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.,*,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,.,
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