化工分离工程课件.ppt

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1、,分离工程,本课程的任务和内容,地位：专业基础课前期课程： 物理化学、化工原理、化工热力学重点： 1.基本概念的理解 2.讨论各种分离方法的特征 3.对设计、分析能力的训练 4.提高解决问题能力,课程要求： 分离过程的基本理论 简捷和严格计算方法 对新分离技术有一定了解,第一章 绪 论,1.1分离过程在工业生产中的地位和作用1.2 传质分离过程的分类和特征1.3.分离过程的研究内容与研究方法,11 分离操作在化工生产中的地位,原料,预处理,反应,分离,粗产品,精制,产品,分离工程,三废处理,核心,1.1分离操作在化工生产中的地位,化工工艺学,12 分离过程的特征与分类,一、分离过程的特征 几种

2、物质混合在一起的过程是自发的，混乱度或熵增加的过程,原料,（混合物）,分离设备,产品1,产品2,分离剂（物质或能量）,分离某种混合物成为不同产品的过程，是熵减小的过程，不能自发进行,1.2分离过程的特征与分类,需要外界对系统作功（或输入能量）方能进行,二、分离因子,（1）分离因子的定义 假设要将i、j两组分构成的混合物分离成1、2两种产品，两种产品中两组分的含量分别用xi1、xj1、xi2、xj2表示。比较这两个组分在两种产品中的含量关系，就可以判定这两个组分在两种产品中的分离程度：,分离因子与1的偏离程度表示组分之间分离的难易程度。当ij1时，两组分在两产品中的含量相同，无法实现分离； 当i

3、j接近1时，两组分在两产品中的含量相近，难以实现分离； 当ij远离1时，两组分在两产品中的含量差别大，容易实现分离。精馏中，分离因子又称为相对挥发度，它相对于汽液平衡常数而言，对温度和压力的变化不敏感，可近似看作常数，使计算简化。,三、分离过程的分类,按分离过程中有无物质传递现象发生 1、机械分离过程 对象：非均相混合物 特点：用机械法将非均相物系分离，而相间并无物质传递发生 2、传质分离过程 特点：相间有质量传递现象,1.2分离过程的特征与分类,平衡分离,利用两相平衡组成不等的原理 常采用平衡级（理论板）作为处理手段，并把其它影响归纳于效率中气液传质过程 : 如吸收、气体的增湿和减湿汽液传质

4、过程 : 如液体的蒸馏和精馏液液传质过程 : 如萃取液固传质过程 : 如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分离、参数泵分离等气固传质过程 : 如固体干燥、吸附等,1.2分离过程的特征与分类,速率分离,利用溶液中不同组分在某种推动力（如压差、浓度差、电位差）作用下经过某种介质（如半透膜）时的传质速率（透过率、迁移率、扩散速率）差异而实现分离 特点：所处理的物料和产品属于同一相态，仅有组成的差别,膜分离,场分离,1.2分离过程的特征与分类,如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。,例题详解,1、分离作用是由于加入（分离剂）而引起的，因为分离过程是（熵减过程）。2、分离过程是（混合过程）的逆过程，因此需加入（

5、分离剂）来达到分离目的。3、工业上常用（分离因子）表示特定物系的分离程度，汽液相物系的最大分离程度又称为（固有分离因子）。,例题详解,4、分离因子（等于1），则表示组分i及j之间不能被分离。5、速率分离的机理是利用溶液中不同组分在某种（推动力）作用下经过某种介质时的（传质速率）差异而实现分离。6、分离过程是将一混合物转变为组成（互不相同）的两种或几种产品的操作。7、分离过程中按有无物质传递现象发生来划分，分离过程可分为机械分离和 传质分离 。,第二章 单级平衡过程,内容：,第二章 单级平衡过程,第一节 相平衡第二节 多组分物系的泡点和露点计算第三节 闪蒸过程的计算,2.1.1 相平衡条件,一、

6、相平衡条件 相平衡：由混合物或溶液形成若干相，这些相保持物理 平衡而共存状态。 热力学上看物系的自由焓最小 动力学上看相间表观传递速率为零,相平衡条件：,引入逸度系数 ：,引入活度系数 ：,1.汽液平衡,汽液平衡关系式：,2.液液平衡,由（2-7）：,基准态相等,二、相平衡常数和分离因子 定义：,精馏、吸收：称汽液相平衡常数液液萃取：液液相平衡常数（或分配系数）,三、用 表示平衡关系,2.1.2 相平衡常数的计算,一、状态方程法,由（28）：,以P为自变量：,(2-16)推导：,积分后得（2-16）,1.用Van der waals方程计算,Van der waals方程：,a、b为Van d

