02- 多组分分离基础

第二章多组分分离基础本章目录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.闪蒸过程的计算化工装置控制室焦化厂中控室扬子石化股份有限公司芳烃厂中央控制室大型石化装置远眺用于乙烯生产的管式裂解炉深冷分离装置乙烯装置返回本章要求：（1）掌握:确定系统的独立变量数、约束关系数和设计变量数；多组分非理想体系平衡常数计算方法；多组分物系的泡点和露点计算；混合物的相态的确定和闪蒸计算类型。（2）理解：由单元设计变量确定装置设计变量的方法；活度系数和逸度系数的计算方法及汽液平衡的分类，会查算K值；平衡常数与组成有关的泡、露点计算，计算机计算方法；绝热闪蒸过程的序贯迭代法，正割收敛法；（3）识记：会用相平衡常数和相对挥发度表示相平衡关系；多组分物系的泡点和露点计算过程中温度的调整方法，泡点和露点压力的简化计算方法；等温闪蒸过程的计算，等温闪蒸过程和绝热闪蒸过程的区别。2.1分离过程的变量分析及设计变量的确定二元精馏（常规塔）设计中，进料组成，T、P定，再定一组分的xD，xW，即可由R、回流状态和适宜进料位置求出N或由N、回流状态和适宜进料位置求R。为什么？单组分吸收过程，已知原料气和吸收剂的量、组成、T和P，吸收P一定，可由溶质的吸收率求出此条件下的NOG。为什么？设计变量——计算前，必须由设计者赋值的变量。xWxFxDyx精馏求N吸收求NOGYXYFX0Y1XNY1´XN´2.1.1设计变量2.1.1.1定义cviNNN式中：iN——设计变量数；vN——描述系统所需的独立变量总数；cN——各独立变量之间可以列出的方程式数和给定的条件，为约束关系数。郭氏法指确定进料物流的那些变量及系统的压力；是真正要由设计者来确定并按工艺要求对各变量赋值。郭氏法适用：稳流过程，过程中无化学反应，流体流动的动能和位能可忽略，与外界交换的机械能只限于轴功，平衡级是串联的。uauieaeiNNNeceVNNNNNNecevei装置、若干单元装置求解分解axiNNNxNaN2.1.1.2独立变量与约束数⑴独立变量数①单相物流RfNvR——容量性质变量。对单相物流：21)21(1CCfNv——自由度，强度性质变量。f②相平衡物流对互成平衡两相物流：各物流独立变量：（c+2)n与外界交换热、功等。系统Nv③描述系统与外界能量交换的变量数。即NV=∑（C+2）+能量交换变量数22)22(2CCfNv⑵约束数NC的确定①物料衡算式C个②能量衡算式每个系统只有一个③相平衡式有c（π－1）个④化学平衡式分离过程一般不考虑⑤内在关系式指约定关系2.1.2单元的设计变量2.1.2.1无浓度变量的单元(1)分配器分配器FP1P2单元独立变量数单元约束关系：物料衡算式C个（等于组分数）能量平衡式1个相平衡式c（π-1）=c（1-1）=0化学平衡式0个63c2c3＋evN（无热、功传递）内在约束关系式两物流T、P相同2个（P1=P2，T1=T2）两物流组成相同xi，1=xi，2（c-1）个2c21c2001cecN42263cccNNNecevei固定设计变量Nx可调设计变量Na3cexN1exeieaNNN可以是L1/F或L2/F或L1/L2。(2)加热器物料平衡式c个能量平衡式1个加热器QFF521)2(2ccNev约束数：1cNec4cNNNecevei其中，3cNex（即进料c+2个，压力1个）1eaN，为系统换热量或出换热器的温度。(3)换热器约束关系数：能量衡算式1个换热器222,,CCCPTF111,,CCCPTF222,,nnnPTF111,,nnnPTF物料衡算式个cc11ccccNec71822ccccccNNNeceVei822222ccccNev1exeieaNNN（传热面积或出口温度）6ccNex2.1.2.2有浓度变化的单元（1）产物为两相的全凝器（出料为平衡的两液相）73123ccNev单元约束关系数：物料衡算式c个能量衡算式1个相平衡式c个内在关系式2个（P1=P2，T1=T2）全凝器L1L2V3221cccNec43273cccNNNeceVei3cNex（进料c+2个，单元压力1个）1exeieaNNN可以是单元温度T或移出Q或L1/L2。若出料为单相液体（饱和液体）则系统设计变量各为如何？(2)绝热操作的单元平衡级（理论板）平衡级L0V1L1V28424ccNev3221cccNec523284cccNNNecevei单元约束关系相平衡关系式c个物料衡算式c个能量衡算式1个内在约束关系式2个0exeieaNNN（进料2c+5个，单元压力1个）52cNex（3）有侧线出料的单元平衡级相平衡关系式c个单元约束关系物料衡算式c个能量衡算式1个内在约束关系式c+3个（PS=PV1=PL1，TS=TV1=TL1，S与L1或V1的组成相同。C-1个）10525ccNev平衡级L0V1L1V2S4331ccccNec52cNex6243105cccNNNecevei1exeieaNNN可调设计变量可为S出料量、组成……其它单元计算可见表2-1。（4）有进料和侧线有热量进出的单元平衡级136126ccNev单元约束关系相平衡关系式c个物料衡算式c个能量衡算式1个内在约束关系式c+3个（PS=PV1=PL1，TS=TV1=TL1，S与L1的组成相同。