传质分离过程 第3章 气液传质分离过程.pdf
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1、传质分离过程第三章气液传质分离过程主要内容及要求:1,掌握设计变量的确定方法;2,深入理解多组分精微过程,会分析;3,掌握多组分精微的简捷计算方法;4.掌握萃取精储和共沸精储的原理和过程分析;5.掌握吸收过程的简捷计算方法。第三章气液传质分离过程 3.4间歇精储23.1 设计变量Independent Design Variables设计前需给定数值的变量物理量:流率、浓度、温度(物流、系统)、压力、热 负荷、机械功、传热面积、理论板数等。设计前需预先给定数值的变量称为。设计变量的个数称为。例如:两组分精微,一股进料,只有顶、釜采出,则很简单,但对于多线采出等复杂情况,则需知道 确定的方法。3
2、Distillation ColumnsOverhead vapor VHTotal condenserenserRectifyinqSectionFeed 一StrippingSection DistillateReflux RatioR=J/DIReboil Ratio s=v0/B号5Can calculate vapor and liquid composition for each of the trays from:Mass Balances Energy Balances Vapor Liquid EquilibriumInvolves continuous steady sta
3、te distillation columns%REbcHlw BottomReflux drum Top stage Bottom stage Feed stage4已知变量Known variables规定变量Specified variablesFeed stream flow rateA concentration in feedFeed condition in distillationpressureAor B concentration in distillateAor B recovery ratio in bottomsReflux ratiocalculationNumbe
4、r of theoretical stages(feed stage location)Heat duties(total condenser&reboiler)5设计变量数ND:independent design variables变量总数Nv:all pertinent variables约束关系数NJ the total number of independent equations relating the variables弓虽度变量:intensive variables,such as temperature,pressure,concentration容度变量:extensi
5、ve variables,such as stream flow rate,heat transfer rate设备参数:equipment parameters,such as the number of equilibrium stages6确定设计变量数遵循的一般原则:7系统的总变量数=出入物流变量数+能量交换数(热、功)(1)物流变量数任一物流的自由度:f=C-n+2组分数 相数对于单相流股:n=i f=c+i完全描述一个流动流股还应加上该流股的流率。因此对于任一单相流股独立变量数:能量交换数系统与环境间能量交换数的确定:有一股热量交 换,增加一个变量数。既有一股热量交换,又有 一股功
6、交换时,应增加两个变量数。8约束关系数依据约束关系式物料衡算式有C个组分的系统,能够建立C个物料衡算式。能量衡算式每个系统只有1个能量衡算式。相平衡关系式根据相平衡条件(逸度相等、压力相等、温度 相等)能够建立c(n-D+2个相平衡关系式。(4)化学反应平衡式对于无化学反应的系统,化学平衡关系式数为0。(5)内在关系式约定的关系,如:物料温度、压力相等。93.1.1 单元的设计变量3.1.2 装置的设计变量10一个化工流程由很多装置组成,而每个装置又 可以分解为多个进行简单过程的单元。单元-装置-流程确定单元的设计变量遵循前述的一般原则即可:例1.绝热分配器Li出入物流变量数:3(C+2)能量
7、交换数:0+)M-NvNc=3c+6=C+4物料衡算式 能量衡算式 相平衡关系式 化学反应平衡式 内在关系式C1002+C-1。和L2的T、P、组分浓度相等=2C+212设计变量可进一步分为:N=Ne+Ne D x a固定设计变量4=进料物流变量数+系统的压力 可调设计变量广片.L Pb(1)吸收塔和解吸塔的操作压力;2(2)气体原料的流率、组成、进料温度和压力;C+2(3)水蒸气的流率、进料温度和压力;3(4)吸收塔和解吸塔的塔板数;2(5)三个换热器各自的一个出口温度。325情况2:(1)固定设计变量的规定与“情况1”的相同;C+7(2)吸收塔出口气中CO2的摩尔分数;1(3)解吸塔出口气
8、中CO2的摩尔分数;1(4)三个换热器的换热面积。3自学p66例3-2双塔共沸精微流程26Nx进料变量数:压力等级数:N:分配器数:侧线采出:传热单元:串级数:23 Q5275个可调设计变量的选:情况(1:三个串级各自的级数3;再沸器的蒸发速率1;冷凝器的过冷温度lo混合器异丙醇情况(2:异丙醇塔釜液中异丙醇的摩尔分数1;水塔釜液中异丙醇的摩尔分数1;异丙醇塔的最适进料位置1;再沸器的蒸发速率1;冷凝器的过冷温度lo28设计变量数的确定出入物流变量数NJ能量交换数(热、功)r物料衡算式能量衡算式Nc 相平衡关系式化学反应平衡式内在关系式Nn=N+N D x a进料物流变量数Nx压力等级数分配器