7、er waals常数,将（215）积分后代入以上结果：,二、活度系数法,由（29）和（212） ：,恢复,小结,相平衡关系表达方法,根据分子间作用力不同,汽相可分为以下三类,(1) 理想气体的混合物,此时，P-V-T关系服从理想气体定律,（2-24）,二、汽液平衡的分类与计算,汽液平衡的分类,2.2相平衡关系的计算,(2) 实际气体的理想溶液（实际气体的理想 混合物）,（2-25）,(3) 实际气体,二、汽液平衡的分类与计算, 汽液平衡的分类,2.2相平衡关系的计算,二、汽液平衡的分类与计算,汽液平衡的分类,与此类似，液相也可分为理想溶液和实际溶液（与实际气体对应）两类，但不存在理想气体那样的

8、溶液。,对理想溶液,（2-26）,则：,三类不同汽相和两类不同液相可以组合成以下五类汽-液平衡系统,它们的平衡常数计算如下：,(1) 气相为理想气体，液相为理想溶液 称为完全理想系,化简得：,1,1,1,1,二、汽液平衡的分类与计算,汽液平衡的分类,2.2相平衡关系的计算,(2) 气相为理想气体，液相为非理想溶液,化简得：,1,1,1,二、汽液平衡的分类与计算,汽液平衡的分类,2.2相平衡关系的计算,(3) 气相为理想溶液，液相为理想溶液 称为理想系,化简得：,iV,1,即,fiL,二、汽液平衡的分类与计算,汽液平衡的分类,2.2相平衡关系的计算,(4)气相为理想溶液，液相为非理想溶液,化简得

9、：,iV,即,fiL,二、汽液平衡的分类与计算,汽液平衡的分类,2.2相平衡关系的计算,(5) 气相为实际气体，液相为非理想溶液 称为完全非理想系,二、汽液平衡的分类与计算,汽液平衡的分类,2.2相平衡关系的计算,例21：计算乙烯的相平衡常数 实验值：已知：T=311K P=344.2kPa Tc=282.4K Pc=5034.6kPa 解：1.按理想气体、理想溶液计算 2.汽液均按理想溶液计算 A.逸度系数法,与实验值相近,泡点温度(压力):在恒压(温)下加热液体混合物,当液体混合物开始气化出现第一个气泡时的温度(压力), 简称泡点。露点温度(压力):在恒压(温)下冷却气体混合物,当气体混合

10、物开始冷凝出现第一个液滴时的温度(压力), 简称露点。,2.3多组分物系的泡点和露点计算,2.3 多组分物系的泡点和露点计算,规定液相组成 xi 和压力p（或温度T），计算气相组成 yi 和温度T（或压力p）。,已知： xi 、P 计算： yi 、T,泡点温度计算,已知： xi 、T计算： yi 、P,泡点压力计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,2.3 多组分物系的泡点和露点计算,一、泡点温度和压力的计算,一、泡点温度和压力的计算 泡点计算与有关方程 已知,求,相平衡关系：,浓度总和式：,相平衡常数关联式：,计算方法,平衡常数与组成无关的泡点计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,2.3

11、多组分物系的泡点和露点计算,45,已知P,得到Ki,Kixi,F(T)=|Kixi-1 |,yes,T，yi,no,调整T,泡点方程：,or,假定T,e 为试差的允许偏差一般取0.010.001,手算 计算思路,1) TB计算,（1）平衡常数与组成无关的泡点计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,（1）温度T 初值的选定,取纯物质的沸点作为温度的迭代初值,（2） Ki值的获得,1）p-T-Ki 图（烃类物系）,2）简化表达式：,3）经验关系式,（1）平衡常数与组成无关的泡点计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,（3）温度T的调整,Ki 与P、T的关系,说明,1 说明所设 偏高，应降低 重设,

12、1 说明所设 偏低，应提高 重设,（1）平衡常数与组成无关的泡点计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,仍然依据的是泡点方程：,当气相为理想气体，液相为理想溶液时：,当气相为理想气体，液相为非理想溶液时：,2) PB计算,（1）平衡常数与组成无关的泡点计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,平衡常数与组成无关的泡点计算,a. p-T-K列线图 b.,手算,设,思路：,调整T（p）,N,2.3多组分物系的泡点和露点计算,平衡常数与组成有关的泡点计算,比较不变,调整T（p）,2.3多组分物系的泡点和露点计算,规定气相组成 yi 和压力p（或温度T），计算液相组成 xi 和温度T（或压力p）。,已知

13、： yi 、P 计算： xi 、T,露点温度计算,已知： yi 、T计算： xi 、P,露点压力计算,二、露点温度和压力的计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,二、露点温度和压力的计算,露点计算与有关方程 已知：,求,相平衡关系：,浓度总和式：,相平衡常数关联式：,计算方法,平衡常数与组成无关的露点计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,？,已知P,得到Ki,yi/Ki,F(T)=|yi/Ki-1 |,yes,T，yi,no,调整T,露点方程：,或,1) TD计算,(1) Ki与组成无关的露点计算：,假定T,手算 计算思路,二、露点温度和压力的计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,温度T的

