《化工分离工程》课件第3讲分离过程.ppt

系统独立变量（Nv)的计算
描述系统的独立变量数可以由进出系统的物流和系统与 环境进行能量交换的情况确定具体的原则为：
对一单相物流，其独立变量为：
NV C 2
如果系统与环境有能量交换，则独立变量应该加上描述 能量交换的变量数，如有 一股热交换，又有一股功交换， 则应该再加上两个设计变量，即：
（指约定的关系，如物流之间温度，压力降之间的关系等）
简单吸收塔的设计变量
设计变量 可以规定为: 固定设计变 量: 两股进 料 2C+4 每级压力 N 可调设计变 量 理论级数 1
该装置由N个绝热操作的简单平衡级构
N成ie,因此有2: c 5 Nr 1
VN=D
在串级之间有物流2(N+1)个,故有
N
u c
2( N
1)(c 2)
N
u i
N
e i
N
r
N
u c
N(2c 5) 1 2(N 1)(c 2)
2c N 5
V0=F
LN+1=S
N N-1 N-2 N-3
4 3 2 1
L1
装置设计变量统计举例
分析如图所示精馏装置的设计变量（分为6个单元）
单元
设计变量
全凝器
C+4
回流分配器
设计变量分类
设计变量
单元设计变量 装置设计变量
指确定进料物流 的那些变量(例 如，进料的组成 和流量)以及系
统的压力
设计变量分类
固定设计变量
设计变量
需要设计者 确定的变量
可调设计变量
设计变量的计算原则
根据设计变量的定义，可以很容易得出设计变量的 计算公式
Ni Nv Nc
其中：Ni Nv Nc分别设计变量数，描述系统的独立变 量数和这些变量之间的约束关系。如果知道了描述 系统的独立变量的数目和这些独立变量之间的约束 关系，很容易统计出设计变量数。
利用郭氏原则统计
固定设计变量:
进料变量数:
进料: 温度,压力,流率,异丙醇组成: 4
水蒸气(温度,压力,流率)
3
压力等级
1
合计
8
可调设计变量:
串级
3
换热单元
2
合计
5
进料 异丙醇+水
混合器 富异丙醇相
全凝器 富水相
串级
分相器
异丙醇塔 串级
串级 水塔
再沸器 异丙醇
废水
水蒸气
设计变量的规定
对于这个问题,可调设计变量的规定有这样几种选择: 一 操作型: 三个串级各自的平衡级级数；再沸器的蒸 发速率;；冷凝器的过冷温度; 二 设计型; 异丙醇塔釜液中异丙醇浓度；水塔釜液异 丙醇浓度；异丙醇塔的进料位置；再沸器的蒸发速度； 冷凝器的过冷温度．
NV C 2 能量交换增加的变量数
独立变量之间约束关系
独立变量之间的约束关系包括：
1 物料平衡关系（对C组分体系有C个）
2 能量平衡关系（对一个体系只有一个）
3 相平衡关系（对C组分π相体系有C（ π+1）个）
4 化学平衡关系
（分离过程只考虑无化学反应的体系，不考虑该约束条件）
5 内在关系
9
可调设计变量:
N
u x
c
N
4
设计变量规定:
N
u a
N
u i
N
u x
5
固定设计变量
可调设计变量
进料
C+2
回流为泡点温度 1
每级压力
N
总理论级N
1
全凝器压力
1
回流分配器压力 1
C+N+4
进料位置M+1
1
馏出液流率
1
回流比
1来自百度文库
5
确定装置变量郭氏原则
按每一股单相物流有（C+2）个变量， 计算进料物流所确定的固定设计变量。
塔内 无压 降
回流分配器
1
侧线采出单元数 1
传热单元数
2
可调设计变量 7
装置设计变量 C+10
装置设计变量统计举例
计算如图所示用苯作共沸剂分离乙醇-水恒沸物流程的设计变量数，假设塔板无压降
混合器 富异丙醇相
全凝器 富水相
进料 异丙醇+水
串级
分相器
异丙醇塔 串级
串级
水塔
再沸器
异丙醇
废水
水蒸气
fˆiV fˆiL
为把逸度和实测压力、温度、组成等物理量联系 起来，引入逸度系数和活度系数。
ˆiV fˆiV / yi p
ˆiL fˆiL / xi p
L i
fˆi L
/ xi
f
OL i
V i
fˆiV
/
xi
f
OV i
基准态下组分i的逸度。
两种常用的汽液相平衡关系表达式：
ˆiV yi p ˆiL xi p
分离过程
第2章 单级平衡过程
?
设计变量提出
分离装置的设计的实质就是确定与分离装置 相关的各种物理量的具体数值。这些物理量 之间是相互关联的，从数学的观点来看，如 果这些物理量具有唯一的数值，这些物理量 之间制约关系应该与物理量的数目相等。在 实质分离过程设计中，两者之间常常不相等， 为了使分离过程的计算得以进行，设计者通 常要预先对其中的一些变量规定数值，设计 者规定数值的变量称为设计变量。
ˆiV
yi
p
i
xi
f
OL i
计算相平衡常数的两个基本关系
二、相平衡关系的表示方法：
yi 1. 相图
0
xi
2. 相平衡常数：
Ki yi / xi
这两种选择只能作为一般的情况，由于在比较复杂的装置中，变量数目多，而且各变 量间又相互制约，根据具体情况对设计新塔和对原有塔的新分离任务确定可调变量的方案 是不相同的，只有对分离过程的机理有比较深入和全面了解，才可能正确选择设计变量．
第2章 单级平衡过程
2.1 相平衡 2.2 多组分物系的泡点和露点计算 2.3 闪蒸过程的计算 √ 2.4 液液平衡过程的计算 2.5 多相平衡过程
2.1 相平衡
2.1.1 相平衡关系 2.1.2 相平衡常数的计算 2.1.3 液液平衡
2.1.1 相平衡关系
一、相平衡条件（准则）： 各相的温度、压力相同，各相组分的逸度也相等。
T T T ...... P P P ......
fˆi fˆi fˆi ......
汽液相平衡关系
确定装置中具有的不同压力的数目。 上述之和既为为装置的固定设计变量。 将串级单元数，分配器数，侧线采出单
元数以及传热单元的数目相加为装置的 可调设计变量数。
装置设计变量统计举例
统计带有一个侧线采出口的精馏 塔的设计变量
压力等级
1
进料变量数
C+2 假设
固定设计变量 C+3
串级单元数
3
C+4
N-（M+1）板的平衡级
2C+（N-M-1）+5
进料级
3C+7
（M-1）板的平衡串级
2C+（M-1）+5
再沸器
C+4
设计变量
10C+N+27
单元之间有9股物流，故N
装置的设计变量为:
u c
（ 9 c 2)
9c 18
固定设计变量:
N
u i
（10c
N
27) (9c 18)
c
N