化工分離過(guò)程(總復(fù)習(xí))

化工分離過(guò)程ChemicalSeparationProcesses2021/5/91習(xí)題課大綱1重要知識(shí)點(diǎn)回顧

1.1緒論

1.2單級(jí)平衡過(guò)程

1.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算

1.4多組分多級(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算

1.5分離設(shè)備的處理能力和效率

1.6分離過(guò)程的節(jié)能

1.7其它分離技術(shù)和分離過(guò)程的選擇

2考試題型3自由交流環(huán)節(jié)2021/5/921.1緒論分離過(guò)程的分類

分離過(guò)程分為機(jī)械分離過(guò)程和傳質(zhì)分離過(guò)程兩類。

傳質(zhì)分離過(guò)程用于各種均相混合物的分離，分為平衡分離過(guò)程和速率分離過(guò)程。平衡分離過(guò)程——借助分離媒介（如熱能、溶劑或吸附劑）使均相混合物系統(tǒng)變成兩相系統(tǒng)，再以混合物中各組分在處于平衡兩相中的不等同的分配為依據(jù)而實(shí)現(xiàn)分離。2021/5/931.1緒論

速率分離過(guò)程——借助某種推動(dòng)力（如濃度差、壓力差、溫度差、電位差等）的作用，某些情況下在選擇性透過(guò)膜的配合下，利用各組分?jǐn)U散速度的差異而實(shí)現(xiàn)混合物的分離操作。

分離媒介分為能量媒介（ESA）和物質(zhì)媒介（MSA）。2021/5/941.2單級(jí)平衡過(guò)程

1、相平衡的定義和條件

相平衡：混合物或溶液形成若干相，這些相保持著物理平衡而共存的狀態(tài)。從熱力學(xué)上看，整個(gè)物系的自由焓處于最小狀態(tài)，從動(dòng)力學(xué)看，相間無(wú)物質(zhì)的傳遞。2021/5/951.2單級(jí)平衡過(guò)程

1、相平衡的定義和條件

相平衡時(shí)，各相的T、P，組分在各相的化學(xué)位相同（相平衡的條件）。2021/5/961.2單級(jí)平衡過(guò)程

2、活度系數(shù)法表示Ki的簡(jiǎn)化形式

（1）汽相為理想氣體，液相為理想溶液g-l平衡關(guān)系：

（2）汽相為理想氣體，液相為非理想溶液g-l平衡關(guān)系：2021/5/971.2單級(jí)平衡過(guò)程

（3）汽相為理想溶液，液相為理想溶液（4）汽相為理想溶液，液相為非理想溶液2021/5/981.2單級(jí)平衡過(guò)程

3、多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算（1）泡點(diǎn)T、泡點(diǎn)P、露點(diǎn)T、露點(diǎn)P的定義

精餾塔為全凝器時(shí)回流為何溫度？分凝器？塔底溫度？（2）泡點(diǎn)溫度和泡點(diǎn)壓力的計(jì)算ⅠKi與xi無(wú)關(guān)的泡點(diǎn)溫度的計(jì)算泡點(diǎn)方程：2021/5/991.2單級(jí)平衡過(guò)程

①求解泡點(diǎn)方程的試差法，求解步驟如下：假定T已知P得到KiKixi|f(T)|=|Kixi-1|≤YT=T設(shè)，yi=

KixiN調(diào)整T②相對(duì)揮發(fā)度法設(shè)T（離泡點(diǎn)不遠(yuǎn)）得到PiST泡安托尼公式2021/5/9101.2單級(jí)平衡過(guò)程

前提條件：平衡常數(shù)和組成無(wú)關(guān)的泡點(diǎn)溫度計(jì)算（簡(jiǎn)化K）泡點(diǎn)計(jì)算：泡點(diǎn)方程：目標(biāo)函數(shù)形式：求導(dǎo)式：按Newton迭代式導(dǎo)出式：③計(jì)算機(jī)計(jì)算（Newtow迭代法）2021/5/9111.2單級(jí)平衡過(guò)程

