第一章 气液平衡基础.ppt

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1、1利用利用AspenPlusAspenPlus完成精馏的设计与控制完成精馏的设计与控制Distillation Design and Control Using Aspen Distillation Design and Control Using Aspen Simulation,William L.Simulation,William L.LuybenLuyben,Wiley-,Wiley-AIChEAIChE 第2页利用利用AspenPlus完成精馏的设计与控制完成精馏的设计与控制 1.fundamentals of vapor-liquid phase equilibrium(VLE)

2、2.analysis of distillation columns3.setting up s steady-state simulation4.distillation economic optimization5.more complex distillation systems6.steady-state calculations for control structure selection7.converting from steady state to dynamic simualtion9.reactive distillation 第3页前言前言 第4页前言前言化工工艺设计的

3、步骤：化工工艺设计的步骤：概念设计概念设计初步设计初步设计详细设计详细设计简单粗略算法得到简单粗略算法得到初步流程初步流程利用严格的模拟方法利用严格的模拟方法评估概念设计中的初评估概念设计中的初步流程的稳态及动态步流程的稳态及动态性能性能给出设备的详细规格，给出设备的详细规格，如塔板类型、进料管、如塔板类型、进料管、回流管定径、泵的规回流管定径、泵的规格、换热器面积及阀格、换热器面积及阀规格等规格等 第5页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.1 蒸气压蒸气压1.2 二元二元VLE相图相图1.3 物性方法物性方法1.4 相对挥发度相对挥发度1.5 泡点计算泡点计算1.6 三元图三元图1.7 V

4、LE中的非理想性中的非理想性1.8 三元物系的残余曲线三元物系的残余曲线1.9 小结小结 第6页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.1 1.1 蒸气压蒸气压 蒸气压是纯化学组分的一种物理属性。即某特定温度下，当气液两相均存在时该纯化学组分所具有的压力。蒸气压仅仅与温度有关，而与组成无关，因为蒸气压是纯组分的属性。这种相关性很强，当温度增长时，蒸气压呈指数式增长。图1.1 苯、甲苯的蒸气压曲线温度升高课堂练习：完成图1.1的绘制提示：利用物性分析工具Tools/analysis/property/pure 第7页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.2 1.2 二元二元VLEVLE相图相图课堂

5、练习：完成图1.2，1.4，1.7，1.8的绘制T-x-y图图x-y曲线图曲线图 第8页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.2 1.2 二元二元VLEVLE相图相图相图的读解相图的读解图1.2 苯、甲苯T-xy图饱和液体饱和气体（0.375）（0.586）（353.0K）（384.7K）第9页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.2 1.2 二元二元VLEVLE相图相图相图的读解相图的读解图1.8 丙烯/丙烷的xy图 第10页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.3 1.3 物性方法物性方法图1.3 T-xy二元图设置 第11页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.3 1.3 物性方法物性方

6、法对于精馏计算而言最重要的问题是选择一种合适的物性方法以精确的描述所选化学组分的相平衡。其中，最常用的物性方法为：Aspen中，物性方法可分为：理想物性方法理想物性方法状态方程物性方法状态方程物性方法逸度系数物性方法逸度系数物性方法专用系统物性方法专用系统物性方法Chao-Seader法法van Laar法法SRK法法Peng-Rob 法法Wilson 法法Unifac 法法NRTL法法 第12页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.3 1.3 物性方法物性方法 第13页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.4 1.4 相对挥发度相对挥发度相对挥发度：两种组分的y/x（气相摩尔含量/液相摩尔含

7、量）的比值组分L相对于组分H的相对挥发度可定义为：相对挥发度越大，分离越容易课堂练习：利用Excel，完成图1.9的绘制图1.9 相对挥发度分别为1.3、2、5的xy曲线 第14页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.4 1.4 相对挥发度相对挥发度二元体系中：为轻重组分的相对挥发度多元体系（NC种组分）中：假定组分1最轻，组分2次轻，如此直至最终的组分，标记为H。将组分j相对组分H的相对挥发度定义为 ，则：经过推导，最终可得：恒定，则该式可关联气液相组成不恒定，则需泡点计算 第15页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.5 1.5 泡点泡点 露点露点泡点：液体混合物处于某压力下开始沸腾的温度

