化工分離工程課件

分離工程

本課程的任務(wù)和內(nèi)容■地位：專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課■前期課程：物理化學(xué)、化工原理、化工熱力學(xué)■重點(diǎn)：1.基本概念的理解

2.討論各種分離方法的特征

3.對(duì)設(shè)計(jì)、分析能力的訓(xùn)練

4.提高解決問(wèn)題能力課程要求：◆分離過(guò)程的基本理論

◆簡(jiǎn)捷和嚴(yán)格計(jì)算方法

◆對(duì)新分離技術(shù)有一定了解第一章緒論1.1分離過(guò)程在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用1.2

傳質(zhì)分離過(guò)程的分類(lèi)和特征1.3.分離過(guò)程的研究?jī)?nèi)容與研究方法

§1—1分離操作在化工生產(chǎn)中的地位

原料預(yù)處理反應(yīng)分離粗產(chǎn)品精制產(chǎn)品分離工程三廢處理核心1.1分離操作在化工生產(chǎn)中的地位反應(yīng)工程化工工藝學(xué)§1—2分離過(guò)程的特征與分類(lèi)

一、分離過(guò)程的特征

幾種物質(zhì)混合在一起的過(guò)程是自發(fā)的，混亂度或熵增加的過(guò)程

原料

（混合物）

分離設(shè)備

產(chǎn)品1

產(chǎn)品2

分離劑（物質(zhì)或能量）

分離某種混合物成為不同產(chǎn)品的過(guò)程，是熵減小的過(guò)程，不能自發(fā)進(jìn)行1.2分離過(guò)程的特征與分類(lèi)需要外界對(duì)系統(tǒng)作功（或輸入能量）方能進(jìn)行二、分離因子（1）分離因子的定義

假設(shè)要將i、j兩組分構(gòu)成的混合物分離成1、2兩種產(chǎn)品，兩種產(chǎn)品中兩組分的含量分別用xi1、xj1、xi2、xj2表示。比較這兩個(gè)組分在兩種產(chǎn)品中的含量關(guān)系，就可以判定這兩個(gè)組分在兩種產(chǎn)品中的分離程度：

分離因子與1的偏離程度表示組分之間分離的難易程度。當(dāng)αij＝1時(shí)，兩組分在兩產(chǎn)品中的含量相同，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分離；當(dāng)αij接近1時(shí)，兩組分在兩產(chǎn)品中的含量相近，難以實(shí)現(xiàn)分離；當(dāng)αij遠(yuǎn)離1時(shí)，兩組分在兩產(chǎn)品中的含量差別大，容易實(shí)現(xiàn)分離。精餾中，分離因子又稱(chēng)為相對(duì)揮發(fā)度，它相對(duì)于汽液平衡常數(shù)而言，對(duì)溫度和壓力的變化不敏感，可近似看作常數(shù)，使計(jì)算簡(jiǎn)化。三、分離過(guò)程的分類(lèi)

按分離過(guò)程中有無(wú)物質(zhì)傳遞現(xiàn)象發(fā)生

1、機(jī)械分離過(guò)程對(duì)象：非均相混合物特點(diǎn)：用機(jī)械法將非均相物系分離，而相間并無(wú)物質(zhì)傳遞發(fā)生

2、傳質(zhì)分離過(guò)程

特點(diǎn)：相間有質(zhì)量傳遞現(xiàn)象

1.2分離過(guò)程的特征與分類(lèi)①平衡分離

利用兩相平衡組成不等的原理常采用平衡級(jí)（理論板）作為處理手段，并把其它影響歸納于效率中氣液傳質(zhì)過(guò)程:

如吸收、氣體的增濕和減濕汽液傳質(zhì)過(guò)程:

如液體的蒸餾和精餾液液傳質(zhì)過(guò)程:

如萃取液固傳質(zhì)過(guò)程:

如結(jié)晶、浸取、吸附、離子交換、色層分離、參數(shù)泵分離等氣固傳質(zhì)過(guò)程:

