化工分离过程(2单级平衡过程)(第4讲)PPT课件.ppt

.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,化工分离过程,Chemical Separation Processes,第二章 单级平衡过程,1,.,第二章 单级平衡过程,?,2,.,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x,i,，确定T,b,（或P,b,）和y,i,。,（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。,3,.,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,4,.,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）。,5,.,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。,6,.,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,7,.,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,。,8,.,2.3 闪蒸过程的计算,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:,z,i,c,进料温度和压力:,T,F,P,F,2,离开闪蒸塔的气相流率:,V,1,离开闪蒸塔的气相组成:,y,i,c,离开闪蒸塔的液相流率:,L,1,离开闪蒸塔的液相组成:,x,i,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,底部产物 L，x,顶部产物 V，y,加热器,节流阀,冷凝器,9,.,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,Fraction summation,Enthalpy balance,10,.,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,T,F,P,F,T,P,V,L,Q,z,i,y,i,x,i,）,（,F,T,F,P,F,z,i,）,(可调设计变量)：,2 个,11,.,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：,规定变量,闪蒸形式,输出变量,P,T,等温,Q,V,L,y,i,x,i,P,Q=0,绝热,T,V,L,y,i,x,i,P,Q0,非绝热,T,V,L,y,i,x,i,P,L(或),部分冷凝,Q,T,V,y,i,x,i,P(或T),V(或),部分汽化,Q,T(或P),L,y,i,x,i,12,.,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),13,.,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）,14,.,2.3 闪蒸过程的计算,（1）已知,z,i,、T,F,、P,F,、F、,闪蒸,T,和,P,，求,、x,i,、y,i,。,3、计算步骤,N,由,T，P,K,i,设,结束,Y,z,i,调整,（2）已知,z,i,、T,F,、P,F,、F、,和,闪蒸,P,，求,T、x,i,、y,i,。,2、计算类型：,15,.,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,x,i,、y,i,；然后求,H,F,、H,V,、H,L,。,然后由,Q+FH,F,=LH,L,+VH,V,求出过程所需热量。,N,设,T,K,i,、,z,i,结束,Y,调整,T,P,y,i,、x,i,16,.,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）,17,.,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,（2-64）,（2-66）,18,.,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）,19,.,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,Rachord-Rice方程,（2-69）,（2-70）,（2-71）,Rachord-Rice方程用于闪蒸迭代计算,20,.,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）,21,.,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。,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。,22,.,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。,23,.,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,：,（2-76）,24,.,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T,b,T。,综合两种试算结果，只有,T,b,T T,d,成立，,才能,构成闪蒸问题,。,25,.,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,。,26,.,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,可见两者都大于1，说明料液的泡点温度T,b,82.5，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：,K,1,=4.80，K,2,=1.96，K,3,=0.80，K,4,=0.33,验证料液的泡点和露点：,泡点验证：,露点验证：,27,.,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。,28,.,2.3.1,等温闪蒸和部分冷凝过程,成分,乙烷(1),丙烷(2),丁烷(3),戊烷(4),汽相组成y,i,0.1512,0.3105,0.4613,0.0770,液相组成x,i,0.0315,0.1584,0.5768,0.2333,计算汽、液相产量V和L：,V=F=202.5kmol/h，L=(1-)F=297.5kmol/h,利用下式计算汽、液相组成y和x：,29,.,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。,30,.,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,x,i,y,i,分层迭代,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,归一化,x,i,y,i;,比较：估计值和归一化值,比较:,K+1,和,K,输出,不收敛,收敛,对,x,i,y,i,同时迭代,32,.,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2-9,33,.,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。,34,.,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,，而不是汽化率。,35,.,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。,36,.,2.3.2,绝热闪蒸过程,利用牛顿迭代公式有:,其中:,37,.,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,38,.,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,。,39,.,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,40,.,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,41,.,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G(,),ABS(G(,),重新估计,重新估计T,结束,Y,N,窄沸程绝热闪蒸过程计算框图,N,Y,42,.,本章思考题,1、什么叫露点，精馏塔顶温度如何处理？,2、相平衡关系可用几种方法来表达。,3、就活度系数法计算气液平衡常数的通式，分以下几种情况,进行讨论：,1）气相为理想气体，液相为理想溶液；,2）气相为理想气体，液相为非理想溶液；,3）气相为理想溶液，液相为理想溶液；,4）气相为理想溶液，液相为非理想溶液。,4、怎样判断混合物在T，P下的相态，若为两相区其组成怎样,计算？,5、用逐次逼近法进行等焓闪蒸计算时，什么情况下汽化率作,为内循环，温度T作为外循环，为什么？,6、简述绝热闪蒸计算的计算方法和特点。,43,.,作业：P51-52,习题1-10,1-11,1-14,阅读课本 巩固知识,44,.,