Ⅱ泡點(diǎn)壓力的計(jì)算理想物系：

汽相為理想氣體，液相為非理想溶液2021/5/9121.2單級(jí)平衡過(guò)程

（3）平衡常數(shù)與組成無(wú)關(guān)的露點(diǎn)溫度計(jì)算露點(diǎn)方程：目標(biāo)函數(shù)形式：2021/5/9131.2單級(jí)平衡過(guò)程

設(shè)T給定P由P-T-K圖查KiYxi,T

結(jié)束N調(diào)整Tf(T)>0,T設(shè)偏低，提高T。

f(T)<0,T設(shè)偏高，降低T。露點(diǎn)計(jì)算方法同于泡點(diǎn)計(jì)算：1.試差；2.用αiK計(jì)算；3.電算。2021/5/9141.2單級(jí)平衡過(guò)程

4、等溫閃蒸

核定給定溫度下閃蒸問(wèn)題是否成立的兩種方法：

計(jì)算閃蒸壓力下進(jìn)料混合物的泡點(diǎn)溫度TB和露點(diǎn)溫度TD。方法一：若TB<T閃蒸<TD，則閃蒸問(wèn)題成立。2021/5/9151.2單級(jí)平衡過(guò)程

方法二：假設(shè)閃點(diǎn)溫度就是進(jìn)料的泡點(diǎn)溫度：則：應(yīng)該成立，如果再假設(shè)閃蒸溫度就是進(jìn)料的露點(diǎn)溫度：說(shuō)明TB<T。則：應(yīng)該成立，如果說(shuō)明TD>T。

綜合兩種試算結(jié)果，只有TB<T<TD成立，才能構(gòu)成閃蒸問(wèn)題。2021/5/9161.2單級(jí)平衡過(guò)程

閃蒸過(guò)程計(jì)算的基本關(guān)系：汽液相平衡關(guān)系：物料平衡關(guān)系：熱平衡關(guān)系：歸一化方程：（2-63）（2-64）（2-44）（2-65）

（2-46）（2-45）2021/5/9171.2單級(jí)平衡過(guò)程

利用牛頓迭代法解Rachord-Rice方程迭代方程（2-71）（2-72）（2-73）2021/5/9181.2單級(jí)平衡過(guò)程

閃蒸過(guò)程的計(jì)算步驟：在給定溫度下進(jìn)行閃蒸計(jì)算，需要核實(shí)閃蒸問(wèn)題是否成立（兩種方法）；設(shè)定Ψ初值，利用Rachord-Rice方程進(jìn)行閃蒸迭代計(jì)算；計(jì)算汽、液流率；利用式(2-67)和(2-68)計(jì)算汽液兩相的組成。2021/5/9191.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算1.3.1設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量——計(jì)算前，必須由設(shè)計(jì)者賦值的變量。1、獨(dú)立變量數(shù)NV

（2）描述系統(tǒng)與外界能量交換和功交換的變量數(shù)。NV=∑（C+2）+能量、功交換變量數(shù)（1）物流獨(dú)立變量數(shù)2021/5/9201.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算2、約束關(guān)系數(shù)NC的確定（1）物料衡算式c個(gè)

（2）能量衡算式1個(gè)

（3）相平衡式有c（π－1）個(gè)（4）化學(xué)平衡式（5）內(nèi)在關(guān)系式指約定關(guān)系3、設(shè)計(jì)變量2021/5/9211.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算4、求Na確定Nx進(jìn)料條件壓力級(jí)數(shù)5、單元的設(shè)計(jì)變量數(shù)的確定2021/5/9221.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算6、裝置設(shè)計(jì)變量的確定（1）按每一股單相物流有（c+2）個(gè)變量，計(jì)算進(jìn)料物流所確定的固定設(shè)計(jì)變量數(shù)；（2）確定裝置中具有不同壓力的數(shù)目；（3）上述兩項(xiàng)之和即為裝置的固定設(shè)計(jì)變量數(shù)；（4）將串級(jí)單元數(shù)，分配器數(shù)，側(cè)線采出單元數(shù)以及傳熱單