如固體干燥、吸附等1.2分離過(guò)程的特征與分類(lèi)②速率分離

利用溶液中不同組分在某種推動(dòng)力（如壓差、濃度差、電位差）作用下經(jīng)過(guò)某種介質(zhì)（如半透膜）時(shí)的傳質(zhì)速率（透過(guò)率、遷移率、擴(kuò)散速率）差異而實(shí)現(xiàn)分離特點(diǎn)：所處理的物料和產(chǎn)品屬于同一相態(tài)，僅有組成的差別

速率分離膜分離場(chǎng)分離1.2分離過(guò)程的特征與分類(lèi)如微濾、超濾、反滲透、電滲析等。例題詳解1、分離作用是由于加入（分離劑）而引起的，因?yàn)榉蛛x過(guò)程是（熵減過(guò)程）。2、分離過(guò)程是（混合過(guò)程）的逆過(guò)程，因此需加入（分離劑）來(lái)達(dá)到分離目的。3、工業(yè)上常用（分離因子）表示特定物系的分離程度，汽液相物系的最大分離程度又稱(chēng)為（固有分離因子）。例題詳解4、分離因子（等于1），則表示組分i及j之間不能被分離。5、速率分離的機(jī)理是利用溶液中不同組分在某種（推動(dòng)力）作用下經(jīng)過(guò)某種介質(zhì)時(shí)的（傳質(zhì)速率）差異而實(shí)現(xiàn)分離。6、分離過(guò)程是將一混合物轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成（互不相同）的兩種或幾種產(chǎn)品的操作。7、分離過(guò)程中按有無(wú)物質(zhì)傳遞現(xiàn)象發(fā)生來(lái)劃分，分離過(guò)程可分為機(jī)械分離和

傳質(zhì)分離

。第二章單級(jí)平衡過(guò)程內(nèi)容：

內(nèi)容：

各組分物系汽液平衡單級(jí)平衡過(guò)程的計(jì)算第二章單級(jí)平衡過(guò)程第一節(jié)相平衡第二節(jié)多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算第三節(jié)閃蒸過(guò)程的計(jì)算2.1.1相平衡條件

一、相平衡條件

相平衡：由混合物或溶液形成若干相，這些相保持物理平衡而共存狀態(tài)。

熱力學(xué)上看—物系的自由焓最小

動(dòng)力學(xué)上看—相間表觀傳遞速率為零相平衡條件：引入逸度系數(shù)：

if引入活度系數(shù)：ig

1.汽液平衡

汽液平衡關(guān)系式：2.液液平衡

由（2-7）：基準(zhǔn)態(tài)相等二、相平衡常數(shù)和分離因子

定義：精餾、吸收：稱(chēng)汽液相平衡常數(shù)液液萃?。阂阂合嗥胶獬?shù)（或分配系數(shù)）—三、用表示平衡關(guān)系ijiKa,2.1.2相平衡常數(shù)的計(jì)算一、狀態(tài)方程法二、活度系數(shù)法

一、狀態(tài)方程法由（2—8）：

由P—V—T關(guān)系計(jì)算LiViff,推導(dǎo)略以V為自變量：以P為自變量：(2-16)推導(dǎo)：積分后得（2-16）（2—15）、（2—16）適用于氣、液、固相，是計(jì)算的普遍化方法。注意：只要知道狀態(tài)方程就可代入求1.用Vander

waals方程計(jì)算Vander

waals方程：——a、b為Vander

waals常數(shù)將（2—15）積分后代入以上結(jié)果：二、活度系數(shù)法由（2—9）和（2—12）：

已解決

對(duì)，分別討論

igiVfiOLf恢復(fù)小結(jié)相平衡常數(shù)法相對(duì)揮發(fā)度法狀態(tài)方程法活度系數(shù)法相平衡關(guān)系表達(dá)方法相平衡關(guān)系法

根據(jù)分子間作用力不同,汽相可分為以下三類(lèi)(1)理想氣體的混合物

此時(shí)，P-V-T關(guān)系服從理想氣體定律（2-24）二、汽液平衡的分類(lèi)與計(jì)算

⑴汽液平衡的分類(lèi)2.2相平衡關(guān)系的計(jì)算(2)實(shí)際氣體的理想溶液（實(shí)際氣體的理想混合物）（2-25）(3)實(shí)際氣體二、汽液平衡的分類(lèi)與計(jì)算

