分離工程

本課程的任務和內容■地位：專業基礎課■前期課程：物理化學、化工原理、化工熱力學■重點：1.基本概念的理解

2.討論各種分離方法的特征

3.對設計、分析能力的訓練

4.提高解決問題能力課程要求：◆分離過程的基本理論

◆簡捷和嚴格計算方法

◆對新分離技術有一定了解第一章緒論1.1分離過程在工業生產中的地位和作用1.2

傳質分離過程的分類和特征1.3.分離過程的研究內容與研究方法

§1—1分離操作在化工生產中的地位

原料預處理反應分離粗產品精制產品分離工程三廢處理核心1.1分離操作在化工生產中的地位反應工程化工工藝學§1—2分離過程的特征與分類

一、分離過程的特征

幾種物質混合在一起的過程是自發的，混亂度或熵增加的過程

原料

（混合物）

分離設備

產品1

產品2

分離劑（物質或能量）

分離某種混合物成為不同產品的過程，是熵減小的過程，不能自發進行1.2分離過程的特征與分類需要外界對系統作功（或輸入能量）方能進行二、分離因子（1）分離因子的定義

假設要將i、j兩組分構成的混合物分離成1、2兩種產品，兩種產品中兩組分的含量分別用xi1、xj1、xi2、xj2表示。比較這兩個組分在兩種產品中的含量關系，就可以判定這兩個組分在兩種產品中的分離程度：

分離因子與1的偏離程度表示組分之間分離的難易程度。當αij＝1時，兩組分在兩產品中的含量相同，無法實現分離；當αij接近1時，兩組分在兩產品中的含量相近，難以實現分離；當αij遠離1時，兩組分在兩產品中的含量差別大，容易實現分離。精餾中，分離因子又稱為相對揮發度，它相對于汽液平衡常數而言，對溫度和壓力的變化不敏感，可近似看作常數，使計算簡化。三、分離過程的分類

按分離過程中有無物質傳遞現象發生

1、機械分離過程對象：非均相混合物特點：用機械法將非均相物系分離，而相間并無物質傳遞發生

2、傳質分離過程

特點：相間有質量傳遞現象

1.2分離過程的特征與分類①平衡分離

利用兩相平衡組成不等的原理常采用平衡級（理論板）作為處理手段，并把其它影響歸納于效率中氣液傳質過程:

如吸收、氣體的增濕和減濕汽液傳質過程:

如液體的蒸餾和精餾液液傳質過程:

如萃取液固傳質過程:

如結晶、浸取、吸附、離子交換、色層分離、參數泵分離等氣固傳質過程:

如固體干燥、吸附等1.2分離過程的特征與分類②速率分離

利用溶液中不同組分在某種推動力（如壓差、濃度差、電位差）作用下經過某種介質（如半透膜）時的傳質速率（透過率、遷移率、擴散速率）差異而實現分離特點：所處理的物料和產品屬于同一相態，僅有組成的差別

速率分離膜分離場分離1.2分離過程的特征與分類如微濾、超濾、反滲透、電滲析等。例題詳解1、分離作用是由于加入（分離劑）而引起的，因為分離過程是（熵減過程）。2、分離過程是（混合過程）的逆過程，因此需加入（分離劑）來達到分離目的。3、工業上常用（分離因子）表示特定物系的分離程度，汽液相物系的最大分離程度又稱為（固有分離因子）。例題詳解4、分離因子（等于1），則表示組分i及j之間不能被分離。5、速率分離的機理是利用溶液中不同組分在某種（推動力）作用下經過某種介質時的（傳質速率）差異而實現分離。6、分離過程是將一混合物轉變為組成（互不相同）的兩種或幾種產品的操作。7、分離過程中按有無物質傳遞現象發生來劃分，分離過程可分為機械分離和

傳質分離

。第二章單級平衡過程內容：

內容：

各組分物系汽液平衡單級平衡過程的計算第二章單級平衡過程第一節相平衡第二節多組分物系的泡點和露點計算第三節閃蒸過程的計算2.1.1相平衡條件

一、相平衡條件

相平衡：由混合物或溶液形成若干相，這些相保持物理平衡而共存狀態。

熱力學上看—物系的自由焓最小

動力學上看—相間表觀傳遞速率為零相平衡條件：引入逸度系數：

if引入活度系數：ig

1.汽液平衡

汽液平衡關系式：2.液液平衡

由（2-7）：基準態相等二、相平衡常數和分離因子

定義：精餾、吸收：稱汽液相平衡常數液液萃?。阂阂合嗥胶獬担ɑ蚍峙湎禂担⒂帽硎酒胶怅P系ijiKa,2.1.2相平衡常數的計算一、狀態方程法二、活度系數法

一、狀態方程法由（2—8）：

由P—V—T關系計算LiViff,推導略以V為自變量：以P為自變量：(2-16)推導：積分后得（2-16）（2—15）、（2—16）適用于氣、液、固相，是計算的普遍化方法。注意：只要知道狀態方程就可代入求1.用Vander

