下载

1下载券

加入VIP
  • 专属下载特权
  • 现金文档折扣购买
  • VIP免费专区
  • 千万文档免费下载

上传资料

关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 化工分离过程

化工分离过程.ppt

化工分离过程

手机3935333753
2014-03-16 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《化工分离过程ppt》,可适用于工程科技领域

萃取塔化工分离过程化工分离过程SeparationProcessesinChemicalEngineering教学内容chap绪论chap单级平衡过程chap多组分多级分离过程分析与简捷计算chap多组分多级分离的严格计算chap分离过程的节能chap膜分离和反应精馏第一章绪论第一章绪论§分离工程的研究内容和重要性§分离过程的特征与分类§分离因子§分离工程的研究内容和重要性§分离工程的研究内容和重要性世纪初(化工单元操作的概念)世纪中叶(分离工程理论的形成和完善)世纪后期(分离应用领域的拓宽与推广)一、化工过程原料预处理反应粗产品产品精制三废化工过程的特点:以物料的物理和化学变化及加工处理为特征的过程。(化工厂的心脏)(化工厂的嘴和消化系统)二、分离过程的重要性、预处理:分离可以保证原料的纯度避免催化剂中毒、反应产物的分离:粗产品一般为混合物反应器分离设备产物未反应物副产物例:乙烯水合生产乙醇固定床催化反应器分凝器、、吸收塔闪蒸塔粗馏塔催化加氢反应器脱轻组分塔产品塔涉及分离过程:吸收:、、精馏:、、闪蒸:分凝器:化工厂中分离设备投资约占总投资的~%!!!鲁西化工集团三、分离工程的研究内容分离过程:将一混合物转变组成互不相同的两种或几种产品的那些操作分离工程:研究过程工业中物质分离与提纯的工程学科。研究目的:①选择好的分离方法、流程和操作条件②分离装置的选型与设计。Ex:§分离过程的特征与分类§分离过程的特征与分类一、分离过程的特征分离过程为熵减小的过程不能自发进行要使其进行必须外界对其做功(施加分离剂)能量(ESA)物质(MSA)热、离心力、如:过滤介质、吸附剂、如:吸收剂、离子交换树脂电压力、分离装置极限程度=热力学分离速率=动力学二、分离过程的分类根据分离剂不同()能量分离剂过程:精馏、()质量分离剂过程:蒸发、干燥、电泳如吸收、吸附、过滤如根据原料物流的状态()机械分离:过滤、旋风分离、如沉降、离心分离处理对象:非均相混合物特点:相间无物质传递()传质分离:(本课程重点讨论的内容)特点:相间有质量传递可以在均相中进行也可以在非均相中进行。A、平衡分离(蒸馏、吸收、吸附、萃取、离子交换等)包括:气液传质过程(蒸馏、吸收)液液传质过程(萃取)气固传质过程(吸附)液固传质过程(离子交换、浸取)对象:处于不同相态分离依据:利用两相平衡组成不等的原理均相混合物SA两相B、速率控制分离包括:膜分离(如反渗透RO、超滤UF、微滤MF)场分离(如电泳)对象:处于同一相态分离依据:利用各组分传质速度的差异我们要重点掌握的是传质分离中的平衡分离总趋势:多样化、精细化、洁净化(环境友好)。三、发展趋势)传统分离技术改造:如精馏筛板塔改造为效率更高的填料塔。)新型分离过程开发:如膜分离、反胶团萃取、超临界萃取等。)分离与反应耦合以及分离过程之间的耦合:如反应精馏、吸附精馏、膜精馏等。§分离因子§分离因子理论分离因子(固有分离因子):表示分离难易实际分离因子:表示分离程度受平衡组成、传质速率、设备结构、分离流程等的影响产品产品指处于相平衡状态的分离程度固有分离因子是根据相平衡计算的实际分离因子与固有分离因子的差异用板效率表示。吸收(其中A为吸收质B为惰性组分)若B不溶于S中=最理想情况萃取选择性系数精馏相对挥发度反胶团萃取超临界流体是介于气液之间的一种既非气态又非液态的物态这种物质只能在其温度和压力超过临界点时才能存在。超临界流体的密度较大与液体相仿而它的粘度又较接近于气体。超临界流体是一种十分理想的萃取剂。超临界CO流体萃取(SFE)分离过程的原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。在超临界状态下将超临界流体与待分离的物质接触使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。