化工分离过程(总复习)

离。
3
1.1 绪论
分离媒介分为能量媒介（ESA）和物质媒介（MSA）。 速率分离过程——借助某种推动力（如浓度差、压力 差、温度差、电位差等）的作用，某些情况下在选择性透 过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异而实现混合物
的分离操作。
4
1.2 单级平衡过程
1、相平衡的定义和条件 相平衡：混合物或溶液形成若干相，这些相保
设T 给定P 由P-T-K图查Ki
N
调整T
f(T)>0,T设偏低，提高T。
f(T)<0,T设偏高，降低T。
c
yi / Ki 1
i 1
Y
xi, T
结束
14
1.2 单级平衡过程
4、等温闪蒸
核定给定温度 下闪蒸问题是否成 立的两种方法：
F, Zi
方法一： 计算闪蒸压力下进料混合物的
泡点温度TB和露点温度TD。
19
1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
1.3.1 设计变量
设计变量——计算前，必须由设计者赋值的变量。
Ni Nv Nc Ni Nx Na
1、独立变量数NV
（1） 物流独立变量数 Nv f 1 C 2
（2）描述系统与外界能量交换和功交换的变量数。
NV=∑（C+2）+能量、功交换变量数
（3）汽相为理想溶液，液相为理想溶液
Ki
yi xi
Pi S iS Vi P
fiL fiV
iL Vi
（4）汽相为理想溶液，液相为非理想溶液
Ki
yi xi
iL PiSiS Vi P
iL fi fiV
L
iLiL Vi
8
1.2 单级平衡过程
3、多组分物系的泡点和露点计算
（1）泡点T、泡点P、露点T、露点P的定义
（2-65）
归一化方程：
xi 1
yi 1
（2-46） （2-45）
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1.2 单级平衡过程
利用牛顿迭代法解Rachord-Rice方程迭代方程
f ( ) (Ki 1)zi 0
1 (Ki 1)
（2-71）
(k1) (k )
f ( (k) ) f ' ( (k ) )
（2-72）
f ' ( (k) )
7、共沸物的特征和共沸组成的计算 （1）共沸物的特征：
12 1P1s 2P2s 1
a 共沸点对应共沸组成x=y; b 过了共沸点，轻、重组分互换； c 原料组成在共沸点一侧，可得一纯组分和一共沸物。
33
1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
（2）共沸组成的计算（简单过程）
已知共沸压力P，求：T、xi
（1）精馏产品不仅与塔的分离能力有关，还与全部进 料组成所在区域有关；
（2）加入S对精馏的影响（量要合适）； （3）共沸剂加入位置。
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1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
10、共沸精馏和萃取精馏的比较
共同点：都加入S使； 计算所用基本关系都是物量衡算、 热量 衡算和相平衡关系。 不同点： （1）共沸精馏中所用S至少与被分离物料中一个组分形成
(Ki 1)2 zi （2-73）
(1 (Ki 1) (k) )2
18
1.2 单级平衡过程
闪蒸过程的计算步骤：
▪ 在给定温度下进行闪蒸计算，需要核实闪蒸问题是 否成立（两种方法）；
▪ 设定Ψ初值，利用Rachord-Rice方程进行闪蒸迭 代计算；
▪ 计算汽、液流率； ▪ 利用式(2-67)和(2-68)计算汽液两相的组成。
c
P泡 PiS xi iL i 1
12
1.2 单级平衡过程
（3）平衡常数与组成无关的露点温度计算
c
露点方程： yi / Ki 1.0 i 1
目标函数形式：
c
f (T ) yi / Ki 1 0
i
c
f (P) yi / Ki 1 0
i
13
1.2 单级平衡过程
露点计算方法同于泡点计算： 1.试差； 2.用αiK计算； 3.电算。
Nm
di fi wi
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1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
4、实际回流比、理论板数和适宜进料位置的确定 由吉利兰图或由耳波和马多克斯关联图求N
求理论板数的查图方法、步骤、使用条件及注意 的问题。
适宜进料位置的确定方法。 5、简捷法（FUG）设计精馏塔的步骤
（1）根据工艺条件和经验数据确定对关键组分的分离要求；
29
1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
（7）由吉利兰图或耳波和马多克斯图求N并确定适宜进料 板位置；
（8）由全塔效率求操作回流比下的实际板数； （9）由热量衡算求冷凝器和再沸器的热负荷。 其中，（2）、（4）、（5）必须熟练掌握。
30