waals方程計算Vander

waals方程：——a、b為Vander

waals常數將（2—15）積分后代入以上結果：二、活度系數法由（2—9）和（2—12）：

已解決

對，分別討論

igiVfiOLf恢復小結相平衡常數法相對揮發度法狀態方程法活度系數法相平衡關系表達方法相平衡關系法

根據分子間作用力不同,汽相可分為以下三類(1)理想氣體的混合物

此時，P-V-T關系服從理想氣體定律（2-24）二、汽液平衡的分類與計算

⑴汽液平衡的分類2.2相平衡關系的計算(2)實際氣體的理想溶液（實際氣體的理想混合物）（2-25）(3)實際氣體二、汽液平衡的分類與計算

⑴汽液平衡的分類2.2相平衡關系的計算二、汽液平衡的分類與計算

⑴汽液平衡的分類與此類似，液相也可分為理想溶液和實際溶液（與實際氣體對應）兩類，但不存在理想氣體那樣的溶液。對理想溶液（2-26）則：三類不同汽相和兩類不同液相可以組合成以下五類汽-液平衡系統,它們的平衡常數計算如下：(1)氣相為理想氣體，液相為理想溶液稱為完全理想系化簡得：1111二、汽液平衡的分類與計算

⑴汽液平衡的分類2.2相平衡關系的計算(2)氣相為理想氣體，液相為非理想溶液化簡得：111二、汽液平衡的分類與計算

⑴汽液平衡的分類2.2相平衡關系的計算(3)氣相為理想溶液，液相為理想溶液

稱為理想系化簡得：iV1即fiL二、汽液平衡的分類與計算

⑴汽液平衡的分類2.2相平衡關系的計算(4)氣相為理想溶液，液相為非理想溶液化簡得：iV即fiL二、汽液平衡的分類與計算

⑴汽液平衡的分類2.2相平衡關系的計算(5)氣相為實際氣體，液相為非理想溶液

稱為完全非理想系二、汽液平衡的分類與計算

⑴汽液平衡的分類2.2相平衡關系的計算例2—1：計算乙烯的相平衡常數

實驗值：已知：T=311KP=344.2kPa

Tc=282.4KPc=5034.6kPa

解：1.按理想氣體、理想溶液計算

2.汽液均按理想溶液計算

A.逸度系數法

與實驗值相近泡點溫度(壓力):在恒壓(溫)下加熱液體混合物,當液體混合物開始氣化出現第一個氣泡時的溫度(壓力),簡稱泡點。露點溫度(壓力):在恒壓(溫)下冷卻氣體混合物,當氣體混合物開始冷凝出現第一個液滴時的溫度(壓力),簡稱露點。

2.3多組分物系的泡點和露點計算2.3多組分物系的泡點和露點計算

規定液相組成xi和壓力p（或溫度T），計算氣相組成yi

和溫度T（或壓力p）。已知：xi、P

計算：yi

、T泡點溫度計算已知：xi

、T計算：yi

、P

泡點壓力計算2.3多組分物系的泡點和露點計算2.3多組分物系的泡點和露點計算

一、泡點溫度和壓力的計算一、泡點溫度和壓力的計算

⑴泡點計算與有關方程

已知

求

①相平衡關系：

②濃度總和式：

③相平衡常數關聯式：

⑵計算方法

①平衡常數與組成無關的泡點計算

2.3多組分物系的泡點和露點計算

2.3多組分物系的泡點和露點計算

已知P得到KiKixiF(T)=|Kixi-1|<yesT，yino調整T泡點方程：or假定Te為試差的允許偏差一般取0.01~0.001①手算計算思路1)TB計算（1）平衡常數與組成無關的泡點計算2.3多組分物系的泡點和露點計算45（1）溫度T初值的選定取純物質的沸點作為溫度的迭代初值（2）Ki值的獲得1）p-T-Ki

圖（烴類物系）2）簡化表達式：3）經驗關系式（1）平衡常數與組成無關的泡點計算2.3多組分物系的泡點和露點計算（3）溫度T的調整Ki

與P、T的關系PKTK說明>1說明所設偏高，應降低重設<1說明所設偏低，應提高重設（1）平衡常數與組成無關的泡點計算2.3多組分物系的泡點和露點計算仍然依據的是泡點方程：當氣相為理想氣體，液相為理想溶液時：當氣相為理想氣體，液相為非理想溶液時：2)PB計算（1）平衡常數與組成無關的泡點計算2.3多組分物系的泡點和露點計算①平衡常數與組成無關的泡點計算

a.

