化工分离过程PPTPPT讲稿.ppt

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1、化工分离过程化工分离过程PPTPPT第1页，共100页，编辑于2022年，星期五内容：内容：各组分物系汽液平衡 单级平衡过程的计算第2页，共100页，编辑于2022年，星期五第二章 单级平衡过程第一节第一节 相平衡相平衡第二节第二节 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第三节第三节 闪蒸过程的计算闪蒸过程的计算第3页，共100页，编辑于2022年，星期五第一节第一节 相平衡相平衡返回 2.1.1相平衡条件相平衡条件2.1.2 相平衡常数的计算相平衡常数的计算返回第4页，共100页，编辑于2022年，星期五2.1.1 相平衡条件相平衡条件一、相平衡条件一、相平衡条件 相平衡：相平

2、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第5页，共100页，编辑于2022年，星期五相平衡条件：相平衡条件：第6页，共100页，编辑于2022年，星期五引入逸度系数引入逸度系数 ：if f引入活度系数引入活度系数 ：ig g 1.1.汽液平衡汽液平衡第7页，共100页，编辑于2022年，星期五汽液平衡关系式：汽液平衡关系式：第8页，共100页，编辑于2022年，星期五2.2.液液平衡液液平衡u由（由（2-

3、7）：）：第9页，共100页，编辑于2022年，星期五二、相平衡常数和分离因子二、相平衡常数和分离因子 定义：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）第10页，共100页，编辑于2022年，星期五三、用三、用 表示平衡关系表示平衡关系ijiKa a,返回第11页，共100页，编辑于2022年，星期五2.1.2 2.1.2 相平衡常数的计算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 第12页，共100页，编辑于2022年，星期五一、状态方程法一、状态方程法u由（由（28）：）：由PVT关系计算LiVif ff f,第13页，共100页

4、，编辑于2022年，星期五推导略推导略以V为自变量：以P为自变量：第14页，共100页，编辑于2022年，星期五(2-16)(2-16)推导：推导：积分后得（2-16）第15页，共100页，编辑于2022年，星期五（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第16页，共100页，编辑于2022年，星期五1.1.用用Van der waalsVan der waals方程计算方程计算uVan der waals方程：方程：a、b为Van der waals常数常数第17页，共100页，编辑于2022年，星期五将（

5、将（215）积分后代入以上结果：）积分后代入以上结果：第18页，共100页，编辑于2022年，星期五步骤：i=1i=1i=i+1YesNo第19页，共100页，编辑于2022年，星期五 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)式有三个根第20页，共100页，编辑于2022年，星期五2.2.用维里方程计算用维里方程计算u维里方程的截断式：维里方程的截断式：恢复恢复汽相哟！第21页，共100页，编辑于2022年，星期五 的计算：第22页，共100页，编辑于2022年，星期五 为简单流体为简单流体 的对比第二维的对比第二维里系数，计算：里系数，计

6、算：为校正函数，计算：为二元相互作用参数，计算：用于烷烃相当成功第23页，共100页，编辑于2022年，星期五 二元常数二元常数 的平均值的平均值 ij水水醇醇醚醚酮酮烃烃烃烃0.40.150.100.130酮酮0.150.050.130醚醚0.350.130醇醇0.10水水0ijk第24页，共100页，编辑于2022年，星期五由（由（2 21616）：）：第25页，共100页，编辑于2022年，星期五由（由（216）：）：P为自变量同样由（同样由（215）：）：V为自变量第26页，共100页，编辑于2022年，星期五用（用（231）解的步骤：）解的步骤：1.用状态方程4求Vt(两个根返回)、

7、检验：4式有实根，取大根，否则用（230）求取。2.由（231）求注意：维里方程的适宜范围：第27页，共100页，编辑于2022年，星期五3.3.采用采用R RK K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、液态第28页，共100页，编辑于2022年，星期五R RK K方程：方程：第29页，共100页，编辑于2022年，星期五RK方程的另一种形式：方程的另一种形式：推出：推出：第30页，共100页，编辑于2022年，星期五计算方法：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第31页，共100页，编辑于

