化工分离过程.ppt

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1、多媒体课件多媒体课件Single Stage Balance Process第二章第二章 单级平衡过程单级平衡过程K值计算：状态方程法、活度系数法；泡点、露点计算；闪蒸计算。内容：内容：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 闪蒸过程的计算第一节 相平衡2.1.1 相平衡条件2.1.2 相平衡常数的计算 相平衡：相平衡：由混合物或溶液形成若干相，这些相保持物理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。平衡而共存状态。热力学上看热力学上看物系的物系的自由焓自由焓最小最小 动力学上看动力学上看相间相间表观传递速率表观传递速率为零为零2.1.1 相平衡条件一、相平衡条

2、件一、相平衡条件相平衡条件：相平衡条件：引入逸度系数 ：if f引入活度系数引入活度系数 ：ig g 1.汽液平衡汽液平衡关系式：2.液液平衡n由（2-7）：基准态相等 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）二、相平衡常数和分离因子三、用 表示平衡关系ijiKa a,分离因子与分离因子与1的偏离程度，表示组分分离的难的偏离程度，表示组分分离的难易程度：易程度：相差越远，则可达到有效的分离。相差越远，则可达到有效的分离。，则表示组分，则表示组分i i及及j j之间并没有被分离；之间并没有被分离；，组分，组分i i富集于富集于1 1相，而组分相，而组分j j富集于

3、富集于2 2相；相；，组分，组分i i富集于富集于2 2相，而组分相，而组分j j富集于富集于1 1相。相。一般组分一般组分i、j的选择，使得的选择，使得一、状态方程法一、状态方程法二、活度系数法二、活度系数法 2.1.2 相平衡常数的计算n由（28）：由PVT关系计算LiViff,一、状态方程法以V为自变量：以P为自变量：(2-16)推导：积分后得（2-16）（215）、（216）适用于气、液、固相，是计算 的普遍化方法。注意：注意：只要知道状态方程只要知道状态方程就可代入求就可代入求1.用用Van der waals方程方程计计算算a、b为为Van der waals常数常数将（将（215

4、）积积分后代入以上分后代入以上结结果：果：步骤：i=1i=1i=i+1YesNo i=1时求汽相逸度系数；i=2时求液相逸度系数。汽相：用y求a、b 液相：用x求a、b (1)式有三个根注意：2.用维里方程计算n维里方程的截断式：维里方程的截断式：汽相哟！的计算：为简单流体为简单流体 的对比第二的对比第二维里系数，计算：维里系数，计算：为校正函数，计算：为二元相互作用参数，计算：用于烷烃相当成功 二元常数二元常数 的平均值的平均值 ij水醇醚酮烃烃0.40.150.100.130酮0.150.050.130醚0.350.130醇0.10水0ijk由（由（216216）：）：由（由（216）：）

5、：P为自变量同样由（同样由（215）：）：V为自变量用（用（231）解的步）解的步骤骤：1.用状用状态态方程方程4求求Vt(两个根两个根返回返回)、检验检验：4式有式有实实根，取大根，取大根，否根，否则则用（用（230）求取。）求取。2.由（由（231）求）求注意：维里方程的适宜范围：3.3.采用采用RKRK方程计算方程计算特点：1.比多参数状态方程简单 2.适宜于气、液态RK方程：RK方程的另一种形式：方程的另一种形式：推出：推出：计算方法：计算方法：1.由6计算ZM 三个根：求气体（）取 求液体（）取 2.由7求注意：求汽相逸度时组成用求液相逸度时组成用作业：作业：P51 P51：3 3题

6、题（只求（只求 ）Vif f3题改错：去掉“%”二、活度系数法二、活度系数法n由（由（29）：）：恢复 已解决 对 ，分别讨论 iriVfiOLf1.基准态逸度基准态逸度 液相活度系数：OLif讨论讨论：可凝性可凝性组组分基准分基准态态 不凝性不凝性组组分基准分基准态态 溶液基准溶液基准态态（1）可凝性组分基准态）可凝性组分基准态 取基准态：取基准态：的计算：（221）有二个校正系数：（2）不凝性组分基准态）不凝性组分基准态 取基准态：取基准态：H化工计算解决（3）溶液基准态）溶液基准态 取基准态：取基准态：溶质：属溶质：属不凝性不凝性组分，定义基准态组分，定义基准态 溶溶剂剂：属：属可凝性可