第二章单级平衡过程第二章单级平衡过程§相平衡§多组分物系的泡、露点计算§闪蒸过程的计算§相平衡§相平衡一、相平衡条件相平衡:指混合物或溶液形成若干相这些相保持着物理平衡而共存的状态。热力学角度:动力学角度:相间表观传递速率相平衡条件:、各相的相等整个体系的熵达到最大值自由焓达到最小值为零温度T、压力p及每一组分i的化学位由lewis引入了等价于化学位的物理量逸度f各相的温度T、压力p及每一组分i的逸度相等二、相平衡表示相图:()px图()pxy图气相线在液相线下面()Txy图(恒P)()xy图相平衡常数K对组分i的相平衡常数Ki有i组分在平衡的汽相中的摩尔分率i组分在平衡的液相中的摩尔分率分离因子理想溶液拉乌尔定律三、相平衡常数的计算精馏:由状态方程法活度系数法很少应用状态方程法对混合物中组分i有()()计算步骤:()选择一个既适用于汽相又适用于液相的方程较常使用的为:范德华方程R-K方程()由相应的混合规则计算混合物的参数、()由状态方程求取混合物的体积及压缩因子()由状态方程及逸度系数计算公式()求取逸度系数表达式()、将代入逸度系数表达式求各组分汽相逸度系数()用代替重复()、()、()步骤求出各组分液相逸度系数()由求取例题例题[例]计算乙烯在K和kPa下的汽液平衡常数(实测值KC=)。解:()理想气体理想溶液与实际体系相差较大()逸度系数的表达式:计算得到气相和液相逸度系数:、活度系数法、活度系数法相平衡常数:汽相:液相:?求取基准态逸度、液相活度系数和汽相逸度系数。()可凝性组分基准态逸度(Fugacityunderstandardstate)基准态是与系统具有相同T、P和同一相态的纯i组分。如何计算纯组分i的逸度(fiL)纯组分i的逸度(fiL)纯组分i的逸度(fiL)对气、液、固组分均适用。用于计算纯组分i的逸度:纯液体组分i的逸度(fiL)纯液体组分i的逸度(fiL)纯组分i在一定温度的饱和蒸汽压下的逸度系数。纯液体组分i在系统温度下的摩尔体积与压力无关。校正饱和蒸汽压下的蒸汽对理想气体的偏离。Poynting因子校正压力对饱和蒸汽压的偏离。()不凝性组分(noncondensedcomponent)基准态下组分i的逸度是在系统T和P下估计的亨利系数。Henry’slaw对于由一个溶质(不凝性组分)和一个溶剂(可凝性组分)构成的两组分溶液通常溶剂的活度系数基准态定义为:溶质的活度系数基准态定义为:不对称型标准化方法相平衡常数:?求取液相活度系数、液相活度系数i:、液相活度系数i:活度系数i由过剩自由焓GE推导得出:如有适当的GE的数学模型则可求i的表达式。Margulesequations(twoconstant)优点:表达式简单适用于非理想体系(包括部分互溶体系)局限:无多元相互作用参数时不能用于多元体系。VanLaarequations(twoconstant):Wilsonequations(twoconstant):优点:表达式简单适用于非理想体系。局限:无多元相互作用参数时不能用于多元体系。优点:表达式较为简单局限:不能直接用于液液平衡。NRTL(threeconstant):,b,barespecifictoapairofspecies优点:适用于二元和多元气液平衡和液液平衡体系(特别是含水体系)。缺点:需要三个参数。UNIQUAC(twoconstant):优点:两参数方程仅需二元参数和纯组分数据即可估算多元气液平衡和液液平衡特别适用于分子大小相差悬殊的混合物。缺点:表达式复杂。以Wilson方程为例以Wilson方程为例其中:同理对二组分溶液:对三组分溶液:可求。()汽相逸度系数以维里方程为例:===由及or由及要求大家掌握的内容:()相平衡的判据()相平衡的表示方法()相平衡常数的两种计算方法()标准态逸度的选取。组分i在液相中的活度系数。纯组分i在温度为T时的饱和蒸汽压。组分i在温度为T、压力为Pis时的逸度系数。纯组分i的液态摩尔体积。组分i在温度为T、压力为P时的汽相逸度系数。活度系数法计算相平衡常数的简化形式各种简化形式:各种简化形式:()汽相为理想气体液相为理想溶液:化简得:Ki仅与T和P有关与溶液组成无关。特点是汽相服从道尔顿定律液相服从拉乌尔定律。问题:问题:什么样的情况下可将汽相看作理想气体液相看作理想溶液呢?低压不易液化的气体压力一般<kpa(是否容易液化如果易液化则有偏差)可视作理想气体非常相似的物质(分子大小和形状相近分子间相互作用力近似相等)组成的溶液接近理想溶液。