传质分离精选PPT.ppt

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1、传质分离课件第1页，此课件共46页哦 设计多组分、多级、多相的分离问题，首先要确定各物理量的数值，如温度、压力、组成、流率、热负荷、理论平衡级等等，这些物理量都是相互关联相互制约的，要解决这种复杂分离设备的设计问题，必须确定足够多的设计变量数，使得未知变量数等于独立方程式的数，这样才有可能获得正确的结果，完成设计任务。倘若所选择的设计变量数不正确，就可能使所求的量出现多解或不合理的解。但设计者如何来确定所需的设计变量数呢？第2页，此课件共46页哦公式 郭慕荪教授所建立的方法 ND=NV-NE 式中：ND设计变量数 NV总变量数 NE独立方程数 ND the number of independ

2、ent variables NV all pertinent variables NE the total number of independent equations第3页，此课件共46页哦求设计变量数ND的方法:首先列举出过程有关的全部变量Nv，然后再减去与各变量有关的独立方程总数NE 首先我们分析一下化工中的变量类型和独立方程数的确定方法。第4页，此课件共46页哦变量类型 强度变量 (intensive variables)几何变量(geometry variables)设备参数(equipment parameters)强度变量：组成，温度，压力几何变量：流率，传热量设备参数：平衡级

3、数，进料位置第5页，此课件共46页哦独立方程物料衡算方程 M相平衡方程 E 焓衡算方程 H约束方程 S温度恒等、压力恒等 (离开平衡级的物料）其他特定情况下的特殊关系第6页，此课件共46页哦指定的原则 当设计独立变量数被确定以后，重要的是在这些设计变量当中，那些是需要由设计者来指定的。指定的原则指定的原则：需要设定的独立变量数必须等于由设备结构(如塔的平衡级数、进料股数、进料位置、侧线出料股数、侧线出料位置等等)和由外部手段所能控制的(如系统温度、压力、进料组成、进料流率等)给定变量数之和。第7页，此课件共46页哦单元设计变量1)单股物流 Stream Variables Nv变量：组分浓度

4、C温度1压力1流速1 C+3 个 Nv=C+3 NE 独立方程 1 ND 设计变量 ND=NV-NE=C+2 第8页，此课件共46页哦设计变量指定：(C-1)个组分的组成 C-1 温度 T 1 压力 P 1 总流量 F 1 C+2第9页，此课件共46页哦 NV=4(C+3)=4C+12V入V出L出L入绝热平衡级2)绝热平衡级 Adiabatic Equilibrium Stage 第10页，此课件共46页哦 Equations Number of EquationsM 方程 CE 方程 CH 方程 1 S 方程 4TVout=TLout 1 PVout=PLout 1 NE=2C+7第11页，

5、此课件共46页哦Equations Number of EquationsComponent material balances C-1 Total material balance 1 Phase equilibrium relationships C Energy balance 1Mole fraction constraints in entering and exiting streams 4Temperature equality TVout=TLout 1Pressure equality PVout=PLout 1 NE=2C+7第12页，此课件共46页哦 ND=NV-NE=(

6、4C+12)-(2C+7)=2C+5 指定方框内的设计变量 入口物流：TV、PV、V、y1、y2、yc-1、yc 入口物流：TL、PL、L、x1、x2、xc-1、xc 出口物流：TV、PV、V、y1、y2、yc-1、yc 出口物流：TL、PL、L、x1、x2、xc-1、xc 设计变量Specification of these 2C+5 variables permits calculation of the unknown variables Lout,Vout,yc,xc,all(xi)LOUT,Tout,and all(yi)Vout.第13页，此课件共46页哦设计变量的指定 ND=2C

7、+5两股进料 组成、温度、压力、流量另外一个变量：平衡级的操作压力C-1111第14页，此课件共46页哦Variable Specification Number of VariablesComponent mole fractions,(xi)LIN C-1Total flow rate,LIN 1Component mole fractions,(yi)VIN C-1Total flow rate,VIN 1Temperature and pressure of LIN 2Temperature and pressure of VIN 2Stage pressure(PVoutor PLo