C-1个）平衡级L0V1L1V2SFQ4331ccccNec9343136cccNNNecevei73cNex2exeieaNNN（S采出流率及Q值；T或V1量；S和L1的量；……）2.1.3装置的设计变量ucuvuiNNN。eiNuiN由求时注意两点：⑴在装置中2个以上的某一种单元以串联的形式被重复使用，每一个重复单元增加一个变量，用表示。rN⑵各单元靠单元间物流联结成一个装置，须从总变量中减去相互关联的物流变量数，即每一单元间物流附加（c+2）个等式。revNNuvN2cnNuCucecucNNN22cnNNNcnNNNNNNNNNNNNNreaexreiucrecevucecrevucuvui结论：装置的可调设计变量等于组成装置的各单元可调设计变量数之和再加上装置串级数Nr。又)2(uCnNNexx则reaexreiuxuiuaNNcnNcnNNNNN22earuxuauxuiNNNNNN郭氏法确定分离装置的设计变量数的步骤：①确定过程中的独立压力等级数。即不考虑由于摩擦阻力而引起的微小压降时，装置内共有几个不同的压力等级。②以每一进料有C+2个变量计算装置的进料变量总数，当某一进料的压力=进入单元的压力，则在进料变量总数中减1。③计算整个装置的可调设计变量，等于各单元的可调设计变量数与串级单元数之和。注：第①、②项是给定的条件，这两项之和即为固定设计变量数。进料级单元可以看成是一个分相器和两个混合器的组合，此时Na=0；侧线采出级是理论级与分配器的组合Na=1；若干（N）理论级串级而成的串级单元是最重要的一种组合单元，Nr=1，而理论级的Na=0,Na=1。当泵的进出口压强与前后单元压强分别相等时，其Na=0。分离系统的可调设计变量数Na即是：串级单元的数目、分配器数目、侧线采出单元数目和传热单元数目加和。例2-1分析如图所示的精馏塔的设计变量。该塔有一个进料口，设全凝器和再沸器。解：计算如下；先将塔划分为各种不同的单元，共6个单元结合表2-1求出，再求出。eiNeiNeiNexNeaN序号单元1全凝器c+4C+312回流分配器c+4C+313N-（M+1）板平衡级2c+（N-M-1）+52c+N-M-1+414进料级3c+73c+705（M-1）平衡级2c+（M-1）+52c+（M-1）+416再沸器c+4C+31Σ10c+N+2710c+N+225因单元间物流数为9，所以29cNuc9NcNNNNucreiui549NcNcNNNuxuiua或52111reauaNNN可调设计变量可为:回流状态，理论板数，进料位置，D流率和R（也可为其他赋值变量，但不能是固定设计变量，也不能出现矛盾）另找出一组可调设计变量422NcNcNux则将系统看成一个整体求例2-1的uiNuxNuaN5212uaN422NcNcNux例2-2用郭氏法分析图2-4双塔恒沸精馏流程的设计变量数。（忽略过程压降）油相水相F异丙醇＋水异丙醇水异丙醇塔水塔水蒸汽混合器分层器全凝器解：固定设计变量Nx:进料（流率，T，P，x异丙醇）4水蒸气（流率，T，P）3压力等级数(忽略压降）1合计8可调设计变量Na:串级单元数3换热单元数2合计5可调设计变量的几种选择:①操作型：三个串级各自的级数；再沸器的蒸发速率；冷凝器的过冷温度。②设计型：异丙醇塔釜液中异丙醇的摩尔分数；水塔釜液中异丙醇的摩尔分数；异丙醇原料在异丙醇塔中的最适宜位置进料；再沸器的蒸发速率；冷凝器的过冷温度。求图所示精馏塔的uiNuxNuaN312ccNux解：72113uaNDFWS压降可忽略。1073ccNNNuauxui例题：有一吸收装置处理含CO2原料气，假设进料中有c个组分，其操作条件如图所示，试确定装置的，并指出设计变量可能的选择。uiNuxNuaN惰气＋CO2尾气CO2＋蒸汽冷却器加热器换热器泵水蒸汽蒸出塔PbTb吸收塔PaTa怎样考虑装置进料物流？解：（1）装置的固定设计变量数uxN7232ccNux（2）可调设计变量数uaN53002uaN（3）固定设计变量选择：吸收塔压力PA，蒸出塔压力PB，原料气流率、T、P和组成（c-1个）；水蒸气流率、T和P。1257ccNNNuauxui（4）可调设计变量选择1）吸收塔NA；蒸出塔NB；各换热器出口温度。2）离开吸收塔的尾气中CO2的浓度；离开蒸出塔的CO2的浓度；三个换热器的换热面积。3）吸收塔NA蒸出塔NB，尾气中CO2浓度，离开蒸出塔气体中CO2浓度，进吸收塔吸收剂的浓度。……2.2相平衡关系的计算2.2.1相平衡的关系2.2.1.1相图恒压下的t—x图和y一x图恒温下的p—x图TT三种平衡类型热平衡机械平衡PP物化平衡ii相平衡，热力学上G＝min；动力学上表观传质速率为零。等压下t-x-y图等压下x-y图等温P-x-y图2.2.1.2相平衡基本关系式(1)基本关系式相平衡条件：LiViLiViffˆˆiViViiViViyfyPf0ˆˆiLiLiiLiLixfxPf0ˆˆiLiiVixPyPˆˆiiLiiVixfyP0ˆRTppVpfsiLiiiLiexp000(2)液液平衡关系iiffˆˆiiiiiifxfx或若两相使用相同基准态逸度，即：iiff则iiiixxViLiiiiiPfxyKˆ0ViLiiiixyKˆˆ2.2.1.3相平衡常数（1）定义iiixyK（2）iK的计算方法①状态方程法LiˆViˆ可用同时适用于汽液两相状态方程来计算②活度系数法iKiiixxK两种