天津大學化工分離工程完整教案

天津大學化工分離工程完整

教案

第一章緒論

一、學習目的與要求

通過本章的學習，能對傳質分離過程有一個總體了解。

二、考核知識點與考核目標

（一）、化工分離操作在化工生產中的重要性（一般）

識記：化工分離操作在化工生產中的重要性分析。

（二）、分離過程的分類和特征（次重點）

識記：分離過程的分類和特征，傳質分離過程的分類和特征。

§1.1本課程的內容和任務

§1.1.1課程內容、性質與特點

該課程是化學工程專業(yè)所開設的一門專業(yè)基礎課之一。分離過程是將混合

物分成組成互不相同的兩種或幾種產品的操作，它是一門與實際生產聯(lián)系極其

緊密的課程，是學生在具備了物理化學、化工原理、化工熱力學、傳遞過程原

理等技術知識后的一門必修課，它利用這些課程中有關相平衡熱力學、動力學

機理、傳熱、傳質和動量傳遞理論來研究化工生產實際中復雜物系的分離和提

純技術。

由理想理想氣體實際氣體

理想溶液實際溶液

由簡單復雜二元精儲多元精儲

單組分吸收多組分吸收

§課程設置的目標

開設本課程，為了使學生掌握各種常用的分離過程的基本理論、操作特點、

簡捷和嚴格計算方法和強化改進操作的途徑。對一些新分離技術有一定的了解。

1、注重基本概念的理解，為分離工程的選擇、特性分析和計算奠定基礎；

2、分離過程的共性出發(fā)，討論各種分離過程的特征；

3、強調工程和工藝相結合的觀點，注意設計和分析能力的訓練，強調理論

聯(lián)系實際，提高解決問題的能力。

§1.1.3與本專業(yè)其他課程的關系

與該專業(yè)課相關的基礎課《物理化學》、《傳遞過程原理》、《化工原理》、

《化工熱力學》等與本課程有著相當密切的關系，是本課程的技術基礎課，

同時本課程又是《化工工藝設計與化工過程開發(fā)》的基礎，它與《化工反應

工程》緊密相連，只有這些課學好了才能學好這門課，做好畢業(yè)設計。

§學習方法及要求

1.理解重要公式的推導過程及推導假設，掌握公式及公式的使用范圍；

2.掌握各種分離過程的基本原理、理論、操作特點，簡捷法（FUG）和

嚴格計算法及強化改進操作的途徑，對設備的特殊要求；

3.該課程應用性、技能性較強，須認真地做習題，加深對所學內容的理

解；

4.會用計算中常用到的手冊和圖表提高使用圖表的能力。

§教材和參考書

教材：《化工分離過程》陳洪鉆劉家祺主編。

參考書：

《化工分離過程》劉家祺主編化工出版社

《分離工程》鄧修主編科學出版社

《石油化工分離工程》張一安徐心茹主編華東理工大學出版社。

《有機化工分離過程》，許其佑等編著，華東化工學院出版社。

抓住重點，理清思路，善于分析，旨在應用。認真聽課，積極思索，

必要預習，獨立解題。

§1.2分離操作在化工生產中的重栗性（作用和地位）

§分離過程在化工生產中的重要性

無論化學、石油、冶金、食品、輕工、醫(yī)藥、生化和原子能等工業(yè)都廣泛

應用分離過程，

總而言之，廣泛的應用，科技的發(fā)展，環(huán)境的需要都說明分離過程在國計民

生中所占的地位和作用，并展示了分離工程的廣闊前景：現(xiàn)代社會離不開分離

技術，分離技術發(fā)展于現(xiàn)代社會。

化工生產中采用分離的目的主要有以下幾點：

1、原料預處理；

2、產品的分離提純；（苯乙烯生產）

3、環(huán)保和安全生產的需要；

4、防止催化劑中毒。

§分離在清潔工藝中的地位和作用

降低原材料和能源的消耗，提清潔工藝也稱少廢無廢技術，是面向21世紀

社會和經濟可持續(xù)發(fā)展的重大課題，也是當今世界科學技術的重要內容之一。

清潔工藝將生產工藝和防治污染有機結合起來,將污染物消滅在生產工藝過

程中，從根本上解決工業(yè)污染問題。清潔工藝是一種節(jié)能、低耗、高效安全、

無污染的工藝技術。就化學工業(yè)而言，清潔工業(yè)本質是合理利用資源，減少甚

至消滅廢料的產生。

化工清潔工藝應綜合考慮合理地原料選擇，反應路徑的潔凈化，物料分離技

術的選擇及確定合理的工藝流程和工業(yè)參數(shù)等。

與化工分離密切相關的有：

（1）高有效利用率和循環(huán)利用率；

（2）開發(fā)和采用新技術、新工藝，改善操作條件，以控制和消除污染;