7、凝性组分，定义基准态组分，定义基准态 不对称性标准化方法不对称性标准化方法2.液相活度系数液相活度系数化工热力学提出：化工热力学提出：1摩摩尔尔混合物的混合物的过过剩自由剩自由焓焓到目前有20多种经验、半经验公式。发发展展阶阶段：段：20世世纪纪初：初：问题问题集中于溶液的非理想性从何而来？集中于溶液的非理想性从何而来？二种二种观观点：点：1.Van Laar认为认为分子的吸引与排斥分子的吸引与排斥 2.Dolezalek认为认为分子分子间间相互作用能，如相互作用能，如缔缔合合 争争论论了五年之久，由于了五年之久，由于van der Waals力的提出，力的提出，1占占优势优势、2被埋没，出被

8、埋没，出现现了：了：Van Laar；Margules方程。方程。1964年：年：化学化学热热力学的力学的发发展展 由由 提出提出 ，Wohl对历对历年公式加以年公式加以总结总结，并推，并推广到多元。广到多元。1964年：年：Wilson提出局部提出局部组组成新概念，并得到成新概念，并得到发发展。展。出出现现了了Wilson方程、方程、NRTL方程、方程、UNQAC方程方程。1.Wohl型型经验经验关系式关系式nMargules方程方程nVan Laar方程方程n SH方程方程 特点：特点：简简便，由于缺乏多元数据，因便，由于缺乏多元数据，因 此不能此不能应应用于多元。用于多元。2.由局部由局

9、部组组成概念建立的半成概念建立的半经验经验方程方程nWilson方程：方程：三个三个优优点：点：1.推算精度高。推算精度高。2.对对理想系偏离很大的物系也适宜。理想系偏离很大的物系也适宜。3.无无须须多元多元实验值实验值。二个主要缺点；二个主要缺点；1.不适用于部分互溶系与液液平衡系。不适用于部分互溶系与液液平衡系。修正后可用修正后可用 2.曲曲线线呈极呈极值值点点时时不适用。不适用。nNRTL方程：方程：适用于部分互溶体系，液液平衡体系适用于部分互溶体系，液液平衡体系。缺点：引入第三参数缺点：引入第三参数 ，其计算由组分化学性质估，其计算由组分化学性质估计（计（=0.20.4）。）。nUNI

10、QUAC方程：方程：复杂复杂 优点：优点：1.仅用二个调整数仅用二个调整数 ，后即可用于液后即可用于液液体系。液体系。2.参数随参数随T变化很小。变化很小。3.主要浓度变量为主要浓度变量为 ，并非，并非 ，因此还可用，因此还可用于大分子（聚合物）溶液。于大分子（聚合物）溶液。三、活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式三、活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式计算计算Ki的普遍化形式（用于严格计算）的普遍化形式（用于严格计算）各种各种简简化形式：化形式：1.汽相是理想气体，液相是理想溶液。汽相是理想气体，液相是理想溶液。完全理想系完全理想系适用物系：适用物系：P1,为正偏差溶液为正偏差溶液 1,为负

11、偏差溶液为负偏差溶液 3.汽液相均为理想溶液。汽液相均为理想溶液。适用物系适用物系:中压下烃类混合物中压下烃类混合物.4.汽相为理想溶液汽相为理想溶液,液相为非理想溶液。液相为非理想溶液。例例21：计计算乙算乙烯烯的相平衡常数的相平衡常数 实验值实验值：已知：已知：T=311 K P=3444.2 kPa Tc=282.4 K Pc=5034.6 kPa 解：解：1.按理想气体、理想溶液按理想气体、理想溶液计计算算 2.汽液均按理想溶液汽液均按理想溶液计计算算 A.逸度系数法逸度系数法 B.列列线图线图法法 与实验值相近例例22：计计算混合物相平衡常数算混合物相平衡常数（甲醇（甲醇-水）水）实

