化工分离工程课件

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1、 分离工程分离工程 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：课程要求：分离过程的基本理论分离过程的基本理论 简捷和严格计算方法简捷和严格计算方法 对新分离技术有一定了解对新分离技术有一定了解第一章 绪 论n1.1分离过程在工业生产中的地位和作用n1.2 传质分离过程的分类和特征n1.3.分离过程的研究内容与研究方法 1 11 1 分离操作在化工生产中的地位分离操作在化工生产中的地位 原料原料 预处理预处理反应反应分离分离粗产品粗产品 精制精制产品产品

2、分离工程分离工程三废处理三废处理核心核心1.1分分离离操操作作在在化化工工生生产产中中的的地地位位反应工程反应工程化工工艺化工工艺学学1 12 2 分离过程的特征与分类分离过程的特征与分类 一、分离过程的特征一、分离过程的特征 几种物质混合在一起的过程是自发的，混几种物质混合在一起的过程是自发的，混乱度或乱度或熵增加熵增加的过程的过程 原料原料（混合物）（混合物）分离设备分离设备 产品产品1 1 产品产品2 2 分离剂（物质或能量）分离剂（物质或能量）分离某种混合物成为不同产品的过程，是分离某种混合物成为不同产品的过程，是熵减小熵减小的过程，不能自发进行的过程，不能自发进行1.2分分离离过过程

3、程的的特特征征与与分分类类需要外界对系统需要外界对系统作功作功（或输入能量）方能进行（或输入能量）方能进行二、分离因子二、分离因子（1）分离因子的定义）分离因子的定义 假设要将假设要将i、j两组分构成的混合物分离成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：产品中的分离程度：2211/jijiijxxxxn分离因子与分离因子与1的偏离程度表示组分之

4、间分离的难易程的偏离程度表示组分之间分离的难易程度。度。n当当ij1时，两组分在两产品中的含量相同，无法实时，两组分在两产品中的含量相同，无法实现分离；现分离；当当ij接近接近1时，两组分在两产品中的含量相近，难以时，两组分在两产品中的含量相近，难以实现分离；实现分离；当当ij远离远离1时，两组分在两产品中的含量差别大，容时，两组分在两产品中的含量差别大，容易实现分离。易实现分离。n精馏中，分离因子又称为精馏中，分离因子又称为相对挥发度相对挥发度，它相对于汽，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。近似看作常数

5、，使计算简化。三、分离过程的分类三、分离过程的分类 按分离过程中有无物质传递现象发生按分离过程中有无物质传递现象发生 1、机械分离过程、机械分离过程 对象：对象：非均相混合物非均相混合物 特点：特点：用机械法将非均相物系分离，而相用机械法将非均相物系分离，而相间并无物质传递发生间并无物质传递发生 2、传质分离过程、传质分离过程 特点：特点：相间有质量传递现象相间有质量传递现象 1.2分分离离过过程程的的特特征征与与分分类类平衡分离平衡分离 利用利用两相平衡组成不等两相平衡组成不等的原理的原理 常采用平衡级（理论板）作为处理手段，并把其常采用平衡级（理论板）作为处理手段，并把其它影响归纳于效率中

6、它影响归纳于效率中n气液传质过程气液传质过程:如吸收、气体的增湿和减湿如吸收、气体的增湿和减湿n汽液传质过程汽液传质过程:如液体的蒸馏和精馏如液体的蒸馏和精馏n液液传质过程液液传质过程:如萃取如萃取n液固传质过程液固传质过程:如结晶、浸取、吸附、离子交换、如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分离、参数泵分离等色层分离、参数泵分离等n气固传质过程气固传质过程:如固体干燥、吸附等如固体干燥、吸附等1.2分分离离过过程程的的特特征征与与分分类类速率分离速率分离 利用溶液中不同组分在某种利用溶液中不同组分在某种推动力推动力（如压（如压差、浓度差、电位差）作用下经过差、浓度差、电位差）作用下经过某种介某种

7、介质质（如半透膜）时的（如半透膜）时的传质速率传质速率（透过率、（透过率、迁移率、扩散速率）差异而实现分离迁移率、扩散速率）差异而实现分离 特点：特点：所处理的物料和产品属于同一相态，所处理的物料和产品属于同一相态，仅有组成的差别仅有组成的差别 膜分离膜分离场分离场分离1.2分分离离过过程程的的特特征征与与分分类类如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。例题详解例题详解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（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

