1、傳質分離工程傳質分離工程劉 豐第三章第三章 氣液傳質分離過程氣液傳質分離過程本章內容本章內容 3.1 3.1 設計變量設計變量 3.2 3.2 多組分精餾多組分精餾 3.3 3.3 特殊精餾特殊精餾 3.4 3.4 間歇精餾間歇精餾 3.5 3.5 吸收與解吸吸收與解吸雙組分和多組分精餾的異同雙組分和多組分精餾的異同相同點相同點：基本原理一致基本原理一致主要工具相同：物料衡算，熱衡衡算，相平衡關系主要工具相同：物料衡算，熱衡衡算，相平衡關系不同點不同點：雙組分常用圖解法雙組分常用圖解法多組分常用多組分常用簡捷法簡捷法嚴格計算法（計算機算嚴格計算法（計算機算）精餾是化工生產中常用的分離方法精餾是

2、化工生產中常用的分離方法 化工生產實際中，遇到的多是化工生產實際中，遇到的多是組分數組分數C2或復雜物系的分或復雜物系的分離和提純問題。離和提純問題。 對多組分分離裝置的計算，就意味著，涉及到的對多組分分離裝置的計算，就意味著，涉及到的變量多變量多，就需要用聯立或者迭代法解很多獨立方程，并且需要規定足夠就需要用聯立或者迭代法解很多獨立方程，并且需要規定足夠多的多的設計變量設計變量，使得，使得未知變量未知變量的數目正好等于的數目正好等于獨立方程獨立方程數。數。 到底需要規定多少設計變量才能唯一確定出其他各個物理到底需要規定多少設計變量才能唯一確定出其他各個物理量的值？量的值？如何去規定設計變量？

3、如何去規定設計變量？這通常是這通常是分離計算分離計算中，第一步中，第一步就涉及到的問題。就涉及到的問題。3.1 3.1 設計變量設計變量Independent Design VariablesIndependent Design Variables物理量：物理量： 流率、濃度、溫度（物流、系統）、壓力、熱流率、濃度、溫度（物流、系統）、壓力、熱負荷、機械功、傳熱面積、理論板數等。負荷、機械功、傳熱面積、理論板數等。 設計前需預先給定數值的變量稱為設計前需預先給定數值的變量稱為設計變量設計變量。設計變量的個數稱為設計變量的個數稱為設計變量數設計變量數。例如：兩組分精餾，一股進料，只有頂、釜采出，

4、例如：兩組分精餾，一股進料，只有頂、釜采出，則很簡單，但對于多線采出等復雜情況，則需知道則很簡單，但對于多線采出等復雜情況，則需知道確定的方法。確定的方法。設計前需給定數值的變量設計前需給定數值的變量 Total condenserReflux drum Top stage Bottom stage Feed stage Overhead vaporFeed stream flow rateA concentration in feedFeed condition in distillationpressureA or B concentration in distillateA or B r

5、ecovery ratio in bottomsReflux ratioNumber of theoretical stages (feed stage location)Heat duties (total condenser & reboiler)calculationKnown variablesSpecified variables已知變量規定變量設計變量數ND: independent design variables變量總數NV: all pertinent variables約束關系數Nc: the total number of independent equation

6、s relating the variables強度變量：intensive variables, such as temperature, pressure, concentration容度變量：extensive variables, such as stream flow rate, heat transfer rate設備參數：equipment parameters, such as the number of equilibrium stages確定設計變量數遵循的一般原則：確定設計變量數遵循的一般原則： C CV VD DN NN NN N- -= =設計變量數設計變量數 系統的

7、系統的總變量數總變量數 變量之間的變量之間的約束關系數約束關系數 bzyxazyx27舉例舉例:123iCvNNN則其中：VN出入物流變量數能量交換數（熱、功）出入物流變量數能量交換數（熱、功） (1)(1)物流變量數物流變量數 任一物流的自由度任一物流的自由度：2 P P- - Cf組分數組分數 相數相數 對于單相流股：對于單相流股：1 P P1 Cf完全描述一個流動流股還應加上該流股的流率。完全描述一個流動流股還應加上該流股的流率。因此對于任一單相流股獨立變量數：因此對于任一單相流股獨立變量數：21) 1( CCNV(2)(2)能量交換數能量交換數 系統與環境間能量交換數的確定：有一股熱量