⑴汽液平衡的分類(lèi)2.2相平衡關(guān)系的計(jì)算二、汽液平衡的分類(lèi)與計(jì)算

⑴汽液平衡的分類(lèi)與此類(lèi)似，液相也可分為理想溶液和實(shí)際溶液（與實(shí)際氣體對(duì)應(yīng)）兩類(lèi)，但不存在理想氣體那樣的溶液。對(duì)理想溶液（2-26）則：三類(lèi)不同汽相和兩類(lèi)不同液相可以組合成以下五類(lèi)汽-液平衡系統(tǒng),它們的平衡常數(shù)計(jì)算如下：(1)氣相為理想氣體，液相為理想溶液稱(chēng)為完全理想系化簡(jiǎn)得：1111二、汽液平衡的分類(lèi)與計(jì)算

⑴汽液平衡的分類(lèi)2.2相平衡關(guān)系的計(jì)算(2)氣相為理想氣體，液相為非理想溶液化簡(jiǎn)得：111二、汽液平衡的分類(lèi)與計(jì)算

⑴汽液平衡的分類(lèi)2.2相平衡關(guān)系的計(jì)算(3)氣相為理想溶液，液相為理想溶液

稱(chēng)為理想系化簡(jiǎn)得：iV1即fiL二、汽液平衡的分類(lèi)與計(jì)算

⑴汽液平衡的分類(lèi)2.2相平衡關(guān)系的計(jì)算(4)氣相為理想溶液，液相為非理想溶液化簡(jiǎn)得：iV即fiL二、汽液平衡的分類(lèi)與計(jì)算

⑴汽液平衡的分類(lèi)2.2相平衡關(guān)系的計(jì)算(5)氣相為實(shí)際氣體，液相為非理想溶液

稱(chēng)為完全非理想系二、汽液平衡的分類(lèi)與計(jì)算

⑴汽液平衡的分類(lèi)2.2相平衡關(guān)系的計(jì)算例2—1：計(jì)算乙烯的相平衡常數(shù)

實(shí)驗(yàn)值：已知：T=311KP=344.2kPa

Tc=282.4KPc=5034.6kPa

解：1.按理想氣體、理想溶液計(jì)算

2.汽液均按理想溶液計(jì)算

A.逸度系數(shù)法

與實(shí)驗(yàn)值相近泡點(diǎn)溫度(壓力):在恒壓(溫)下加熱液體混合物,當(dāng)液體混合物開(kāi)始?xì)饣霈F(xiàn)第一個(gè)氣泡時(shí)的溫度(壓力),簡(jiǎn)稱(chēng)泡點(diǎn)。露點(diǎn)溫度(壓力):在恒壓(溫)下冷卻氣體混合物,當(dāng)氣體混合物開(kāi)始冷凝出現(xiàn)第一個(gè)液滴時(shí)的溫度(壓力),簡(jiǎn)稱(chēng)露點(diǎn)。

2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算

規(guī)定液相組成xi和壓力p（或溫度T），計(jì)算氣相組成yi

和溫度T（或壓力p）。已知：xi、P

計(jì)算：yi

、T泡點(diǎn)溫度計(jì)算已知：xi

、T計(jì)算：yi

、P

泡點(diǎn)壓力計(jì)算2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算

一、泡點(diǎn)溫度和壓力的計(jì)算一、泡點(diǎn)溫度和壓力的計(jì)算

⑴泡點(diǎn)計(jì)算與有關(guān)方程

已知

求

①相平衡關(guān)系：

②濃度總和式：

③相平衡常數(shù)關(guān)聯(lián)式：

⑵計(jì)算方法

①平衡常數(shù)與組成無(wú)關(guān)的泡點(diǎn)計(jì)算

2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算

2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算

已知P得到KiKixiF(T)=|Kixi-1|<yesT，yino調(diào)整T泡點(diǎn)方程：or假定Te為試差的允許偏差一般取0.01~0.001①手算計(jì)算思路1)TB計(jì)算（1）平衡常數(shù)與組成無(wú)關(guān)的泡點(diǎn)計(jì)算2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算45（1）溫度T初值的選定取純物質(zhì)的沸點(diǎn)作為溫度的迭代初值（2）Ki值的獲得1）p-T-Ki

