《化工分离工程》PPT课件第5讲分离过程.ppt

分分 离离 过过 程程第第2 2章章 单级平衡过程单级平衡过程?1第五讲第五讲(闪蒸（闪蒸（ Flash Vaporization）过程计算）过程计算)底部产物底部产物 L，，x顶部产物顶部产物 V，，y加热器加热器节流阀节流阀冷凝器冷凝器2主要内容主要内容¢闪蒸过程简介闪蒸过程简介¢ 闪蒸过程类型闪蒸过程类型¢ 闪蒸过程计算方程闪蒸过程计算方程¢等温闪蒸和部分冷凝过程计算等温闪蒸和部分冷凝过程计算¢绝热闪蒸过程计算绝热闪蒸过程计算3闪闪蒸（蒸（ Flash Vaporization））¢ 闪蒸过程实质是一种连续单闪蒸过程实质是一种连续单级级蒸馏：液体进料流过阀门等装置，由蒸馏：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）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相图上，闪蒸的状态位于混合物的泡点线和露点线之间。

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程的计算方法对化学工艺的学生是很重要的4闪蒸在化学工业中应用闪蒸在化学工业中应用渣油溶剂脱沥青过程渣油溶剂脱沥青过程5闪蒸计算与泡点及露点计算的关系闪蒸计算与泡点及露点计算的关系¢比较泡点计算、露点计算及闪蒸计算比较泡点计算、露点计算及闪蒸计算可见：在泡点时，液相组成等于原料可见：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，组成，汽化分率等于零，在露点时，汽相组成等于原料组成，汽化分率等汽相组成等于原料组成，汽化分率等于于1，闪蒸时，汽液相的组成与总组成，闪蒸时，汽液相的组成与总组成不等，汽相分率在不等，汽相分率在0-1之间。

之间¢对于一个给定闪蒸罐压力和进料组成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问题是否可以成立的依据6统计统计C组分闪蒸总变量组分闪蒸总变量进料流率进料流率: F 1进料组成进料组成: zi C进料温度和压力进料温度和压力: TF, PF 2离开闪蒸塔的气相流率离开闪蒸塔的气相流率:V 1离开闪蒸塔的气相组成离开闪蒸塔的气相组成: yi C离开闪蒸塔的液相流率离开闪蒸塔的液相流率: L 1离开闪蒸塔的夜相组成离开闪蒸塔的夜相组成: xi C 加入加入(或取走或取走)的热量的热量: Q 1 闪蒸温度和压力闪蒸温度和压力: P,T 2总变量数总变量数: 3C+8 闪蒸过程的设计变量统计闪蒸过程的设计变量统计底部产物底部产物 L，，x顶部产物顶部产物 V，，y加热器加热器节流阀节流阀冷凝器冷凝器7（（1 1）物料衡算）物料衡算—M方程方程：：C C个个（（3 3））摩尔分率加和式摩尔分率加和式—S方程：方程：2 2个个（（4 4）热量平衡式）热量平衡式— H方程方程：：1 1个个2C2C＋＋3 3（（2 2）相平衡）相平衡—E方程方程：：C C个个闪蒸过程独立变量之间的约束关系闪蒸过程独立变量之间的约束关系8约束方程总数：约束方程总数： 2C+3个个变量数：变量数：3C+8个个其中进料变量数其中进料变量数( (固定设计变量固定设计变量) )：：C+3个个需规定变量数需规定变量数( (设计变量设计变量) )：：C＋＋5个个（（F,TF,TF F , ,p pF F ,T,p ,V,L,Q,T,p ,V,L,Q，，z zi i , ,y yi i ,x,xi i））（（F,TF,TF F , ,p pF F , ,z zi i ））根据根据2个可调设计变量的规定方法可将闪蒸计算分个可调设计变量的规定方法可将闪蒸计算分为如下五类：为如下五类：闪蒸过程的设计变量闪蒸过程的设计变量(可调设计变量可调设计变量)：： 2 个个9规定变量规定变量闪蒸形式闪蒸形式输出变量输出变量p,T等温等温Q, V, L, yi, xip,Q=0绝热绝热T, V, L, yi, xip,Q≠≠0非绝热非绝热T, V, L, yi, xip,L(或或ψψ)部分冷凝部分冷凝Q, T, V, yi, xip(或或T),V(或或ψψ)部分汽化部分汽化Q, T(或或p), L, yi, xi闪蒸计算类型闪蒸计算类型10闪蒸计算类型闪蒸计算类型的异同点的异同点相同点： 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 如已知T,求e、x(y)绝热闪蒸:给定P，体系就固定了 求T、e、x(y)第第4周第周第1次课次课2007年年10月月8日日11 ¢ 物料平衡关系；物料平衡关系；¢ 热量平衡关系；热量平衡关系；¢ 组分的汽液平衡关系组分的汽液平衡关系¢ 组成加合关系组成加合关系闪蒸过程计算的基本关系闪蒸过程计算的基本关系12¢对对C个组分构成的体系，在给定流率个组分构成的体系，在给定流率F，组成，组成zi,压力压力PF和温度和温度TF（或焓（或焓HF）的条件下，通过闪蒸过程分离为相互平衡的汽相和液）的条件下，通过闪蒸过程分离为相互平衡的汽相和液相两股物流，对这样的体系，其物料平衡、热平衡和汽液平衡关相两股物流，对这样的体系，其物料平衡、热平衡和汽液平衡关系分别为：系分别为：¢物料平衡关系：物料平衡关系：¢热平衡关系：热平衡关系：闪蒸过程计算的基本关系闪蒸过程计算的基本关系13¢汽液相平衡关系：汽液相平衡关系：¢总和方程总和方程闪蒸过程计算的基本关系闪蒸过程计算的基本关系14等温闪蒸和部分冷凝过程¢ 汽汽—液平衡常数与组成无关液平衡常数与组成无关¢ 汽汽—液平衡常数与组成有关液平衡常数与组成有关15（1）已知Zi、TF、PF、闪蒸T和P，求、xi、yi。