8、2022年，星期五作业：作业：P51 P51：3 3题（只求题（只求 ）Vif f3题改错：去掉“%”第32页，共100页，编辑于2022年，星期五二、活度系数法二、活度系数法u由（由（29）：）：已解决 对 ，分别讨论 ig giVf fiOLf恢复第33页，共100页，编辑于2022年，星期五1.1.基准态逸度基准态逸度 液相活度系数：液相活度系数：OLif讨论：讨论：可凝性组分基准态可凝性组分基准态 不凝性组分基准态不凝性组分基准态 溶液基准态溶液基准态第34页，共100页，编辑于2022年，星期五（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：第35页，共100页，编辑于

9、2022年，星期五的计算：第36页，共100页，编辑于2022年，星期五（221）有二个校正系数：第37页，共100页，编辑于2022年，星期五（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化工计算解决第38页，共100页，编辑于2022年，星期五（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 溶液：属溶液：属可凝性可凝性组分，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第39页，共100页，编辑于2022年，星期五2.2.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摩尔混合物的

10、摩尔混合物的过剩自由焓过剩自由焓第40页，共100页，编辑于2022年，星期五到目前有20多种经验、半经验公式。第41页，共100页，编辑于2022年，星期五发展阶段：发展阶段：20世纪初：世纪初：问题集中于溶液的非理想性从何而来？问题集中于溶液的非理想性从何而来？二种观点：二种观点：1.Van Laar认为分子的吸引与排斥认为分子的吸引与排斥 2.Dolezalek认为分子间相互作用能，如缔合认为分子间相互作用能，如缔合 争论了五年之久，由于争论了五年之久，由于van der Waals力的提出，力的提出，1占优势、占优势、2被埋没，被埋没，出现了：出现了：Van Laar；Margules

11、方程。方程。1964年：年：化学热力学的发展化学热力学的发展 由由 提出提出 ，Wohl对历年公式加以总结，并推广到多元。对历年公式加以总结，并推广到多元。1964年：年：Wilson提出局部组成新概念，并得到发展。提出局部组成新概念，并得到发展。出现了出现了Wilson方程、方程、NRTL方程、方程、UNQAC方程方程。第42页，共100页，编辑于2022年，星期五1.Wohl1.Wohl型经验关系式型经验关系式uMargules方程方程uVan Laar方程方程u SH方程方程 特点：简便，由于缺乏多元数据，因特点：简便，由于缺乏多元数据，因 此不能应用于多元。此不能应用于多元。第43页，

12、共100页，编辑于2022年，星期五2.2.由局部组成概念建立的半经验方程由局部组成概念建立的半经验方程uWilson方程：方程：三个优点：三个优点：1.推算精度高。推算精度高。2.对理想系偏离很大的物系也适宜。对理想系偏离很大的物系也适宜。3.无须多元实验值。无须多元实验值。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.曲线呈极值点时不适用。曲线呈极值点时不适用。第44页，共100页，编辑于2022年，星期五uNRTL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

13、：引入第三参数 ，其计算由组分化学性质估计（，其计算由组分化学性质估计（=0.20.4）。）。uUNIQUAC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 ，后即可用于液液后即可用于液液 体系。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 ，因此还可用于，因此还可用于 大分子（聚合物）溶液。大分子（聚合物）溶液。第45页，共100页，编辑于2022年，星期五三、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）第46页，共100页，编

14、辑于2022年，星期五各种简化形式：各种简化形式：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,为负偏差溶液为负偏差溶液第48页，共100页，编辑于2022年，星期五 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.第49页，共100页，编辑于2022年，星期五 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。第50页，共100页，编辑于2022年，星期五例例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：

15、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液计算 A.逸度系数法逸度系数法 B.列线图法列线图法 与实验值相近第51页，共100页，编辑于2022年，星期五例例22：计算混合物相平衡常数：计算混合物相平衡常数（甲醇-水）实验值：K1=1.381 K2=0.428 T=71.29 P=0.1013MPa 已知：已知：1.B11、B22、B12、BM （第二维里系数）（第二维里系数）2.、3.4.NRTL方程参数方程参数解解1：按汽液均为非理想溶液计算：按汽液