（3）采用生產工藝裝置系統(tǒng)的閉路循環(huán)技術；

（4）處理生產中的副產物和廢物，使之減少或消除對環(huán)境的危害；

（5）研究和開發(fā)利用低物耗、低能耗、高效率的三廢治理技術。

閉路循環(huán)系統(tǒng)是清潔工藝的重要方面，其核心是將過程產生的廢物最大限

度地回收和循環(huán)使用，減少過程排出廢物的量。

實現(xiàn)分離與再循環(huán)系統(tǒng)使廢物最少化的方法：

（1）廢物直接再循環(huán)，如廢水循環(huán)使用（丙烯般、丁醇、丁醛生產）

（2）進料提純減少雜質生成副產物，減少排放量；

（3）除去分離過程加入的附加物質（如特殊精鐳中的S）；

（4）附加分離與再循環(huán)系統(tǒng)

§1.3傳質分離過程的分類和特征

分離過程

（1）機械分離

對象為兩相或兩相以上的混合物，只要用簡單的機械方法就可將其分離，兩

相間不發(fā)生物質的傳遞。如過濾、沉淀等。

（2）傳質分離

用于各種均相混合物的分離，其特點是有質量傳遞發(fā)生，有相間傳質,

可以在均相中進行，也可在非均相中進行。

傳質分離依據(jù)物理化學原理的不同，可分為平衡分離和速率分離兩大類。

§平衡分離過程

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)而實現(xiàn)分離O

分離媒介

按兩相狀態(tài)的不同，平衡分離過程可分為以下幾類:

（1）氣液傳質過程如吸收、氣體增濕或減濕;

（2）汽液傳質過程如液體精播;

（3）液液傳質過程如萃?。?/p>

（4）液固傳質分離結晶、浸取吸附、離子交換;

（5）氣固傳質過程固體干燥、吸附。

對于平衡傳質分離過程，工程上有兩種處理方法：

一、把現(xiàn)狀和達到平衡之間的濃度梯度或壓力梯度作為過程推動力，而

把其他因素都歸納于阻力中。傳遞速率就成為推動力和阻力之商（傳

熱、流體輸送、吸收……）

二、依據(jù)處于熱力學平衡的兩相組成不相等的原理，以每一級都處于平

衡態(tài)為手段，得平衡級數(shù)，并把其他影響因素歸納于效率之中（如精

儲……）o

§速率分離過程

一一借助某種推動力（濃度差、溫度差、壓力差、電位差等），有時在選擇

性透過膜的配合下，利用各組分擴散速率的差異而實現(xiàn)組分的分離。

速率分離過程可分為膜分離和場分離。該類分離傳遞發(fā)生于相內，無須產生

新的相，所以往往是低能耗的。

世界萬物都是由有序自動走向無序，所有純物質都逐漸變?yōu)榛旌衔?，而將?/p>

合物變?yōu)榧兾镔|不能自發(fā)進行，只有外加能量方可使之進行。

一般分離過程能耗：

無相變分離（有相變分離；無外加物質的分離（有外加物質的分離。

膜分離：利用流體中各組分對膜滲透速率的差異而實現(xiàn)組分的分離。

分離過程發(fā)展現(xiàn)狀見P10圖1-3,圖表明分離技術成熟程度和應用成熟程度。

上方雖很成熟，改進余地小，但應用廣，微小改進可帶來巨大效益。

§1.4分離過程的集成化

§反應過程與分離過程的耦合

為改善不利的熱力學和動力學因素，減少設備和操作費用，節(jié)約資源和能

源，分離過程和反應過程多種形式的耦合已開發(fā)和應用。如：

（1）化學吸收是反應和分離過程耦合的單元操作，可提高推動力和液相傳

質系數(shù)；

（2）化學萃取是伴有化學反應的萃取過程，溶質與萃取劑反應可提高過程

推動力和速率；

（3）反應精儲反應和精儲結合成為一個過程，形成了精儲技術中的一個特

殊領域。其一方面成為提高分離效率而將反應和精儲相結合的一種分離

操作（利用反應熱使液體汽化，改變組分間的a）,另一方面成為提高反

應收率而借助于分離手段的一種反應過程（將產物及時移出提高平衡轉

化率，并靠物料汽化移走反應熱）。若反應A+B-C+D,C的a>AB的

a,D的a<AB的a,則反應精儲可從精儲塔的兩端分別得到C和D（A

與B的配比等于化學計量比）。

目前，反應精儲已從單純的工藝開發(fā)向過程普遍性規(guī)律研究的方向發(fā)

展。工業(yè)廣泛應用于酯化、酯交換、皂化、胺化、水解、異構化、硝化……

反應。

（4）膜反應器將合成膜的優(yōu)良分離性能與催化反應相結合，在反應的同時選

擇性地脫除產物，使平衡轉化率提高，或控制反應物的加入速度提高Y、X和S。

（5）藥物的控制釋放控制釋放的時間和部位（一天多次改為一天一次或多天

一次，減少副作用）。

（6）膜生物傳感器

§分離過程與分離過程的耦合

不同分離過程耦合在一起構成復合分離過程，以集中原分離過程之所長，

避其所短。適用于特殊物系的分離。如：

（1）萃取結晶是分離沸點相近的混合物的有效方法；

（2）吸附蒸儲在同一設備中進行g-1-s三相的分離過程。

§過程的集成

1.傳統(tǒng)分離過程的集成

共沸精儲往往與萃取集成，共沸精儲與萃取精儲集成。

2.傳統(tǒng)分離與膜分離集成

3.膜分離集成采用多種不同膜組合

第二章單級平衡過程

通過本章的學習，使學生正確理解相平衡熱力學中的基本概念;掌握平衡常

數(shù)、泡點、露點和閃蒸過程的計算方法.