8、ut)1 ND=2C+5第15页，此课件共46页哦 3)全凝器和再沸器 它们各有两股物流和一股热量的进(或出)，所以独立变量总数为：NV=2(C+3)+1=2C+7V入L出QL入V出Q全凝器再沸器第16页，此课件共46页哦 独立方程式名称方程式数组分物料平衡式 C-1总物料平衡式 1热焓衡算式 1摩尔分率约束式 2 NE=C+3 ND=NV-NE=(2C+7)-(C+3)=C+4 第17页，此课件共46页哦 设计变量的指定 ND=C+4 组成、流量、温度、压力 C+2 个输出液体 温度、压力 2个第18页，此课件共46页哦 4).部分冷凝和部分汽化器 它们各有三股物流和一股热量的进(或出)，所

9、以独立变量总数为：NV=3(C+3)+1=3C+10L入V出Q部分汽化器V入V出Q分凝器L出L出第19页，此课件共46页哦 独立方程式名称方程式数组分物料平衡式 C-1总物料平衡式 1热焓衡算式 1 3 C 1 1 NE=2C+6摩尔分率约束式相平衡关系式温度等式压力等式第20页，此课件共46页哦ND=NV-NE=(3C+10)-(2C+6)=C+4 设计变量指定：进料组成、温度、压力、流量 C+2系统压力 Pout 1个系统温度 Tout 1个也可指定气液比V/L 1个和操作压力 1个第21页，此课件共46页哦 5).带有热量传递的平衡级 有四股物流和一股热量，所以独立变量总数为：NV=4(

10、C+3)+1=4C+13V入V出L出L入绝热平衡级 Q第22页，此课件共46页哦 独立方程式名称方程式数组分物料平衡式 C-1总物料平衡式 1热焓衡算式 1 4 C 1 1 独立方程式数 NE=2C+7摩尔分率约束式相平衡关系式温度等式压力等式第23页，此课件共46页哦 ND=NV-NE=(4C+13)-(2C+7)=2C+6 设计变量设计变量的指定 ND=2C+6两股进料 组成、压力、温度、流量 2(C+2)平衡级的操作压力 P 1 传热量 Q 1第24页，此课件共46页哦 6).带有热量传递和进料的平衡级 有 五股物流和一股热量，所以独立变量总数为：NV=5(C+3)+1=5C+16V入V

11、出L出L入绝热平衡级 QF第25页，此课件共46页哦带有热量传递和进料的平衡级 6).带有热量传递和进料的平衡级 有 五股物流和一股热量，所以独立变量总数为：NV=5(C+3)+1=5C+16V入V出L出L入绝热平衡级 QF第26页，此课件共46页哦 独立方程式名称方程式数组分物料平衡式 C-1总物料平衡式 1热焓衡算式 1 5 C 1 1 独立方程式数 NE=2C+8摩尔分率约束式相平衡关系式温度等式压力等式第27页，此课件共46页哦 所以：设计变量数为：ND=NV-NE=(5C+16)-(2C+8)=3C+8 设计变量进料组成、T、P、V (三个流股V L F)：3(C+2)个平衡级:压力

12、 Pvout or PLout 1个 温度 Tvout orTLout 1个第28页，此课件共46页哦 7).带有热量传递和侧线的平衡级 有 五股物流和一股热量，所以独立变量总数为：NV=5(C+3)+1=5C+16V入V出L出L入 平衡级 QS第29页，此课件共46页哦 组分物料平衡式 C-1总物料平衡式 1热焓衡算式 1 5 C 1 1 侧线物流摩尔分率等式 C-1 侧线物流温度等式 1 侧线物流压力等式 1 NE=3C+9摩尔分率约束式相平衡关系式温度等式压力等式第30页，此课件共46页哦 所以：设计变量数为：ND=NV-NE=(5C+16)-(3C+9)=2C+7 进料:组成、T、P、

