多组分多级分离的严格计算(I)

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1、化工分离工程ChemicalSeparationEngineering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七章　其它分离技术和分离过程的选择第四章　　多组分多级分离的严格计算第一节　　平衡级的理论模型第二节　　逐级计算法第三节　　三对角线矩阵法假定在各级上达到相平衡且不发生化学反应。图4-1中给出了气液接触调和的一个平衡级j，图中级号是从上往下数的。围绕平衡级能写出组分物料衡算（M）、相平衡关系式（E）、每相中各组分的摩尔分离加和式（S）和热

2、量衡算式（H）共四组方程。简称MESH方程。1）物料衡算式（每一级有C个方程）i=1,2,…,c2）相平衡关系式（每一级有C个方程）i=1,2,…,c3）摩尔分率加和式（每一级上有一个）第一节　　平衡级的理论模型4）热量衡算式（每一级一个）除了MESH方程组处，还有相平衡常数，气相摩尔热焓和液相摩尔热焓关联式：Ki,j=Ki,j(Tj,Pj,xij,yij)i=1,2,…,cHj=Hj(Tj,Pj,yij)i=1,2,…,chj=hj(Tj,Pj,xij)i=1,2,…,c若这些关系不被计入方程组内，则不把这三个性质看成变量，因此，用（2

3、c+3）个MESH方程即可描述一个平衡级。将上述N个平衡级按逆流方式串联起来，并去掉串级两端的L0和VN＋1两股物流，则该装置共有N（2c+3）个方程和[N（3c+9）-1]个变量根据第三章的设计变量的确定方法，该装置的设计变量数为：固定设计变量数（Nｘ）压力等级数N进料变量数N(c+2)共N(c+3)可调设计变量数N串级单元数1侧线采出单元数2（N－1）传热单元数N共3N－1所以，设计变量总数为[N(c+6)-1]个。对于多组分多级分离计算问题，进料变量和压力变量的数值一般是必须规定的，按其它设计变量的规定方法，可分为设计型和操作型；设

4、计型问题规定关键组分的回收经（浓度）及有关参数，计算平衡级数、进料位置等；操作型问题规定平衡级数、进料位置及有关参数，计算可达到的分离要求（回收率或浓度）。因此，设计型问题是以设计一个新分离装置使之达到一定分离要求的计算，而操作型问题是以在一定操作条件下分析已有分离装置性能的计算。逐板计算的计算步骤如下：1）对于全凝器，y1,i=xdi,2）应用相平衡关系，从yj,i计算xj,i。若已知各组分的全塔平均相对挥发度数据，可用下式计算：更一般的情况是进行露点温度的计算，同时确定级温度和汽相组成。3）使用精馏段操作线方程，从xj,i计算yj+1

5、,i。第二节　　逐级计算法4）重复步骤2、3一直到进料级，换成提馏段操作线：继续进行逐板计算。5）当满足时，停止逐板计算，校核估计值。类似地可写出从塔釜往上计算的逐级计算步骤。各级温度和汽相组成可由泡点温度计算确定。若已知相对挥发度数据，则如何确定适宜的进料位置是逐板计算的关键之一，适宜的进料位置定义为达到分离要求所需总板数最少的进料位置。适宜进料位置的近似确定方法是以轻、重关键组分的浓度之比作为精馏效果的准则，当逐板从上往下进行时，要求轻、重关键组分汽相浓度比降低得越快越好。从下往上计算时，要求液相浓度比值降低的越快越好。从上往下计算时

6、，如果则第j级不是进料级，继续作精馏段的逐板计算。如果则第j级为进料级。由精馏段操作线确定yj,i，而下一级的yj+1,i应由提馏段操作线计算。如果过早地更换操作线，则最终可能导致不合理的计算结果。当从下往上逐板计算时，进料位置的确定方法是：如果和则第j级是适宜进料位置，xj+1,i应转换成精馏段操作线计算。计算起点的确定和对非关键组分初值的估计与校核是逐板计算的另一个关键。以塔顶还是以塔釜为计算起点决定于哪一端的组成可以较准确地估计。按清晰分割处理，对于只有轻非关键组分的物系，馏出液浓度可以估计得比较准确，应选择从塔顶开始逐板计算；反之

7、，对于只有重非关键组分的物系，塔釜浓度可以估计得比较准确，逐板计算可从塔釜开始。如果进料中既有轻又有重非关键组分，则无论是馏出液还是釜液都不易估计准确，因此无论从哪一端开始算都不是个好方法，应采用其它方法。在确定了计算起点之后，应估计该起点的组成，但要使估计值有较高的准确度是很困难的，总会或多或少有一些误差，而估计值很小的误差将使它们在逐级计算中变得很大，因此需要校核和修正估计值。以从上往下计算为例，如果估计值较准确，则上述计算步骤5中的不等式会同时满足，然后由轻非关键组分的组成计算值XLNK,N、关键组分的回收率和全塔物料衡算求XlNk

8、,D。如果则需修正估计值。对于只有轻非关键组分或重非关键组分的物系的精馏，逐板计算是一个准确的设计方法，仅需一次到二次迭代即可收敛。若轻、重非关键组分同时存在，则收敛是很难的。对相对挥发度不是