2-4闪蒸过程计算

第四节闪蒸过程计算主要内容闪蒸过程简介闪蒸过程类型闪蒸过程计算方程等温闪蒸过程计算绝热闪蒸过程计算闪蒸（FlashVaporization）闪蒸过程实质是一种连续单级蒸馏：液体进料流过阀门等装置，由于压力的突然降低而引起急剧蒸发，产生部分汽化，形成互成平衡的汽液两相，（也可以通过汽相部分冷凝或液相的部分汽化产生平衡的两相）。在混合物的T-X相图上，闪蒸的状态位于混合物的泡点线和露点线之间。通过闪蒸过程可以使易挥发组分在汽相中的浓度提高、难挥发组分在液相中的浓度相应提高，从而达到分离提浓的目的。除非混合物的相对挥发度很大，闪蒸过程获得的分离程度不高，因此，在工业生产实践中，闪蒸通常是作为进一步分离的辅助操作。闪蒸计算的目的就是确定汽、液相的组成和气相分率。闪蒸过程计算方法是许多精馏过程计算的基础，因此、掌握闪蒸过程的计算方法对化学工艺的学生是很重要的。闪蒸计算与泡点及露点计算的关系在泡点时，液相组成等于原料组成，汽化分率等于零；在露点时，汽相组成等于原料组成，汽化分率等于1；闪蒸时，汽液相的组成与总组成不等，汽相分率在0-1之间。对于一个给定闪蒸罐压力和进料组成的体系，泡点和露点温度确定了平衡闪蒸的温度范围。这是用来核实闪蒸问题是否可以成立的依据。闪蒸过程的计算方程（MESH）（1）物料衡算—M方程：C个（3）摩尔分率加和式—S方程：2个（4）热量平衡式—H方程：1个2C＋3,...C,iVyLxFziii21（2）相平衡—E方程：CixKyiii,...2,1C个11Ciix11CiiyLVFLHVHQFH对应解的未知数也应该是2ｃ3个（ｘｉ，ｙｉ，Ｖ，Ｌ，Ｔ或Ｑ）规定变量闪蒸形式输出变量p,T等温Q,V,L,yi,xip,Q=0绝热T,V,L,yi,xip,Q≠0非绝热T,V,L,yi,xip,L(或ψ)部分冷凝Q,T,V,yi,xip(或T),V(或ψ)部分汽化Q,T(或p),L,yi,xi表2-4闪蒸计算类型闪蒸计算有多种规定方法，下表列出了一些常用的类型。闪蒸计算类型的异同点相同点：都是气化过程，说明可按气化公式计算气液两相平衡相当于一块理论板可调设计变量不同不同点：产生气化的原因不同部分气化或部分冷凝：外界交换热绝热闪蒸：不与外界换热，焓变为零气化：除P外还要已知一个条件绝热闪蒸：给定P，体系就固定了第4周第1次课2007年10月8日2.3.1等温闪蒸和部分冷凝过程规定：Ｐ、T计算：Q,V,L,yi,xi汽液相混合物焓值的计算：对于理想溶液，汽液相的焓值分别由纯物质的焓加和求的，对非理想溶液，可以利用物质的偏摩尔焓加和求得。可以利用以上计算结果确定汽相分率的初值。BDBTTTT当相平衡常数不仅是温度和压力的函数，而且还是组成的函数时，求解Rachord-Rice方程就复杂得多，此时一般需要利用计算机编程计算,下面介绍的是两种普遍化算法。)1(1iiiKzx)1(1iiiiKKzy)()()(')()()1(kkkkff)1(1iiiKzx)1(1iiiiKKzy由乙烷(1)、丙烷(2)、正丁烷(3)和正戊烷(4)组成的料液以500kmol/h的流率加入闪蒸室。闪蒸室的压力为1.38MPa(13.6atm)，温度为82.5℃。料液的组成为：试计算汽、液相产品的流率和组成。08.01z22.02z53.03z17.04z闪蒸计算举例①该物系为轻烃混合物，可按理想溶液处理。利用P-T-K图查得：K1=4.80，K2=1.96，K3=0.80，K4=0.33②验证料液的泡点和露点：泡点验证：露点验证：可见两者都大于1，说明料液的泡点Tb82.5℃，露点Td82.5℃，因此在给定温度和压力下，料液将分成汽、液两相，属于闪蒸计算问题。