二、知識考核點與考核目標.

（-）相平衡條件（重點）

識記：相平衡條件；汽液、液液平衡表示方法.

（二）相平衡常數(shù)和分離因子（重點）

識記：相平衡常數(shù)和分離因子的含義；狀態(tài)方程法、活度系數(shù)法表示的汽

液平衡常數(shù)。

應用：用狀態(tài)方程法、活度系數(shù)法計算汽液平衡常數(shù)。

（三）活度系數(shù)法計算汽液平衡常數(shù)的通式及計算（重點）

理解：活度系數(shù)法計算汽液平衡常數(shù)的四種簡化形式。

應用：用活度系數(shù)法計算汽液平衡常數(shù)的前三種簡化形式計算汽液平衡常數(shù)。

（四）、泡點和露點計算類型（重點）

識記：泡點和露點的含義及四種計算類型。

（五）、泡點溫度和壓力的計算（重點）

應用：用汽液平衡常數(shù)前三中簡化形式計算泡點溫度和泡點壓力。

（六）露點溫度和壓力的計算（重點）

應用：用汽液平衡常數(shù)前三中簡化形式計算露點溫度和露點壓力。

（七）閃蒸過程類型（重點）

識記：閃蒸的含義；閃蒸過程的類型及應用。

（八）等溫閃蒸和部分冷凝過程（重點）

識記：核實閃蒸問題是否成立的兩種方法。

應用：汽液平衡常數(shù)與組成無關的閃蒸過程的計算。

單級平衡過程是化工傳質分離過程中最簡單的分離過程，其是使其兩相相

互接觸達到物理平衡，然后將兩相分開，若兩組分在兩相中的分離因子很大，

則單級平衡就足以滿足預期的分離要求，否則需要多級分離。如對g-1平衡，分

離因子為a,若物系中a1,則單級平衡分離幾乎達到完全分離，

CC1,則需要幾個、幾十甚至上百個分離級；若ael,幾乎不能用

普通精儲法分離。本章僅討論單級平衡，包括g-l>1-1和g-1-l等分離過程，

計算基礎是物料平衡和相平衡。當有相變化或混合熱很大時，還需考慮能量平

衡。

相平衡是研究精儲、吸收、萃取等化工中最常見的傳質分離過程的基礎，可

用于闡述混合分離的原理、傳質推動力和進行設計計算，是設計和開發(fā)單級平

衡分離的關鍵。

§2.1相平衡

§.2.1.1相平衡的關系

2.1.1.1相平衡的條件

相平衡是指物系中各相保持物理平衡而共存的狀態(tài)，從熱力學上看，逸度

是一種虛擬的壓力，具有壓力的單位。物理平衡時

需與物理量T、P、組成關聯(lián)方可用于相平衡計算。

汽液平衡關系

為將之與T、P組成關聯(lián)引入兩輔助函數(shù)逸度系數(shù)和活度系數(shù)。

（1）逸度系數(shù)（校正實際氣體相對于理想氣體的偏差）

汽相組分i的逸度系數(shù)&

Pi”

式中：P——為總壓；

7一一分別為汽液相中i的摩爾分數(shù)。

（2）活度系數(shù)（校正實際溶液相對于理想溶液的偏差）

—)dp

-

P

液相組分i的活度系數(shù)或

汽相組分i的活度系數(shù)或

理想溶液活度系數(shù)等于10

——基準狀態(tài)下組分i在汽液相中的逸度。

達到平衡時，由前面各式得：

1.液液平衡關系

2.相平衡常數(shù)和分離因子

定義Ki為i組分在平衡兩相中的摩爾分數(shù)之比。

對汽液平衡

（1）以T、V為獨立變量

（2）以P、T為獨立變量

目前求取K的狀態(tài)方程有數(shù)百個，要選取合適且計算比較簡便的方程求解。（具

體方程介紹見書）

的規(guī)定不是唯一的

（1）可凝組分的基準態(tài)逸度

活度系數(shù)的基準態(tài)是指活度系數(shù)等于1時的狀態(tài)，對于可凝組分常選取純

組分在系統(tǒng)T、P為基準態(tài)

即取=1時純組分的逸度作為基準逸度?；蛘f：為在系統(tǒng)T、P下液相

中純組分的逸度。即基準態(tài)為與系統(tǒng)具有相同T、相同P和同一相態(tài)的純i組分

（上結論在萃取精儲和共沸精儲中很重要）O

表示純組分i在一定T和蒸汽壓下的逸度系數(shù)，貝!|：

上式中為在系統(tǒng)溫度壓力下純組分i的逸度，是純組分i在體系T、壓力為

i在體系溫度下的飽和蒸氣壓的逸度系數(shù)，校正處于飽和蒸汽下的蒸汽對理想氣

體的偏差，指數(shù)項（普瓦廷Poynting因子）是校正壓力偏離飽和蒸汽壓的影響。

（1）不凝性組分的基準逸度

采用xi—0時，-1（2-22）

當組分i的摩爾分數(shù)變?yōu)闊o窮小時仁1,組分i的逸度等于基準態(tài)逸度乘

以組分i的摩爾分數(shù)。該基準態(tài)下組分i的逸度等于在系統(tǒng)T、P估算出來的

亨利常數(shù)。

對于由一個溶質（不凝組分）和一個溶劑（可凝組分）構成的二元溶液：溶劑

按Xifl.O,=1選取基準態(tài)（依據(jù)拉烏爾定律），

溶質按Xi-O,-1選取基準態(tài)（依據(jù)亨利定律）。

當兩側基準態(tài)不同時，稱為不對稱型基準態(tài)。

1.液相活度系數(shù)