9、数I换热单元数x I侧线采出数I串级数29混合器N;出入物流变量数:3(C+2)能量交换数:0+)=2C+53C+6N机物料衡算式:C能量衡算式:1相平衡关系式:0化学反应平衡式:0内在关系式:0乂=进料+压力=2(C+2)+l=2C+5NH=(2C+5)-(2C+5)=0+)C+l30再沸器Qv出入物流变量数:3(C+2)能量交换数:1+)讨-NvNc3C+7=C+4N机物料衡算式:c能量衡算式:1相平衡关系式:C+2 化学反应平衡式:0内在关系式:0乂=进料+压力=(C+2)+l=C+3NH=(C+4)-(C+3)=l2C+331精福塔(塔内无压降)N:进料变量数:2(C+2)F压力等级数
10、:1+)F2C+5N:分配器数:1侧线采出:1传热单元:2串级数:4+)8塔内无压降323.2.1 多组分精微过程分析(Process Analysis)3.2.2 最小回流比(Minimum Reflux Ratio)3.2.3 最少理论塔板数和组分分配(Minimum Number of Equilibrium Stages and Component Distribution)3.2.4 实际 D流比和理论板数(Actual Reflux Ratio and Actual Number of Equilibrium Stages or Theoretical Stages)3.2.5 多
11、组分精微的简捷计算方法(Approximate Method for Multicomponent and Multistage Distillation)33(a)(b|34321多组分精储过程分析Process Analysis for Multicomponent Distillation分析精微塔内的温度、流率和浓度分布。一、关键组分(KeyComponents)二、多组分精微特性35一、关键组分(Key Components)Na=串级数(2)+分配器(1)+侧线采出(0)+传热单元(2)=5 (不论有多少个组分)已被指定的可调变量:(1)进料位置 feed stage locati
12、on;(2)回流比 reflux ratio;(3)全凝器饱和液体回流或冷凝器的 传热面积或储出液温度。heat transfer area of the condenser or condensatetemperature(i.e.5 saturated liquid)余下的2个可调 设计变量一般用 来指定某个组分 在储出液和另一 个组分在釜液中 的浓度。Concentration of one component in distillate;And concentration of another component in bottom两个关键组分Two key components轻关键
13、组分(Light key component,LK),high relative volatility重关键组分(Heavy key component,HK),low relative volatility轻非关键组分(lightnonkey component,LNK)轻组分 轻关键组分(LK)中间组分(in ter mediate component,relative volatility between the two key components)重关键组分(HK)重非关键组分 heavy nonkey componenty HNK)重组分 R e l a t i v e v o l
14、 a f s f y根据组分是否在精微塔的两端都出现,可分为 分配组分和非分配组分。分配组分(distributing component)simultaneously appear in bottoms and distilate三卜分酉己组分(nondistribution component)heavy component only appear in bottoms light Gomponent only appear in distilate清晰分割(sharp split or sharp separation):福出液中除了重关键组分外,没有其它重组分;釜液中除了轻关键组分外,
15、没有其它轻组分。38问题:什么情况下可达到清晰分害|?两个关键组分的相对挥发度相邻且分 离要求苛刻,或非关键组分的相对挥发度 与关键组分相差较大时,可达到清晰分割。39元精储vs多元精微对于二元精储,设计变量被确定后,可从任一 端出发,作逐板计算,无需试差。对于多元精储,由于不能指定全部组成,所以 需先假设一端的组成,再通过反复试差求解。40benzene-toluene4 3 2 10S3甲笨的沸点=383.7K莘的沸点=353.15K二组分精微流率、温度、浓度分布o o o O8 7 6 53 3 3 3除进料板处液体流率有突变外,各段的摩尔流率基本上为常数.benzene(LK)-tol
16、uene(HK)-isopropyl benzene图3-5三元精储流量分布图3-6三元精储温度分布液气比L/V接近常数42benzene-toluene(LK)-xylene(HK)-isopropyl Knri7ono甲笨塔板序号Zi=0.125 Z2=0.225 Z3=0.375 Z4=0.275 a12=2.25 a22=l-00 a32=0.33 a42=0.21图3-7四元精镭液相组成分布43(1)关键组分含量存在极大值;(2)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,轻组分仅出现在储出液中;(3)重、轻非关键组分分别在进料板下、上 形成几乎恒浓的区域;(4)全部组分均
17、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。44精镭塔内温度分布和流量分布的规律:精镭过程的内在规律,严格计算的基础。45小结:一、沿塔高方向的温度分布在精t留塔中,温度分布主要反映物流的组成。沿塔高方向自下而上温度递减46小结:二、沿塔高方向的汽液流率分布级间流率分布与热量衡算密切相关。尊影响因素较多,总效应很复杂,难以归 纳出一个通用的规律。假设塔内恒摩尔流近似成立。47小结:三、沿塔高方向的浓度分布对于两组分精微,指定t留出液中一个组分 的浓度,就确定了镭出液的全部组成;指 定釜液中一个组分的浓度,也就确定了釜 液的全部组成。就对于多组分精镭,遇