12、验值实验值：K1=1.381 K2=0.428 T=71.29 P=0.1013MPa 已知：已知：1.B11、B22、B12、BM （第二（第二维维里系数）里系数）2.、3.4.NRTL方程参数方程参数解解1：按汽液均：按汽液均为为非理想溶液非理想溶液计计算算A.求 （采用维里方程计算）iVfB.求求 （采用（采用维维里方程里方程计计算）算）iSf fC.求 LiSiLifRTPPV及及)(exp-D.求液相活度系数（采用NRTL方程）E.求相平衡常数 实验值：实验值：K1=1.381 K2=0.428解解2：按理想气体、非理想溶液计算：按理想气体、非理想溶液计算 解解3：按汽液均为理想溶液

13、计算：按汽液均为理想溶液计算实验值：实验值：K1=1.381 K2=0.428作业：作业：P51 P51：2 2题题 返回第二节第二节 多组分物系的泡点和露点计算多组分物系的泡点和露点计算2.2.1 泡点温度和压力的计算 2.2.2 露点温度和压力的计算返回露点压力露点温度泡点压力泡点温度求解量规定量（C个）计算类型汽液平衡时：汽液平衡时：2.2.1 泡点温度和压力的计算泡点温度和压力的计算 n变变量分析：量分析：一、泡点温度的计算一、泡点温度的计算1.平衡常数与平衡常数与组组成无关的情况成无关的情况iiiVViifb32fTP.iiiiiiKK-1iiiSbbbf-.23LLifKTTTTK

14、TKPPKTPK=+=-=.321*),(43数据回归数据回归计算计算图查得图查得采用泡点方程：采用泡点方程：1.000.95131.3440.37910098 110 70 T（设）例例23：计计算塔釜温度算塔釜温度（完全理想系）（完全理想系）已知：已知：1.2.、3.常常压压操作操作解法解法1：用：用试试差法差法计计算算wix,T=100计计算方法：算方法：设T=98（离泡点不（离泡点不远远）T=99.7 解法解法2：用：用 计计算算（不（不试试差，差，实实用于完全理想系）用于完全理想系）随随T变变化不大，取某温度范化不大，取某温度范围围内的均内的均值值iKaiKa解法解法3：电算（：电算

15、（Newtow迭代法）迭代法）设设T=70（初值），（初值），5次完成。次完成。T=99.812 例例24：计计算算烃类烃类混合物的泡点混合物的泡点已知：已知：1.2.压压力力解：用解：用PTK图计图计算算 方法：方法：设T（已知P）KixK图查图查YesNo学了三种方法哟！作业：作业：P51 P51：4 4题题 2.平衡常数与组成有关的情况平衡常数与组成有关的情况采用试差法计算框图：计算框图：开始开始输输入入P、x及有关参数及有关参数设设T并令并令 作第一次迭代作第一次迭代 计算计算计算计算计算计算是否第一次迭代是否第一次迭代圆整圆整计算计算Y调调整整T 有无变化NYN输输出出T、y结束NY

16、图图22判别收敛条件：判别收敛条件：（235）用于低压时近似看成：）用于低压时近似看成：与泡点温度相同，比较与分析如下：项目求泡点温度（已知P，x）求泡点压力（已知T，x）计算相同变量与函数关系相同框图图（22）图（23）二、泡点压力的计算iK求泡点温度求泡点压力泡点方程比较：泡点方程比较：计算框图：计算框图：计算计算计算计算Y开始开始输入输入T、x及有关参数及有关参数估计估计P并令并令 作第一次迭代作第一次迭代 计算计算是否第一次迭代是否第一次迭代圆整圆整计算计算调整调整P 有无变化NYN输出输出P、y结束NY图图23例例26：计计算泡点算泡点压压力及汽相力及汽相组组成成氯氯仿（仿（1）乙醇

17、（乙醇（2）已知：已知：1.2.不不计计Poynting因子因子解解：混合物的逸度系数：混合物的逸度系数：计算方法；计算方法；将（将（C）、（）、（D）、（）、（E）代入（代入（B）求）求P，y返回已知：已知：P（或（或T）T（或（或P）1.平衡常数与平衡常数与组组成无关的情况成无关的情况 露点方程：露点方程：2.2.2 露点温度和压力的计算露点温度和压力的计算计计算方法同于泡点算方法同于泡点计计算：算：1.试试差；差；2.用用 计计算；算；3.电电算；算；4.查查K图图 iKa2.2.平衡常数与组成有关的情况平衡常数与组成有关的情况计算框图：计算框图：计算计算NNY计算计算Y输出输出T、y开