3、计算步骤、计算步骤N由T，PKi设 结束YZi调整 （2）已知Zi 、TF、PF 、 和闪蒸P，求T、xi、yi2、计算类型：、计算类型：16 由由前前面面求求出出ΨΨ（（或或T)T)后后，，可可求求出出L L、、V V，，再再求求出出x xi、、y yi；；然后求然后求H HF F、、H HV、、H HL 然后由然后由Q+FHF=LHL+VHV 求出过程所需热量求出过程所需热量N设T Ki、 Zi 结束Y调整T PYi、xi17汽汽—液平衡常数与组成无关液平衡常数与组成无关由物料恒算方程结合相平衡关系有：由物料恒算方程结合相平衡关系有：18汽汽—液平衡常数与组成无关液平衡常数与组成无关19定义汽相分率定义汽相分率汽汽—液平衡常数与组成无关液平衡常数与组成无关20 Rachord-Rice方方程方程用于程方程用于闪蒸迭代计闪蒸迭代计算算Rachord-Rice方程方程21利用牛顿迭代法的利用牛顿迭代法的Rachord-Rice方程迭代方程方程迭代方程 设定汽化分率的设定汽化分率的迭代初值后迭代初值后(在在0-1之间的一个数之间的一个数),利用该式迭代出利用该式迭代出闪蒸的汽化分率闪蒸的汽化分率,进而可以计算出进而可以计算出平衡两相的组成平衡两相的组成等等,完成闪蒸计算完成闪蒸计算.(注意这类计算注意这类计算是在已知温度和是在已知温度和压力的情况下压力的情况下,而而且相平衡常数与且相平衡常数与组成无关组成无关,这是闪这是闪蒸计算中最简单蒸计算中最简单的一类的一类22等温闪蒸过程热量计算等温闪蒸过程热量计算¢迭代出闪蒸的汽液分率后迭代出闪蒸的汽液分率后,需要计算过程加入需要计算过程加入(或取走的热或取走的热量量),热量的计算利用如下的方程完成热量的计算利用如下的方程完成¢汽液相混合物汽液相混合物焓值的计算焓值的计算;对对于理想溶液，于理想溶液，汽液相的焓值汽液相的焓值分别由纯物质分别由纯物质的焓加和求的，的焓加和求的，对非理想溶液，对非理想溶液，可以利用物质可以利用物质的偏摩尔焓的偏摩尔焓¢加和求得。