元的數(shù)目相加，便是裝置的可調(diào)設(shè)計(jì)變量數(shù)。（****表3-1中Na=1的單元）（5）裝置的設(shè)計(jì)變量：2021/5/9231.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算1.3.2多組分精餾過(guò)程1、有關(guān)概念LK、HK、LNK、HNK，關(guān)鍵組分選擇的原則，分配組分及非分配組分，恒濃區(qū)，夾點(diǎn)。關(guān)鍵組分——精餾過(guò)程由設(shè)計(jì)者指定濃度或提出分離要求（如指定回收率）的那兩個(gè)組分。

結(jié)論：精餾塔中，溫度分布主要反映物流的組成；而總的級(jí)間流量分布則主要反映熱量衡算的限制。2021/5/9241.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算清晰分割——餾出液中除了HK外，沒有其他重組分，釜液中除了LK外，沒有其他輕組分。

精餾操作的兩種極限情況：Rm下精餾操作需要無(wú)窮多塊理論板才能完成分離任務(wù)；全回流的意義、特點(diǎn)。2、恩德伍德法計(jì)算最小回流比的步驟，計(jì)算中應(yīng)注意的問(wèn)題。3、芬斯克公式的幾種形式、公式使用條件，使用中應(yīng)注意的問(wèn)題。2021/5/9251.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算Fenske方程的幾種形式2021/5/9261.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算組分分配：將Fenske方程變形可得各組分流量分配。

（3-12）2021/5/9271.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算

由吉利蘭圖或由耳波和馬多克斯關(guān)聯(lián)圖求N求理論板數(shù)的查圖方法、步驟、使用條件及注意的問(wèn)題。適宜進(jìn)料位置的確定方法。4、實(shí)際回流比、理論板數(shù)和適宜進(jìn)料位置的確定5、簡(jiǎn)捷法（FUG）設(shè)計(jì)精餾塔的步驟（1）根據(jù)工藝條件和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定對(duì)關(guān)鍵組分的分離要求；（2）按清晰分割作物料衡算，求D、W、xiD和xiW的初值；2021/5/9281.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算（3）由xiD和xiW計(jì)算塔頂和塔底溫度及全塔相對(duì)揮發(fā)度的平均值；（4）利用芬斯克方程求出Nm；（5）利用芬斯克方程計(jì)算非關(guān)鍵組分分配比，然后按非清晰分割作物料衡算；（6）

用恩德伍德公式求Rm；2021/5/9291.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算（7）由吉利蘭圖或耳波和馬多克斯圖求N并確定適宜進(jìn)料板位置；（8）由全塔效率求操作回流比下的實(shí)際板數(shù)；（9）由熱量衡算求冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷。其中，（2）、（4）、（5）必須熟練掌握。2021/5/9301.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算1.3.3萃取精餾和共沸精餾1、有關(guān)概念

特殊精餾、萃取精餾、共沸精餾，共沸精餾和萃取精餾的異同點(diǎn)，溶液的正偏差和負(fù)偏差。2、萃取精餾過(guò)程溶劑的作用2021/5/9311.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算

萃取精餾過(guò)程S作用可歸納為以下幾點(diǎn)：（1）溶液性質(zhì)的影響，最好為與1形成正偏差，與2形成負(fù)偏差的體系；（2）溶劑濃度的影響（稀釋作用）使原溶液中各組分的作用減弱，S量要大（一般xS為0.6～0.8）。3、萃取精餾過(guò)程溶劑選擇的原則及三種選擇方法4、萃取精餾流程及萃取精餾塔的分段6、萃取精餾操作設(shè)計(jì)的特點(diǎn)5、萃取精餾塔內(nèi)流量分布、和濃度分布特點(diǎn)2021/5/9321.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算7、共沸物的特征和共沸組成的計(jì)算（1）共沸物的特征：a共沸點(diǎn)對(duì)應(yīng)共沸組成x=y;b過(guò)了共沸點(diǎn)，輕、重組分互換；c原料組成在共沸點(diǎn)一側(cè)，可得一純組分和一共沸物。2021/5/9331.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算（2）共沸組成的計(jì)算（簡(jiǎn)單過(guò)程）2021/5/9341.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算8、能設(shè)置采用雙塔分離均相共沸物和非均相共沸物的精餾流程。9、確定連續(xù)操作共沸精餾兩端產(chǎn)品的幾點(diǎn)考慮（1）精餾產(chǎn)品不僅與塔的分離能力有關(guān)，還與全部進(jìn)料組成所在區(qū)域有關(guān)；