例如苯、甲苯二元混合物。()汽相为理想气体液相为非理想溶液()汽相为理想气体液相为非理想溶液化简得:Ki不仅与T和P有关还与溶液组成xi有关。低压下的大部分物系如醇醛、酮与水形成的溶液属于这类物系。()汽相为理想溶液液相为理想溶液()汽相为理想溶液液相为理想溶液汽相为理想溶液(实际气体的理想混合物)实际气体的理想混合物:相同分子间作用力与相异分子间作用力相同气体混和时体积具有加和性。此混合气体符合路易斯-兰德尔规则化简得:iVKi仅与T和P有关与溶液组成无关。()汽相为理想溶液液相为非理想溶液()汽相为理想溶液液相为非理想溶液化简得:iVKi与T、P和液相组成xi有关与气相组成无关。汽液平衡系统分类及气液平衡常数的计算汽液平衡系统分类及气液平衡常数的计算Summary状态方程法与活度系数法的比较状态方程法与活度系数法的比较、烃类系统相平衡常数的近似估计PTK列线图烃类系统的汽液两相均较接近于理想溶液∴=f(T,P)PTK列线图是Deprister以BWR状态方程为基准绘制而成见图-(a)、图-(b)例:乙烯-乙烷精馏塔某塔板温度为-℃P=atm求该板Ki及汽液组成(PTK图)适用于–MPa(绝压)以下的较低压区域注意T、P对Ki的影响由图-(b)==又解:P=atm=KPa例:计算乙烯的相平衡常数实验值:已知:T=KP=kPaTc=KPc=kPa解:按理想气体、理想溶液计算汽液均按理想溶液计算A逸度系数法B列线图法A求(采用维里方程计算)B求(采用维里方程计算)C求计算在MPa和K下苯()甲苯()对二甲苯()三元系当x=x=x=时的的K值。汽相为理想气体液相为非理想溶液。并与完全理想系的K值比较。已知三个二元系的Wilson方程参数。(单位:Jmol)在T=K时液相摩尔体积为:解:由Wilson参数方程==同理:由Wilson方程根据安托尼方程:如视为完全理想系§多组分物系的泡露点计算§多组分物系的泡露点计算一、泡点计算、定义:液体混合物当加热出现第一个气泡的温度和压力已知TP求PbTb泡点压力泡点温度、有关方程:()相平衡关系方程:方程个数C()归一方程:()Ki方程:C以上方程组中共有变量数:T、P、Ki、xi、yiC+个独立方程数:C+个∴自由度数=(C)-(C)=C∴给定T(P)及C-个xi方程组有唯一解。、计算方法:()平衡常数与组成无关的泡点手算思路xi已知yi待求对中压下的烃类混合物T、P中有一个是未知量∴需用试差法或迭代法设T(P)Ki=迭代结束><调整T(P)℃时P例-P(T)PTK列线图为了利用这个数值使得下一次更接近于。首先选关键组分G:一般为含量最多的组分(对计算影响较大有利于减少迭代次数)∴若在一定温度范围内且xi一定分离因子对气液平衡系统为相对挥发度即若第m次迭代结果为最终结果则∴迭代公式P例-首先选二氯丙烯为关键组分G设t=℃安托因方程直到满足精度要求为止()第二次迭代安托因方程安托因方程一液体混合物的组成为:苯甲苯对二甲苯(摩尔分率)。计算该物系在kPa的平衡温度和汽相组成。假设为完全理想系。解:设t=℃甲苯:对二甲苯:苯:选苯为参考组分:解得T=℃==故泡点温度为℃且设T=℃(离泡点不远)用计算(不试差实用于完全理想系)yi∴T=℃随T变化不大取某温度范围内的均值计算方法:有:计算机计算时首先要有Ki的计算公式a、完全理想系()计算机计算(安托因公式)b、经验公式当系统压力不大时(Mpa以下)Ki主要受温度影响即Hayden经验式:或应用计算机编程时若已知Ki的温度表示式可用牛顿-拉普森(NewtonRaphson)选代法计算泡点温度Tb基本思想:设法将非线性方程f(x)=逐步转化为某种线性方程来求解xyxk+(xkf(xk))y=f(x)切线方程为:点(xk+)满足切线方程即∴迭代公式从而使xk+逐渐逼近x*∴首先选目标函数:迭代公式:对泡点计算:目标函数:迭代公式:c、Ki与组成有关由状态方程法或活度系数法求取Ki:∴采用试差法计算机计算Vˆ计算分析:计算框图:图几点说明几点说明()内、外循环的安排:当压力不大时(MPa以下)Ki对yi不敏感而对温度较为敏感因此将yi放在内层循环。()圆整yi:()判断收敛的准则或者是温度的调节方案直接关系到收敛速度和稳定性。