8、最大分离程度又称为（固有分离因子）。例题详解例题详解n4、分离因子（等于1），则表示组分i及j之间不能被分离。n5、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。n6、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。n7、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。内容：内容：各组分物系汽液平衡 单级平衡过程的计算第一节 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、相平衡条件一、相平衡条件 相平衡：相平衡：由混合物或溶液形成若干相，这由混合物或溶液

9、形成若干相，这些相保持物理些相保持物理 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自由焓最小物系的自由焓最小 动力学上看动力学上看相间表观传递速率为零相间表观传递速率为零相平衡条件：相平衡条件：fffPPPTTT 引入逸度系数 ：if f)62()52(LiiLiViiVipxfpyff ff f引入活度系数引入活度系数 ：ig g)72(ioLiiLifxfg g 1.汽液平衡LiViff 汽液平衡关系式：0(28)(29)VLiiiiVLiiiiiy px Py px ff ff ff fg g 2.液液平衡n由（2-7）：iiff)112(iiiixxg gg g基准态相

10、等二、相平衡常数和分离因子 定义：iiixyK 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）ijjjiijixyxyKK （或或分分离离因因子子）的的相相对对挥挥发发度度对对ji三、用 表示平衡关系ijiK,1 ixiKixiKiyiK 表表示示：用用ijiyijiyjKiKiyjKiKiyiKiyiKiyixixijixijixjKiKixjKiKixiKixiKiyij )()()()(表表示示：用用2.1.2 相平衡常数的计算一、状态方程法一、状态方程法二、活度系数法二、活度系数法 一、状态方程法n由（28）：)142(ViLiixiyiKf ff f 由PVT关系

11、计算LiVif ff f,)152(ln)(,)(1ln MZtdVtVRTjnPTVinPRTif f推导略推导略以V为自变量：)162()(,)0(1ln dpPRTjnPTPintVRTif f以P为自变量：(2-16)推导：热力学基本式热力学基本式 ),(ln,)(PTifRTdiddPjnPTintVid dPjnPTtntVRTifd,)(1ln pdifdidpiyifilnlnln f ff f又又积分后得（2-16）pdpdpjnPTintVRTid ,)(1lnf f将左式代入：将左式代入：（215）、（216）适用于气、液、固相，是计算 的普遍化方法。if f注意：注意：

12、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if f1.用Van der waals方程计算if f iciciiciciPRTbPTRai,2,286427：纯组分纯组分iciiiciibybaya 121)(混混合合物物：nVan der waals方程：10)(23pabVpaVPRTbVttta、b为Van der waals常数常数 2)(2tttttttMRTVabVVRTVVabVRTRTPVZ将（将（215）积分后代入以上结果：）积分后代入以上结果：32)1(lnlntitMtiiRTVaaVbZbVbf fLiViiiciyxPTf ff f),2,1(,求求，已已知

13、知应应用用：二、活度系数法n由（29）和（212）：)172(0 pViLifixiyiKif fg g 已解决 对 ，分别讨论 ig giVf fiOLf恢复ViLiiiixyKff相平衡常数法相平衡常数法相对挥发度法相对挥发度法状态方程法状态方程法活度系数法活度系数法ViLiiiiipfxyKfg0iijijixK相相平平衡衡关关系系表表达达方方法法相平衡关系法相平衡关系法iiLiiVixfypgf0 根据分子间作用力不同根据分子间作用力不同,汽相可分为以下三类汽相可分为以下三类(1)理想气体的混合物理想气体的混合物 此时，此时，P-V-T关系服从理想气体定律关系服从理想气体定律1 Vii

14、Vipff fiiPyp（2-24）二、二、汽液平衡的分类与计算汽液平衡的分类与计算 汽液平衡的分类汽液平衡的分类2.2相相平平衡衡关关系系的的计计算算(2)实际气体的理想溶液（实际气体的理想实际气体的理想溶液（实际气体的理想 混合物）混合物）ViVif ff f iViiViViPyyfff f（2-25）(3)实际气体实际气体二、二、汽液平衡的分类与计算汽液平衡的分类与计算 汽液平衡的分类汽液平衡的分类2.2相相平平衡衡关关系系的的计计算算二、汽液平衡的分类与计算二、汽液平衡的分类与计算 汽液平衡的分类汽液平衡的分类 与此类似，液相也可分为理想溶液和实际与此类似，液相也可分为理想溶液和实际

