分离工程(多组分分离的严格计算)

1、第五章,多组分多级分离的严格计算,Chapter 5 Multistage separation process of multi-component rigorous calculation,5.1平衡级的理论模型 5.2三对角矩阵法 5.3逐板计算法 5.4非稳态方程计算方法（松弛法）,重点掌握,掌握,了解,掌握,1）了解平衡级的基本假定，掌握多级平衡分离过程的物理模型和数学模型 2）掌握三对角线矩阵法（泡点法）的计算原理和解法，该法的优缺点和改进方法 3）掌握逐板计算法原理、计算起点和步骤 4）了解流率加和法（SR法）和松驰法的计算原理,1、复杂精馏塔类型,多股进料,侧线采出,中间冷凝或

2、中间再沸,5.1 多 组 分 复 杂 精 馏 过 程 的 模 型,5-1多组分复杂精馏过程的模型,一、复杂精馏塔物理模型 复杂精馏塔 多于一股进料和多于两股出料的精馏塔 目的：节省能量和减少设备的数量 1、复杂精馏塔类型,5.1 多 组 分 复 杂 精 馏 过 程 的 模 型,2、 模型塔,j平衡级,5.1 多 组 分 复 杂 精 馏 过 程 的 模 型,二、平衡级的理论模型,1、多级分离过程的平衡级 (1)在每一分离级上的每一相流体为完全混合，其温度、压力和组成在分离级上各处均一致，且与离开分离级的该相流体相同 (2)离开分离级的两相流体之间成相平衡 具备这两个条件的分离级为平衡级 由平衡级

3、假设引起的误差，可以进行修正，如引进级效率等,5.1 多 组 分 复 杂 精 馏 过 程 的 模 型,2、多级分离过程的数学模型MESH方程组,物料平衡式Material Balance Equation,热量平衡式 Heat Balance Equation,或,摩尔分率加和式 Summary Equation,相平衡关系式Equilibrium Balance Equation,5.1 多 组 分 复 杂 精 馏 过 程 的 模 型,2、多级分离过程的数学模型MESH方程组,除MESH模型方程组外,个变量,个方程和,将上述N个平衡级按逆流方式串联起来，有,必须知道,的关联式,5.1 多 组

4、 分 复 杂 精 馏 过 程 的 模 型,三、计算方法,1、开发前的准备 构成一个精馏塔模拟计算的算法，必须对下列三点作出选择和安排 1）迭代变量的选择 2）迭代变量的组织 3）一些变量的圆整和归一的方法以及迭代的加速方法,5.1 多 组 分 复 杂 精 馏 过 程 的 模 型,2、严格计算法的种类,1）矩阵法 是将MESH方程按类别组合，对其中一类和几类方程组用矩阵法对各级同时求解 2）逐板计算法 将各类方程按板组合，运用试差的方法，逐级求解相平衡，物料平衡和热平衡方程式 3）松弛法 采用不稳定状态的物料平衡方程和热平衡方程，求解稳定状态下多级平衡过程,5.1 多 组 分 复 杂 精 馏 过

5、 程 的 模 型,3、计算类型,设计性计算。解决完成一预定的分离任务的新过程设计问题 需知道轻、重关键组分的回收率（或分离要求），求解所需的理论板数，和最佳进料位置和侧线采出位置 操作性计算。已知操作条件下，分析和考察已有的分离设备的性能,5.1 多 组 分 复 杂 精 馏 过 程 的 模 型,4、发展动态,开发新的方法 动态模拟与调优 特定过程模拟,5.1 多 组 分 复 杂 精 馏 过 程 的 模 型,5-2 三对角矩阵法 泡点法,一、计算原理 在初步假定的沿塔高温度、汽、液流量的情况下，逐板地用物料平衡（M）和汽液平衡（E）方程联立求得一组方程，并用矩阵求解各板上组成 用S方程求各板上新

6、的温度 用H方程求各板上新的汽液流量。如此循环计算直到稳定为止,5.2 三 对 角 矩 阵 法,？,二、ME方程,将E方程带入M方程消去,令,5.2 三 对 角 矩 阵 法,二、ME方程,或简写为,5.2 三 对 角 矩 阵 法,二、ME方程,当,时，即塔釜，没有下一板上来的蒸汽,当,的液体,时，即塔顶冷凝器，由于没有上一板来,5.2 三 对 角 矩 阵 法,三、初值的确定,设为恒摩尔流,j板平衡：,液相平衡：,根据塔顶、塔釜的温度线性分布,5.2 三 对 角 矩 阵 法,四、求解方法,1、三对角矩阵中求解,的方法,5.2 三 对 角 矩 阵 法,三、初值的确定,由j板与塔顶作物料平衡,常数中

7、如果没有某些物料,可以用零代入,求,由,5.2 三 对 角 矩 阵 法,1、三对角矩阵中求解 的方法,其中,由此求出各,和,并可以求出某一组分在各块板上的液相组成,5.2 三 对 角 矩 阵 法,2、用S方程计算新的温度分布,1）圆整 H方程：,2）用泡点法求,3、用H方程计算各块板的,和,任一板总物料衡算,，并同时得,5.2 三 对 角 矩 阵 法,？,3、用H方程计算各块板的 和,由假定的,为止,冷凝器开始，然后随着j的递增而求得,，计算顺序从,初始值即可求得,5.2 三 对 角 矩 阵 法,5、计算步骤,由计算出的,判断是否满足收敛条件,新的汽液相流量,用H方程从冷凝器开始向下计算出各板

8、的,计算,、,、,由,，同时计算,，用S方程试差迭代出新的,温度,5.2 三 对 角 矩 阵 法,5、计算步骤,确定必要条件和基础数据 按塔顶、塔釜的温度假定在塔内温度为线性分布的温度初始值,则圆整,，若,用高斯消去法解矩阵得,中的,，然后计算ME矩阵方程,的计算,由假设,组初始的蒸汽量分布,，按恒摩尔流假定一,5.2 三 对 角 矩 阵 法,六、讨论,由子程序求解ME三对角矩阵的,，若为,负值均置为零,对接近理想溶液的物系，采用大循环， 计算速度快,对接近理想溶液体系，对,初值要求,不苛刻,对非理想物系，,初值会影响到是否,收敛和收敛速度,对非理想溶液物系，采用T循环有利收敛,5.2 三 对 角 矩 阵 法,五、流量加和法（SR法）,解ME三对角矩阵方程求出组分流率,相应的衡算式的形式也要有所改变,即用各板之组分流率代替,独立变量取,再用H方程校正温度,或,和,组分流率加和(S)得到,5.2 三 对 角 矩 阵 法,？,三对角矩阵法有露点法吗？它与泡点法的区别？ 求出的液相组成可以不归一吗？ 归一后可带来那些问题？ 精馏塔和吸收塔的塔板温度其计算方法相同