與的關系。（為過剩自由培）

由上述原理推出的常用的求的公式有：

（1）Margules單參數(shù)方程

(1)VanLaur方程(兩參數(shù))

活度系數(shù)方程

A12、A21為模型參數(shù)，需由實測平衡數(shù)據(jù)推算得到。

(1)Margules二參數(shù)方程

活度系數(shù)方程

活度系數(shù)方程。二元物系

為威爾遜參數(shù)，為組分i和組分j之間的二元相互作用能量參數(shù)，

J/mol；

分別純液體i和j的摩爾體積。

特點：

①僅需用二元參數(shù)即可預見多元系的活度系數(shù)；

②適用范圍廣，對酮、醇、酸、庸及水、硫、鹵化物的互溶系統(tǒng)均有較高的正

確度；

③基本上與T無關因此活度系數(shù)方程中包含了T的影響；

④不能預計液液平衡時的活度系數(shù)。

(1)NRTL(有規(guī)雙液)方程

由上述原理推出的常用的求的公式有：

(1)Margules單參數(shù)方程

(1)VanLaur方程(兩參數(shù))

活度系數(shù)方程

A12、A21為模型參數(shù)，需由實測平衡數(shù)據(jù)推算得到。

(1)Margules二參數(shù)方程

活度系數(shù)方程

應用局部組成概念的活度系數(shù)方程

(1)威爾遜方程

活度系數(shù)方程。二元物系

為威爾遜參數(shù)，為組分i和組分j之間的二元相互作用能量參數(shù)，

J/mol；

分別純液體i和j的摩爾體積。

特點：

①僅需用二元參數(shù)即可預見多元系的活度系數(shù)；

②適用范圍廣，對酮、醇、酸、睛及水、硫、鹵化物的互溶系統(tǒng)均有較高的正

確度；

③基本上與T無關因此活度系數(shù)方程中包含了T的影響；

④不能預計液液平衡時的活度系數(shù)。

(1)NRTL(有規(guī)雙液)方程

活度系數(shù)方程，二元物系

A12、A21為模型參數(shù)，需由實測平衡數(shù)據(jù)推算得到。

多元物系

參數(shù)，其中為組分i和組分j之間的二元相互作用能

量參數(shù)；

，其中為模型參數(shù)之一，通常在0.2W.47之間。

(1)UNIQAC(通用化學)方程

活度系數(shù)：

將下標1和2對調得計算式。

1.汽相逸度系數(shù)

常用的最簡便的是維里方程

截取到第二維里系數(shù)，可適用于中低壓系統(tǒng)。

粗略定量(2-30)、(2-31)適用范圍

§2.1.2.3活度系數(shù)法計算g-1汽液平衡常數(shù)的簡化形式

①vi——組分i在溫度為T壓力為P時氣相的逸度系數(shù)。

riv——組分i在溫度為T壓力為P時氣相的活度系數(shù)

在不同情況下可對上面通式進行簡化：

汽相為理想氣體，液相為理想溶液

由上式講一下為什么在一定T、P范圍內可看為常數(shù)。

2.汽相為理想氣體，液相為非理想溶液

理想氣體,，氣相為理想溶液;溶液為非理想溶液

3.汽相為理想溶液，液相為理想溶液

氣體為理想溶液，，氣相為非理想氣體,;理想溶液

;則

4.汽相為理想溶液，液相為非理想溶液

氣體為理想溶液，，氣相為非理想氣體，；溶液為非理想

溶液

5.汽相為非理想溶液，液相為非理想溶液

氣體為非理想溶液，；氣體為非理想氣體,；溶液為非理

想溶液

2.1.3.3四元系（多元系）

有三種不同類型：

第一類，只有組分1與組分2~4部分互溶，而組分2~4彼此完全互溶。

第二類，只有組分1與組分部分互溶，該兩組分與系統(tǒng)