（2）加入S對(duì)精餾的影響（量要合適）；（3）共沸劑加入位置。2021/5/9351.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算10、共沸精餾和萃取精餾的比較共同點(diǎn)：都加入S使；計(jì)算所用基本關(guān)系都是物量衡算、熱量衡算和相平衡關(guān)系。不同點(diǎn)：（1）共沸精餾中所用S至少與被分離物料中一個(gè)組分形成共沸物，萃取精餾無(wú)此限制；（2）共沸精餾中S從塔頂蒸出，消耗熱能較大；（3）萃取精餾只可用于連續(xù)操作；（4）共沸精餾T較低，更適合分離熱敏性物料。2021/5/9361.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算1.3.4吸收和蒸出過(guò)程1、有關(guān)概念及基本知識(shí)

物理吸收、化學(xué)吸收、關(guān)鍵組分的定義，吸收和蒸出的流程，吸收和精餾的區(qū)別，塔頂和塔底吸收的限度，最小液氣比、相對(duì)吸收率、吸收率、相對(duì)蒸出率、蒸出率。2、吸收因子A的定義式，在吸收中的意義及影響因素。2021/5/9371.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算3、物理吸收過(guò)程和精餾過(guò)程的比較相同點(diǎn)：均屬于傳質(zhì)分離過(guò)程。不同點(diǎn)：①精餾過(guò)程是氣液相雙向傳質(zhì)，利用組分的揮發(fā)度的不同實(shí)現(xiàn)分離，物理吸收過(guò)程是氣相分子向液相的單方向分子擴(kuò)散和傳質(zhì)過(guò)程，利用組分在吸收劑中溶解度的不同實(shí)現(xiàn)分離。②精餾指定兩個(gè)關(guān)鍵組分的分離要求，而吸收只能指定一個(gè)關(guān)鍵組分。2021/5/9381.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算③精餾引入能量媒介，吸收引入物質(zhì)媒介。④精餾塔一般是一股進(jìn)料兩股出料，吸收塔有兩股進(jìn)料和兩股出料。⑤由于吸收液從塔頂注入，富氣（原料氣）由塔底加入，吸收過(guò)程放出溶解熱，因此吸收塔內(nèi)從塔頂?shù)剿?，關(guān)鍵組分氣、液相濃度都是上升的，一般情況下，溫度也是逐步上升的。精餾塔內(nèi)可視作恒摩爾流計(jì)算，并可按清晰分割和非清晰分割對(duì)物料進(jìn)行預(yù)分配。2021/5/9391.3多組分多級(jí)分離過(guò)程分析與簡(jiǎn)捷計(jì)算①選定關(guān)鍵組分及其吸收率；②確定最小液氣比和操作液氣比；③計(jì)算理論板數(shù)N（3-82）；④計(jì)算其它組分吸收率；⑤求v1，y1，L0，lN，xN等。4、吸收過(guò)程設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟：2021/5/9401.4多組分多級(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算1、平衡級(jí)的MESH方程

（1）物料衡算式（M）（2）相平衡關(guān)系（E）2021/5/9411.4多組分多級(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算（3）摩爾分率加和式（S）S方程用于求各板溫度。

（4）熱量衡算式（H）

H方程用于求各板的氣液相流量。2021/5/9421.4多組分多級(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算2、逐級(jí)計(jì)算用的基本方程

（1）相平衡方程（E）

露點(diǎn)方程

泡點(diǎn)方程

2021/5/9431.4多組分多級(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算（2）物料衡算方程（操作線方程）3、逐板計(jì)算法的步驟

