等复杂情况，则需知道则很简单，但对于多线采出等复杂情况，则需知道确定的方法。确定的方法。设计前需给定数值的变量设计前需给定数值的变量 Total condenserReflux drum Top stage Bottom stage Feed stage Overhead vaporFeed stream flow rateA concentration in feedFeed condition in distillationpressureA or B concentration in distillateA or B r

5、ecovery ratio in bottomsReflux ratioNumber of theoretical stages (feed stage location)Heat duties (total condenser & reboiler)calculationKnown variablesSpecified variables已知变量规定变量设计变量数ND: independent design variables变量总数NV: all pertinent variables约束关系数Nc: the total number of independent equation

6、s relating the variables强度变量：intensive variables, such as temperature, pressure, concentration容度变量：extensive variables, such as stream flow rate, heat transfer rate设备参数：equipment parameters, such as the number of equilibrium stages确定设计变量数遵循的一般原则：确定设计变量数遵循的一般原则： C CV VD DN NN NN N- -= =设计变量数设计变量数 系统的

7、系统的总变量数总变量数 变量之间的变量之间的约束关系数约束关系数 bzyxazyx27举例举例:123iCvNNN则其中：VN出入物流变量数能量交换数（热、功）出入物流变量数能量交换数（热、功） (1)(1)物流变量数物流变量数 任一物流的自由度任一物流的自由度：2 P P- - Cf组分数组分数 相数相数 对于单相流股：对于单相流股：1 P P1 Cf完全描述一个流动流股还应加上该流股的流率。完全描述一个流动流股还应加上该流股的流率。因此对于任一单相流股独立变量数：因此对于任一单相流股独立变量数：21) 1( CCNV(2)(2)能量交换数能量交换数 系统与环境间能量交换数的确定：有一股热量

8、交系统与环境间能量交换数的确定：有一股热量交换，增加一个变量数。既有一股热量交换，又有换，增加一个变量数。既有一股热量交换，又有一股功交换时，应增加两个变量数。一股功交换时，应增加两个变量数。 系系统统的的总总变变量量数数CN依据约束关系式依据约束关系式(1)(1)物料衡算式物料衡算式 有有C C个组分的系统，能够建立个组分的系统，能够建立C C个物料衡算式。个物料衡算式。(2)(2)能量衡算式能量衡算式 (3)(3)相平衡关系式相平衡关系式 (4)(4)化学反应平衡式化学反应平衡式 (5)(5)内在关系式内在关系式 每个系统只有每个系统只有1 1个能量衡算式。个能量衡算式。根据相平衡条件根据

9、相平衡条件( (逸度相等、压力相等、温度逸度相等、压力相等、温度相等相等) )能够建立能够建立 C(C(P P-1)+2 1)+2 个相平衡关系式。个相平衡关系式。对于无化学反应的系统，化学平衡关系式数为对于无化学反应的系统，化学平衡关系式数为0 0。通常指已约定的关系，或者设备为了达到应有的效果，还需要满足的通常指已约定的关系，或者设备为了达到应有的效果，还需要满足的关系。如关系。如物料间的温度差物料间的温度差、压力降的关系式压力降的关系式等。等。约定的关系，如：物料温度、压力相等。约定的关系，如：物料温度、压力相等。约约束束关关系系数数3.1.1单元的设计变量单元的设计变量Design v

10、ariables for elements 一个化工流程由很多装置组成，而每个装置又可以分一个化工流程由很多装置组成，而每个装置又可以分解为多个进行简单过程的单元。解为多个进行简单过程的单元。确定单元的设计变量遵循前述的一般原则即可：确定单元的设计变量遵循前述的一般原则即可：单元单元装置装置流程流程eceveDNNN- - 例1. 绝热分配器绝热分配器 出入物流变量数：出入物流变量数：LL1L2（C+2C+2）3 3能量交换数：能量交换数：0 0+)+)NvNv = 3C+6 = 3C+6物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：化学反应平衡式：化学反应平衡式

11、：内在关系式：内在关系式：C C1 10 00 0L L1 1和和L L2 2的的T T、P P、组分浓度相等组分浓度相等 2 2C-1C-1NcNc = 2C+2 = 2C+2N ND De e = = N Nv ve eN Nc ce e = C+4 = C+4VNeCNe设计变设计变量N ND D可进进一步分为为： 固定设计变量固定设计变量N Nx x可调设计变量可调设计变量N Na aN Nx x = = 进料物流变量数系统的压力进料物流变量数系统的压力固定设计变量固定设计变量N Nx x = = 进料压力（进料压力（C+2C+2）+1+1LL1L2分配器分配器可调设计变量可调设计变量

12、N Na a = = N ND D- -N Nx x=(C+4)-(C+3)=1=(C+4)-(C+3)=1分配比分配比N ND D- -N Nx xeaexeDNNN例2. 产产物为两为两相的全凝器 出入物流变量数：出入物流变量数：（C+2C+2）3 3能量交换数：能量交换数：1 1+)+)NvNv = 3C+7 = 3C+7物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：化学反应平衡式：化学反应平衡式：内在关系式：内在关系式：C C1 1C(C(P P-1)+2=C+2-1)+2=C+20 00 0NcNc = 2C+3 = 2C+3N ND De e = =