判别收敛条件:()用于低压时近似看成:泡点压力的计算泡点压力的计算与泡点温度相同比较与分析如下:泡点方程比较:计算框图:有:混合物的逸度系数:式中:二、露点计算、定义:汽体混合物当冷凝出现第一滴液珠的温度和压力已知TP求PdTd露点压力露点温度、有关方程:()相平衡关系方程:()归一方程:()Ki方程:、计算方法:()应用PTK列线图手算思路xi已知yi待求对中压下的烃类混合物T、P中有一个是未知量∴需用试差法或迭代法设T(P)=迭代结束><调整T(P)P(T)Ki迭代公式:若在一定温度范围内且yi一定、首先选关键组分G:一般为含量最多的组分步骤:即若第m次迭代结果为最终结果则∴迭代公式、为待求露点温度或压力设一初值联立已知的压力或温度求解相平衡常数Ki、由相平衡关系方程求取各组分的液相组成xi、判断利用迭代公式重新迭代计算直到满足精度要求为止。()计算机计算迭代公式:目标函数:当Ki与组成有关时关键是Ki的计算要考虑到组成的影响需计算机求解。泡、露点计算总结:、分析是计算泡点还是露点()料液以饱和蒸汽加入塔中求料液温度即求露点td()料液以饱和液体加入塔中求料液温度即求泡点tb()已知精馏塔塔顶组成求塔顶温度即求露点td()已知精馏塔塔釜组成求塔釜温度即求泡点tb、选一含量最多的组分为关键组分G、对所求温度或压力设一初始值由迭代公式计算。泡点:露点:一烃类混合物含甲烷(mol)乙烷丙烷及异丁烷试求混合物在℃时的泡点压力和露点压力。解:因为各组分都是烷烃所以汽、液相均可以看成理想溶液Ki值只取决于温度和压力。可使用烃类的PTK图。⑴泡点压力的计算:假设P=MPa因T=℃查图求=<说明所设压力偏高重设P=MPa=≈故泡点压力为MPa。⑵露点压力的计算:假设P=MPa因T=℃,查图求=>说明压力偏高重设P=MPa。=≈故露点压力为MPa。解:()求泡点压力:设P=KPa由℃KPa查PTK列线图得====选异丁烷为参考组分查得P=KPa在此条件下求得=继续调整查得P=KPa在此条件下求得=继续调整查得P=KPa故混合物在℃的泡点压力为KPa()求露点压力:设P=KPa由℃KPa查PTK列线图得====所以选异丁烷为参考组分由℃=查得P=KPa查得各组分的Ki值求得故混合物在℃时的露点压力为KPa§闪蒸过程的计算§闪蒸过程的计算闪蒸过程属于单级平衡分离。两相经一次紧密接触达到平衡后随即引离的过程相当于一个平衡级连续单级蒸馏过程。它使进料混合物部分汽化或冷凝得到含易挥发组分较多的蒸汽和含难挥发组分较多的液体。普通精馏塔中的平衡级就是一简单绝热闪蒸级。流程示意图:流程示意图:液体混合物的汽化气体混合物的冷凝闪蒸等温闪蒸:闪蒸后气液两相温度等于原料液温度平衡压力小于原料液压力需从外界吸收热量绝热闪蒸:闪蒸过程为绝热过程平衡温度和压力都低于原料液温度和压力非绝热闪蒸:介于等温闪蒸和绝热闪蒸之间平衡温度和压力都低于原料液温度和压力。一、等温闪蒸等温闪蒸过程:通常已知:F、Zi、T、P求解:V、yi、L、xior:汽化率液化率判断物料的相态(在T、P下)()Tb<T<Td两相区()通常Tb、Td未知而Ki、Zi已知且=TTb饱和液体>TTb汽液混合物、饱和蒸汽或过热蒸汽=><T<Tb过冷液体=><=TTd饱和蒸汽TTd<汽液混合物、饱和液体或过冷液体T>Td过热蒸汽∴只有当且同时满足物料在T、P下处于两相区。即:两相区∴作闪蒸计算前必须先判断物料的相态。基本计算公式:()组分的物料衡算关系:独立方程数C个()相平衡关系:C个()相平衡常数关系方程:独立方程数不同情况下可作相应简化C个()归一方程:个∴独立方程数:C个变量数:T、P、F、V、L、Ki、zi、yi、xiC个∴自由度数=(C+)-(C+)=C+当T、P、F和C-个zi指定时方程组有唯一解由于方程组是非线性的需用选代法求解。将相平衡方程:将相平衡方程:代入方程:消去yi,得到:关系方程:代入汽化率一旦确定就可求出yi、xi同时V、L可求。右式减去左式得到:闪蒸方程RachfordRiceeq、计算方法:假设假设T、PKi关系方程xiyi(任选)调整(NewonRapnson方法)()迭代公式:目标函数:=or=or=<∴单调下降应用牛顿切线法可很快得解。其它计算类型:()已知:P、F、zi、求解:T、yi、xi()已知:T、F、zi、求解:P、yi、xiRachford-Rice方程设T(P)KiP(T)关系方程xi(任选)yi调整(NewonRapnson方法)P例-进料流率为kmol小时的轻烃混合物其组成为:丙烷()正丁烷()正戊烷()正己烷()(摩尔)。求在℃和kPa条件下闪蒸的汽液相组成及流率。