15、溶液（与实际气体对应）两类，但不存在理溶液（与实际气体对应）两类，但不存在理想气体那样的溶液。想气体那样的溶液。对理想溶液对理想溶液iiiiiLixpxff000 f f1ig g（2-26）则：则：三类不同汽相和两类不同液相可以组合成三类不同汽相和两类不同液相可以组合成以下五类汽以下五类汽-液平衡系统液平衡系统,它们的平衡常数计它们的平衡常数计算如下：算如下：(1)气相为理想气体，液相为理想溶液气相为理想气体，液相为理想溶液 称为完全理想系称为完全理想系化简得：化简得：RTpPVPpxyKiLiViiiiiii)(exp000f ff fg g1111),(0PTfPpKii二、二、汽液平衡

16、的分类与计算汽液平衡的分类与计算 汽液平衡的分类汽液平衡的分类2.2相相平平衡衡关关系系的的计计算算(2)气相为理想气体，液相为非理想溶液气相为理想气体，液相为非理想溶液化简得：化简得：RTpPVPpxyKiLiViiiiiii)(exp000f ff fg g111),(0iiiixPTfPpKg g二、二、汽液平衡的分类与计算汽液平衡的分类与计算 汽液平衡的分类汽液平衡的分类2.2相相平平衡衡关关系系的的计计算算(3)气相为理想溶液，液相为理想溶液气相为理想溶液，液相为理想溶液 称为理想系称为理想系化简得：化简得：RTpPVPpxyKiLiViiiiiii)(exp000f ff fg g

17、f fiV1RTpPVPpKiLiViiii)(exp000f ff f),(PTffKViLii即即fiL二、二、汽液平衡的分类与计算汽液平衡的分类与计算 汽液平衡的分类汽液平衡的分类2.2相相平平衡衡关关系系的的计计算算(4)气相为理想溶液，液相为非理想溶液气相为理想溶液，液相为非理想溶液化简得：化简得：RTpPVPpxyKiLiViiiiiii)(exp000f ff fg gf fiVRTpPVPpKiLiViiiii)(exp000f ff fg g),(iViLiiixPTffKg g即即fiL二、二、汽液平衡的分类与计算汽液平衡的分类与计算 汽液平衡的分类汽液平衡的分类2.2相相

18、平平衡衡关关系系的的计计算算),()(exp000iiiLiViiiiiiiyxPTfRTpPVPpxyKf ff fg g(5)气相为实际气体，液相为非理想溶液气相为实际气体，液相为非理想溶液 称为完全非理想系称为完全非理想系二、二、汽液平衡的分类与计算汽液平衡的分类与计算 汽液平衡的分类汽液平衡的分类2.2相相平平衡衡关关系系的的计计算算例例21：计算乙烯的相平衡常数：计算乙烯的相平衡常数 实验值：已知：已知：T=311K P=344.2kPa Tc=282.4K Pc=5034.6kPa 解：解：1.按理想气体、理想溶液计算按理想气体、理想溶液计算 2.汽液均按理想溶液计算汽液均按理想溶

19、液计算 A.逸度系数法逸度系数法 kPaPSC0.91172 742.12 CK647.22 CK726.12 CK与实验值相近泡点温度泡点温度(压力压力):在恒压在恒压(温温)下加热液体混下加热液体混合物合物,当液体混合物开始气化出现第一个当液体混合物开始气化出现第一个气泡时的温度气泡时的温度(压力压力),简称泡点。简称泡点。露点温度露点温度(压力压力):在恒压在恒压(温温)下冷却气体混下冷却气体混合物合物,当气体混合物开始冷凝出现第一个当气体混合物开始冷凝出现第一个液滴时的温度液滴时的温度(压力压力),简称露点。简称露点。2.3多多组组分分物物系系的的泡泡点点和和露露点点计计算算2.3 多

20、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规定液相组成规定液相组成 xi 和压力和压力p（或温度（或温度T），），计算气相组成计算气相组成 yi 和温度和温度T（或压力（或压力p）。）。已知：已知：xi、P 计算：计算：yi、T泡点温度计算泡点温度计算已知：已知：xi、T计算：计算：yi、P 泡点压力计算泡点压力计算2.3多多组组分分物物系系的的泡泡点点和和露露点点计计算算2.3 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一、泡点温度和压力的计算一、泡点温度和压力的计算 一、泡点温度和压力的计算一、泡点温度和压力的计算 泡点泡点计算与有关方程计算与有关方程 已知已知 )(,T