8、，称为混合物在这压力下的 泡点温度 露点：气体混合物处于某压力下开始凝结的温度，称为混合物在这压力下的 露点温度最常见的VLE 问题就是已知系统总压P 和液相组成(即各个xj 的数值)，计算气液相平衡时的温度和气相的组成yj；或者已知系统总压P 和气相组成(即各个yj 的数值)，计算气液相平衡时的温度和液相的组成xj 第16页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.5 1.5 泡点泡点 露点露点【例题】利用闪蒸单元操作，完成以下例题物系：苯，甲苯，其中苯的摩尔分率为0.2P=106.7kPa下，求：1）溶液的泡点温度及平衡气相组成2）溶液的露点温度及平衡液相组成 第17页AspenAspen中的

9、单元操作模型中的单元操作模型混合器混合器/分流器（分流器（Mixers/SplittersMixers/Splitters）分离器分离器(Separators)(Separators)换热器换热器(Heat Exchangers)(Heat Exchangers)塔塔(Columns)(Columns)反应器反应器(Reactors)(Reactors)压力变换器压力变换器(Pressure Changers)(Pressure Changers)操作器操作器(Manipulators)(Manipulators)固体固体(Solids)(Solids)用户模型用户模型(Users)(User

10、s)概念设计概念设计(Conceptual Design)(Conceptual Design)第18页AspenAspen中的单元操作模型中的单元操作模型 -Separators-Separators 第19页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.5 1.5 泡点泡点 露点露点1）添加组分2）选择热力学模型（Peng-Rob）第20页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.5 1.5 泡点泡点 露点露点3）绘制模拟流程图（Separators/Flash2）第21页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.5 1.5 泡点泡点 露点露点4）定义进料流股 第22页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1

11、.5 1.5 泡点泡点 露点露点5）定义单元操作 第23页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.5 1.5 泡点泡点 露点露点6）运行模拟计算，查看结果 第24页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.5 1.5 泡点泡点 露点露点【例题】利用闪蒸单元操作，完成以下例题物系：苯，甲苯，其中苯的摩尔分率为0.2P=106.7kPa下，求：1）溶液的泡点温度及平衡气相组成2）溶液的露点温度及平衡液相组成 第25页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.6 1.6 三元图三元图C4C5C60101图1.10 三元体系图Feed composition：ZC4=0.2 ZC5=0.50.20.5 第26页

12、1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.6 1.6 三元图三元图C4C5C6图1.11 三元混合规则D，xD,C5=0.05 xD,C60三元混合规则：若两股三元物流彼此混合，则混合物的组成（坐标为z1和z2）在以x1-x2表示的三元体系图上，必然处于两股物流对应坐标点的连线上。B,xB,C4=0.05 xB,C6=?组成平衡线FC4C5C660 psiaC4C5C6 第27页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.7 VLE1.7 VLE中的非理想性中的非理想性甲醇-水物系的非理想行为课堂练习：完成图1.13的绘制 第28页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.7 VLE1.7 VLE中的非理想

13、性中的非理想性乙醇-水物系的非理想行为课堂练习：完成图1.14的绘制6.75 第29页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.7 VLE1.7 VLE中的非理想性中的非理想性Aspen Split计算共沸混合物课堂练习：完成图1.14的绘制 第30页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.8 1.8 三元物系的残余曲线三元物系的残余曲线残余曲线：假设容器中有一初始组成为的x1(0)和x2(0)三元混合物，维持系统压力恒定，将气相物流连续自容器中移除，容器中残余液相的组成连续标于三元组成图上，即得残余曲线图。固定相对挥发度：A=4；B=2；C=1初始组成：xA=0.5；xB=0.25；不同初始组成的

14、轨迹图，即体系的残余曲线图 第31页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.8 1.8 三元物系的残余曲线三元物系的残余曲线Aspen绘制三元体系残余曲线 1）调用界面 第32页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.8 1.8 三元物系的残余曲线三元物系的残余曲线Aspen绘制三元体系残余曲线 2）设置面板 第33页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 1.8 1.8 三元物系的残余曲线三元物系的残余曲线Aspen绘制三元体系残余曲线 3）计算结果 第34页1.1.气液平衡基础气液平衡基础 小结小结回顾气液平衡基础。对于气液平衡的深刻了解是精馏系统设计和控制中必不可少的基础。需掌握：1）二元、三元相图绘制2）混合物泡露点及平衡组成计算3）共沸体系共沸组成确定，特殊相图绘制4）三元体系残余曲线绘制