18、始开始输入输入P、y及有关参数及有关参数设设T并令并令 作第一次迭代作第一次迭代 计算计算是否第一次迭代是否第一次迭代圆整圆整计算计算调整调整T 有无变化有无变化NY结束结束例例27：计计算算50时时蒸汽混合物露点蒸汽混合物露点压压力力已知：已知：1.2.汽相汽相组组成成解：汽相假定解：汽相假定为为理想气体，液相理想气体，液相为为非理想溶液非理想溶液 计计算式：算式：结结果：果：P=85.101kPa计算过程：计算过程：计算计算Y开始开始输入输入T、y及有关参数及有关参数估计估计P，X值值 计算计算调整调整P圆整圆整 有无变化N输出输出P、x结束NY例题图例题图作业：作业：P51 P51：6

19、6题题 返回第三节第三节 闪蒸过程的计算闪蒸过程的计算n液体混合物的汽化液体混合物的汽化n气体混合物的冷凝气体混合物的冷凝LiHxL,ViHyV,液体ZF,FFFHPT,T，PLiHxL,ZF,FFFHPT,气体ViHyV,T，P变量分析：变量分析：系统方程方程数2C+3一般一般计计算后得算后得2C+3个解：个解：第三节第三节 闪蒸过程的计算闪蒸过程的计算2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程2.3.2 绝热闪蒸过程（略）2.3.1 等温等温闪闪蒸和部分冷凝蒸和部分冷凝过过程程,ixL,iyV,T，P液体液体ZFPT,iQi,ixL,iyV,T，P气体气体ZFPFTF,Q变变量数：量数：3C+8方

20、程数：方程数：2C+3指定指定变变量数量数:(3C+8)-(2C+3)=C+5及：及：F、Zi、TF、PF、P、L(或汽化率或汽化率)变变量数：量数：3C+6方程数：方程数：2C+3 指定指定变变量数量数:(3C+6)-(2C+3)=C+3 及：及：F、Zi、T、P一、汽液平衡常数与组成无关一、汽液平衡常数与组成无关 1.联立求解2C+3个方程对i组分物料衡算：有：2.RachfordRice方程方程 用于用于电电算算由由(268),(267）：）：3.Q 的计算 Q吸热为正，移热为负 H混合物的摩尔焓对于理想混合：纯组分摩尔焓纯组分摩尔焓4.判断闪蒸过程是否可行的方法判断闪蒸过程是否可行的方

21、法方法一：方法一：已知已知P判断：若判断：若 闪蒸问题成立闪蒸问题成立 DBTTT 方法二：方法二：判断：判断：例例28 液体混合物的汽化液体混合物的汽化（烃类烃类物系物系）在在50，200kPa下下绝热闪绝热闪蒸，已知蒸，已知解：解：1.核核实问题实问题是否成立是否成立iZ判判断：断：2.采用采用RachfordRice方程方程 烃类物系，烃类物系，K查查PTK图图3.计计算算iiyx,4.计计算算V，L5.核核实实二、汽液平衡常数与组成有关的闪蒸计算对对 分层迭代：分层迭代：iiyx,y y由由(267),(268)计算计算x，y如果不直接迭代，如果不直接迭代，重新估计重新估计x，y值值开始开始给定给定F，Z，P，T估计初值估计初值x，y由由Rachford-Rice方程迭代方程迭代 比较比较x，y的估计值和的估计值和 计算值计算值不收敛收敛输出输出 对 同时迭代：如果不直接迭代，如果不直接迭代，重新估计重新估计x，y值值yy y,x不收敛收敛输出输出开始开始给定给定F，Z，P，T由由(267),(268)计算计算x，y由由Rachford-Rice方程迭代方程迭代估计初值估计初值x，y,作业：作业：P52P52：14 14题题返回