中其他組分完全互溶，組分3和4也完全互溶。

第三類，只有組分1與組分3和4分別部分互溶，而組分1和2完全互溶，組

分2、3、4彼此完全互溶。

相平衡常數(shù)計算方法的選擇見“鄧修書P31”（整理之）

第三章多組分多級分離工程分析與簡捷計算

一、學習目的與栗求

通過本章的學習，使學生掌握各種常用的分離過程的基本原理、流程及其

簡捷計算；了解塔內流量、濃度和溫度分布特點。

二、考核知識點和考核目標

（一）設計變量（重點）

識記：設計變量、可調設計變量、固定設計變量的含義。

（二）設計變量的確定（重點）

理解：設計變量、可調設計變量、固定設計變量的確定分法。

（三）多組分精儲過程分析（重點）

識記：關鍵組分、清晰分割和非清晰分割的定義。

應用：塔內流量、液相濃度和溫度分布特點。

（四）最小回流比（重點）

識記：分配組分、非分配組分的含義。

理解：分析最小回流比下恒濃區(qū)的部位。

應用：用恩德伍德法計算最小回流比。

（五）最少理論板數(shù)和組分的分配（重點）

識記：全回流、最少理論板數(shù)的含義及芬斯克公式。

理解：求最少理論板數(shù)的幾種表示形式。

應用：確定最少理論板數(shù)及塔頂和塔釜組分的分配。

（六）實際回流比和理論板數(shù)（重點）

應用：實際回流比、理論板數(shù)、適宜進料位置的確定。

（七）萃取精像的原理（重點）

識記：萃取精儲、共沸精鐳和特精儲的含義。

（八）萃取精像的流程特點（次重點）

識記：萃取精儲的流程特點。

（九）萃取精播溶劑作用原理和溶劑的選擇（重點）

理解：溶劑作用原理；溶劑選擇原則。

（+）萃取精播過程分析（重點）

理解：分析萃取精儲過程特點。

（十一）共沸精播的原理與萃取精饋原理的區(qū)別。（重點）

識記：共沸精儲的原理與萃取精儲原理的區(qū)別

（十二）共沸物的特征與共沸組成的計算（重點）

識記：均相共沸物和非均相共沸物的特征。

理解：共沸組成的計算方法。

（十三）共沸劑的選擇（重點）

理解：共沸劑的選擇原則及加入量的分析。

（十四）分離共沸物的雙壓精偏過程。（重點）

應用：分離共沸物的雙壓精情過程分析。

（十五）二元非均相共沸精用。

應用：二元非均相共沸精儲用圖解法計算理論板數(shù)。

（十六）吸收和蒸出過程的流程（次重點）

識記：吸收和蒸出過程的流程特點。

（十七）多組分吸收和蒸出過程分析（重點）

識記：簡單分析吸收和蒸出過程設計變量和關鍵組分。

理解：簡單分析吸收塔內單向傳質和濃度分布；吸收和蒸出過程的熱效應。

（十八）多組分吸收和蒸出的簡捷計算法（重點）

識記：吸收因子和蒸出因子、平均吸收因子和平均蒸出因子、吸收率和蒸

出率的含義。

應用：多組分吸收和多組分蒸出的簡捷計算法。

§3.1設計變量

精像和吸收中，若要得到確定的N,需確定哪些參數(shù)？

對一個二元精儲系統(tǒng)（常規(guī)塔）設計中，進料組成，T、P定，再定輕（或

重）組分的xD,xw（或知回收率）即可由R、回流狀態(tài)和適宜進料位置求出N

或由N、回流狀態(tài)和適宜進料位置求R。為什么？

單組分吸收過程，在一定T和P下已知原料氣和吸收的計量和組成，可由

溶質的吸收率求出此條件下的NOG。為什么？

電算中，經常要給變量賦值，為什么，給幾個變量賦值，是否可任意定？

在分離過程中，通常要給一些變量賦值，才能完成要求的設計。賦值的變量多

佳還是少優(yōu)？解方程組時，什么條件下得唯一解（獨立方程式數(shù)目=未知數(shù)的數(shù)

目），矛盾解（獨立方程式數(shù)目》未知數(shù)的數(shù)目），無唯一解（獨立方程式數(shù)目

〈未知數(shù)的數(shù)目）？

I設計變量I——計算前，必須由設計者賦值的變量。

若賦值的變量數(shù)太少，設計不會有結果（多組解），若賦值的變量過多，設計

也無法進行（矛盾解）。因此，設計第一步工作不是選擇變量的具體值，而是

確定設計變量的數(shù)目。即討論確定設計變量的方法。

Nv一一描述系統(tǒng)的獨立變量數(shù)；

Nc-系統(tǒng)變量數(shù)間的約束關系數(shù)；

Ni——設計變量數(shù)。

Ni=Nv-Nc（3-1）

（1）獨立變量數(shù)Nv

Nv=f+]=c-n|+2+]=c_]+2+]=c+2。

（-i）（-i）

c+2個變量：物料組成X”x2...xc（或y2...yc）;物料流率L（V）；

溫度T；壓力P。

對一個達到相平衡的多相物流物流獨立變量數(shù)為多少？

c+2個變量:物料組成為,X2?…??X（C-1）（或y”y2—???y（c-1））；物料流率L（V）；

溫度T；壓力P。

2）當系統(tǒng)與外界有能量交換時，沖還應加上描述能量交換的變量數(shù)。

則系統(tǒng)的Nk系統(tǒng)各物流的獨立變量數(shù)+描述能量交換的變量數(shù)

NV=S（C+2）+能量交換變量數(shù)

