化工分离过程(2单级平衡过程)(第4讲)课件

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1、化工分离过程 Chemical Separation Processes,第二章 单级平衡过程,2,第二章 单级平衡过程,3,第二章 单级平衡过程,主要内容及要求： 1. 相平衡常数计算：状态方程法，活度系数法 2. 泡点、露点计算 （1）泡点计算：在一定P（或T）下，已知xi，确定Tb（或Pb）和yi。 （2）露点计算 3. 等温闪蒸计算：给定物料的量与组成，计算在一定P和T下闪蒸得到的汽相量与组成，以及剩余的液相量与组成。,4,第二章 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 2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程 2.3.2绝热闪蒸过程,5,2.

2、3 闪蒸过程的计算,闪蒸（ Flash Vaporization）过程,闪蒸过程实质是一种连续单级蒸馏：液体进料流过阀门等装置，由于压力的突然降低而引起急剧蒸发，产生部分汽化，形成互成平衡的汽液两相，（也可以通过汽相部分冷凝或液相的部分汽化产生平衡的两相）。,6,2.3 闪蒸过程的计算,在混合物的T-X相图上，闪蒸的状态位于混合物的泡点线和露点线之间。,通过闪蒸过程可以使易挥发组分在汽相中的浓度提高、难挥发组分在液相中的浓度相应提高，从而达到分离提浓的目的。,除非混合物的相对挥发度很大，闪蒸过程获得的分离程度不高，因此，在工业生产实践中，闪蒸通常是作为进一步分离的辅助操作。,闪蒸计算的目的就是

3、确定汽、液相的组成和气相分率。,闪蒸过程计算方法是许多精馏过程计算的基础，因此, 掌握闪蒸过程的计算方法对化工的学生是很重要。,7,2.3 闪蒸过程的计算,闪蒸在化学工业中应用：渣油溶剂脱沥青过程,8,2.3 闪蒸过程的计算,闪蒸计算与泡点及露点计算的关系,比较泡点计算、露点计算及闪蒸计算可见：在泡点时，液相组成等于原料组成，汽化分率等于零；在露点时，汽相组成等于原料组成，汽化分率等于1；闪蒸时，汽液相的组成与总组成不等，汽相分率在0-1之间。 对于一个给定闪蒸罐压力和进料组成的体系，泡点和露点温度确定了平衡闪蒸的温度范围。这是用来核实闪蒸问题是否可以成立的依据。,9,2.3 闪蒸过程的计算,

4、闪蒸过程的设计变量统计,统计C组分闪蒸总变量 进料流率: F 1 进料组成: zi c 进料温度和压力: TF, PF 2 离开闪蒸塔的气相流率:V 1 离开闪蒸塔的气相组成: yi c 离开闪蒸塔的液相流率: L 1 离开闪蒸塔的液相组成: xi c 加入(或取走)的热量: Q 1 闪蒸温度和压力: P,T 2 总变量数: 3c+8,10,2.3 闪蒸过程的计算,闪蒸过程的计算方程（MESH）,（1）物料衡算M方程：,c个,（3）摩尔分率加和式S方程：,2个,（4）热量平衡式 H方程：,1个,2c3,（2）相平衡E方程：,c个,Material balance Equilibrium Fra

5、ction summation Enthalpy balance,11,2.3 闪蒸过程的计算,闪蒸过程的设计变量,约束方程总数： 2c+3个,变量数：,3c+8个,其中进料变量数(固定设计变量)：,c+3个,需规定变量数(设计变量)：c5个,（F,TF ,PF ,T,P,V,L,Q,zi ,yi ,xi）,（F,TF ,PF ,zi ）,(可调设计变量)： 2 个,12,2.3 闪蒸过程的计算,根据2个可调设计变量的规定方法可将闪蒸计算分为如下五类：,13,2.3 闪蒸过程的计算,几种闪蒸计算类型的异同点,相同点：都是汽化过程，说明可按汽化公式计算 汽液两相平衡 相当于一块理论板,可调设计变