()由关系方程求取xiyi()由求取VL=FV步骤:()核实闪蒸温度判断是否在两相区()求出的表达式给赋初值()由迭代公式(R-R方程)、进行迭代计算直到解:核实问题是否成立采用RachfordRice方程烃类物系K查PTK图由乙烷()丙烷()正丁烷()和正戊烷()组成的料液以kmolh的流率加入闪蒸室闪蒸室压力为MPa温度为℃料液组成为:z=z=z=z=。试计算汽液相产品的组成和流率。解:、首先判断闪蒸问题是否成立由给定的压力和温度查PTK图得到K~K:、迭代假设:、求解汽液平衡常数与组成有关的闪蒸计算汽液平衡常数与组成有关的闪蒸计算对分层迭代:对同时迭代:二、绝热闪蒸绝热闪蒸及其计算内容:(等焓节流过程)已知:F、Zi、P、T、P(闪蒸压力)求解:V、yi、L、xi、T基本计算公式:()()()()()焓平衡方程:即:对理想溶液混合过程的热效应不考虑可查图、查表或计算计算方法:依据:焓平衡方程:已知T未知且未知∴对绝热闪蒸过程需对T、两个变量赋值即在迭代中需有内层循环和外层循环两个循环。内、外循环迭代变量的选取取决于混合物的性质()宽沸程混合物的绝热闪蒸:宽沸程混合物:混合物中各组分沸点相差很大一些很易挥发一些很难挥发。∴易挥发组分主要在蒸汽相中难挥发组分主要留在液相中T的变化对气液流率V、L影响很小迭代原则:外层循环变量的改变对内层循环影响不大∴T为外层循环迭代变量为内层循环迭代变量思路:P、T设TPKiN-R法xiyiHi,VHi,L调整T()窄沸程混合物的绝热闪蒸:窄沸程混合物:混合物中各组分沸点相近T的变化对气液流率V、L影响很大∴T为内层循环迭代变量为外层循环迭代变量思路:P、TKixiHi,VHi,L调整设TPyi组成为(mol)苯甲苯和对二甲苯的kmol液体混合物在kPa和℃下闪蒸。试计算液体和气体产物的量和组成。假设该物系为理想溶液。用安托尼方程计算蒸气压。解:在K下甲苯:苯:对二甲苯:=kPa=kPa,=kPa对于低压气体气相可视为理想气体液相可视为理想溶液故=得K=,K=,K=核实闪蒸温度假设℃为进料的泡点温度则=×××=>=>说明实际的进料泡点温度和露点温度分别低于和高于规定的闪蒸温度闪蒸问题成立。假设℃为进料的露点温度则此时:x=x=x=V=kmoly=y=y=L=kmol。核实(略)在kPa下对组成为(摩尔)正己烷正庚烷及正辛烷的混合物。⑴求泡点和露点温度⑵将此混合物在kPa下进行闪蒸使进料的汽化。求闪蒸温度两相的组成。解:()因为各组分都是烷烃所以汽、液相均可看成理想溶液Ki只取决于温度和压力可使用烃类的PTK图。假设T=℃由P=kPa得下表:=<说明所设温度偏低重设T=℃=≈故泡点温度为℃。同理得露点温度为℃所以闪蒸温度为℃。计算得:xC=xC=xC=yC=yC=yC=所以液相中含正己烷正庚烷正辛烷汽相中含正己烷正庚烷正辛烷。复习课复习课§相平衡§相平衡一、相平衡条件相平衡:指混合物或溶液形成若干相这些相保持着物理平衡而共存的状态。热力学角度:动力学角度:相间表观传递速率相平衡条件:、各相的相等整个体系的熵达到最大值自由焓达到最小值为零温度T、压力p及每一组分i的化学位由lewis引入了等价于化学位的物理量逸度f各相的温度T、压力p及每一组分i的逸度相等二、相平衡表示相图:相平衡常数K对组分i的相平衡常数Ki有i组分在平衡的汽相中的摩尔分率i组分在平衡的液相中的摩尔分率分离因子理想溶液拉乌尔定律三、相平衡常数的计算精馏:由状态方程法活度系数法很少应用状态方程法对混合物中组分i有()()计算步骤:()选择一个既适用于汽相又适用于液相的方程较常使用的为:范德华方程R-K方程()由相应的混合规则计算混合物的参数、()由状态方程求取混合物的体积及压缩因子()由状态方程及逸度系数计算公式()求取逸度系数表达式()、将代入逸度系数表达式求各组分汽相逸度系数()用代替重复()、()、()步骤求出各组分液相逸度系数()由求取汽相逸度系数以维里方程为例:===由及or由及、活度系数法、活度系数法相平衡常数:汽相:液相:?求取基准态逸度、液相活度系数和汽相逸度系数。()可凝性组分基准态逸度(Fugacityunderstandardstate)基准态是与系统具有相同T、P和同一相态的纯i组分。如何计算纯组分i的逸度(fiL)纯组分i的逸度(fiL)纯组分i的逸度(fiL)对气、液、固组分均适用。用于计算纯组分i的逸度:纯液体组分i的逸度(fiL)纯液体组分i的逸度(fiL)纯组分i在一定温度的饱和蒸汽压下的逸度系数。