1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
1.3.3 萃取精馏和共沸精馏
若TB<T闪蒸<TD，则闪蒸问题成立。
V , yi P,T , e
L, xi
15
1.2 单级平衡过程
方法二：假设闪点温度就是进料的泡点温度：
则： Ki zi 1 应该成立 ，如果 Ki zi 1 说明TB<T。
再假设闪蒸温度就是进料的露点温度：
则： zi / Ki 1 应该成立 ，如果 zi / Ki 1 说明TD>T。
设T（离泡点不远）
Kk
1
ik xi
Kixi
|f(T) |=|Kixi-1 |≤
N Y
T=T设，yi= Kixi
得到PiS
ik
Pi S PkS
PkS Kk P 安托尼公式 T泡
10
1.2 单级平衡过程
③计算机计算（Newtow迭代法）
前提条件：平衡常数和组成无关的泡点温度计算（简化K）
泡点计算： 泡点方程： Ki xi 1
化工分离过程
Chemical Separation Processes
总复习
习题课大纲
▪ 1 重要知识点回顾
1.1 绪论
1.2 单级平衡过程
1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
1.4 多组分多级分离的严格计算
1.5 分离设备的处理能力和效率
1.6 分离过程的节能
1.7 其它分离技术和分离过程的选择
1、有关概念
特殊精馏、萃取精馏、共沸精馏，共沸精馏 和萃取精馏的异同点，溶液的正偏差和负偏差。
2、萃取精馏过程溶剂的作用
ln S
xS A1S
A2 S
A12 1
2 x1
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1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
萃取精馏过程S作用可归纳为以下几点： （1）溶液性质的影响，最好为与1形成正偏差，与2形成
确定Nx
进料条件 压力级数
5、单元的设计变量数的确定
22
1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
6、装置设计变量
N
u i
N
u x
N
u a
的确定
（1）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数；
（2）确定装置中具有不同压力的数目； （3）上述两项之和即为装置的固定设计变量数； （4）将串级单元数，分配器数，侧线采出单元数以及传热单
结论：精馏塔中，Biblioteka Baidu度分布主要反映物流的
组成；而总的级间流量分布则主要反映热量衡算
的限制。
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1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
清晰分割——馏出液中除了HK外，没有其他重 组分，釜液中除了LK外，没有其他轻组分。
精馏操作的两种极限情况：Rm下精馏操作 需要无穷多块理论板才能完成分离任务；全回 流的意义、特点。
2、恩德伍德法计算最小回流比的步骤，计算中 应注意的问题。
3、芬斯克公式的几种形式、公式使用条件 ，使
用中应注意的问题。
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1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
Fenske方程的几种形式
Nm
lg
xA
xA
xB D
xB
lg AB
W
Nm
lg
d
d
wA w
lg AB
B
lg
LK ,D HK ,W
精馏塔为全凝器时回流为何温度？分凝器？ 塔底温度？
（2）泡点温度和泡点压力的计算
ⅠKi与xi无关的泡点温度的计算 Ki f (T , P)
c
泡点方程：
f T Ki xi 1 0 i 1
9
1.2 单级平衡过程
①求解泡点方程的试差法，求解步骤如下：
假定T 已知P 得到Ki 调整T
②相对挥发度法
20
1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
2、约束关系数NC的确定 （1）物料衡算式 c 个 （2）能量衡算式 1 个 （3）相平衡式 有c（π－1）个 （4）化学平衡式 （5）内在关系式 指约定关系
3、设计变量 Ni Nv Nc
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1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
4、求Na Na Ni N x
（2）按清晰分割作物料衡算，求D、W、xiD和xiW的初值；
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1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
（3）由xiD和xiW计算塔顶和塔底温度及全塔相对挥发度的 平均值；