21、pxi求求，泡点压力）泡点温度，（pTyi,相平衡关系相平衡关系：iiixKy 浓度总和式浓度总和式：1,1iixy相平衡常数关联式相平衡常数关联式：),(iiiyxpTfK 计算方法计算方法 平衡常数与组成无关的泡点计算平衡常数与组成无关的泡点计算),(pTfKi2.3多多组组分分物物系系的的泡泡点点和和露露点点计计算算 2.3 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45),(PTfKi已知已知P得到得到Ki KixiF(T)=|Kixi-1|1 说明所设说明所设 偏高，应降低偏高，应降低 重设重设BTBT1 说明所设说明所设 偏低，应提高偏低，应提高 重设重设BT（1）平衡常

22、数平衡常数与组成无关的泡点计算与组成无关的泡点计算2.3多多组组分分物物系系的的泡泡点点和和露露点点计计算算仍然依据的是泡点方程：仍然依据的是泡点方程：011CiiiBxKPF当气相为理想气体，当气相为理想气体，液相为理想溶液时：液相为理想溶液时：ciiiBxpP10当气相为理想气体，当气相为理想气体，液相为非理想溶液时：液相为非理想溶液时：ciiiiBxpP10g g2)PB计算计算（1）平衡常数平衡常数与组成无关的泡点计算与组成无关的泡点计算2.3多多组组分分物物系系的的泡泡点点和和露露点点计计算算平衡常数与组成无关的泡点计算平衡常数与组成无关的泡点计算 a.p-T-K列线图列线图 b.)

23、exp(1TCBAPKiiii)(,TfCBAiii物性，手算手算 设设 思路：思路：TTxKxKKpTBYiiiiiTp1)()(求已知调整调整T（p）N001.001.02.3多多组组分分物物系系的的泡泡点点和和露露点点计计算算 平衡常数与组成有关的泡点计算平衡常数与组成有关的泡点计算),(iiiyxpTfK iiiiippKfgf00TTxKxKyKppTBYiiiiiiiiiiTp fgff1,)(100)(设已知比较不变比较不变 调整调整T（p）2.3多多组组分分物物系系的的泡泡点点和和露露点点计计算算 规定气相组成规定气相组成 yi 和压力和压力p（或温度（或温度T），），计算液相

24、组成计算液相组成 xi 和温度和温度T（或压力（或压力p）。）。已知：已知：yi、P 计算：计算：xi、T露点温度计算露点温度计算已知：已知：yi、T计算：计算：xi、P 露点压力计算露点压力计算二、二、露点温度和压力的计算露点温度和压力的计算 2.3多多组组分分物物系系的的泡泡点点和和露露点点计计算算二、二、露点温度和压力的计算露点温度和压力的计算 露点计算与有关方程露点计算与有关方程 已知：已知：求求 相平衡关系相平衡关系：浓度总和式浓度总和式：相平衡常数关联式相平衡常数关联式：),(iiiyxpTfK 计算方法计算方法 平衡常数与组成无关的露点计算平衡常数与组成无关的露点计算),(pTf

25、Ki)(,Tpyi，露点压力）露点温度，（pTxi,iiiKyx 1iiiKyx2.3多多组组分分物物系系的的泡泡点点和和露露点点计计算算 0.1/1ciiiKy),(PTfKi已知已知P得到得到Ki yi/KiF(T)=|yi/Ki-1|11 BTT 可能为汽液两相区可能为汽液两相区 111 DTT 可能为汽液两相区可能为汽液两相区 1 0n n=1n n 1混合物的相态混合物的相态 也可分别用泡露点方程计算闪蒸压力也可分别用泡露点方程计算闪蒸压力下下的泡露点温度，若的泡露点温度，若 1)(iiKz当当BDTTT混合物处于汽液两相区混合物处于汽液两相区1iizK 2.4单单级级平平衡衡分分离

26、离过过程程计计算算 混合物处于汽液两相区混合物处于汽液两相区(0 n n 1),),可进可进行等温闪蒸的计算行等温闪蒸的计算即闪蒸问题成立即闪蒸问题成立混合物的混合物的相态判断相态判断过冷液体过冷液体两相区两相区过热蒸汽过热蒸汽Kizi1,zi/Ki1TDTTBzi/Ki1 2.4单单级级平平衡衡分分离离过过程程计计算算闪蒸过程的计算方程（闪蒸过程的计算方程（MESH）（1）物料衡算）物料衡算M方程：方程：C个个（3）摩尔分率加和式）摩尔分率加和式S方程：方程：2个个（4）热量平衡式）热量平衡式 H方程：方程：1个个2C3,.C,iVyLxFziii21 （2）相平衡）相平衡E方程：方程：Ci