18、到的关键问题是塔顶 和塔底产品的组成和量无法全部预先确定。48322最小回流比(F 最小回流比:在无穷多塔板数的条件下达到关键组分预期分离所需要的回 流比。49322最小回流比(F)二元精微:最小回流比下,进料板上下出现恒浓区(1)(constant-composition zone)或称夹点(pinch point)of L一 MinimumFor a typical ideal or near-ideal system,pinch point at the feed stage.For a highly non-ideal system,pinch point may occur at a
19、 stage above or below the feed stage.50322最小回流比(F 二组分精微:最小回流比下,进料板上下出现恒浓区或称夹点。恒浓区多组分精储:最小回流比下,也有恒浓区,但由于非关键 组分的存在,恒浓区出现的部位要较二组分精镭 复杂。51多组分精微中的恒浓区(1)轻、重组分均为非分配组分:进料板以上必须紧接着有若干塔板使重组分的 浓度降到零,这一段不可能是恒浓区,恒浓区 向上推移而出现在精储塔段的中部。同理,轻 组分恒浓区出现在提储段中部。重组分恒浓区忽、轻组分恒浓区52(2)重组分为非分配组分,轻组分为分配组分:轻组分恒浓区重组分恒浓区(3)重组分为分配组分,轻
20、组分为非分配组分:重组分恒浓区轻组分恒浓区(4 轻、重组分均为分配组分:重组分恒浓区轻组分恒浓区多组分精微中的夹点位置Location of pinch-point zones建组分1力恒浓区轻组分 恒浓区有两个“夹点”(1)轻、重组分均为非分配组分重组分恒浓区(2)重组分为非分配组分,轻组分为分配组分轻组分 恒浓区重组分 恒浓区(3)重组分为分配组分,轻组分非为分配组分轻组分 恒浓区(4)轻、重组分均为分酉己组分(allcomponents distributed)I_55最小回流比条件下会出现 恒浓区,区内无分离效果,需无穷多理论板(infinitestages)o如何计算最小回流比?56
21、Underwood(恩德伍德)equation for Rm假设:1、各组分相对挥发度是常数relative volatility is constant2、塔内汽液相流率为恒摩尔流molar overflow are constanta iXjF=i,57a/XjD)m _ R=Ym Na.-0a jXjF%一夕=1 以全回流下的X)代替0组分i的相对挥发度;住口).一最小回流比下播出液中组分i的摩尔分数;x/F 进料中组分i的摩尔分数;夕一进料热状态参数(进料液相分率);方程的根。取弦的根Number of minimum theoretical stages corresponds to
22、 total reflux.At total reflux,there are no further input of feed and withdrawal of distillate and bottoms全回流对应最少理论板数,但全回流下无产品采出,因 此正常生产中不会采用全回流。什么时候采用全回流呢?1、开车时,先全回流,待操作稳定后出料。2、在实验室设备中,研究传质影响因素。3、工程设计中,必须知道最少板数。59如何计算最少理论板数?60Fenske(芬斯克)equation for minimum equilibrium stages(revie前提:1、塔顶采用全凝器(若采用分凝
23、器,则分凝器为第1块板)2、所有板都是理论板从塔顶向下排序,由相对挥发度的定义有:I 九 71 XB 71 XB)DMaterial balance for stage 2:/2歹/2=1XA161For passing streams:y A2 and yB2=xB1两式相除,可得:代入:、y_AX,二-=OLXB7 1XB 71IXB J D可得:yA二axaxXB)DXB 71yy B)262From phase equilibriumFrom material balance:Combining these eq.s:ISimilarly:=XB J DyA XA二a n zy B)2
24、 XB J 2,、,、%_y B J3 XB J 2X/X/%=ocxoc 2=%X B)D XB J 2 B J3-CCyCC 2 oc N_i(NXB)W63Defining aABrelative volatility by a geometric mean of each(y5 AB ci5 NNFor multicomponent distillation:(、XB)wFenske equation is extremely useful几点说明 Supplements to Fenske eq.:lgN 二一 mXLD XHD)XHB XLB)lg aL,HL推导中未作任何假设,因
25、而是严格的。Fenske eq.is rigorous,because there are no assumptions in the derivation.65几点说明 Supplements to Fenske eq.:2.About aABN mlgX LDXHD)XHBLn/lg%”(1)方程的精度取决于相对挥发度数据的可靠性。(2)的近似处理:1)geometric mean of top-stage and bottom-stage values两点平均2)geometric mean of top-stage,feed-stage and bottom-stagea AB=a 口
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