8、交系統與環境間能量交換數的確定：有一股熱量交換，增加一個變量數。既有一股熱量交換，又有換，增加一個變量數。既有一股熱量交換，又有一股功交換時，應增加兩個變量數。一股功交換時，應增加兩個變量數。 系系統統的的總總變變量量數數CN依據約束關系式依據約束關系式(1)(1)物料衡算式物料衡算式 有有C C個組分的系統，能夠建立個組分的系統，能夠建立C C個物料衡算式。個物料衡算式。(2)(2)能量衡算式能量衡算式 (3)(3)相平衡關系式相平衡關系式 (4)(4)化學反應平衡式化學反應平衡式 (5)(5)內在關系式內在關系式 每個系統只有每個系統只有1 1個能量衡算式。個能量衡算式。根據相平衡條件根據

9、相平衡條件( (逸度相等、壓力相等、溫度逸度相等、壓力相等、溫度相等相等) )能夠建立能夠建立 C(C(P P-1)+2 1)+2 個相平衡關系式。個相平衡關系式。對于無化學反應的系統，化學平衡關系式數為對于無化學反應的系統，化學平衡關系式數為0 0。通常指已約定的關系，或者設備為了達到應有的效果，還需要滿足的通常指已約定的關系，或者設備為了達到應有的效果，還需要滿足的關系。如關系。如物料間的溫度差物料間的溫度差、壓力降的關系式壓力降的關系式等。等。約定的關系，如：物料溫度、壓力相等。約定的關系，如：物料溫度、壓力相等。約約束束關關系系數數3.1.1單元的設計變量單元的設計變量Design v

10、ariables for elements 一個化工流程由很多裝置組成，而每個裝置又可以分一個化工流程由很多裝置組成，而每個裝置又可以分解為多個進行簡單過程的單元。解為多個進行簡單過程的單元。確定單元的設計變量遵循前述的一般原則即可：確定單元的設計變量遵循前述的一般原則即可：單元單元裝置裝置流程流程eceveDNNN- - 例1. 絕熱分配器絕熱分配器 出入物流變量數：出入物流變量數：LL1L2（C+2C+2）3 3能量交換數：能量交換數：0 0+)+)NvNv = 3C+6 = 3C+6物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡關系式：相平衡關系式：化學反應平衡式：化學反應平衡式

11、：內在關系式：內在關系式：C C1 10 00 0L L1 1和和L L2 2的的T T、P P、組分濃度相等、組分濃度相等 2 2C-1C-1NcNc = 2C+2 = 2C+2N ND De e = = N Nv ve eN Nc ce e = C+4 = C+4VNeCNe設計變設計變量N ND D可進進一步分為為： 固定設計變量固定設計變量N Nx x可調設計變量可調設計變量N Na aN Nx x = = 進料物流變量數系統的壓力進料物流變量數系統的壓力固定設計變量固定設計變量N Nx x = = 進料壓力（進料壓力（C+2C+2）+1+1LL1L2分配器分配器可調設計變量可調設計變

12、量N Na a = = N ND D- -N Nx x=(C+4)-(C+3)=1=(C+4)-(C+3)=1分配比分配比N ND D- -N Nx xeaexeDNNN例2. 產產物為兩為兩相的全凝器 出入物流變量數：出入物流變量數：（C+2C+2）3 3能量交換數：能量交換數：1 1+)+)NvNv = 3C+7 = 3C+7物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡關系式：相平衡關系式：化學反應平衡式：化學反應平衡式：內在關系式：內在關系式：C C1 1C(C(P P-1)+2=C+2-1)+2=C+20 00 0NcNc = 2C+3 = 2C+3N ND De e = =

13、 N Nv ve eN Nc ce e = C+4 = C+4VL1L2QVNeCNe固定設計變量固定設計變量N Nx x = = 進料壓力（進料壓力（C+2C+2）+1+1可調設計變量可調設計變量N Na a = = N ND D- -N Nx x=(C+4)-(C+3)=1=(C+4)-(C+3)=1VL1L2Q 產物為兩相的全凝器產物為兩相的全凝器 如單元溫度或引入的冷量如單元溫度或引入的冷量例3. 絕熱絕熱操作的簡單簡單平衡級級 出入物流變量數：出入物流變量數：（C+2C+2）4 4能量交換數：能量交換數：0 0+)+)NvNv = 4C+8 = 4C+8物料衡算式：物料衡算式：能量衡