p-T-K列線圖

b.⑴手算

設

思路：調整T（p）

N2.3多組分物系的泡點和露點計算

②平衡常數與組成有關的泡點計算

比較不變

調整T（p）

2.3多組分物系的泡點和露點計算

規定氣相組成yi

和壓力p（或溫度T），計算液相組成xi

和溫度T（或壓力p）。已知：yi

、P

計算：xi

、T露點溫度計算已知：yi

、T計算：xi

、P

露點壓力計算二、露點溫度和壓力的計算

2.3多組分物系的泡點和露點計算二、露點溫度和壓力的計算

⑴露點計算與有關方程

已知：

求

①相平衡關系：

②濃度總和式：

③相平衡常數關聯式：

⑵計算方法

①平衡常數與組成無關的露點計算

2.3多組分物系的泡點和露點計算

？已知P得到Kiyi/KiF(T)=|yi/Ki-1

|<yesT，yino調整T露點方程：或1)TD計算(1)Ki與組成無關的露點計算：假定T①手算計算思路二、露點溫度和壓力的計算

2.3多組分物系的泡點和露點計算

溫度T的調整T設高了，降低TT設低了，提高TT的調整幅度可采用牛頓－拉普森法：二、露點溫度和壓力的計算

2.3多組分物系的泡點和露點計算(1)Ki與組成無關的露點計算：仍然依據的是露點方程：當氣相為理想氣體，液相為理想溶液時：2)PD計算二、露點溫度和壓力的計算

2.3多組分物系的泡點和露點計算加速收斂法為使第n次試差時：二、露點溫度和壓力的計算

2.3多組分物系的泡點和露點計算

為了快速找到第n次試差時應假設的溫度（或壓力），應有：這樣便可由P-T-K圖查出應假設的T值

同理對露點壓力計算的迭代式為：二、露點溫度和壓力的計算

2.3多組分物系的泡點和露點計算例題講解一烴類混合物含甲烷5%(mol)，乙烷10%，丙烷30%及異丁烷55%，試求混合物在25℃時的泡點壓力和露點壓力。解：因為各組分都是烷烴，所以汽、液相均可以看成理想溶液，值只取決于溫度和壓力。可使用烴類的P-T-K圖。⑴泡點壓力的計算：

假設P=2.0MPa，因T=25℃，查圖（P21)求Ki組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.008.51.80.570.260.4250.180.1710.1430.919=0.919＜1，說明所設壓力偏高，重設P=1.8MPa;組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.009.41.950.620.280.470.1950.1860.1541.005=1.005≈1，故泡點壓力為1.8MPa。

⑵露點壓力的計算：假設P=0.6MPa，因T=25℃,查圖求.組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.0026.05.01.60.640.00190.020.18750.85941.0688=1.0688＞1.00，說明壓力偏高，重設P=0.56MPa。

.組分i甲烷(1)乙烷(2)丙烷(3)異丁烷(4)∑0.050.100.300.551.0027.85.381.690.680.00180.01860.17750.80881.006=1.006≈1，故露點壓力為0.56MPa。2.4單級平衡分離過程計算

一、等溫閃蒸

二、絕熱閃蒸2.4單級平衡分離過程計算掌握了解單級平衡：原料經過分離設備后，假設物系在出口處汽、液兩相達到了平衡,由于平衡的兩相組成不同而實現分離的過程，其分離效果相當于一塊理論級。

2.4單級平衡分離過程計算2.4單級平衡分離過程計算

閃蒸又稱平衡蒸餾,是連續、穩態的單級蒸餾過程,該過程使進料混合物經加熱、冷卻或降壓部分汽化或冷凝得到含易揮發組分較多的蒸汽和含難揮發組分較多的液體,即一個平衡級過程。普通精餾塔中的平衡級就是一簡單絕熱閃蒸級.2.4單級平衡分離過程計算2.4單級平衡分離過程計算

液體混合物的部分汽化汽體混合物的部分冷凝液體混合物的絕熱閃蒸手段：加熱、冷卻和降壓特點：平衡蒸餾——一個平衡級分離一、等溫閃蒸

(Isothermal

Flash)⑴混合物的相態

2.4單級平衡分離過程計算？2.4單級平衡分離過程計算

⑴混合物的相態

判斷混合物在指定溫度和壓力下是否處于兩相區=1

進料處于泡點

>1

可能為汽液兩相區

<1

進料為過冷液體

=1

進料處于露點

>1

可能為汽液兩相區

<1

進料為過熱蒸汽

2.4單級平衡分離過程計算n=0n>0n=1n<1⑴混合物的相態也可分別用泡露點方程計算閃蒸壓力下的泡露點溫度，若當混合物處于汽液兩相區

2.4單級平衡分離過程計算混合物處于汽液兩相區(0<n<1),可進行等溫閃蒸的計算即閃蒸問題成立混合物的相態判斷過冷液體兩相區過熱蒸汽∑Kizi<1∑Kizi>1,∑zi/Ki>1TD>T>TB∑zi/Ki<1

2.4單級平衡分離過程計算閃蒸過程的計算方程（MESH）（1）物料衡算—M方程：C個（3）摩爾分率加和式—S方程：2個（4）熱量平衡式—H方程：1個2C＋3（2）相平衡—E方程：C個2.4單級平衡分離過程計算規定變量閃蒸形式輸出變量P,T等溫Q,V,L,yi,xiP,Q=0絕熱T,V,L,yi,xiP,Q≠0非絕熱T,V,L,yi,xiP,L