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1、 化工分离过程Chemical Separation Processes第三章 多组分多级分离过程 分析与简捷计算1第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算2第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算多组分精馏: 1. 组分数 c2 2. 求解的变量数目较多变量分析 3. 塔内分布复杂过程分析 4. 计算简捷法:芬斯克恩德伍德吉利兰法(FUG )萃取精馏简化法共沸精馏图解法吸收因子法逆流萃取集团法逐板法:严格计算法(第四章内容)3第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算3.1 设计变量3.1.1 单元的设计变量3.1.2 装置的设计变量 3.2 多组分精馏过程(普通精馏) 3.3 萃取精馏和共沸
2、精馏(特殊精馏) 3.4 吸收和蒸出(解吸)过程 3.5 萃取过程 43.1 设计变量在任何涉及传热和传质的物理分离过程的设备设计过程中,首要的工作就是进行工艺条件独立变量的规定。 Mooson Kwauk(郭慕荪),195653.1 设计变量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。 63.
3、1 设计变量设计者首先要确定出需指定变量的具体数目 ,再选择变量的具体数值。唯一解无数组解无解73.1 设计变量例如二元精馏:可解出:N;(xWA, xDB, R, 进料位置)(F, xF ,q, P)设计变量:确定设计中的已知变量 固有的4个变量 规定的4个变量对于复杂体系变量 如何确定? 83.1 设计变量设:Nv系统的独立变量数Nc描述这些独立变量之间的约束关系数设计变量:确定设计变量数(3-1)93.1 设计变量独立变量数 Nv=出入系统的各股物流的独立变量数+系统与环境的能量(热、功)交换数相律: x热交换数,功交换数等任意单股物流(一股、单相):NV=N(c+2)+功进(出)数+能
4、进(出)数只限于轴功 (泵)若有N股物流,且有功、能交换:则: 103.1 设计变量Nc变量之间的约束关系数(独立方程数)包括:(1)物料平衡式 (2)能量平衡式 (3)相平衡式 (4)化学平衡关系式 (5)内在关系式(对c 组分体系有c个) (对一个体系只有1个)(对c组分相体系有c(-1)个) (只考虑无化学反应体系的分离过 程,不考虑该约束条件)(指约定的关系,例如:物流间的温 差,压力降的关系式等)113.1 设计变量固定设计变量指确定进料物 流的那些变量( 例如,进料的组 成和流量等)以 及系统的压力。需要设计者 确定的变量设计变量 可调设计变量123.1.1 单元的设计变量例1.
5、分配器 将复杂化工装置分解成简单单元,求三股单相物流,无热量引进和移出。 独立变量数为: 约束关系:物料平衡 c能量平衡 1 内在关系: L1和L2 温度、压力相等 2L1和L2 浓度相等 c-1 2c+2 设计变量为: 133.1.1 单元的设计变量例1中的分配器:对于分配器,可调设计变量为:分配比 固定设计变量为:进料 c+2压力 1 c+3 可调设计变量为:143.1.1 单元的设计变量方程个数 物料衡算c热量衡算1相平衡c两相T、P相等2合计2c+3例2. 产物为两相的全凝器其中:可指定为平衡单 元温度153.1.1 单元的设计变量方程个数 物料衡算c热量衡算1相平衡c两相T、P相等2
6、合计2c+3例3.简单绝热操作理论板 其中:有侧线出料的 平衡级?163.1.1 单元的设计变量注意:其中可调设计变量为1的有三类单元。 (分配器、侧线采出单元、换热单元)各种单元的设计变量归纳在P56的表3-1中, 请大家自己推算。表中共15种单元。组合单元:3种简单单元:12种有浓度变化的:6种无浓度变化的:6种173.1.1 单元的设计变量若干个简单平衡级所组成的组合单元称为串级。 串级单元在精馏塔的变量分析中十分有用。由于串 级单元是重复地应用同一种单元(简单平衡级), 所以在确定变量总数时,除一般的强度性质(T、P、 浓度等)和容度性质(流率)外,应该另加一个变 量,以说明不同理论板
7、数所组成的串级单元间的区别。 因此,虽然简单平衡级的可调设计变量:但串级单元的183.1.2 装置的设计变量装置是由若干个单元所组成,各个单元又是依靠单元间的 物流而连接成一个装置,因此,整个装置的设计变量应为各单 元的设计变量之和。在装置中某一单元被重复使用时,则应该增加一个变量数 以区别于一个这种单元与其他单元连接的情况,这一表示单元 重复使用的变量数为重复变量。此外,由于装置中相互连接的单元之间必有一股或几股物 流,在连接的单元之间有了新的约束关系,显然,每一个连接 两个单元之间的单相物流将产生(c+2)个约束关系,因此,装 置的设计变量为:193.1.2 装置的设计变量装置的设计变量由
8、各单元的设计变量确定:N连接单元之间的单相物流数重复使用一种 单元为Nr=1每一个连接 两个单元之 间的单相物 流将产生 c+2个等式 203.1.2 装置的设计变量例4. 简单吸收塔(N块理论板串级)(重复使用理论板)为12(N-1)股汽、液流量 变量数相等查表3-1:213.1.2 装置的设计变量吸收塔的设计变量:其中:一般指定为理论板数或关键组分吸收率此方法易混淆!223.1.2 装置的设计变量(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
9、线采出单元数以及传热单元的数目相加,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:简便、可靠的确定装置设计变量的郭氏原则:233.1.2 装置的设计变量(1)固定设计变量的指定:每股物流的温度、压力、流率和(c-1)个组成共有(c+2)个注:多股进料时为c1+2+c2+2+各单元压力:平衡级(包括再沸器) N冷凝器 1分配器 1应与前面的方法相互对应。设计变量的指定:(2)可调设计变量的指定有核算型和设计型之分;要注意比较两种指定方法的异同点。243.1.2 装置的设计变量例5. 简单精馏塔单元Na换热单元2回流分配器1串级单元2侧线采出单元0合计5253.1.
10、2 装置的设计变量进料(T、P、F、组成c-1 )c+2每级压力(包括再沸器)N 全凝器压力1 回流分配器压力1 合计c+N+4(固定设计变量指定)(可调设计变量指定)回流温度(泡点 )1回流比1适宜的进料位置1 塔底某组分浓度1塔顶某组分浓度1合计5263.1.2 装置的设计变量例6. 分析带有侧线采出的精馏塔的设计变量数,塔顶 为全凝器,塔釜有再沸器,忽略塔内压降。进料 c+2压力 1 c+3(固定设计变量)解:(1)(固定设计变量) (2)换热单元2 回流分配器1串级单元3 侧线采出单元1 合计7273.1.2 装置的设计变量进料(T、P、F、组成c-1)c+2塔的操作压力1塔顶馏出液中轻关键组分浓度1塔釜出料中重关键组分浓度1 侧线采出位置及采出量2回流温度、回流比、进料位置3(3)(固定设计变量指定)(4)(可调设计变量指定) (5)设计型28本次课内容总结1.基本概念:(1)设计变量数与独立变量数、独立方程数之间的关系:4.装置的设计变量规定方法及步骤(郭氏原则)(2)固定设计变量、可调设计变量的规定方法。 2.单元的设计变量规定3.装置的设计变量规定(3-1)(3-2)29作业:P115-116 习题3-1, 3-3阅读课本 巩固知识30