27、xKyiii,.2,1 C个个11Ciix11CiiyLVFLHVHQFH2.4单单级级平平衡衡分分离离过过程程计计算算规定变量规定变量闪蒸形式闪蒸形式输出变量输出变量P,T等温等温Q,V,L,yi,xiP,Q=0绝热绝热T,V,L,yi,xiP,Q0非绝热非绝热T,V,L,yi,xiP,L(或或)部分冷凝部分冷凝Q,T,V,yi,xiP(或或T),V(或或)部分汽化部分汽化Q,T(或或P),L,yi,xi*闪蒸计算类型闪蒸计算类型 2.4单单级级平平衡衡分分离离过过程程计计算算已知已知:F,zi,P,T 计算计算:Q,V,L,yi,xi 已知已知:F,zi,P(T),n n(e)计算计算:T

28、(P),V(L),yi,xi,Q两类计算：两类计算：等温闪蒸：等温闪蒸：在闪蒸罐的温度在闪蒸罐的温度T与闪蒸后气与闪蒸后气体与液体的温度是相等的，而闪蒸温度体与液体的温度是相等的，而闪蒸温度T不一定与闪蒸前原料的温度相等。不一定与闪蒸前原料的温度相等。2.4单单级级平平衡衡分分离离过过程程计计算算等温闪蒸过程等温闪蒸过程 等温闪蒸过程等温闪蒸过程 液化率：液化率：FLe总加入量液化的量汽化率：汽化率：FVv总加入量汽化的量1ve 2.4单单级级平平衡衡分分离离过过程程计计算算计算公式计算公式 组分的物料衡算式组分的物料衡算式 iiiLxVyFzLVF,相平衡关系式：相平衡关系式：iiixKy

29、相平衡常数关联式相平衡常数关联式：),(pTfKi浓度总和式：浓度总和式：1,1iiyx关系方程关系方程 ：)1()1(vvkzekezxiiiii)1(1)1(iiiiiiiKvzKeKezKy 2.4单单级级平平衡衡分分离离过过程程计计算算计算方法计算方法 第一类计算第一类计算:思路思路 结束或设已知YiiiiiTpyyxxKve11,调调e或或v Newton-Raphson法法 目标函数目标函数 01)1(11)(iiiKvzxvF2)1(1)1()(iiiKvKzvF 2.4单单级级平平衡衡分分离离过过程程计计算算),(pTfKiN计算方法计算方法迭代公式：迭代公式：BDBTTTTv

30、初值：初值：)()(1vFvFvvkk21)1(1)1(1)1(1iiiiikkKvKzKvzvv2.4单单级级平平衡衡分分离离过过程程计计算算计算方法计算方法目标函数目标函数:0iixy1)1(1iiiKvzx1)1(1iiiiKvzKy22)1(1)1()(iiiKvKzvF0)1(1)1()()(iiiiiKvKzxyvF )()(1vFvFvvkk2.4单单级级平平衡衡分分离离过过程程计计算算本章习题讲解n1.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。n2.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 。温度温度小于泡点小

31、于泡点说明说明下进行露点计算：下进行露点计算：、在在对对 CiBoiioiTCKZkPaCZ1501772.120050例例 液体混合物的汽化液体混合物的汽化（烃类物系（烃类物系）在在50，200kPa下绝热闪蒸，已知下绝热闪蒸，已知解：解：1.核实问题是否成立核实问题是否成立iZ1502002.595150oiCoiiBiZCkPaK ZCT 对对在在、下下进进行行泡泡点点计计算算：说说明明大大于于泡泡点点温温度度解。解。同时成立，闪蒸问题有同时成立，闪蒸问题有 11iiiiKZZK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51.041.0)()()1(1)1()(0)1(1)1()(0)1(1)1()()()()()1(1221 次得：次得：，迭代，迭代取取用于牛顿迭代：用于牛顿迭代：kkkkciiiiciiiiiiiffKZKfKZKfKZKf3.计算计算iiyx,iiiiiiiiyxxKyKZx，代代入入式式中中，求求将将采采用用 )682()672()1(1:)682(),672(4.计算计算V，LkmolVFLkmolFV490510 5.核实核实图误差）图误差）正确正确KTPxyii (999.00008.1