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化工分离过程化工分离过程教师：孙章教师：孙章化学工程学院化学工程学院目录目录第一章绪论第二章单级平衡过程第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算第四章多组分多级分离的严格计算第五章分离设备的处理能力和效率第六章分离过程的节能第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算在实际的化工生产中，遇到的更多的是多组分的分离或提纯问题，即多组分多级分离过程。多组分多级分离特点1.组分数C22.求解数目较多方程——变量分析3.塔内分布复杂——过程分析简捷法：Fenske-Undewood-Gilliland法4.计算共沸精馏图解法、萃取精馏简化法吸收因子法、逆流萃取集团法逐板法：严格计算（非本章内容）第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算第一节设计变量第二节多组分精馏过程第三节萃取精馏和共沸精馏第四节吸收和蒸出过程第一节设计变量3.1.13.1.1单元的设计变量单元的设计变量3.1.23.1.2装置的设计变量装置的设计变量一、设计变量当用一组独立的方程式描述一个分离过程时，方当用一组独立的方程式描述一个分离过程时，方程程式中变量的个数往往多于方程的数目，若要使式中变量的个数往往多于方程的数目，若要使方程有唯一解，必须指定一部分变量的值，称这方程有唯一解，必须指定一部分变量的值，称这部分变量为部分变量为设计变量设计变量。所以设计变量的概念是：。所以设计变量的概念是：为求唯一解，指定的那些变量。为求唯一解，指定的那些变量。在设计中，给定数值的物理量数目一定要等于设在设计中，给定数值的物理量数目一定要等于设计变量数，否则设计无法进行。那么这个物理量计变量数，否则设计无法进行。那么这个物理量的数目称为的数目称为设计变量数设计变量数。。二元精馏二元精馏设计变量：F、xi、q、p、xW、xD、R可求得：适宜进料位置及N精，N提，Q冷，Q再。对于复杂体系变量如何确定？二、设计变量数的确定方法Nv：系统的独立变量数Nc：这些变量之间的约束关系数描述约束关系的独立方程式的数目设计变量Ni：Ni=Nv-NciCVNNN，，如何确定独立变量Nv若N股物流，且有功、能交换：Nv=自由度数（f）+物流数（一股）任意单股物流（一股、单相）：=C-π+2+1=C+2Nv=N（C+2)+功（进）出数+能（进）出数约束条件数Nc：物料平衡式：物料平衡式：CC个个能量平衡式：能量平衡式：11个个相平衡关系式：相平衡关系式：22相，相，CC个，个，多相，多相，CC（（ππ--11）个）个化学平衡关系式：化学平衡关系式：一般无一般无内在关系式：内在关系式：物流间的温度关系、压力关物流间的温度关系、压力关系、浓度关系等系、浓度关系等3.1.13.1.1单元的设计变量单元的设计变量NNiiee在化工流程中，组成某一生产装置的简单过程称为单元。首先确定单元的设计变量数，再进一步确定装置的设计变量数变量：Nve—单元的独立变量数目Nce—单元的约束条件数Nie—单元的设计变量数则：Nie=Nve-NceNve的确定：考虑某单元中的一个单相物流股：Nv=c-π+2+1=c+2—单相，考虑单元中的n个流股：Nve=n（c+2）Nce的确定：物料衡算式能量平衡式相平衡关系式等量关系式例1.计算分配器的设计变量FFFPTxF,,,PTxLL,,,11PTxLL,,,22Nve=3(c+2)=3c+6物流数：3每一物流均为单相：Nve=c+2NNccee物料衡算式：c个能量衡算式：1个等量关系：P1=P2，T1=T22个x1,i=x2i(i=1~c)c-1个Nie=Nve–Nce=3c+6-2c-2=c+4Nce=2c+2设计变量分类固定设计变量Nxe：进料物流变量和系统压力可调设计变量Nаe：除Nxe的其他变量Nae=Nie-Nxe对例1中的分配器来说：Nxe：进量变量：c+2(F,xF,i,TF,PF)压力等级数：1（单元中有几个不同的压力）c+3所以：Nae=c+4-(c+3)=1可规定FL1FL2或例2.产物为两相的全凝器1343124)32()73(=+−+=+=++=+=+−+=∴）（）（）（其中：CCeaNCCexNCCCNeiLBFLAQ73123)()2(+=++=++=CCCeNV）（数出热进物流数2C+32C+3ΣΣ22二相二相TT，，PP相等相等CC相平衡相平衡11热量衡算热量衡算CC物料衡算物料衡算数数方程方程可指定为平衡单元温度Nce例3.