（2）約束關系數(shù)4的確定

約束關系包括：

1）物料衡算式數(shù)目等于組分數(shù)c

1）能量衡算式每個系統(tǒng)只有一個

2）相平衡式有c（n—l）個

3)化學平衡式分離過程一般不考慮

4）內在關系式指約定關系，如物流間溫差、壓差……

如平衡的兩相的物流，多了一相組成、流率、溫度和壓力計C+2個變量但

也多了C各型平衡關系，和T、P相等計C+2個約束關系：f=c-Ji+2=c-2+2=Co

再加上各相物料的流率2,Nv仍為c+2。Nv=f+2=C+2o對于多相物流N,=f+r=

C+2

化工裝置往往很復雜，討論其Nv、4和N,很麻煩，為此確定一個裝置的設計變

量常用基本原則是將一個裝置分解為若干進行簡單過程的單元，由每一個單元

的獨立變量數(shù)求出每個單元的設計變量數(shù)，然后由單元設計變量數(shù)計算

裝置的設計變量數(shù)。

該法適用于連續(xù)穩(wěn)定流動過程，流動的動能和位能可忽略，與外界交換的機械

能只限于軸功，且過程無化學反應，所用平衡級是串聯(lián)的。

§單元設計變量

分離過程主要單元15個，（P56表3-1）

3.1.1.1分配器

絕熱操作下的分配器

單元獨立變量數(shù)：每個物流的獨立變量數(shù)Nv=c+2,三個物流，

單元約束關系：

物料衡算式C個（等于組分數(shù)）

能量平衡式1個

相平衡式c（n-1）=c（1-1）=0

化學平衡式0個

內在約束關系式兩物流T、P相同2個（Pi=P2,TI=T2）

兩物流組成相同Xi,l=Xi,2（C-1）個

（進料c+2個，系統(tǒng)壓力1個）

，可以是L1/F或L2/F或L1/L2。

§?2產物為兩相的全凝器（出料為平衡的兩液相）

能量衡算式1個

相平衡式C個

§.3絕熱操作的單元平衡級

固定設計變量：=+5（進料2（c+2）個，單元壓力1個）

可調設計變量：=-=0個。

§.4有側線出料的單元平衡級

單元約束關系

相平衡關系式c個

物料衡算式c個

能量衡算式1個

§.5有進料和側線有熱量進出的單元平衡級

單元約束關系

注意：c為物流組分數(shù)，當各股物流的組分數(shù)不同時，求各物流的獨立變量數(shù)

應代入各物流相應的組分數(shù)c值。

§裝置設計變量

§.1裝置設計變量

一個裝置的設計變量應為組成裝置的若干單元的設計變量之和。

但若裝置中某一種單元以串聯(lián)形式被重復使用時（如吸收、精館中），則應增

加一個變量數(shù)以區(qū)別于與其他單元相連接的情況。這一表示重復使用的變量數(shù)

稱為重復變量數(shù)，為同一種單元被串聯(lián)使用的次數(shù)。（注意是串級的數(shù)目，

而非被串聯(lián)使用的單元數(shù)目。

由于單元間是由物流相連的，在裝置中相互直接相連的單元之間必有一股或

幾股物流，是從一單元進入另一單元的，則在連接單元之間有了新的約束關系

以表示，，N為連接單元之間物流的數(shù)目。則有：

§,2簡單吸收塔的設計變量

對于圖3-1所示的簡單吸收過程（P57）

（1）N個絕熱操作的簡單平衡級

（2）串聯(lián)而成，每一級設計變量數(shù)

（兩股進料，再加一個壓力）

（2）重復變量數(shù)（僅一種單元串聯(lián)使用）

（3）串級單元間物流的約束關系數(shù)

所以

其中

可調設計變量：

其可為理論級數(shù)，也可為溶質中關鍵組分被吸收的完全程度。

查表3-1的簡單平衡級

為裝置各進料物流的變量數(shù)加上裝置不同壓力數(shù)目。

,可為N或尾氣中關鍵組分低濃度，吸收液中關鍵組分的濃度……

§.3精儲塔（常規(guī)塔）的設計變量（P57圖3-2）

全塔6個單元，包括兩個串級單元，各單元設計變量數(shù)見下表:

序號單元

1全凝器c+4C+31

2回流分配器c+4C+31

3N-（M+1）板平+(N-M+1)+5+(N-M+1)+41

衡級

4進料級+7+70

5（M-1）平衡級+(M+1)+5+(M+1)+41

6再沸器c+4C+31

串級1：

串級2：

由于單元間物流數(shù)為9,所以

所以

其中（進料物流c+2個，N級壓力，全凝器,分配器

壓力）

可調設計變量：

可調設計變量可為:回流狀態(tài)，理論板數(shù)，進料位置，D流率和R（也可為其他

賦值變量，但不能是固定設計變量，也不能出現(xiàn)矛盾）

總上可知，系統(tǒng)可調設計變量為各單元可調設計變量之和再加上系統(tǒng)的串

級數(shù)。而固定設計變量只與進料物流和系統(tǒng)壓力等級數(shù)有關。

§.4確定、、的方法

確定方法及步驟為：

（1）按每一單相物流有c+2個變量，計算所有進料的固定

設計變量數(shù)；

（1）確定系統(tǒng)所具有的不同的壓力級數(shù)（當忽略過程壓降

時當如何）；

（2）以上兩項之和即為系統(tǒng)的固定設計變量數(shù)；

（3）將系統(tǒng)的串級單元的數(shù)目、分配器數(shù)目、側線采出單

元數(shù)目和傳熱單元數(shù)目加和即為系統(tǒng)可調設計變量數(shù)。

例用上法求圖3-3（P58）所示精僧塔的

解：：進料變量數(shù)c+2,壓力等級數(shù)1個（壓降忽略）,

：串級單元數(shù)3個（注意每增加一股側線采出或加料時串級數(shù)增加一個）；分

配器個數(shù)為1;側線采出單元數(shù)1個；傳熱單元數(shù)2個；所以

同樣方法求圖3-1、3-2的、

例題：有一吸收裝置處理含CO2原料氣，假設進料中有c個組分，其操作條件

如圖所示，試確定裝置的、、。并指出設計變量可能的選擇。

解：（1）裝置的固定設計變量數(shù)

壓力等級數(shù)2,一股原料氣進料c+2,水蒸氣進料1+2=3,

（2）可調設計變量數(shù)

串級單元數(shù)2,側線采出數(shù)0,分配器數(shù)0,傳熱單元數(shù)3。

所以

（3）固定設計變量選擇：吸收塔壓力PA,蒸出塔壓力PB,原料氣流率、T、P

和組成（c-1個）；水蒸氣流率、T和P。

（4）可調設計變量選擇

1）吸收塔NA;蒸出塔NB;每個換熱器出口溫度。

2）離開吸收塔的尾氣中CO2的濃度；離開蒸出塔的CO2的濃

度；三個換熱器的換熱面積。

3）吸收塔NA蒸出塔NB,尾氣中CO2濃度，離開蒸出塔氣體

中CO2濃度，進吸收塔吸收劑的濃度。

4）.......

注意選擇中，固定不容易選錯，選時一是不要把屬于的變量選上，再

是選擇變量不要出現(xiàn)矛盾。

例附圖為熱耦合精儲塔系統(tǒng)，進料為三組分混合物，采出三個產品。試確定該

系統(tǒng)：（1）設計變量數(shù)；2）指定一組合理的設計變量

解：（1）裝置的固定設計變量數(shù)

壓力等級數(shù)N+M+L一股原料進料c+2,

（2）可調設計變量數(shù)

串級單元數(shù)2+4,側線采出數(shù)1,分配器數(shù)1,傳熱單元數(shù)2。

所以

（3）固定設計變量選擇：原料氣流率、T、P和組成（2個）；各個理論級及全

凝器（含分配器，認為兩者為同一壓力）的壓力。

（4）可調設計變量選擇

回流比、回流狀態(tài)、六個串級的平衡級數(shù)、D和側線流率。

第五章分離設備的處理能力和效率

一、學習目的與要求

通過本章的學習，使學生能簡單分析并基本了解強化分離操作的途徑。

二、考核知識點與考核目標.

（一）氣液傳質設備的處理能力的影響因素（一般）

識記：影響氣液傳質設備的處理能力的主要因素。

（二）氣液傳質設備的效率及其影響因素（重點）

理解：氣液傳質設備效率的幾種表示方法及其影響板效率的主要因素。

5.1氣液傳質設備的處理能力和效率

5.1.1氣液傳質設備的處理能力的影響因素

氣液傳質設備有板式塔和填料塔兩類。

影響氣液傳質設備的處理能力的因素有：

1、液泛

板式塔：，處理能力增加。規(guī)整填料處理能力大于

亂堆填料。

真空操作設備的往往成為限制生產能力的主要原因，還影響降液

管內液位高度，3液位高度t,以造成液泛。

4、停留時間

停留時間與生產能力成反比，精僧中，液體在降液管內停留時間一般為3?

5秒。

1、效率的表示方法

（1）全塔效率以（總板效率，塔效率）

——為完成給定分離任務所需要的理論塔板數(shù)（N）與實際塔板數(shù)（其尸之比。

ET的特點是容易測定和使用

（2）默弗里（Murphree）板效率

假定板間氣相完全混合，氣相以活塞流垂直通過液層，板上液體完全混合,

氣組成等于離開該板降液管的液體組成。

默弗里板效率一一實際板上濃度變化與平衡時應達到的濃度變化之比。

一一氣相濃度表示的默弗里板效率。

與成平衡的氣相摩爾分率.

液相濃度表示的默弗里板效率

一一液相濃度表示的默弗里板效率。

---與成平衡的液相摩爾分率。

一般豐O

(3)點效率

板上氣液兩相錯流，假定液體在垂直方向上完全混合。

(5—4)

一一i組分在該板j處的點效率。若氣液兩相完全混合，

則=O

---與成平衡的氣相摩爾分率。

(4)等板高度(HETP)

對于填料塔，為相當于一塊理論板所需的填料高度(從此段填料上方離開填料

上升的蒸汽和離開此段填料下降的液體互成平衡)o

HETP=Z/N(5-5)

對于板式塔

(5)傳質單元高度(HTU)