（4）利用芬斯克方程求出Nm； （5）利用芬斯克方程计算非关键组分分配比，然后按非
清晰分割作物料衡算； （6） 用恩德伍德公式求Rm；
共沸物，萃取精馏无此限制； （2）共沸精馏中S从塔顶蒸出，消耗热能较大； （3）萃取精馏只可用于连续操作； （4）共沸精馏T较低，更适合分离热敏性物料。
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1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
1.3.4 吸收和蒸出过程
1、有关概念及基本知识
物理吸收、化学吸收、关键组分的定义，吸收和 蒸出的流程，吸收和精馏的区别，塔顶和塔底吸收的限 度，最小液气比、相对吸收率、吸收率、相对蒸出率、 蒸出率。
目标函数形式： f T c Ki xi 1 0 i 1
求导式：
f
T
c i 1
xi
dKi dT
f tK
按Newton迭代式导出式： t(K 1) t(K )
f tK
11
1.2 单级平衡过程
Ⅱ泡点压力的计算
c
理想物系： P泡 PiS xi i 1
汽相为理想气体，液相为非理想溶液
持着物理平衡而共存的状态。从热力学上看，整 个物系的自由焓处于最小状态，从动力学看，相 间无物质的传递。
5
1.2 单级平衡过程
1、相平衡的定义和条件
相平衡时，各相的T、P，组分在各相的化学位相 同（相平衡的条件）。
i1 i2 i3 ip
T T T
P P P
fˆi fˆi fˆi
Nm
1 LK ,D 1 HK ,W lgLK HK
3 8 3 11
3 15 26
1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
组分分配：将Fenske方程变形可得各组分流量分配。
d w
i
d w HK
i , HK
Nm （3-12）
wi 1
fi d
w
1
i
fi d
w HK
i,HK
负偏差的体系； （2）溶剂浓度的影响（稀释作用）使原溶液中各组分的
作用减弱，S量要大（一般xS为0.6～0.8）。
3、萃取精馏过程溶剂选择的原则及三种选择方法
4、萃取精馏流程及萃取精馏塔的分段
5、萃取精馏塔内流量分布、和浓度分布特点
6、萃取精馏操作设计的特点
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1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
▪ 2 考试题型
▪ 3 自由交流环节
2
1.1 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类。 传质分离过程用于各种均相混合物的分离，分为平
衡分离过程和速率分离过程。
平衡分离过程——借助分离媒介（如热能、溶剂或吸附 剂）使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各 组分在处于平衡两相中的不等同的分配为依据而实现分
6
1.2 单级平衡过程
2、活度系数法表示Ki的简化形式
（1）汽相为理想气体，液相为理想溶液
Ki
yi xi
Pi S P
g-l平衡关系：
yi
Ki xi
Pi S P
xi
（2）汽相为理想气体，液相为非理想溶液
Ki
yi xi
iL PiS
P
g-l平衡关系：
yi
Ki xi
iL PiS
P
xi
7
1.2 单级平衡过程
设T
计算
P2S（ P1S
1 ） ln 2
1 2
解出 xi
i
P
已知共沸组成xi，求：P、T
由xi
计算 1（ 2
P2S P1S
）解出T
Pi S
P
已知T时形成共沸物，求：P、xi
由T
计算
P2S（ P1S
1 2
）解出
xi
i
P
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1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
8、能设置采用双塔分离均相共沸物和非均相 共沸物的精馏流程 。 9、确定连续操作共沸精馏两端产品的几点考虑
综合两种试算结果，只有TB<T< TD成立， 才能构成闪蒸问题。
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1.2 单级平衡过程
闪蒸过程计算的基本关系：
物料平衡关系： Fzi Lxi Vyi
（2-63）
F LV
（2-64）
汽液相平衡关系： yi Ki xi
（2-44）
Ki Ki (T , P, x, y)
热平衡关系： FH F Q LH L VHV
元的数目相加，便是装置的可调设计变量数。 （****表3-1中Na=1的单元）
（5）装置的设计变量： Niu
N
u x
N
u a
23
1.3 多组分多级分离过程分析与简捷计算
1.3.2 多组分精馏过程
1、有关概念
关键组分——精馏过程由设计者指定浓度或提出 分离要求（如指定回收率）的那两个组分。
LK、HK、LNK、HNK，关键组分选择的原则， 分配组分及非分配组分，恒浓区，夹点。