從上向下計(jì)算時(shí)塔頂采用部分冷凝器及塔頂采用全凝器時(shí)步驟；從下向上計(jì)算時(shí)計(jì)算步驟。進(jìn)料位置及計(jì)算中值的確定。2021/5/9441.4多組分多級(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算4、適宜進(jìn)料位置的確定及計(jì)算結(jié)果的校核

從上往下算時(shí)（操作關(guān)系xi，j-1→yi，j）

從下往上算時(shí)（操作關(guān)系yi,j-1→xi,j）2021/5/9451.4多組分多級(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算5、計(jì)算起點(diǎn)的確定（1）對(duì)只有LNK的物系，D的估計(jì)比較準(zhǔn)確，從塔頂開始逐級(jí)計(jì)算；（2）對(duì)只有HNK的物系，W的估計(jì)比較準(zhǔn)確，從塔釜開始逐級(jí)計(jì)算；（3）對(duì)既有LNK又有HNK的物系，可分別從兩端開始往進(jìn)料處逐級(jí)計(jì)算。2021/5/9461.4多組分多級(jí)分離的嚴(yán)格計(jì)算

三對(duì)角線距陣法是最常用的多組分多級(jí)分離過(guò)程的嚴(yán)格計(jì)算方法，它以方程解離法為基礎(chǔ)，將MESH方程按類型分為三組，既修正—M方程、S—方程和H—方程，然后分別求解。

在泡點(diǎn)法計(jì)算中，利用修正M-方程計(jì)算液相組成；利用S-方程在內(nèi)層循環(huán)中計(jì)算各級(jí)溫度；利用H-方程在外層循環(huán)中計(jì)算氣相流率。6、三對(duì)角線距陣法7、泡點(diǎn)法2021/5/9471.5分離設(shè)備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因素5.1.1液泛霧沫夾帶壓力降停留時(shí)間2021/5/9481.5分離設(shè)備的處理能力和效率實(shí)際板與理論板的差異理論板實(shí)際板1.離開板的氣液相濃度達(dá)到平衡；達(dá)到平衡要無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間。影響因素：塔板結(jié)構(gòu)、流動(dòng)情況和物性等。2.氣液兩相完全混合，板上濃度均一；

板上液相濃度徑向分布，液體入口處濃度高，進(jìn)入的氣相各點(diǎn)濃度不相同。3.均勻流動(dòng)，各點(diǎn)停留時(shí)間相同；不均勻流動(dòng)，各點(diǎn)停留時(shí)間不同。4.無(wú)霧沫夾帶、漏液、液相泡沫夾帶等。有霧沫夾帶、漏液、液相泡沫夾帶等。2021/5/9491.5分離設(shè)備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率的表示方法5.1.2.1全塔效率板效率點(diǎn)效率等板高度2021/5/9501.5分離設(shè)備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率的影響因素5.1.2.2傳質(zhì)速率流型混合霧沫夾帶物性2021/5/9511.6分離過(guò)程的節(jié)能1、有關(guān)概念-Wmin,T的意義：表示分離過(guò)程能耗的最低限。

分離的最小功、熱力學(xué)效率、等當(dāng)功、有效能定義、多效精餾等。

熱力學(xué)效率等當(dāng)功有效能定義式2021/5/9521.6分離過(guò)程的節(jié)能2、等溫等壓分離理想氣體和理想溶液耗功的規(guī)律①將等分子混合物分離成兩個(gè)純組分時(shí)所需-Wmin,T要比分離其它混合物所需-Wmin,T要大。此時(shí)無(wú)因次最小功為0.6931。②同一進(jìn)料組成yA,F，分離成兩個(gè)純組分比分離成兩個(gè)非純組分所需-Wmin,T要大，產(chǎn)品純度越高，-Wmin,T越大。

等溫分離理想溶液混合物的-Wmin,T與等溫分離理想氣體混合物相同。2021/5/9531.6分離過(guò)程的節(jié)能3、等溫分離非理想物系最小功耗的規(guī)律①若溶液為正偏差時(shí)（即），等溫分離-Wmin,T將比分離理想溶液時(shí)?。虎谌羧芤簽樨?fù)偏差時(shí)（即），等溫分離-Wmin,T將比分離理想溶液時(shí)大；③對(duì)于完全不互