化工分离过程__第3章第一讲设计变量的确定

1传质分离过程第三章气液传质分离过程主要内容及要求：1.掌握设计变量的确定方法；2.深入理解多组分精馏过程，会分析；3.掌握多组分精馏的简捷计算方法；4.掌握萃取精馏和共沸精馏的原理和过程分析；5.掌握吸收过程的简捷计算方法。2第三章气液传质分离过程•3.1设计变量•3.2多组分精馏•3.3特殊精馏•3.4间歇精馏•3.5吸收与解吸33.1设计变量IndependentDesignVariables物理量：流率、浓度、温度（物流、系统）、压力、热负荷、机械功、传热面积、理论板数等。设计前需预先给定数值的变量称为设计变量。设计变量的个数称为设计变量数。例如：两组分精馏，一股进料，只有顶、釜采出，则很简单，但对于多线采出等复杂情况，则需知道确定的方法。设计前需给定数值的变量4TotalcondenserRefluxdrumTopstageBottomstageFeedstageOverheadvapor5FeedstreamflowrateAconcentrationinfeedFeedconditionindistillationpressureAorBconcentrationindistillateAorBrecoveryratioinbottomsRefluxratioNumberoftheoreticalstages(feedstagelocation)Heatduties(totalcondenser&reboiler)calculationKnownvariablesSpecifiedvariables已知变量规定变量6设计变量数ND:independentdesignvariables变量总数NV:allpertinentvariables约束关系数Nc:thetotalnumberofindependentequationsrelatingthevariables强度变量：intensivevariables,suchastemperature,pressure,concentration容度变量：extensivevariables,suchasstreamflowrate,heattransferrate设备参数：equipmentparameters,suchasthenumberofequilibriumstages7确定设计变量数遵循的一般原则：CVDNNN-=设计变量数系统的总变量数变量之间的约束关系数8VN＝出入物流变量数＋能量交换数（热、功）(1)物流变量数任一物流的自由度：2+P-=Cf组分数相数对于单相流股：1=P1+=Cf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：21)1(+=++=CCNV(2)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。系统的总变量数9CN依据约束关系式(1)物料衡算式有C个组分的系统，能够建立C个物料衡算式。(2)能量衡算式(3)相平衡关系式(4)化学反应平衡式(5)内在关系式每个系统只有1个能量衡算式。根据相平衡条件(逸度相等、压力相等、温度相等)能够建立C(P-1)+2个相平衡关系式。对于无化学反应的系统，化学平衡关系式数为0。约定的关系，如：物料温度、压力相等。约束关系数103.1.1单元的设计变量3.1.2装置的设计变量113.1.1单元的设计变量Designvariablesforelements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。确定单元的设计变量遵循前述的一般原则即可：单元装置流程eceveDNNN-=12例1.绝热分配器出入物流变量数：LL1L2（C+2）3能量交换数：0+)Nv=3C+6物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C100L1和L2的T、P、组分浓度相等2＋C-1Nc=2C+2NDe=Nve－Nce=C+4VNeCNe13设计变量ND可进一步分为：固定设计变量Nx可调设计变量NaNx=进料物流变量数＋系统的压力固定设计变量Nx=进料＋压力＝（C+2）+1LL1L2分配器可调设计变量Na=ND-Nx=(C+4)-(C+3)=1分配比＝ND-NxeaexeDNNN+=14例2.产物为两相的全凝器出入物流变量数：（C+2）3能量交换数：1+)Nv=3C+7物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C1C(P-1)+2=C+200Nc=2C+3NDe=Nve－Nce=C+4VL1L2QVNeCNe15固定设计变量Nx=进料＋压力＝（C+2）+1可调设计变量Na=ND-Nx=(C+4)-(C+3)=1VL1L2Q产物为两相的全凝器如单元温度或引入的冷量16例3.绝热操作的简单平衡级出入物流变量数：（C+2）4能量交换数：0+)Nv=4C+8物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C1C(P-1)+2=C+200Nc=2C+3NDe=Nve－Nce=2C+5VNeCNeV0V1L1L0+)17固定设计变量Nx=进料＋压力＝2（C+2）+1＝2C＋5可调设计变量Na=ND-Nx=(2C+5)-(2C+5)=0V0V1L1L0绝热操作的简单平衡级18例4.有侧线采出的平衡级出入物流变量数：（C+2）5能量交换数：0+)Nv=5C+10物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C1C(P-1)+2=C+20C+1Nc=3C+4NDe=Nve－Nce=2C+6VNeCNe+)V0V1L1L0S19固定设计变量Nx=进料＋压力＝2（C+2）+1＝2C＋5可调设计变量Na=Ni-Nx=(2C+6)-(2C+5)=1V0V1L1L0S有侧线采出的平衡级侧采量20思考题1：混和器的设计变量数F3F1F2思考题2：再沸器的设计变量数LVLQ掌握p58-59表3-1213.1.2设备的设计变量DesignvariablesforunitsuauxuDNNN+==uxN进料物流变量数+压力等级数=uaN分配器数+侧线采出+传热单元+串级数22例1.