纯液体组分i在系统温度下的摩尔体积与压力无关。校正饱和蒸汽压下的蒸汽对理想气体的偏离。Poynting因子校正压力对饱和蒸汽压的偏离。()不凝性组分(noncondensedcomponent)基准态下组分i的逸度是在系统T和P下估计的亨利系数。Henry’slaw对于由一个溶质(不凝性组分)和一个溶剂(可凝性组分)构成的两组分溶液通常溶剂的活度系数基准态定义为:溶质的活度系数基准态定义为:不对称型标准化方法相平衡常数:?求取液相活度系数组分i在液相中的活度系数。纯组分i在温度为T时的饱和蒸汽压。组分i在温度为T、压力为Pis时的逸度系数。纯组分i的液态摩尔体积。组分i在温度为T、压力为P时的气相逸度系数。活度系数法计算相平衡常数的简化形式气液平衡系统分类及气液平衡常数的计算气液平衡系统分类及气液平衡常数的计算、烃类系统相平衡常数的近似估计PTK列线图烃类系统的汽液两相均较接近于理想溶液∴=f(T,P)PTK列线图是Deprister以BWR状态方程为基准绘制而成适用于–MPa(绝压)以下的较低压区域§多组分物系的泡露点计算§多组分物系的泡露点计算一、泡点计算、定义:液体混合物当加热出现第一个气泡的温度和压力已知TP求PbTb泡点压力泡点温度、有关方程:()相平衡关系方程:方程个数C()归一方程:()Ki方程:C以上方程组中共有变量数:T、P、Ki、xi、yiC+个独立方程数:C+个∴自由度数=(C)-(C)=C∴给定T(P)及C-个xi方程组有唯一解。、计算方法:()平衡常数与组成无关的泡点手算思路xi已知yi待求对中压下的烃类混合物T、P中有一个是未知量∴需用试差法或迭代法设T(P)Ki=迭代结束><调整T(P)℃时P例-P(T)PTK列线图为了利用这个数值使得下一次更接近于。首先选关键组分G:一般为含量最多的组分(对计算影响较大有利于减少迭代次数)∴若在一定温度范围内且xi一定分离因子对气液平衡系统为相对挥发度即若第m次迭代结果为最终结果则∴迭代公式P例-首先选二氯丙烯为关键组分G设t=℃安托因方程直到满足精度要求为止()第二次迭代安托因方程安托因方程设T=℃(离泡点不远)用计算(不试差实用于完全理想系)yi∴T=℃随T变化不大取某温度范围内的均值计算方法:应用计算机编程时若已知Ki的温度表示式可用牛顿-拉普森(NewtonRaphson)选代法计算泡点温度Tb基本思想:设法将非线性方程f(x)=逐步转化为某种线性方程来求解xyxk+(xkf(xk))y=f(x)切线方程为:()计算机计算点(xk+)满足切线方程即∴迭代公式从而使xk+逐渐逼近x*∴首先选目标函数:迭代公式:对泡点计算:目标函数:迭代公式:c、Ki与组成有关由状态方程法或活度系数法求取Ki:计算框图:图几点说明几点说明()内、外循环的安排:当压力不大时(MPa以下)Ki对yi不敏感而对温度较为敏感因此将yi放在内层循环。()圆整yi:()判断收敛的准则或者是温度的调节方案直接关系到收敛速度和稳定性。§闪蒸过程的计算§闪蒸过程的计算闪蒸过程属于单级平衡分离。两相经一次紧密接触达到平衡后随即引离的过程相当于一个平衡级连续单级蒸馏过程。它使进料混合物部分汽化或冷凝得到含易挥发组分较多的蒸汽和含难挥发组分较多的液体。普通精馏塔中的平衡级就是一简单绝热闪蒸级。流程示意图:流程示意图:液体混合物的汽化气体混合物的冷凝闪蒸等温闪蒸:闪蒸后气液两相温度等于原料液温度平衡压力小于原料液压力需从外界吸收热量绝热闪蒸:闪蒸过程为绝热过程平衡温度和压力都低于原料液温度和压力非绝热闪蒸:介于等温闪蒸和绝热闪蒸之间平衡温度和压力都低于原料液温度和压力。一、等温闪蒸等温闪蒸过程:通常已知:F、Zi、T、P求解:V、yi、L、xior:汽化率液化率判断物料的相态(在T、P下)()Tb<T<Td两相区()通常Tb、Td未知而Ki、Zi已知且=TTb饱和液体>TTb汽液混合物、饱和蒸汽或过热蒸汽=><T<Tb过冷液体=><=TTd饱和蒸汽TTd<汽液混合物、饱和液体或过冷液体T>Td过热蒸汽∴只有当且同时满足物料在T、P下处于两相区。即:两相区∴作闪蒸计算前必须先判断物料的相态。基本计算公式:()组分的物料衡算关系:独立方程数C个()相平衡关系:C个()相平衡常数关系方程:独立方程数不同情况下可作相应简化C个()归一方程:个∴独立方程数:C个变量数:T、P、F、V、L、Ki、zi、yi、xiC个∴自由度数=(C+)-(C+)=C+当T、P、F和C-个zi指定时方程组有唯一解由于方程组是非线性的需用选代法求解。