(HTU)HTU表示填料塔的傳質效率，定義為：

式中:---氣相總傳質單元高度,m；

V---氣相流率,mol/h；

2

KG---組分的氣相總傳質系數(shù)，mol/mh；

a---填料的有效比表面積m2/m3；

A——塔的橫截面積n?。

2、影響效率的因素

(1)傳質速率

參見右圖，設單位塔截面上汽相摩

爾流率為G,經截面為dA的液層通量為GdA,該處板上液層高度為Z,氣液

兩相傳質比表面積為am2/m3,氣相傳質總系數(shù)為Ky。則組分i的傳質量為：

(5—6)

對(5-6)式沿液層高度積分：

則(5-8)

由(5-8)知：G一定,□因此塔板上液層愈厚，氣

泡愈分散，表面湍動程度愈高，點效率愈高。

由雙膜理論:

(5-9)

L、V一一分別為液氣相流率，m為汽液平衡常數(shù)。

有許多書上給出NG、NL求取的經驗式。

（2）流型和混合效應

液體流經塔板時，與氣體產生密切接觸，混合情況十分復雜，板上任一點的液

體會在三個垂直方向上發(fā)生混合。沿液流方向上的混合稱為縱向混合；在塔板

平面上與液流垂直的混合稱為橫向混合；垂直于塔板液面，沿氣流方向的混合。

這些混合將影響板效率。

描述流型對效率影響的數(shù)學模型：

1）板上液體完全混合

板上各點液相組成均相同，并等于該板出口溢流液的組成，即，

若進入板的氣相組成是均一的，則有：。

省略下標i,（5-14）

此時，塔板上摩弗里板效率等于點效率。

2）液體完全不混合（活塞流）且停留時間相同

可推導出默弗里板效率和點效率間關系式

液體混合作用的減弱使默弗里板效率增大。

3）液體部分混合

縱向混合（與板上液流總方向平行方向

上的液體混合）將使下降；橫向混合（與板上液流總方向垂直方向上

的液體混合）將使上升。不完全混合使得。

總之：不均勻流動，尤其是環(huán)流會對效率產生不利影響；

橫向混合能消弱液相不均流動的不利影響；塔徑加大，縱向不完全混合有利影

響減弱，不均勻流動則趨于加強。

（3）霧沫夾帶

霧沫夾帶為級間混合，降低分離設備的分離效果，板效率下降。Colburn（可

爾本)1936年推導出下關系:

(5-20)

---有霧沫夾帶下的板效率。

e——單位氣體流率的霧沫夾帶量。

此外，漏液和氣體被液體夾帶也會使板效率降低。

(4)物性的影響

1)液體粘度

液體粘度大，產生氣泡大，相界面小，兩相接觸差，且液相擴散系數(shù)小，效

率低。

由于精儲溫度一般較吸收溫度高，液體粘度小，故精儲塔效率高于吸收塔。

2)密度梯度

當易揮發(fā)組分的大于難揮發(fā)組分的時，能形成混合旋流，可提高液相傳質

系數(shù)。

3)表面張力和表面張力梯度

a)表面張力對效率的影響

泡沫狀態(tài)時，對效率的影響很小；噴射狀態(tài)時，I,效率有所提高。

b)表面張力梯度的影響

對于正系統(tǒng)：輕組分〈重組分，＜0,在泡沫狀態(tài)操作更好。因為這時正

系統(tǒng)泡沫穩(wěn)定性好，不易破裂而造成氣泡合并，傳質面積大有利于效率提高。

對于負系統(tǒng)，輕組分＞重組分，＞0,在噴射狀態(tài)操作更好。因為這時液

滴不穩(wěn)定，易斷裂破碎成更細的液滴，傳質面積大，有利于效率提高。

泡沫狀態(tài)：板式塔在較低氣速下操作，氣相為分散相，液相為連續(xù)相，氣

泡界面為傳質界面。

噴射狀態(tài)：板式塔在較高氣速下操作，液相為分散相，氣相為連續(xù)相，液

滴群表面為傳質界面。

4)相對揮發(fā)度的影響

相對揮發(fā)度大，效率低。

由完成一定分離要求的理論板數(shù)求實際板數(shù)需要板效率數(shù)據(jù)。獲取方法有三種:

A、從工業(yè)塔數(shù)據(jù)歸納出的經驗關聯(lián)式；

B、依賴傳質速率的半理論模型；

C、從實驗裝置或中間工廠直接得到數(shù)據(jù)。

1、板式塔

（1）經驗關聯(lián)式

1）奧康奈爾法（法）

也可由關聯(lián)圖求板效率。

2）Lockhart和Legget同時關聯(lián)精儲塔和吸收塔數(shù)據(jù)，奧康奈爾法關

聯(lián)圖類似的圖。

（1）半理論模型

1）AIChE法

基于雙膜理論提出的計算方法。見P158圖5-80

2）Zuiderweg法

適用于篩板塔的默弗里板效率的計算。具體內容見（劉家祺新教材）。

（1）由實驗裝置數(shù)據(jù)確定板效率

當無欲分離物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，尤其對于高度非理想溶液或可能形成共沸

物的情況，達到分離程度所需的塔板數(shù)最好通過實驗室測定。使用稱為

Oldershaw塔的玻璃或金屬篩板塔，塔徑25—50毫米，

篩孔1毫米，開孔率10%左右。塔板數(shù)任意。在20?1140千帕