14、调整,T 设高了，降低 T,T 设低了，提高 T,T 的调整幅度可采用牛顿拉普森法：,二、露点温度和压力的计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,(1) Ki与组成无关的露点计算：,仍然依据的是露点方程：,当气相为理想气体，液相为理想溶液时：,2) PD计算,二、露点温度和压力的计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,加速收敛法,为使第n次试差时：,二、露点温度和压力的计算,2.3多组分物系的泡点和露点计算,为了快速找到第 n次试差时应假设的温度（或压力），应有：,这样便可由 P-T-K 图查出应假设的T 值,同理对露点压力计算的迭代式为：,二、露点温度和压力的计算,2.3多组分物系的泡点和露

15、点计算,例题讲解,一烃类混合物含甲烷5%(mol)，乙烷10%，丙烷30%及异丁烷55%，试求混合物在25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，值只取决于温度和压力。可使用烃类的P-T-K图。,泡点压力的计算： 假设P=2.0MPa，因T=25，查图（P21)求Ki,=0.9191，说明所设压力偏高，重设P=1.8MPa,;,=1.0051，故泡点压力为1.8MPa。,露点压力的计算：假设P=0.6MPa，因T=25,查图求,.,=1.06881.00，说明压力偏高，重设P=0.56MPa。,.,=1.0061，故露点压力为0.56MPa。,2.4单级

16、平衡分离过程计算,一、等温闪蒸 二、绝热闪蒸,2.4单级平衡分离过程计算,掌握,了解,单级平衡： 原料经过分离设备后，假设物系在出口处汽、液两相达到了平衡,由于平衡的两相组成不同而实现分离的过程，其分离效果相当于一块理论级。,2.4单级平衡分离过程计算,2.4单级平衡分离过程计算,闪蒸又称平衡蒸馏,是连续、稳态的单级蒸馏过程,该过程使进料混合物经加热、冷却或降压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,即一个平衡级过程。普通精馏塔中的平衡级就是一简单绝热闪蒸级.,2.4单级平衡分离过程计算,2.4单级平衡分离过程计算,液体混合物的部分汽化 汽体混合物的部分冷凝 液体混合

17、物的绝热闪蒸 手段：加热、冷却和降压 特点：平衡蒸馏一个平衡级分离一、等温闪蒸 (Isothermal Flash)混合物的相态,2.4单级平衡分离过程计算,？,2.4单级平衡分离过程计算,混合物的相态,判断混合物在指定温度和压力下是否处于两相区,=1,进料处于泡点,1,可能为汽液两相区,1,进料为过冷液体,=1,进料处于露点,1,可能为汽液两相区,1,进料为过热蒸汽,2.4单级平衡分离过程计算,n = 0,n 0,n = 1,n 1,混合物的相态,也可分别用泡露点方程计算闪蒸压力下的泡露点温度，若,当,混合物处于汽液两相区,2.4单级平衡分离过程计算,混合物处于汽液两相区(0 n 1),可进

18、行等温闪蒸的计算,即闪蒸问题成立,混合物的相态判断,Kizi1,Kizi1,zi/Ki1,TDTTB,2.4单级平衡分离过程计算,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,2.4单级平衡分离过程计算,*,闪蒸计算类型,2.4单级平衡分离过程计算,已知: F, zi, P,T 计算: Q, V, L, yi , xi,已知: F, zi ,P(T), n (e)计算: T(P), V(L), yi , xi , Q,两类计算：,等温闪蒸：在闪蒸罐的温度T与闪蒸后气体与液体

19、的温度是相等的，而闪蒸温度T不一定与闪蒸前原料的温度相等。,2.4单级平衡分离过程计算,等温闪蒸过程,等温闪蒸过程,液化率：,汽化率：,2.4单级平衡分离过程计算,计算公式,组分的物料衡算式,相平衡关系式：,相平衡常数关联式 ：,浓度总和式：,关系方程 ：,2.4单级平衡分离过程计算,计算方法,第一类计算:思路,调e或v,Newton-Raphson法,目标函数,2.4单级平衡分离过程计算,N,计算方法,迭代公式：,初值：,2.4单级平衡分离过程计算,计算方法,目标函数 :,2.4单级平衡分离过程计算,本章习题讲解,1.根据泡点露点的概念，精馏塔塔顶温度即为对应塔顶汽相组的露点 ，塔釜温度即为对应塔釜液相组成的 泡点。2.在分离流程中常遇到的部分汽化和冷凝过程属等温闪蒸过程 。,判断：,2.采用RachfordRice方程 烃类物系，K查PTK图,4.计算V，L,5.核实,