6、量不同,不同点：,产生汽化的原因不同,部分汽化或部分冷凝：外界交换热 绝热闪蒸:不与外界换热,焓变为零,汽化：除P外还要已知一个条件 如已知T,求、x(y) 绝热闪蒸: 给定P，体系就固定了 求T、x(y),14,2.3 闪蒸过程的计算,1、闪蒸过程计算的基本关系：,汽液相平衡关系：,物料平衡关系：,热平衡关系：,归一化方程：,（2-63） （2-64）,（2-44）,（2-65）,（2-46） （2-45）,15,2.3 闪蒸过程的计算,（1）已知zi、TF、PF、F、闪蒸T和P，求、xi、yi。,3、计算步骤,（2）已知zi 、TF、PF 、 F、 和闪蒸P，求T、xi、yi。,2、计算类

7、型：,16,2.3 闪蒸过程的计算,由前面求出（或T）后，可求出L、V，再求出xi、yi；然后求HF、HV、HL。,然后由Q+FHF=LHL+VHV 求出过程所需热量。,N,设T,Ki,、 zi,结束,Y,调整T,P,yi、xi,17,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,1.汽液平衡常数与组成无关的闪蒸计算,由物料衡算方程结合相平衡关系有：,（2-63）,（2-44）,18,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,（2-64）,（2-66）,19,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,定义汽相分率,（2-66）,（2-68）,（2-67）,20,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,Rachord-Rice方

8、程,（2-69）,（2-71）,Rachord-Rice方程用于闪蒸迭代计算,21,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,利用牛顿迭代法解Rachord-Rice方程迭代方程,（2-71）,（2-72）,（2-73）,设定汽化分率的迭代初值后(在0-1之间的一个数),利用该式迭代出闪蒸的汽化分率,进而可以计算出平衡两相的组成等,完成闪蒸计算.(注：这类计算是在已知温度和压力的情况下,而且相平衡常数与组成无关,这是闪蒸计算中最简单的一类）,22,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,汽液相混合物焓值的计算;对于理想溶液，汽液相的焓值分别由纯物质的焓加和求的，对非理想溶液，可以利用物质的偏摩尔焓 加和求得

9、。,代入下式计算过程所需热量,迭代出闪蒸的汽液分率后，需要计算过程加入（或取走的 热量），热量的计算利用如下的方程完成。,23,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,核实闪蒸问题是否成立,在给定温度下进行闪蒸计算,还需要核实闪蒸问题是否成立。 闪蒸问题成立的条件是在闪蒸压力下.闪蒸计算的温度应该在闪蒸物系的露点温度和泡点温度之间。 核实闪蒸问题是否成立常用的有两种方法。,24,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,（1）计算在闪蒸压力下进料混合物的泡点温度和露 点温度，如果闪蒸温度在混合物的泡点和露点之间， 则闪蒸问题成立。,也就是求解如下的泡点和露点方程:,可以利用以上计算结果确定汽相分率的初值：,

10、（2-76）,25,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,（2）假设闪点温度就是进料的泡点温度：,则：,应该成立 ，如果,再假设闪蒸温度就是进料的露点温度：,说明TbT。,则：,应该成立 ，如果,说明TdT。,综合两种试算结果，只有TbT Td成立， 才能构成闪蒸问题。,26,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,闪蒸计算举例,由乙烷(1)、丙烷(2)、正丁烷(3) 和正戊烷(4) 组成的料液以 500kmol/h的流率加入闪蒸室。闪蒸室的压力为1.38MPa(13.6atm)， 温度为82.5。料液的组成为：,试计算汽、液相产品的流率和组成。,27,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,可见两者都大于1

11、，说明料液的泡点温度Tb82.5 ，因此在给定温度和压力下，料液将 分成汽、液两相。, 利用P-T-K图查得： K1=4.80，K2=1.96，K3=0.80，K4=0.33, 验证料液的泡点和露点：,泡点验证：,露点验证：,28,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程, 迭代计算料液的汽化率：,先设定一个值，代入下式分别计算出f和f,若f偏离0，用牛顿迭代法的计算迭代式迭代修正:,本例取的初值为0.1，迭代到 =0.405时，f接近0， 故汽化率为0.405。,29,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程, 计算汽、液相产量V和L： V=F=202.5kmol/h，L=(1-)F=297.5kmol/h

