分离工程期末知识总结20161219

Nie = Nve－Nce
= C+4
L1和L2的T、P、组分浓度相等
20
内在关系式：
Nc
多组分精馏
设计变量Ni可进一步分为：
Ni N N
e e x
e a
固定设计变量Nx
Nx
= 进料物流变量数＋系统的压力
可调设计变量Na
＝Ni -Nx
L1 L L2
分配器
固定设计变量Nx = 进料＋压力＝（C+2）+1 可调设计变量Na = Ni-Nx=(C+4)-(C+3)=1
分配比 21
多组分精馏
对于多组分精馏，通常，把由设计者指定分离要求的这2 个组分称为关键组分。 其中 相对易挥发的组分称为轻关键组分（LK） 相对不易挥发的组分称为重关键组分（HK）
设αih为非关键组分i对HK的相对挥发度。
若： i h l h : — i为轻组分，表示： LNK i h hh : — i为重组分，表示： HNK l h i h hh :
动力学上看—相间表观传递速率为零
相平衡准则：
各相百度文库温度相等、压力相等，每个组分的化学位（逸度）相等。
第二章 单级平衡过程
相平衡关系的表示方法
（1）相图
主要用来表示二元组分体系的相平衡关系，包括恒压下的t-x图 和y-x图，以及恒温下的p-x图。
（2）相平衡常数K
组分i的相平衡常数定义为：
（3）分离因子（相对挥发度）α
组分i对组分j的相对挥发度定义为：
分离因子：表示组分间分离的难易程度。
第二章 单级平衡过程
ˆ 汽液平衡关系式： f
V L ˆ ˆ i yi p i xi P (2 8) V 0L ˆ i yi p i xi f i (2 9)
V i
fˆ i
L
状态方程法
活度系数法
第二章 单级平衡过程
第二章 单级平衡过程
活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式 液 相
汽 相
理想气体 理想溶液
理想溶液
实际溶液
Ki
p is Ki p
i p is
p
f Ki f
L i V i
ifiL Ki fiV
pis 为i 组分的饱和蒸汽压。
1、什么叫相平衡？相平衡常数的定义是什么 ？相平衡关系可用几种方法来表达。 2、就活度系数法计算汽液平衡常数的通式， 分以下几种情况进行讨论： 1）汽相为理想气体，液相为理想溶液； 2）汽相为理想气体，液相为非理想溶液； 3）汽相为理想溶液，液相为理想溶液； 4）汽相为理想溶液，液相为非理想溶液。
（3）重组分为分配组分, 轻组 分非为分配组分
最小回流比概念
e
y
xW
x
xD
xD ye Rm ye xe
最小回流是精馏操作的另一极限，操作回流比一定要大于最小 回流比。 最小回流比的计算公式-恩德伍德公式
i ( xiD )m Rm 1 i
i xiF 1 q i
27
(xiD)m —最小回流比下馏出液中组 分i的摩尔分数； xiF —进料中组分i的摩尔分数； q —进料热状态参数（进料液相分 率）； —方程的根，对于c组分系统有c 个根，取LK>>HK的根。
最少理论塔板数
全回流： D=0, R=L/D= 全回流是精馏操作的一个极限（上限），全回流操作时，精馏 段操作线和提馏段操作线重合，完成分离需要的理论板数最少。 说明：全回流时不向塔内进料，也不从塔内取出产品，装置的 生产能力为0，因此对正常生产并无意义。但全回流对精馏过程 的理论计算，开工阶段及实验研究等具有重要意义。
B和C在塔顶和塔釜均出现，为分配组分； A和D仅在塔顶或塔釜出现，为非分配组分。 A B C D A B C
B C D
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多组分精馏
多组分精馏的特点
定义：顶釜同时出现的组分——分配组分 只在顶或釜出现的组分——非分配组分
一般：LK、HK和中间组分为分配组分；
非关键组分可以是分配组分，也可以是非分配组分。 多元精馏特点：
(T )已知 Y T (P) P 求ki yi ki yi ki 1 TD T
C
调整T（P）