13、V ：2(C+2)个平衡级:压力 Pvout or PLout 1个 温度 Tvout orTLout 1个侧线量：S 或 S/LOUT 1个第31页，此课件共46页哦 8).带有热量传递、进料物流和侧线的平衡级 有六股物流和一股热量，所以独立变量总数为：NV=6(C+3)+1=6C+19V入V出L出L入 平衡级 QSF第32页，此课件共46页哦 组分物料平衡式 C-1总物料平衡式 1热焓衡算式 1 6 C 1 1 侧线物流摩尔分率等式 C-1 侧线物流温度等式 1 侧线物流压力等式 1NE=3C+10摩尔分率约束式相平衡关系式温度等式压力等式第33页，此课件共46页哦 所以：设计变量数为：N

14、D=NV-NE=(6C+19)-(3C+10)=3C+9 进料:组成，T，P，F 3(C+2)=3C+6 平衡级:压力 1 温度 1 侧线量 S or S/Lout 1设计变量第34页，此课件共46页哦 9).混合器、分配器、分相器 (I)混合器：混合器是三股物流，没有相变化，有热交换，但三股物流的温度、压力、组成和流率均不同，所以独立变量总数为：NV=3(C+3)+1=3C+10L入IL出L入IIQ第35页，此课件共46页哦 独立方程式名称方程式数组分物料平衡式 C-1总物料平衡式 1热焓衡算式 1摩尔分率约束式 3 独立方程式数 NE=C+4 设计变量数为：ND=NV-NE=(3C+10)

15、-(C+4)=2C+6 第36页，此课件共46页哦 (II)分配器：分配器有三股组成相同的物流，但温度压力不同，两股出口物流的温度、压力和组成相同，但流率不同，物流均没有相变化，所以，独立变量总数为：NV=3(C+3)+1=3C+10L出IL入L出IIQ第37页，此课件共46页哦 独立方程式名称方程式数组分物料平衡式 C-1总物料平衡式 1热焓衡算式 1摩尔分率约束式 3 出口物流温度等式 1 出口物流压力等式 1 出口物流组成等式 C-1 独立方程式数 NE=2C+5ND=NV-NE=(3C+10)-(2C+5)=C+5第38页，此课件共46页哦 ND=NV-NE=(3C+10)-(2C+5

16、)=C+5 进料：组成、温度、压力、流量 C+2 出料：温度 压力 1 L2 与L的关系 1第39页，此课件共46页哦 (II)分相器：分相器有三股物流，其温度、压力、组成及流率均不同，物流没有相变化但有浓度变化，所以，独立变量总数为：NV=3(C+3)+1=3C+10 L出IL入L出IIQ三个流股组成不同两个出料流股未达平衡第40页，此课件共46页哦 独立方程式名称方程式数组分物料平衡式 C-1总物料平衡式 1热焓衡算式 1摩尔分率约束式 3 独立方程式数 NE=C+4 ND=NV-NE=(3C+10)-(C+4)=2C+6第41页，此课件共46页哦 ND=NV-NE=(3C+10)-(C+

17、4)=2C+6进料：组成、温度、压力、流量 C+2一股出料：组成、温度、压力、流量 C+2另一股出料：温度、压力 2第42页，此课件共46页哦 绝热闪蒸也有三股物流但与前面讲的情况不同，此三股物流均有相的变化，与外界无热量，所以对立变量总数为：10).绝热闪蒸：NV=3(C+3)=3C+9V、yi，HrF,Zi,PF,TF,hFL、xi、hLQ=0T,P第43页，此课件共46页哦 独立方程式名称方程式数组分物料平衡式 C-1总物料平衡式 1热焓衡算式 1摩尔分率约束式 3相平衡关系式 C 温度等式 1 压力等式 1 独立方程式数 NE=2C+6 ND=NV-NE=(3C+9)-(2C+6)=C+3第44页，此课件共46页哦 进料：组成、温度、压力、流量 C+2塔压力 1第45页，此课件共46页哦P258Table:Degrees of Freedom for Separation Operation Elements第46页，此课件共46页哦