一旦确定就可求出yi、xi同时V、L可求。关系方程:右式减去左式得到:闪蒸方程RachfordRiceeq、计算方法:假设假设T、PKi关系方程xiyi(任选)调整(NewonRapnson方法)()迭代公式:目标函数:=or=or=<∴单调下降应用牛顿切线法可很快得解。其它计算类型:()已知:P、F、zi、求解:T、yi、xi()已知:T、F、zi、求解:P、yi、xiRachford-Rice方程设T(P)KiP(T)关系方程xi(任选)yi调整(NewonRapnson方法)()由关系方程求取xiyi()由求取VL=FV步骤:()核实闪蒸温度判断是否在两相区()求出的表达式给赋初值()由迭代公式(R-R方程)、进行迭代计算直到二、绝热闪蒸绝热闪蒸及其计算内容:(等焓节流过程)已知:F、Zi、P、T、P(闪蒸压力)求解:V、yi、L、xi、T基本计算公式:()()()()()焓平衡方程:即:对理想溶液混合过程的热效应不考虑可查图、查表或计算计算方法:依据:焓平衡方程:已知T未知且未知∴对绝热闪蒸过程需对T、两个变量赋值即在迭代中需有内层循环和外层循环两个循环。内、外循环迭代变量的选取取决于混合物的性质()宽沸程混合物的绝热闪蒸:宽沸程混合物:混合物中各组分沸点相差很大一些很易挥发一些很难挥发。∴易挥发组分主要在蒸汽相中难挥发组分主要留在液相中T的变化对气液流率V、L影响很小迭代原则:外层循环变量的改变对内层循环影响不大∴T为外层循环迭代变量为内层循环迭代变量思路:P、T设TPKiN-R法xiyiHi,VHi,L调整T()窄沸程混合物的绝热闪蒸:窄沸程混合物:混合物中各组分沸点相近T的变化对气液流率V、L影响很大∴T为内层循环迭代变量为外层循环迭代变量思路:P、TKixiHi,VHi,L调整设TPyi§普通多组分精馏§普通多组分精馏一、基本概念例:石油裂解气中的C–C塔其进料组成中CH、CH、CH、CH、CH和CH分离要求规定塔釜中CH浓度不超过%塔顶产品中CH浓度不超过%(或CH回收率不小于%)关键组分:按分离要求规定的两个组分且在塔顶和塔釜均有一定的数量轻关键组分LK:两组分中相对挥发度大的组分指在中该组分的浓度有严格要求塔釜液塔顶液重关键组分HK:两组分中相对挥发度小的组分指在塔顶液中该组分的浓度有严格要求回收率:塔顶回收率:塔釜回收率:非关键组分:没有分离要求的组分轻非关键组分(轻组分)LNK:相对挥发度比轻关键组分大重非关键组分(重组分)HNK:相对挥发度比重关键组分小精馏中:LK绝大多数在塔顶出现在釜中量严格控制HK绝大多数在塔釜出现在顶中量严格控制。关键组分的指定原则由工艺要求决定例:ABCD(按挥发度依次减少排列)混合物分离◆工艺要求按AB与CD分开:则:B为LKC为HK◆工艺要求先分出A:则:A为LKB为HK分配组分(分布组分):塔顶、塔釜同时出现的组分非分配组分(非分布组分):只在塔顶或塔釜出现的组分关键组分一定是不一定是分配组分非关键组分一定是不一定是非分配组分二、清晰分割物料衡算清晰分割:轻组分全部从塔顶馏出液中采出重组分全部从塔釜馏出液中采出即在清晰分割中轻重组分一定是不一定是非分配组分清晰分割是一种理想情况当轻重关键组分为相邻组分而且与两关键组分挥发度接近的非关键组分的量不大时或者是非关键组分的挥发度和两关键组分的挥发度相差很大时可近似按清晰分割处理。、全塔物料衡算通常:F、xFi、xDh、xWl已知且由清晰分割定义可知:求:D、W及组成例:某精馏塔进料中含正己烷()正庚烷()正辛烷()要求馏出液中正庚烷含量不大于釜液中正己烷含量不大于(以上均为摩尔分数)若进料流率为kmolh试求清晰分割中馏出液和釜液的流量及组成。解:由题意知:正己烷为轻关键组分LK正庚烷为重关键组分HK∴总物料衡算:且即:操作线方程假定:恒摩尔流精馏段:提馏段:三、多组分精馏过程的复杂性★流量分布分子汽化潜热相近可视为恒摩尔流例:苯甲苯物系(图)苯甲苯异丙苯物系(图)分子汽化潜热不相近V、L有变化但VL变化不大三、多组分精馏过程的复杂性★浓度分布进料板附近各组分都有显著数量原因是引入的组分包含全部组成。对非关键组分HNK迅速消失LNK以接近于常数浓度在进料板以上各板中出现接近顶部急剧增加在出料液中达到最高。LNK迅速消失HNK在再沸器中浓度最高从釜向上几板下降较大然后变化不大一直延伸到进料板。