对于露点温度， 对于露点压力， <1，说明所设温度偏高； <1，说明所设压力 偏低；
第二章 单级平衡过程
等温闪蒸过程
已知：F , Z i , T , P 求： V,
▼各组分相互影响，最小回流比下，存在上、下恒浓区；
▼所有进料组分受非分配组分的影响， ▼恒浓区位置不一定在进料板处。
多组分精馏
重组分 恒浓区 轻组分 恒浓区
多组分精馏中的恒浓区
有两个“夹点”
（1）轻、重组分均为非分配组分
重组分 恒浓区 （2）重组分为非分配组分，轻组分为分配组 轻组分 分 恒浓区 重 组 分 恒浓区 轻 组 分 恒浓区 （4）轻、重组分均为分配组分 重组分 恒浓区 轻组分 恒浓区
第二章 单级平衡过程
泡点计算依据的方程
①相平衡关系：
y i K i xi
②摩尔分率的归一化方程：
(i 1, , c)
y
i
i
1
x
i
i
1
③相平衡常数关联式： K i f i ( p, T , x, y )
(i 1, , c)
以上方程组共有3c+2个变量，独立方程数2c+2个，自由度 为c，给定p和c-1个xi，方程有唯一解。
非均相进料，只要简单地分相就可以。如过滤、沉降、 固-液分离和气-液分离器等。 传质分离过程是除了机械地将不同相加以分离外，相 间还发生物质的传递。分离对象是均相混合物，将含 有不同组分的均相混合物分成组成互不相同的两种或 多种产品的操作。精馏，吸收，萃取等。
平衡分离过程
传质分离过程
速率分离过程
③计算收敛时，
i
( y x ) 0，目标函数为： z ( K 1) 闪蒸方程 G ( e) ( y x ) ( K 1)e 1 Rachford-Rice eq
i i i
i i i i i i
1. 2. 3. 4. 5. 6.
什么叫泡点，什么叫露点？ 精馏塔塔顶的温度和塔釜的温度分别是什么？ 简述求解泡露点的思路？ 对于泡点温度，∑Kixi <1，应如何调整温度？ 怎样判断闪蒸问题在给定的T、P下是否成立？ 等温闪蒸的通用闪蒸方程（Rachford-Rice方程 ）的形式。
最小回流比
计算最小回流比的Underwood（恩德伍德）公式： 假设： 1、各组分相对挥发度是常数； 2、塔内汽液相流率为恒摩尔流。 Underwood（恩德伍德）公式：
i ( xiD )m Rm 1 （3-3a） i
i —组分i 的相对挥发度；
i xiF 1 q （3-3b） i
第二章 单级平衡过程
2.1 相平衡及其计算 2.2多组分物系的泡点和露点计算
掌握 重点掌握 掌握
2.3闪蒸过程的计算
第二章 单级平衡过程
相平衡的定义 在一定的条件下，当一个多相系统中各相的性质和数 量不随时间变化时(即保持物理平衡)，则称此系统处于 相平衡。
相平衡的实质： 热力学上看—物系的Gibbs自由能最小
no yes
调整T
？
T，yi
第二章 单级平衡过程
露点计算
平衡常数与组成无关的露点计算 k i f (T , P)
yi 露点方程： f (T ) K 1.0 0 ( 2 60) i 1 i C y f ( P ) i 1.0 0 ( 2 61) i 1K i
第二章 单级平衡过程
泡点温度的计算
Ki与组成无关： Ki f (T , P)
泡点方程： f T K x 1 0 i i
C
温度T的调整
K x
i i
1 1
降低T； 提高T
计算过程：
？
i 1
假定T
已知P
？
K x
Kixi
i i
得到Ki
f(T)=|Kixi-1 |<
5、确定实际N、R和适宜进料位置; 6、由热量衡算计算塔顶冷凝器和塔底再沸器热负荷。
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1、试确定分配器、全凝器、分凝器的设计变量。 2、什么是关键组分？非关键组分？分配组分与非分配 组分？非关键组分是否就一定是非分配组分？ 3、什么是清晰分割法和不清晰分割法？叙述其原理。 4、试分析多组分精馏在最小回流情况下，恒浓区出现 的位置（按清晰分割处理，分只有轻非关键组分的 物系、只有重非关键组分的物系两种情况论述） 5、怎样用简捷法计算精馏过程的理论板板数。
