1、化工分离过程 Chemical Separation Processes,第三章 多组分多级分离过程 分析与简捷计算,2,第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算,3,第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算,多组分精馏： 组分数 c2 求解的变量数目较多变量分析 塔内分布复杂过程分析 计算简捷法：芬斯克恩德伍德吉利兰法（FUG）萃取精馏简化法共沸精馏图解法吸收因子法逆流萃取集团法逐板法：严格计算法（第四章内容）,4,第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算,3.1 设计变量3.1.1 单元的设计变量3.1.2 装置的设计变量 3.2 多组分精馏过程（普通精馏） 3.3 萃取精馏和共沸精馏（特
2、殊精馏） 3.4 吸收和蒸出（解吸）过程 3.5 萃取过程,5,3.1 设计变量,在任何涉及传热和传质的物理分离过程的设备设计过程中，首要的工作就是进行工艺条件独立变量的规定。,Mooson Kwauk(郭慕荪)，1956,6,3.1 设计变量,分离装置的设计的实质就是确定与分离装置相关的各种 物理量的具体数值。,这些物理量之间是相互关联的，从数学的观点来看，如 果这些物理量具有唯一的数值，这些物理量之间制约关系应 该与物理量的数目相等。,在实质分离过程设计中，两者之间常常不相等，为了使 分离过程的计算得以进行，设计者通常要预先对其中的一些 变量规定数值，设计者规定数值的变量称为设计变量。,7
3、,3.1 设计变量,设计者首先要确定出需指定变量的具体数目，再选择变量的具体数值。,唯一解,无数组解,无解,8,3.1 设计变量,例如二元精馏：,可解出：N；,（xWA, xDB, R, 进料位置）,（F, xF ,q, P）,设计变量：确定设计中的已知变量, 固有的4个变量, 规定的4个变量,对于复杂体系变量如何确定？,9,3.1 设计变量,设：Nv系统的独立变量数Nc描述这些独立变量之间的约束关系数,设计变量：,确定设计变量数,（3-1）,10,3.1 设计变量,独立变量数 Nv=出入系统的各股物流的独立变量数+系统与环境的能量（热、功）交换数,相律：,x热交换数，功交换数等,任意单股物流
4、（一股、单相）：,NV=N(c+2)+功进(出)数+能进(出)数,只限于轴功（泵）,若有N股物流，且有功、能交换：,则：,11,3.1 设计变量,Nc变量之间的约束关系数（独立方程数）包括：（1）物料平衡式 （2）能量平衡式 （3）相平衡式 （4）化学平衡关系式 （5）内在关系式,（对c 组分体系有c个）,（对一个体系只有1个）,（对c组分相体系有c（-1）个）,（只考虑无化学反应体系的分离过程，不考虑该约束条件）,（指约定的关系，例如：物流间的温差，压力降的关系式等）,12,3.1 设计变量,固定设计变量,指确定进料物流的那些变量(例如，进料的组成和流量等)以及系统的压力。,需要设计者确定的
5、变量,设计变量,可调设计变量,13,3.1.1 单元的设计变量,例1. 分配器,将复杂化工装置分解成简单单元，求,三股单相物流，无热量引进和移出。 独立变量数为： 约束关系：物料平衡 c能量平衡 1 内在关系: L1和L2 温度、压力相等 2L1和L2 浓度相等 c-1 2c+2 设计变量为：,14,3.1.1 单元的设计变量,例1中的分配器：,对于分配器，可调设计变量为：分配比,固定设计变量为：,进料 c+2压力 1 c+3,可调设计变量为：,15,3.1.1 单元的设计变量,例2. 产物为两相的全凝器,其中：,可指定为平衡单元温度,16,3.1.1 单元的设计变量,例3.简单绝热操作理论板
6、,其中：,有侧线出料的平衡级？,17,3.1.1 单元的设计变量,注意：其中可调设计变量为1的有三类单元。 （分配器、侧线采出单元、换热单元）,各种单元的设计变量归纳在P56的表3-1中， 请大家自己推算。,表中共15种单元。,组合单元：3种,简单单元：12种,有浓度变化的：6种,无浓度变化的：6种,18,3.1.1 单元的设计变量,若干个简单平衡级所组成的组合单元称为串级。 串级单元在精馏塔的变量分析中十分有用。由于串 级单元是重复地应用同一种单元（简单平衡级）， 所以在确定变量总数时，除一般的强度性质（T、P、 浓度等）和容度性质（流率）外，应该另加一个变 量，以说明不同理论板数所组成的串
7、级单元间的区别。 因此，虽然简单平衡级的可调设计变量：,但串级单元的,19,3.1.2 装置的设计变量,装置是由若干个单元所组成，各个单元又是依靠单元间的 物流而连接成一个装置，因此，整个装置的设计变量应为各单 元的设计变量之和。在装置中某一单元被重复使用时，则应该增加一个变量数 以区别于一个这种单元与其他单元连接的情况，这一表示单元 重复使用的变量数为重复变量。此外，由于装置中相互连接的单元之间必有一股或几股物 流，在连接的单元之间有了新的约束关系，显然，每一个连接 两个单元之间的单相物流将产生(c+2)个约束关系，因此，装 置的设计变量为：,20,3.1.2 装置的设计变量,装置的设计变量
8、由各单元的设计变量确定：,N连接单元之间的单相物流数,重复使用一种 单元为Nr=1,每一个连接两个单元之间的单相物流将产生c+2个等式,21,3.1.2 装置的设计变量,例4. 简单吸收塔（N块理论板串级）,（重复使用理论板）为1,2（N-1）股汽、液流量 变量数相等,查表3-1：,22,3.1.2 装置的设计变量,吸收塔的设计变量：,其中：,一般指定为理论板数或关键组分吸收率,此方法易混淆！,23,3.1.2 装置的设计变量,（1）按每一股单相物流有（c+2）个变量，计算进料物流所确定的固定设计变量数； （2）确定装置中具有不同压力的数目； （3）上述两项之和即为装置的固定设计变量数； （4
9、）将串级单元数，分配器数，侧线采出单元数以及传热单元的数目相加，便是装置的可调设计变量数。（*表3-1中Na=1的单元）（5）装置的设计变量：,简便、可靠的确定装置设计变量的郭氏原则：,24,3.1.2 装置的设计变量,（1）固定设计变量的指定：每股物流的温度、压力、流率和(c-1)个组成共有(c+2)个注：多股进料时为c1+2+c2+2+各单元压力：平衡级（包括再沸器） N冷凝器 1分配器 1应与前面的方法相互对应。,设计变量的指定：,（2）可调设计变量的指定有核算型和设计型之分；要注意比较两种指定方法的异同点。,25,3.1.2 装置的设计变量,例5. 简单精馏塔,26,3.1.2 装置的
10、设计变量,（固定设计变量指定）,（可调设计变量指定）,27,3.1.2 装置的设计变量,例6. 分析带有侧线采出的精馏塔的设计变量数，塔顶 为全凝器，塔釜有再沸器，忽略塔内压降。,进料 c+2压力 1 c+3,（固定设计变量）,解:（1）,（固定设计变量）,（2）,28,3.1.2 装置的设计变量,（3）,设计型,29,本次课内容总结,1.基本概念：,（1）设计变量数与独立变量数、独立方程数之间的关系：,4.装置的设计变量规定方法及步骤（郭氏原则）,（2）固定设计变量、可调设计变量的规定方法。,2.单元的设计变量规定,3.装置的设计变量规定,（3-1）,（3-2）,30,作业：P115-116 习题3-1, 3-3,阅读课本 巩固知识,