加和求得代入下式计算过程所须热量代入下式计算过程所须热量23核算闪蒸问题是否成立 闪蒸计算完成后闪蒸计算完成后,还需要核算还需要核算闪蒸问题是否成立闪蒸问题是否成立,闪蒸问题成立闪蒸问题成立的条件是在闪蒸压力下的条件是在闪蒸压力下.闪蒸计算闪蒸计算的温度应该在闪蒸物系的露点温度的温度应该在闪蒸物系的露点温度和泡点温度之间和泡点温度之间. 核算闪蒸问题是核算闪蒸问题是否成立常用的有两种方法否成立常用的有两种方法24等温闪点计算的核算等温闪点计算的核算¢1 计算在闪蒸压力下进料混合物的泡点温度和露点温度，如果计算在闪蒸压力下进料混合物的泡点温度和露点温度，如果闪蒸温度在混合物的泡点和露点之间，则闪蒸问题成立闪蒸温度在混合物的泡点和露点之间，则闪蒸问题成立¢也就是求解如下的泡点和露点方程也就是求解如下的泡点和露点方程:¢可以利用以上计算结果确定汽相分率的初值可以利用以上计算结果确定汽相分率的初值25等温闪点计算的核算等温闪点计算的核算2 假设闪点温度就是进料的泡点温度，假设闪点温度就是进料的泡点温度， 则：则： 应该成立应该成立 ，如果，，如果， 说明说明TbT, 综合两种试算结果，只有综合两种试算结果，只有Tb

才能构成闪蒸问题26部分冷凝（汽化）的闪蒸计算步骤部分冷凝（汽化）的闪蒸计算步骤 这类问题一般规定了压力和汽液分率这类问题一般规定了压力和汽液分率,计算计算温度温度,计算步骤为计算步骤为:假设温度，计算相平衡常数，假设温度，计算相平衡常数，利利 用用Rachord-Rice方程计算出汽液分率方程计算出汽液分率,以核以核实假设值是否正确，利用实假设值是否正确，利用f(ψ) —T作图有助于确作图有助于确定下次迭代的温度定下次迭代的温度.此外也可以利用以下公式估此外也可以利用以下公式估计计T：：基准组分平衡常数基准组分平衡常数阻尼因子阻尼因子27汽液平衡常数与组成有关的闪蒸计算汽液平衡常数与组成有关的闪蒸计算¢当相平衡常数不仅是温度和压力的函数，而且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，求解还是组成的函数时，求解Rachord-Rice方程方程就复杂得多，此时一般需要利用计算机编程计就复杂得多，此时一般需要利用计算机编程计算算,下面介绍的是两种普遍化算法下面介绍的是两种普遍化算法28K为组分函数时等温闪点计算框图为组分函数时等温闪点计算框图Rachford-rice方程方程29K为组分函数时等温闪点计算框图为组分函数时等温闪点计算框图Rachford-rice方程方程计算新的计算新的K时要对时要对组成进组成进行归一行归一化处理化处理30绝热闪蒸过程计算¢已知流率、组成、压力、温度（或焓）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部分汽化绝热闪蒸计算的目的是确定确定闪蒸温度、汽液相组成及流率闪蒸温度、汽液相组成及流率绝热闪绝热闪蒸问题的计算问题，原则上还是利用物蒸问题的计算问题，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差别，又分三种具体的算法31序贯迭代法序贯迭代法 一、宽沸程混合物一、宽沸程混合物 (汽化率对温度不敏感）汽化率对温度不敏感）利用热量恒算方程迭代温度，利用热量恒算方程迭代温度，用闪蒸方程迭代汽化分率用闪蒸方程迭代汽化分率外层循环外层循环内层循环内层循环二、窄沸程混合物二、窄沸程混合物 (汽化率对温度敏感）汽化率对温度敏感）利用热量恒算方程迭代汽化率，利用热量恒算方程迭代汽化率，用闪蒸方程迭代温度用闪蒸方程迭代温度外层循环外层循环内层循环内层循环32宽沸程绝热闪蒸过程计算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，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。