分离工程
第一章 绪论
分离过程基本概念 定义：将一混合物转变为组成不相同的两种或 两种以上产物的操作。
分离工程示意图
分离剂 (物质或能量) 原料物流 分离装置 产品1 (组成不同的物流)
(一股或几股)
产品2
第一章 绪论
分离过程的分类
分离过程分为机械分离过程和传质分离过程两大类。 机械分离过程是指分离装置所接受的是多于一个相的
ki Z i
> 1 < 1 = 1
T TB
可能为汽液两相区 进料为过冷液体 进料处于露点 (饱和液体)
T TB
T TD
露点方程
可能为汽液两相区 T T > 1 D ki < 1 T TD 进料为过热蒸汽 只有当TB<T<TD时，才构成闪蒸问题。
Zi
第二章 单级平衡过程
汽液平衡常数与组成无关
多组分精馏
简捷计算法步骤：
1、由工艺要求选LK和HK，假设清晰分割或假设回收率， 物料分配得出D、W、xi,D，xi,w；
2、分别由露点方程和泡点方程计算塔顶和塔底温度，由此 计算全塔平均相对挥发度； 3、由Fenske方程计算最少理论板数，验证清晰分割或回收 率（以产品是否合格为依据）；
4、由Underwood方程计算最小回流比；
K i f (T , P)
①令料液的汽化率为e，即： e V / F
则有： V eF L (1 e) F ②将相平衡关系式 y i K i x i , 带入组分物料平衡 式 Fzi Vyi Lxi , 得到液相和汽相组成计算式： K i zi zi yi xi ( K i 1)e 1 ( K i 1)e 1
yi , L, x i
液化的量 L e 液化率： 总加入量 F
液化的量 V 汽化率： 总加入量 F
e 1
（给定料液的量和组成，计算在指定压力和温度条件下闪蒸 得到的汽相量和组成，以及剩余的液相量和组成）
第二章 单级平衡过程
1、进行闪蒸计算之前，需要核实闪蒸问题是否成立！ 在给定的T、P下，计算： = 1 T TB 进料处于泡点(饱和蒸汽) 泡点方程
22 — i为中间关键组分
多组分精馏
清晰分割
馏出液中除了重关键组分(HK)之外，没有其它重组分； 釜液中除了轻关键组分(LK)之外，没有其它轻组分。 那么，根据组分是否在精馏塔的两端都出现，可分为 分配组分和非分配组分。
例：A、B、C、D 挥发性逐渐减小， 精馏工艺要求按AB与CD分开。 则：B为LK；C为HK； A为LNK；D为HNK。
第三章 多组分精馏
本章要求：
1）会确定系统的独立变量数、约束关系数和设计变量数。 2）了解多组分精馏过程与二组分精馏的比较分析。掌握 关键组分等概念。 3）掌握多组分精馏过程计算，清晰分割和不清晰分割物 料衡算的计算方法。 4) 掌握简捷法求算精馏过程理论板数的步骤。 5）了解萃取精馏和共沸精馏过程的概念和异同点。
多组分精馏
确定设计变量数遵循的一般原则：
Ni NV N C
设计变量数 系统的
独立变量数 变量之间的 约束关系数
多组分精馏
例1. 绝热分配器
N Ve
出入物流变量数： 3 （C+2） 0
L L1
能量交换数：
Nv
= 3C+6
L2
N Ce
物料衡算式： 能量衡算式： 相平衡关系式：
C
1 0 2＋C-1 = 2C+2
活度系数法计算汽液平衡常数
yi i f iOL i f i L Ki V V ˆi P ˆi P xi
L S V ( P P L S S i i ) f i Pi i exp[ ] ( 2 21) RT s s L S yi i Pi i Vi ( P Pi ) K i V exp[ ] ( 2 35) ˆi P xi RT ——计算Ki的普遍化形式（用于严格计算）
特点：★F=D=W=0 ★ L=V；L/V=1
★操作线方程： yn1 ,i x n ,i
★板效率 最高
由于全回流，用 N m 表示N，省去“均”： x xA lg[ （ A） （ ） D W] xB xB Nm （3 8） lg AB — — Fenske方程
最少理论板数只与分离要求有关，与进料组成无关。