简单精馏塔（塔内无压降）进料变量数：C+2压力等级数：1+)C+3分配器数：侧线采出：传热单元：串级数：00123xNuaNu+)FQ23例2.有侧采的精馏塔进料变量数：C+2压力等级数：1+)C+3分配器数：侧线采出：传热单元：串级数：11237xNuaNu+)FQWQC全凝器塔内无压降24思考题：计算以下装置的设计变量F1QWQC全凝器塔内无压降F2253.1.3流程的设计变量DesignvariablesforprocessesaxDNNN+==xN进料物流变量数+压力等级数=aN分配器数+侧线采出+传热单元+串级数26例1.吸收-解吸流程进料变量数：C+2+3压力等级数：2+)C+7分配器数：侧线采出：传热单元：串级数：00325xNaNu+)蒸汽12+=+=CNNNaxD27（C+12）个设计变量的选择情况1：（1）吸收塔和解吸塔的操作压力；2（2）气体原料的流率、组成、进料温度和压力；C+2（3）水蒸气的流率、进料温度和压力；3（4）吸收塔和解吸塔的塔板数；2（5）三个换热器各自的一个出口温度。328情况2：（1）固定设计变量的规定与“情况1”的①②③相同；C+7（2）吸收塔出口气中CO2的摩尔分数；1（3）解吸塔出口气中CO2的摩尔分数；1（4）三个换热器的换热面积。3自学p66例3-2双塔共沸精馏流程29例2.双塔共沸精馏流程进料变量数：4+3压力等级数：1+)8分配器数：侧线采出：传热单元：串级数：00235xNaNu+)蒸汽原料305个可调设计变量的选择情况（1）：三个串级各自的级数3；再沸器的蒸发速率1；冷凝器的过冷温度1。情况（2）：异丙醇塔釜液中异丙醇的摩尔分数1；水塔釜液中异丙醇的摩尔分数1；异丙醇塔的最适进料位置1；再沸器的蒸发速率1；冷凝器的过冷温度1。31设计变量数的确定CVDNNN-=VN出入物流变量数CN物料衡算式能量衡算式相平衡关系式化学反应平衡式内在关系式能量交换数（热、功）axDNNN+=xN进料物流变量数压力等级数xN分配器数换热单元数侧线采出数串级数32混合器出入物流变量数：（C+2）3能量交换数：0+)3C+6物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C1000C+1NDe=Nve－Nce=2C+5VNeCNe+)F3F1F2Nx=进料＋压力=2(C+2)+1＝2C＋5Na=ND-Nx=(2C+5)-(2C+5)=033再沸器出入物流变量数：（C+2）3能量交换数：1+)3C+7物料衡算式：能量衡算式：相平衡关系式：化学反应平衡式：内在关系式：C1C+2002C+3NDe=Nve－Nce=C+4VNeCNe+)Nx=进料＋压力=(C+2)+1＝C+3Na=ND-Nx=(C+4)-(C+3)=1LVLQ34精馏塔（塔内无压降）进料变量数：2(C+2)压力等级数：1+)2C+5分配器数：侧线采出：传热单元：串级数：11248xNuaNu+)F1QWQC全凝器塔内无压降F2353.2多组分精馏MulticomponentDistillation3.2.1多组分精馏过程分析(ProcessAnalysis)3.2.2最小回流比(MinimumRefluxRatio)3.2.3最少理论塔板数和组分分配(MinimumNumberofEquilibriumStagesandComponentDistribution)3.2.4实际回流比和理论板数(ActualRefluxRatioandActualNumberofEquilibriumStagesorTheoreticalStages)3.2.5多组分精馏的简捷计算方法(ApproximateMethodforMulticomponentandMultistageDistillation)36Rectifyingsection精馏段Strippingsection提馏段Countercurrent逆流泡沫373.2.1多组分精馏过程分析ProcessAnalysisforMulticomponentDistillation一、关键组分（KeyComponents）二、多组分精馏特性分析精馏塔内的温度、流率和浓度分布。38一、关键组分（KeyComponents）FNa=串级数(2)＋分配器(1)＋侧线采出(0)＋传热单元(2)=5已被指定的可调变量：（1）进料位置feedstagelocation；（2）回流比refluxratio；（3）全凝器饱和液体回流或冷凝器的传热面积或馏出液温度。heattransferareaofthecondenserorcondensatetemperature(i.e.,saturatedliquid)余下的2个可调设计变量一般用来指定某个组分在馏出液和另一个组分在釜液中的浓度。（不论有多少个组分）轻关键组分（Lightkeycomponent,LK),highrelativevolatility重关键组分（Heavykeycomponent,HK),lowrelativevolatility轻非关键组分（lightnonkeycomponent,LNK）轻组分轻关键组分（LK）中间组分(intermediatecomponent,relativevolatilitybetweenthetwokeycomponents)重关键组分（HK）重非关键组分（heavynonkeycomponent,HNK）重组分Concentrationofonecomponentindistillate;Andconcentrationofanothercomponentinbottom两个关键组分TwokeycomponentsRelativevolatilitylowhigh40分配组分(distributingcomponen