1295.117.033.053.08.022.096.108.08.441＞iiizK1307.133.017.08.053.096.122.08.408.041＞iiiKz③迭代计算料液的汽化率ψ：先设定一个ψ值，代入下式分别计算出ｆ和ｆ’若ｆ(ψ)偏离0，用牛顿迭代法的计算迭代式迭代修正ψ本例取ψ的初值为0.1，迭代到ψ=0.405时，ｆ(ψ)接近0，故汽化率为0.405。iiiiiiiKKzxyf1)1()1()()(iiiiKKzf22']1)1[()1()()()()()()()1(rrrrff)()1(rr④计算汽、液相产量V和L：V=ψF=202.5kmol/h，L=(1-ψ)F=297.5kmol/h⑤利用下式计算汽、液相组成y和x：成分乙烷(1)丙烷(2)丁烷(3)戊烷(4)汽相组成yi0.15120.31050.46130.0770液相组成xi0.03150.15840.57680.23331)1(iiiKzx1)1(iiiiKzKy绝热闪蒸过程计算已知流率、组成、压力、温度（或焓）的液体进料节流膨胀到较低压力便产生部分汽化。绝热闪蒸计算的目的是确定闪蒸温度、汽液相组成及流率。绝热闪蒸问题的计算问题，原则上还是利用物料平衡、相平衡和热量衡算和组成总和方程联立求解。目前工程计算中均选择温度和汽化率为迭代变量。根据物性的差别，又分三种具体的算法。宽沸程绝热闪蒸过程计算所谓宽沸程混合物指的是构成混合物各组分的挥发度相差悬殊，其中一些很容易挥发，而另一些很难挥发，它的特点就是离开闪蒸罐时各相的量几乎完全决定于相平衡常数。对这类体系，在很宽的温度范围内，易挥发组分主要集中在汽相中，而液相中则主要集中了难挥发组分。进料焓值的增加将使温度提高，但是对汽液两相的流率的影响不大，因此，宽沸程闪蒸的热衡算主要取决与T，而不是ψ。对绝热闪蒸过程，用牛顿法迭代法求闪蒸温度,需要构造一个迭代方程。该方程可以利用对热衡算方程，LvFLHVHQFH0)1()(FLvHHHTG0)(FLvFHLHVHTGFV0Q式中各项分别为节流前后物料的摩尔焓,由于节流为绝热过程,故利用该式可以计算汽化率,在压力为已知的条件下,该式中的焓值为温度的函数,因此,假设温度后可以计算出相应的汽化率利用牛顿迭代公式有:其中:FLvkHHHTG)1()()(TTGTGTTkkkk)()()()()()1(PLPVLVkCCdTdHdTdHTTG)1()1()()(0)1(1)1()(iiiKzKf选择T初值计算函数f(ψ)计算G(T)ABS(G(T))≤ε重新估算TABS(f(ψ))＜ε选择ψ初值重新估计ψ宽沸程绝热闪蒸过程计算框图TTGTGTTkkkk)()()()()()1()()()(')()()1(kkkkffNYYN结束0)1()(FLvHHHTG窄沸程绝热闪蒸过程计算窄沸点闪蒸过程特点是混合物中各组分的沸点很接近，因而热量衡算主要受汽化潜热的影响，既主要受汽相分率的影响，改变进料的热焓值会使汽液相流率发生变化，而平衡温度变化不明显。显然，在这时应该内循环温度，外循环迭代汽化率。对窄沸程绝热闪蒸过程，与等温闪蒸一样采用Rachord-Rice方程，迭代T:其中)()()(')()()1(kkkkTGTGTT窄沸程绝热闪蒸的序贯迭代法FLvkHHHTG)1()()(PLPVLVkCCdTdHdTdHTTG)1()1()()(采用热量平衡方程构造迭代函数迭代汽液分率，迭代方程为方程为根据牛顿迭代公式有0)1()(FLvHHHGkLVLFkHHHH)1()()()()1(kkkd计直接迭代法可能产生振荡，这时需引进阻尼因子d加以控制。通常d取值约为0.5。窄沸程绝热闪蒸过程计算框图0)1(1)1()(iiiKzKTf选择ψ初值选择T初值计算f(T)ABS(f(T))≤ε计算G(ψ)ABS(G(ψ))≤ε重新估计ψ重新估计TYYNN输出0)1()(FLvHHHGkLVLFkHHHH)1()()()()1(kkkd计