圖（烴類(lèi)物系）2）簡(jiǎn)化表達(dá)式：3）經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（1）平衡常數(shù)與組成無(wú)關(guān)的泡點(diǎn)計(jì)算2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算（3）溫度T的調(diào)整Ki

與P、T的關(guān)系PKTK說(shuō)明>1說(shuō)明所設(shè)偏高，應(yīng)降低重設(shè)<1說(shuō)明所設(shè)偏低，應(yīng)提高重設(shè)（1）平衡常數(shù)與組成無(wú)關(guān)的泡點(diǎn)計(jì)算2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算仍然依據(jù)的是泡點(diǎn)方程：當(dāng)氣相為理想氣體，液相為理想溶液時(shí)：當(dāng)氣相為理想氣體，液相為非理想溶液時(shí)：2)PB計(jì)算（1）平衡常數(shù)與組成無(wú)關(guān)的泡點(diǎn)計(jì)算2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算①平衡常數(shù)與組成無(wú)關(guān)的泡點(diǎn)計(jì)算

a.

p-T-K列線圖

b.⑴手算

設(shè)

思路：調(diào)整T（p）

N2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算

②平衡常數(shù)與組成有關(guān)的泡點(diǎn)計(jì)算

比較不變

調(diào)整T（p）

2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算

規(guī)定氣相組成yi

和壓力p（或溫度T），計(jì)算液相組成xi

和溫度T（或壓力p）。已知：yi

、P

計(jì)算：xi

、T露點(diǎn)溫度計(jì)算已知：yi

、T計(jì)算：xi

、P

露點(diǎn)壓力計(jì)算二、露點(diǎn)溫度和壓力的計(jì)算

2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算二、露點(diǎn)溫度和壓力的計(jì)算

⑴露點(diǎn)計(jì)算與有關(guān)方程

已知：

求

①相平衡關(guān)系：

②濃度總和式：

③相平衡常數(shù)關(guān)聯(lián)式：

⑵計(jì)算方法

①平衡常數(shù)與組成無(wú)關(guān)的露點(diǎn)計(jì)算

2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算

？已知P得到Kiyi/KiF(T)=|yi/Ki-1

|<yesT，yino調(diào)整T露點(diǎn)方程：或1)TD計(jì)算(1)Ki與組成無(wú)關(guān)的露點(diǎn)計(jì)算：假定T①手算計(jì)算思路二、露點(diǎn)溫度和壓力的計(jì)算

2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算

溫度T的調(diào)整T設(shè)高了，降低TT設(shè)低了，提高TT的調(diào)整幅度可采用牛頓－拉普森法：二、露點(diǎn)溫度和壓力的計(jì)算

2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算(1)Ki與組成無(wú)關(guān)的露點(diǎn)計(jì)算：仍然依據(jù)的是露點(diǎn)方程：當(dāng)氣相為理想氣體，液相為理想溶液時(shí)：2)PD計(jì)算二、露點(diǎn)溫度和壓力的計(jì)算

2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算加速收斂法為使第n次試差時(shí)：二、露點(diǎn)溫度和壓力的計(jì)算

2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算

為了快速找到第n次試差時(shí)應(yīng)假設(shè)的溫度（或壓力），應(yīng)有：這樣便可由P-T-K圖查出應(yīng)假設(shè)的T值

同理對(duì)露點(diǎn)壓力計(jì)算的迭代式為：二、露點(diǎn)溫度和壓力的計(jì)算

2.3多組分物系的泡點(diǎn)和露點(diǎn)計(jì)算例題講解一烴類(lèi)混合物含甲烷5%(mol)，乙烷10%，丙烷30%及異丁烷55%，試求混合物在25℃時(shí)的泡點(diǎn)壓力和露點(diǎn)壓力。解：因?yàn)楦鹘M分都是烷烴，所以汽、液相均可以看成理想溶液，值只取決于溫度和壓力?？墒褂脽N類(lèi)的P-T-K圖。⑴泡點(diǎn)壓力的計(jì)算：

