第2章 多组分分离基础.ppt

第2章 多组分分离基础 主要内容及要求： 1. 相平衡常数计算：状态方程法，活度系数法 2. 泡点、露点计算 （1）泡点计算：在一定P（或T）下，已知xi，确定Tb（或Pb）和yi。 （2）露点计算 3. 等温闪蒸计算：给定物料的量与组成，计算在一定P和T下闪蒸得到的汽相量与组成，以及剩余的液相量与组成。 第2章 多组分分离基础 2.1 分离过程的变量分析及 设计变量的确定 2.2 相平衡关系的计算 2.3 多组分物系的泡点和露点计算 2.4 单级平衡分离过程的计算 §2.1 分离过程的变量分析及设计变量的确定 2.1.1 设计变量 （1）设计变量 在化工原理课程中，对双组分精馏和单组分吸收等简单传质过程进行过较详尽的讨论。然而，在化工生产实际中，遇到更多的是含有较多组分或复杂物系的分离与提纯问题。 在设计多组分多级分离问题时，必须用联立或迭代法严格地解数目较多的方程，这就是说必须规定足够多的设计变量，使得未知变量的数目正好等于独立方程数，因此在各种设计的分离过程中，首先就涉及过程条件或独立变量的规定问题。 多组分多级分离问题，由于组分数增多而增加了过程的复杂性。解这类问题，严格的应该用精确的计算机算法，但简捷计算常用于过程设计的初始阶段，是对操作进行粗略分析的常用算法。 设计分离装置就是要求确定各个物理量的数值，但设计的第一步还不是选择变量的具体数值，而是要知道在设计时所需要指定的独立变量的数目，即设计变量。 设计变量：确定设计中已知变量 对于一个只有一处进料的二组分精馏塔，如果已知进料流率，进料组成浓度，进料状态，塔压(固有的4个变量)，再规定馏出液浓度A or B ，釜液回收率A or B 和回流比，则可计算出理论板数（精馏段和提馏段板数，确定适宜的进料位置）和冷凝器及再沸器的热负荷。 复杂体系 郭氏法的基本原则是将一个装置分解为若干进行简单过程的单元，由每一单元的独立变量数 和约束数 求出每一单元的设计变量数 ，然后再由单元的设计变量数 计算出装置的设计变量数。 在设计变量Ni中， 又被分为固定设计变量Nx和可调设计变量Na，Nx是指确定进料物流的那些变量（进料组成和流量）以及系统的压力，这些变量常常是由单元在整个装置中的地位，或装置在整个流程中的地位所决定，也就是说，实际上不要由设计者来指定，而Na才是真正要由设计者来确定的，因此郭氏法的目的是确定正确Na的值。 系统的独立变量数由出入系统的各物流的独立变量数以及系统与环境进行能量交换情况来决定。 Nv＝出入物流变量数＋能量交换数（热、功） 根据相律，任一流股的自由度为： f=c-π+2 相律所指的独立变量是指强度性质。即温度、压力和浓度，与系统的量无关的性质，而要描述流动系统，必须加上物流的数量。 对于单相流股：π=1，自由度 f=c-1+2=c+1 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： Nv=c+1+1=c+2 注意：不同流股的可能是不同的。 能量交换数：有热与功的输入和输出，就要增加相应的能量交换数。 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，又有一股功交换时，应增加两个变量数。 约束数 Nc 约束数可以依靠热力学第一定律和第二定律来计算，即由物料衡算，热量衡算和平衡关系写出变量之间的关系式。 ⑴物料平衡式：c个组分有c个（独立组分:c-1,总物:1） ⑵能量平衡式：一个系统一个,不能对每个组分分别写 ⑶相平衡关系式：c(π-1)个，π相数 相平衡关系是指处于平衡的各相温度相等，压力相等以及组分在各相中的逸度相等，一般仅考虑无化学反应的分离系统，故不考虑化学平衡约束数 ⑷内在关系：约定的关系，如已知的等量、比例关系 3.1.2 单元的设计变量 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。 (1)无浓度变化的单元 如分配器，泵，加热器，冷却器，换热器，全凝器，全蒸发器，因为这些单元中无浓度变化，故每一物流均可看成单相物流。 如加热器 约束数：物料平衡式 C个 能量平衡式 1个 其中： （进料C+2个，压力1个） ，为系统换热量或出换热器的温度。 对冷却器、泵等无浓度变化的单元情况类似。 （2）有浓度变化的单元 混合器、分相器、部分蒸发器、全凝器（凝液为两相），简单的平衡级等。在这些单元中，描述一个单相物料的独立变量数是C+2，一个互成平衡的两相物料的独立变量数也是C+2。如果有两个物流是互成平衡的，如离开分相器