13、N Nv ve eN Nc ce e = C+4 = C+4VL1L2QVNeCNe固定设计变量固定设计变量N Nx x = = 进料压力（进料压力（C+2C+2）+1+1可调设计变量可调设计变量N Na a = = N ND D- -N Nx x=(C+4)-(C+3)=1=(C+4)-(C+3)=1VL1L2Q 产物为两相的全凝器产物为两相的全凝器 如单元温度或引入的冷量如单元温度或引入的冷量例3. 绝热绝热操作的简单简单平衡级级 出入物流变量数：出入物流变量数：（C+2C+2）4 4能量交换数：能量交换数：0 0+)+)NvNv = 4C+8 = 4C+8物料衡算式：物料衡算式：能量衡算

14、式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：化学反应平衡式：化学反应平衡式：内在关系式：内在关系式：C C1 1C(C(P P-1)+2=C+2-1)+2=C+20 00 0NcNc = 2C+3 = 2C+3N ND De e = = N Nv ve eN Nc ce e = 2C+5 = 2C+5VNeCNeV0V1L1L0+)+)固定设计变量固定设计变量N Nx x = = 进料压力进料压力2 2（C+2C+2）+1+12C2C5 5可调设计变量可调设计变量N Na a = = N ND D- -N Nx x=(2C+5)-(2C+5)=0=(2C+5)-(2C+5)=0V0V1L1L0

15、 绝热操作的简单平衡级绝热操作的简单平衡级 例4. 有侧线侧线采出的平衡级级 出入物流变量数：出入物流变量数：（C+2C+2）5 5能量交换数：能量交换数：0 0+)+)NvNv = 5C+10 = 5C+10物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：相平衡关系式：化学反应平衡式：化学反应平衡式：内在关系式：内在关系式：C C1 1C(C(P P-1)+2=C+2-1)+2=C+20 0C+1C+1NcNc = 3C+4 = 3C+4N ND De e = = N Nv ve eN Nc ce e = 2C+6 = 2C+6VNeCNe+)+)V0V1L1L0S固定设计变量

16、固定设计变量N Nx x = = 进料压力进料压力2 2（C+2C+2）+1+12C2C5 5可调设计变量可调设计变量N Na a = = N Ni i- -N Nx x=(2C+6)-(2C+5)=1=(2C+6)-(2C+5)=1V0V1L1L0S有侧线采出的平衡级有侧线采出的平衡级 侧采量侧采量思考题思考题1：混和器的设计变量数：混和器的设计变量数F3F1F2思考题思考题2：再沸器的设计变量数：再沸器的设计变量数LVLQ掌握掌握p58-59p58-59表表3-13-1由单单元设计变设计变量确定：ucNrNeiNuiN式式连连接接单单元元间间物物流流产产生生等等重重复复使使用用的的单单元元

17、数数- - uiN重复使用一种为1前面进等前面进等于后面出于后面出例例. . 简单吸收塔（简单吸收塔（N N块理论板串级）块理论板串级）VN1NLN+1L1V0变变量量数数相相等等股股汽汽、液液流流量量为为多多次次重重复复使使用用理理论论板板：）（：查查表表)1(:1)(525213- - NNNCNNCNuCreiei3.1.2 设备的设计变量Design variables for units 吸收塔设计变量：吸收塔设计变量： 指定为理论板数指定为理论板数或关键组分吸收率或关键组分吸收率14222)2(52)2(2)1(1)52( - - - - - - - uxuiuauxNNNNCNC

18、cNNCCNCNuCNrNeiNuiN）（每级压力每级压力进料变量数进料变量数其中：其中：查表31：2MM+1M+2NFDW=L110C+N+27C+4再沸器2C+(M-1)+5(M-1)板平衡串级3C+7进料板2C+(N-M-1)+5N-(M+1)板平衡串级C+4回流分配器C+4全凝器单元 eiN 9股股单元物流数；单元物流数；54229)189()2710(189)2(9 - - - - uxuiuauxuiuCNNNNCNCNNCCNCNCCN）（其其中中：故故：:uxN进料C+2每级压力（包括再沸器）N全凝器压力1回流分配器压力1合计C+N+45合计11（D/F）1进料位置1理论板数1回流温度）（DLN 1 :uaN 对精馏塔归纳出简便、可靠的对精馏塔归纳出简便、可靠的 确定设计变量的方法：确定设计变量的方法： （1 1）按每一单相物流有（）按每一单相物流有（C+2C+2）个变个变 量，量， 计算由进料物流所确定的固计算由进料物流所确定的固 定设计变量数。定设计变量数。 （2 2）确定装置中具有不同压力的数目。）确定装置中具有不同压力的数目。 （3 3）上述两项之和即为装置的固定设计）上述两项之和即为装置的固定设计变量数。变量数。（4 4）将串级单元数目、分配器的数目、侧线采出单）将串级单元数目、分