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跟主要取决与温度，此，宽沸程闪蒸的热衡算跟主要取决与温度，而不是汽化率而不是汽化率33绝热闪蒸过程计算绝热闪蒸过程计算¢对对绝热闪蒸过程，用牛顿法迭代讲求闪蒸温度绝热闪蒸过程，用牛顿法迭代讲求闪蒸温度,需要构造需要构造一个迭带代方程该方程可以利用对热衡算方程，一个迭带代方程该方程可以利用对热衡算方程， 式中各项分别为节式中各项分别为节流前后物料的摩尔流前后物料的摩尔焓焓,由于节流为绝热由于节流为绝热过程过程,故利用该式可故利用该式可以计算汽化率以计算汽化率,在压在压力为已知的条件下力为已知的条件下,该式中的焓值为温该式中的焓值为温度的函数度的函数,因此因此,假假设温度后可以计算设温度后可以计算出相应的汽化率出相应的汽化率34绝热闪蒸过程计算绝热闪蒸过程计算¢利用牛顿迭代公式有:¢其中:35¢ ¢ y n ¢ N ¢ y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宽沸程绝热闪蒸过程计算框图36窄沸程绝热闪蒸过程计算¢窄沸点闪蒸过程特点是窄沸点闪蒸过程特点是混合物中各组混合物中各组分的沸点很接近，因而热量衡算主分的沸点很接近，因而热量衡算主要受汽化潜热的影响，既主要受汽要受汽化潜热的影响，既主要受汽化率的影响，改变进料的热焓值会化率的影响，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，外循环迭代汽化率内循环温度，外循环迭代汽化率37¢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¢窄沸程绝热闪蒸的序贯迭代法38窄沸程绝热闪蒸的序贯迭代法¢：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39窄沸程绝热闪蒸过程计算框图¢ n¢ y¢ n¢ y¢ 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T40闪蒸计算举例闪蒸计算举例 由乙烷由乙烷(1)、丙烷、丙烷(2)、正丁烷、正丁烷(3)和正戊烷和正戊烷(4)组成的料液以组成的料液以500kmol/h的流率加入闪蒸室闪蒸室的压力为的流率加入闪蒸室闪蒸室的压力为1.38MPa(13.6atm)，温度为，温度为82.5℃℃。

料液的组成为：料液的组成为： 试计算汽、液相产品的流率和组成试计算汽、液相产品的流率和组成该物系为轻烃混合物，可按理想溶液处理由给定的该物系为轻烃混合物，可按理想溶液处理由给定的 T 和和 p ，，从从 p - T - K 图查图查 K i ，再采用上述顺序解法求解，再采用上述顺序解法求解 41①① 利用利用P-T-K图查得：图查得：K1=4.80，，K2=1.96，，K3=0.80，，K4=0.33②② 验证料液的泡点和露点：验证料液的泡点和露点：泡点验证：泡点验证：露点验证：露点验证： 可见两者都大于可见两者都大于1，说明料液的泡点，说明料液的泡点Tb<82.5℃℃，露点，露点Td>82.5 ℃℃，因，因此在给定温度和压力下，料液将分成汽、液两相此在给定温度和压力下，料液将分成汽、液两相闪蒸计算举例闪蒸计算举例42闪蒸计算举例闪蒸计算举例③③ 迭代计算料液的汽化率迭代计算料液的汽化率e：： 先设定一个先设定一个e值，代入下式分别计算出值，代入下式分别计算出G和和G’ 若若G偏离偏离0，用牛顿迭代法的计算迭代式迭代修正，用牛顿迭代法的计算迭代式迭代修正e 本例取本例取e的初值为的初值为0.1，迭代到，迭代到e=0.405时，时，G接近接近0，故汽化率为，故汽化率为0.405。

43闪蒸计算举例闪蒸计算举例④④ 计算汽、液相产量计算汽、液相产量V和和L：： V=eF=202.5kmol/h，，L=(1-e)F=297.5kmol/h⑤⑤ 利用下式计算汽、液相组成利用下式计算汽、液相组成y和和x：：成分成分乙烷乙烷(1)丙烷丙烷(2)丁烷丁烷(3)戊烷戊烷(4)汽相组成汽相组成yi0.15120.31050.46130.0770液相组成液相组成xi0.03150.15840.57680.233344习题：习题：P 56 23.2445。