12、, 利用下式计算汽、液相组成y和x：,30,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,2.汽液平衡常数与组成有关的闪蒸计算,当相平衡常数不仅是温度和压力的函数，而且还是组成 的函数时，求解Rachord-Rice方程就复杂得多，此时一般需要 利用计算机编程计算，下面介绍的是两种普遍化算法。,31,K为组分函数时等温闪蒸计算框图,开始,由R-R方程迭代,计算Ki=Ki(T,P,x,y),估计初值x、y,给定F、z、P、T,如果不直接迭代 重新估计x,y值,由(2-67)(2-68)计算x,y,比较x,y的估计值和计算值,输出,不收敛,收敛,对,xi,yi分层迭代,32,K为组分函数时等温闪蒸计算框图,开

13、始,由R-R方程迭代,计算Ki=Ki(T,P,x,y),估计初值x、y、,给定F、z、P、T,如果不直接迭代 重新估计x,y值,由(2-67) (2-68)计算x,y,归一化xi,yi;比较：估计值和归一化值 比较:K+1 和K,输出,不收敛,收敛,对,xi,yi同时迭代,33,2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程,教材P43图2-6中两种方法比较：,算法a：分层迭代，机时较长，一般较稳定；,算法b：同步迭代，速度较快，有时不收敛。,参见例2-9,34,2.3.2 绝热闪蒸过程,已知流率、组成、压力、温度（或焓）的液体进料节流膨胀 到较低压力便产生部分汽化。绝热闪蒸计算的目的是确定闪蒸温 度、汽液

14、相组成及流率。,绝热闪蒸问题的计算问题，原则上还是利用物料平衡、相平 衡和热量衡算和组成总和方程联立求解。,目前工程计算中均选择温度和汽化率为迭代变量根据物性的差别，又分三种具体的算法。,35,2.3.2 绝热闪蒸过程,宽沸程绝热闪蒸过程计算,所谓宽沸程混合物指的是构成混合物各组分的挥发度相差悬殊，其中一些很容易挥发，而另一些很难挥发，它的特点就是离开闪蒸罐时各相的量几乎完全决定于相平衡常数。 对这类体系，在很宽的温度范围内，易挥发组分主要集中在汽相中，而液相中则主要集中了难挥发组分。进料焓值的增加将使温度提高，但是对汽液两相的流率的影响不大，因此，宽沸程闪蒸的热衡算跟主要取决于温度，而不是汽

15、化率。,36,2.3.2 绝热闪蒸过程,对于绝热闪蒸过程，用牛顿法迭代求解闪蒸温度，需要构造 一个迭代方程。该方程可以利用热衡算方程。,式中各项分别为节流前后物料的摩尔焓,由于节流为绝热过程,故利用该式可以计算汽化率,在压力为已知的条件下,该式中的焓值为温度的函数,因此,假设温度后可以计算出相应的汽化率。,37,2.3.2 绝热闪蒸过程,利用牛顿迭代公式有: 其中:,38,2.3.2 绝热闪蒸过程,选择T初值,计算 函数 f(),计算G(T),ABS(G(T),重新估算T,ABS(f(),选择初值,重新估计,宽沸程绝热闪蒸过程计算框图,结束,Y,N,Y,N,39,2.3.2 绝热闪蒸过程,窄沸程绝热闪蒸过程计算,窄沸点闪蒸过程特点是混合物中各组分的沸点很 接近，因而热量衡算主要受汽化潜热的影响，既主要 受汽化率的影响，改变进料的热焓值会使汽液相流率 发生变化，而平衡温度变化不明显。 显然，在这时应该内循环温度，外循环迭代汽化率。,40,2.3.2 绝热闪蒸过程,窄沸程绝热闪蒸的序贯迭代法,对窄沸程绝热闪蒸过程，与等温闪蒸一样采用Rachord-Rice 方程，迭代T: 其中,41,2.3.2 绝热闪蒸过程,采用热量平衡方程构造迭代函数迭代汽液分率,迭代方程为方程为: 根据牛顿迭代公式有,42,2.3.2 绝热闪蒸过程,选择初值,选择T初值,计算f(T),ABS(f(T),计算