16、均为非理想溶液计算第52页，共100页，编辑于2022年，星期五A.求 （采用维里方程计算）iVf f第53页，共100页，编辑于2022年，星期五B.求 （采用维里方程计算）iSf f第54页，共100页，编辑于2022年，星期五C.求 LiSiLifRTPPV及及)(exp-第55页，共100页，编辑于2022年，星期五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第56页，共100页，编辑于2022年，星期五解解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计算：按汽液均为理想溶液计算实验

17、值：实验值：K1=1.381 K2=0.428第57页，共100页，编辑于2022年，星期五第58页，共100页，编辑于2022年，星期五作业：作业：P51 P51：2 2题题 返回第59页，共100页，编辑于2022年，星期五第二节 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泡点温度和压力的计算 2.2.2 露点温度和压力的计算露点温度和压力的计算返回第60页，共100页，编辑于2022年，星期五露点压力露点压力露点温度露点温度泡点压力泡点压力泡点温度泡点温度求解量求解量规定量（规定量（C个）个）计算类型计算类型汽液平衡时：汽液平衡时：第61页，共100页，编辑于2022年，

18、星期五2.2.1 2.2.1 泡点温度和压力的计算泡点温度和压力的计算 u变量分析：变量分析：第62页，共100页，编辑于2022年，星期五一、泡点温度的计算一、泡点温度的计算1.平衡常数与组成无关的情况平衡常数与组成无关的情况iiiVViifb32fTP.iiiiiiKK-1iiiSbbbf f-.23LLifKTTTTKTKPPKTPK=+=-=.321*),(43数据回归数据回归计算计算图查得图查得第63页，共100页，编辑于2022年，星期五采用泡点方程：采用泡点方程：第64页，共100页，编辑于2022年，星期五1.000.95131.3440.37910098 110 70 T（设

19、）（设）例23：计算塔釜温度（完全理想系）已知：已知：1.2.、3.常压操作常压操作解法1：用试差法计算wix,T=100第65页，共100页，编辑于2022年，星期五计算方法：计算方法：设T=98（离泡点不远）（离泡点不远）T=99.7 解法解法2：用：用 计算计算（不试差，实用于完全理想系）（不试差，实用于完全理想系）随随T变化不大，取某温度范围内的均值变化不大，取某温度范围内的均值iKa aiKa a第66页，共100页，编辑于2022年，星期五解法解法3：电算（：电算（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 第67页，共100页，

20、编辑于2022年，星期五例例24：计算烃类混合物的泡点：计算烃类混合物的泡点已知：已知：1.2.压力压力解：用解：用PTK图计算图计算 方法：方法：设T（已知P）KixK图查图查YesNo学了三种方法哟！第68页，共100页，编辑于2022年，星期五作业：作业：P51 P51：4 4题题 注意：增加牛顿迭增加牛顿迭代法。代法。第69页，共100页，编辑于2022年，星期五2.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第70页，共100页，编辑于2022年，星期五计算框图：计算框图：开始开始输入输入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

21、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调整调整T 有无变化NYN输出输出T、y结束NY图图22第71页，共100页，编辑于2022年，星期五判别收敛条件：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：第72页，共100页，编辑于2022年，星期五 与泡点温度相同，比较与分析如下：与泡点温度相同，比较与分析如下：项目项目求泡点温度求泡点温度（已知（已知P，x）求泡点压力求泡点压力（已知（已知T，x）计算计算相同相同变量变量与函与函数关数关系系相同相同框图框图图（图（22）图（图（23）二、泡点压力的计算二、泡点压力的计算iK第73页，共100页，编辑于202

22、2年，星期五求泡点温度求泡点温度求泡点压力求泡点压力泡点方程比较：泡点方程比较：第74页，共100页，编辑于2022年，星期五计算框图：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第75页，共100页，编辑于2022年，星期五例26：计算泡点压力及汽相组成氯仿（氯仿（1）乙醇乙醇（2）已知：已知：1.2.不计不计Poynting因子因子解解：第76页，共100页，编辑于2022年，星期五混合物的逸度系数：混合物的逸度