14、算式：能量衡算式：相平衡關系式：相平衡關系式：化學反應平衡式：化學反應平衡式：內在關系式：內在關系式：C C1 1C(C(P P-1)+2=C+2-1)+2=C+20 00 0NcNc = 2C+3 = 2C+3N ND De e = = N Nv ve eN Nc ce e = 2C+5 = 2C+5VNeCNeV0V1L1L0+)+)固定設計變量固定設計變量N Nx x = = 進料壓力進料壓力2 2（C+2C+2）+1+12C2C5 5可調設計變量可調設計變量N Na a = = N ND D- -N Nx x=(2C+5)-(2C+5)=0=(2C+5)-(2C+5)=0V0V1L1L

15、0 絕熱操作的簡單平衡級絕熱操作的簡單平衡級 例4. 有側線側線采出的平衡級級 出入物流變量數：出入物流變量數：（C+2C+2）5 5能量交換數：能量交換數：0 0+)+)NvNv = 5C+10 = 5C+10物料衡算式：物料衡算式：能量衡算式：能量衡算式：相平衡關系式：相平衡關系式：化學反應平衡式：化學反應平衡式：內在關系式：內在關系式：C C1 1C(C(P P-1)+2=C+2-1)+2=C+20 0C+1C+1NcNc = 3C+4 = 3C+4N ND De e = = N Nv ve eN Nc ce e = 2C+6 = 2C+6VNeCNe+)+)V0V1L1L0S固定設計變

16、量固定設計變量N Nx x = = 進料壓力進料壓力2 2（C+2C+2）+1+12C2C5 5可調設計變量可調設計變量N Na a = = N Ni i- -N Nx x=(2C+6)-(2C+5)=1=(2C+6)-(2C+5)=1V0V1L1L0S有側線采出的平衡級有側線采出的平衡級 側采量側采量思考題思考題1：混和器的設計變量數：混和器的設計變量數F3F1F2思考題思考題2：再沸器的設計變量數：再沸器的設計變量數LVLQ掌握掌握p58-59p58-59表表3-13-1由單單元設計變設計變量確定：ucNrNeiNuiN式式連連接接單單元元間間物物流流產產生生等等重重復復使使用用的的單單元

17、元數數- - uiN重復使用一種為1前面進等前面進等于后面出于后面出例例. . 簡單吸收塔（簡單吸收塔（N N塊理論板串級）塊理論板串級）VN1NLN+1L1V0變變量量數數相相等等股股汽汽、液液流流量量為為多多次次重重復復使使用用理理論論板板：）（：查查表表)1(:1)(525213- - NNNCNNCNuCreiei3.1.2 設備的設計變量Design variables for units 吸收塔設計變量：吸收塔設計變量： 指定為理論板數指定為理論板數或關鍵組分吸收率或關鍵組分吸收率14222)2(52)2(2)1(1)52( - - - - - - - uxuiuauxNNNNCN

18、CcNNCCNCNuCNrNeiNuiN）（每級壓力每級壓力進料變量數進料變量數其中：其中：查表31：2MM+1M+2NFDW=L110C+N+27C+4再沸器2C+(M-1)+5(M-1)板平衡串級3C+7進料板2C+(N-M-1)+5N-(M+1)板平衡串級C+4回流分配器C+4全凝器單元 eiN 9股單元物流數；股單元物流數；54229)189()2710(189)2(9 - - - - uxuiuauxuiuCNNNNCNCNNCCNCNCCN）（其其中中：故故：:uxN進料C+2每級壓力（包括再沸器）N全凝器壓力1回流分配器壓力1合計C+N+45合計11（D/F）1進料位置1理論板數1回流溫度）（DLN 1 :uaN 對精餾塔歸納出簡便、可靠的對精餾塔歸納出簡便、可靠的 確定設計變量的方法：確定設計變量的方法： （1 1）按每一單相物流有（）按每一單相物流有（C+2C+2）個變）個變 量，量， 計算由進料物流所確定的固計算由進料物流所確定的固 定設計變量數。定設計變量數。 （2 2）確定裝置中具有不同壓力的數目。）確定裝置中具有不同壓力的數目。 （3 3）上述兩項之和即為裝置的固定設計）上述兩項之和即為裝置的固定設計變量數。變量數。（4 4）將串級單元數目、分配器的數目、側線采出單）將串級單元數目、