假設(shè)P=2.0MPa，因T=25℃，查圖（P21)求Ki組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919=0.919＜1，說(shuō)明所設(shè)壓力偏高，重設(shè)P=1.8MPa;組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.009.41.950.620.280.470.1950.1860.1541.005=1.005≈1，故泡點(diǎn)壓力為1.8MPa。

⑵露點(diǎn)壓力的計(jì)算：假設(shè)P=0.6MPa，因T=25℃,查圖求.組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.0026.05.01.60.640.00190.020.18750.85941.0688=1.0688＞1.00，說(shuō)明壓力偏高，重設(shè)P=0.56MPa。

.組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.0027.85.381.690.680.00180.01860.17750.80881.006=1.006≈1，故露點(diǎn)壓力為0.56MPa。2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算

一、等溫閃蒸

二、絕熱閃蒸2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算掌握了解單級(jí)平衡：原料經(jīng)過(guò)分離設(shè)備后，假設(shè)物系在出口處汽、液兩相達(dá)到了平衡,由于平衡的兩相組成不同而實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程，其分離效果相當(dāng)于一塊理論級(jí)。

2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算

閃蒸又稱(chēng)平衡蒸餾,是連續(xù)、穩(wěn)態(tài)的單級(jí)蒸餾過(guò)程,該過(guò)程使進(jìn)料混合物經(jīng)加熱、冷卻或降壓部分汽化或冷凝得到含易揮發(fā)組分較多的蒸汽和含難揮發(fā)組分較多的液體,即一個(gè)平衡級(jí)過(guò)程。普通精餾塔中的平衡級(jí)就是一簡(jiǎn)單絕熱閃蒸級(jí).2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算

液體混合物的部分汽化汽體混合物的部分冷凝液體混合物的絕熱閃蒸手段：加熱、冷卻和降壓特點(diǎn)：平衡蒸餾——一個(gè)平衡級(jí)分離一、等溫閃蒸

(Isothermal

Flash)⑴混合物的相態(tài)

2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算？2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算

⑴混合物的相態(tài)

判斷混合物在指定溫度和壓力下是否處于兩相區(qū)=1

進(jìn)料處于泡點(diǎn)

>1

可能為汽液兩相區(qū)

<1

進(jìn)料為過(guò)冷液體

=1

進(jìn)料處于露點(diǎn)

>1

可能為汽液兩相區(qū)

<1

進(jìn)料為過(guò)熱蒸汽

2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算n=0n>0n=1n<1⑴混合物的相態(tài)也可分別用泡露點(diǎn)方程計(jì)算閃蒸壓力下的泡露點(diǎn)溫度，若當(dāng)混合物處于汽液兩相區(qū)

2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算混合物處于汽液兩相區(qū)(0<n<1),可進(jìn)行等溫閃蒸的計(jì)算即閃蒸問(wèn)題成立混合物的相態(tài)判斷過(guò)冷液體兩相區(qū)過(guò)熱蒸汽∑Kizi<1∑Kizi>1,∑zi/Ki>1TD>T>TB∑zi/Ki<1

2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算閃蒸過(guò)程的計(jì)算方程（MESH）（1）物料衡算—M方程：C個(gè)（3）摩爾分率加和式—S方程：2個(gè)（4）熱量平衡式—H方程：1個(gè)2C＋3（2）相平衡—E方程：C個(gè)2.4單級(jí)平衡分離過(guò)程計(jì)算規(guī)定變量閃蒸形式輸出變量P,T等溫Q,V,L,yi,xiP,Q=0絕熱T,V,L,yi,xiP,Q≠0非絕熱T,V,L,yi,xiP,L