简单绝热操作理论板05212252)32()84(=+=++=+=+−+=∴eaNCCexNCCCNei）（其中：oViVOLiL84)2(4)2(+=+=+=CCCeNV物流数2C+32C+3ΣΣ22二相二相TT，，PP相等相等CC相平衡相平衡11热量衡算热量衡算CC物料衡算物料衡算数数方程方程Nce我把各种单元的设计变量归纳在表3—1中，你可以去查哟！设计变量真难！3.1.23.1.2装置的设计变量装置的设计变量NNiiuu一个装置是由若干个单元组成的，其设计变量数以Niu表示。∴Niu=ΣNNiiee约束关系：Ncu在各单元的连接处，一个单元的出料为另一个单元的进料Ncu：对两单元之间每一单相物流：流率1个浓度c-1个压力1个温度1个c+2个重复设计变量Nr：单元重复使用的变量数完全相同的多个单元串联时，称为串级则需增加一个变量，称重复设计变量装置的设计变量为：Niu=ΣNie+Nr-Ncu例4.简单吸收塔（N块理论板串级）NNiiee=2c+5(=2c+5(例例33））ΣΣNNiiee==NN(2c+5)=2(2c+5)=2NNc+5c+5NND=VnLn+1=SF=V0L1N-14N312NrNr=1=1多次重复使用理论版多次重复使用理论版NNccuu=2(=2(NN--1)(c+2)1)(c+2)((NN--1)1)股气、液流量股气、液流量(25)1(1)[2(2)]25ueuNNNNiirCNCNCCN=+−∑=++−−+=++(2)22241uxuuuaixNcCNCNNNN=++=++=++=−=其中：进料变量数每级压力（）指定为理论板数或关键组分吸收率例5.简单精馏塔，一个进料口，设全凝器和再沸器2MM+1M+2NFDW=L11010C+N+27C+N+27C+4C+4再沸器再沸器2C+(M2C+(M--1)+51)+5(M(M--1)1)板平衡串板平衡串级级3C+73C+7进料板进料板2C+2C+(N(N--MM--1)+51)+5NN--(M+1)(M+1)板平板平衡串级衡串级C+4C+4回流分配器回流分配器C+4C+4全全凝器凝器单元单元∑eiN∑9股单元物流数54229)189()2710(189)2(9=−=++=+++=++=+−++=+=+=uxuiuauxuiuCNNNNCNCNNCCNCNCCN）（其中：故：:uxNC+N+4C+N+4合计合计11回流分配器压力回流分配器压力11全全凝器压力凝器压力NN每级压力每级压力((包括再沸器包括再沸器))C+2C+2进料进料55合计合计1111（（D/FD/F））11进料位置进料位置11理论板数理论板数11回流温度回流温度）（DLN1+:uaN用上述方法()ueuiirciNNNN=+−∑，当单元较多时，不方便，而由Nxu和Nau计算Niu比较方便。即按装置的固定设计变量Nxu和可调设计变量Nau分别计算Nxu：整个装置的进料变量数和装置的压力等级数Nau：单元的Nae之和加重复设计变量数Niu=Nxu+Nau装置的进料变量数一股单相物流有c+2个进料变量，若有n股进料则：进料变量数：n（c+2）若某股进料与装置的压力相同，（无阀门），说明这股进料变量数为c+1。压力等级数：压力等级数：若装置内无阀门，压力等级数为若装置内无阀门，压力等级数为11，有，有11个阀门为个阀门为22，，有有NN个阀门时，压力等级数为个阀门时，压力等级数为N+1N+1。。NNaauu：只考虑：只考虑NNaaee不为零不为零的单元的单元串联单元数目分配器数目换热器数目侧线采出数目重复设计变量：重复设计变量：NNrruu完全相同的单元串联，完全相同的单元串联，NNrruu=1=1例5:Nxu：进料变量数：1×（c＋2）=c＋2压力等级：N+1+1c+N+4Nau：分配器1换热器2串级数25与上述结果相同。例6.带一个侧线采出口的精馏塔,设塔内与进料压力相等11压力等级数压力等级数C+3C+3合计合计C+2C+2进料变量数进料变量数:uxN:uaN77合计合计22及传热单元数目及传热单元数目11侧线采出单元数目侧线采出单元数目11分配器的数目分配器的数目33串级串级单元数单元数带侧线采出口，Nau比无侧线采出口增加2，一般这两个可调设计变量常被用来指定侧线流率及侧线采出口位置设计变量的指定固定设计变量部分用于规定进料组成（x1，x2，┄┄xi）、流率（F）、状态（q）和设备中的压力（P）。可调设计变量的选择应参考该部分设计变量的来源。¾分配器得来的Na用于规定侧线采出的流量S和侧线口的位置¾换热单元得来的Na用于规定换热器出口的温度或换热器的换热面积或换热量；¾有串级数得来的Na用于规定每个串级是由几个单元组成的作业：P115：1,3题