23、系数：第77页，共100页，编辑于2022年，星期五第78页，共100页，编辑于2022年，星期五计算方法；计算方法；将（将（C）、（）、（D）、（）、（E）代入（代入（B）求）求P，y返回第79页，共100页，编辑于2022年，星期五已知：已知：P（或（或T）T（或（或P）1.平衡常数与组成无关的情况平衡常数与组成无关的情况 露点方程：露点方程：2.2.2 2.2.2 露点温度和压力的计算露点温度和压力的计算计算方法同于泡点计算：计算方法同于泡点计算：1.试差；试差；2.用用 计算；计算；3.电算；电算；4.查查K图图 iKa a第80页，共100页，编辑于2022年，星期五2.2.平衡常数

24、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结束结束第81页，共100页，编辑于2022年，星期五例例27：计算：计算50时蒸汽混合物露点压力时蒸汽混合物露点压力已知：已知：1.2.汽相组成汽相组成解：汽相假定为理想气体，液相为非理想溶液解：汽相假定为理想气体，液相为非理想溶液 计算式：计算式：结果：结果：P=85.101kPa第82页，共100页，编辑于2022年，星期五计

25、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例题图例题图第83页，共100页，编辑于2022年，星期五作业：作业：P51 P51：6 6题题 返回第84页，共100页，编辑于2022年，星期五第三节第三节 闪蒸过程的计算闪蒸过程的计算第85页，共100页，编辑于2022年，星期五流程示意图：流程示意图：u液体混合物的汽化液体混合物的汽化u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第86页，共1

26、00页，编辑于2022年，星期五变量分析：变量分析：系统方程系统方程方程数方程数2C+3一般计算后得一般计算后得2C+3个解：个解：第87页，共100页，编辑于2022年，星期五第三节第三节 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等温闪蒸和部分冷凝过程2.3.2 绝热闪蒸过程绝热闪蒸过程（略）（略）第88页，共100页，编辑于2022年，星期五2.3.1 2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程等温闪蒸和部分冷凝过程,ixL,iyV,T，P液体ZFPT,iQi,ixL,iyV,T，P气体ZFPFTF,Qu变量数：变量数：3C+8u方程数：方程数：2C+3u指定变量数指定变量数

27、:(3C+8)-(2C+3)=C+5及：及：F、Zi、TF、PF、P、L(或汽化率或汽化率)u变量数：变量数：3C+6u方程数：方程数：2C+3 u指定变量数指定变量数:(3C+6)-(2C+3)=C+3 及：及：F、Zi、T、P第89页，共100页，编辑于2022年，星期五一、汽液平衡常数与组成无关一、汽液平衡常数与组成无关 1.1.联立求解联立求解2C+32C+3个方程个方程对对i组分物料衡算：组分物料衡算：有：有：第90页，共100页，编辑于2022年，星期五2.RachfordRice方程方程 用于电算用于电算由由(268),(267）：）：第91页，共100页，编辑于2022年，星期

28、五3.Q 的计算的计算 Q吸热为正，移热为负吸热为正，移热为负 H混合物的摩尔焓混合物的摩尔焓对于理想混合：对于理想混合：纯组分摩尔焓纯组分摩尔焓第92页，共100页，编辑于2022年，星期五4.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 第93页，共100页，编辑于2022年，星期五方法二：方法二：判断：判断：第94页，共100页，编辑于2022年，星期五例例28 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

29、问题是否成立iZ判判断：断：第95页，共100页，编辑于2022年，星期五2.采用采用RachfordRice方程方程 烃类物系，烃类物系，K查查PTK图图第96页，共100页，编辑于2022年，星期五3.计算计算iiyx,4.计算计算V，L5.核实核实第97页，共100页，编辑于2022年，星期五二、汽液平衡常数与组成有关的闪蒸计算二、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如果不直接如果不直接迭代，重新迭代，重新估计估计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第98页，共100页，编辑于2022年，星期五 对对 同时迭代：同时迭代：如果不直接如果不直接迭代，重新迭代，重新估计估计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,第99页，共100页，编辑于2022年，星期五作业：作业：P51 P51：8 8题题 P52P52：14 14题题返回第100页，共100页，编辑于2022年，星期五