精馏段:提馏段:关键组分变化复杂▼若无LNK时:HK分别在二段出现两个最高点LK表现象LNK。(图)▼若无HNK时:LK分别在二段出现两个最高点HK表现象HNK。(图)▼有LNK、HNK且都不同时出现在顶、釜时:LK在精馏段出现一个最大值然后降到所规定的浓度HK在提馏段出现一个最大值然后降到所规的浓度。(图)多元精馏与二元精馏在浓度分布上的区别多元精馏与二元精馏在浓度分布上的区别()关键组分含量存在极大值()非关键组分通常是非分配的即重组分通常仅出现在釜液中轻组分仅出现在馏出液中()重、轻非关键组分分别在进料板下、上形成几乎恒浓的区域()全部组分均存在于进料板上但进料板含量不等于进料含量。各组分的浓度分布曲线在进料板处不连续。★温度分布泡点与组成密切相关温度分布接近组成分布形状。(图)(图)。三、回流比R与最小回流比Rmin双组分精馏中:R=(~)Rmin在最小回流比下将在进料板上下出现恒浓区或夹点区、恒浓区:在此区域中相邻板上的汽相浓度和液相浓度各自相同该区域需要无限多的理论板数才能实现一定分离作用。多组分精馏将有上、下两个恒浓区。双组分精馏将在加料板附近出现恒浓区。观察进料中重组分>C重组分脱除区B上恒浓区A精馏段分馏区对进料中轻组分>D轻组分脱除区E下恒浓区F提馏段分馏区若和为非分布组分轻重组分均为非分布组分()无轻组分()重组分为非分布组分轻组分为分布组分轻重组分均为分布组分()无重组分()重组分为分布组分轻组分为非分布组分、Underwood法计算Rmin:两个假设:()塔内汽相和液相均为恒摩尔流()各组分的相对挥发度均为常数。()()组分i与某一任选的基础组分间的相对挥发度通常取重关键组分为基础组分q-进料的热状况参数-最小回流比Rm-进料混合物中i组分的摩尔分率-最小回流比下馏出液中组分i的摩尔分率-方程式的根对于有C个组分的系统有C个根只取()范围内的那个根解法:()试差Rm()取R=(~)Rmin依据:经济衡算要求达到操作费用和设备投资费用总和最少。苯甲苯物系苯甲苯异丙苯物系苯甲苯物系苯甲苯异丙苯物系苯甲苯物系苯甲苯异丙苯物系四、Fenske法求最少理论板数Nm全回流时所需理论板数最少D=、W=、F=常用于:()精馏塔的开工、调试阶段()实验研究场合。全回流时两操作线都与对角线重合y=xiin,n,()又()n将()代入()得:()∴对于第一块塔板:()将第二块板代入()得:如此顺序下推直推到塔釜Nm塔顶为全凝器时:………∴(包括再沸器)-i组分的分配比即i组分在馏出液中摩尔数与釜液中摩尔数之比若已知轻关键组分在塔顶回收率和重关键组分在塔釜回收率则∴塔顶为分凝器时:Note:()平均相对挥发度通常取塔顶、进料和塔釜相对挥发度的几何平均值()l、h代表任意两组分计算Nm通常利用关键组分()精馏段:列方程将D、W代入表中完成物料衡算表(略)求最少理论板数核实清晰分割的合理性有:核实式:调整以前面结果为初值进行试差五、Gilliland法计算理论板数N根据Rmin,R,Nmin及N之间的关系由试验结果绘制成吉利兰图由Gilliland图可拟合出相应的Gilliland经验式或:其中六、适宜进料位置的确定六、适宜进料位置的确定例分离烃类混合物例求出Rm=例求出Nm=和物料衡算表本题求N进料位置解:求RR=Rm=确定进料位置Fenske公式的推导中讲到lh为任意两组分∴∴七、不清晰分割物料衡算为在一定回流比下仍利用上式需做一假定假定:在一定回流比操作时各组分在塔内的分布与在全回流操作时的分布基本一致这样就可用Fenske公式去反算除关键组分以外的其它部分在塔顶、塔釜的浓度。对不清晰分割物料衡算:通常:F、xFi、xDh、xWl已知求diwi(D、W及组成)若有C个组分需求解diwi共C个未知量C个(或HK的塔釜回收率)个(或LK的塔顶回收率)个C-个解法:已知条件清晰分割xDi、x

用户评价(0)

关闭

新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

抱歉,积分不足下载失败,请稍后再试!

提示

试读已结束,如需要继续阅读或者下载,敬请购买!

文档小程序码

使用微信“扫一扫”扫码寻找文档

1

打开微信

2

扫描小程序码

3

发布寻找信息

4

等待寻找结果

我知道了
评分:

/576

化工分离过程

VIP

在线
客服

免费
邮箱

爱问共享资料服务号

扫描关注领取更多福利