1、第四节第四节 闪蒸过程计算闪蒸过程计算主要内容主要内容 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过程计算等温闪蒸过程计算绝热闪蒸过程计算绝热闪蒸过程计算闪闪蒸（蒸（Flash Vaporization）l 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蒸馏：液体进料流：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，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，形成互成平衡的汽液两相，（也可以产生部分汽化，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）。通过汽相部分冷凝或液
2、相的部分汽化产生平衡的两相）。l 在混合物的在混合物的T-X相图上，相图上，闪蒸的状态位于混合物的闪蒸的状态位于混合物的泡点线和露点线之间泡点线和露点线之间。l 通过通过闪蒸过程闪蒸过程可以使易挥发组分在汽相中的浓度提高、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，从而达到难挥发组分在液相中的浓度相应提高，从而达到分离提浓分离提浓的目的。的目的。l 除非混合物的相对挥发度很大，闪蒸过程获得的分离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，闪蒸通常是作为程度不高，因此，在工业生产实践中，闪蒸通常是作为进进一步分离的辅助操作一步分离的辅
3、助操作。l 闪蒸计算的目的闪蒸计算的目的就是确定汽、液相的组成和气相分率就是确定汽、液相的组成和气相分率。l 闪蒸过程计算方法是许多精馏过程计算的基础，因此、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。掌握闪蒸过程的计算方法对化学工艺的学生是很重要的。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l在在泡点时泡点时，液相组成等于原料组成，液相组成等于原料组成，汽化分率等于零汽化分率等于零；l在在露点时露点时，汽相组成等于原料组成，汽相组成等于原料组成，汽化分率等于汽化分率等于1；l闪蒸时闪蒸时，汽液相的组成与总组成不，汽液相的
4、组成与总组成不等，等，汽相分率在汽相分率在0-1之间之间。l对于一个给定闪蒸罐压力和进料组对于一个给定闪蒸罐压力和进料组成的体系，成的体系，泡点和露点温度确定了泡点和露点温度确定了平衡闪蒸的温度范围平衡闪蒸的温度范围。这是用来核。这是用来核实闪蒸问题是否可以成立的依据。实闪蒸问题是否可以成立的依据。闪蒸过程的计算方程（闪蒸过程的计算方程（MESH）（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2C2C3 3（2 2）相平衡）相平衡E方程方程：C C个个对应解的未知数也应该是
5、对应解的未知数也应该是2 2+3+3个（个（，或），或）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,Q0非绝热非绝热T,V,L,yi,xip,L(或或)部分冷凝部分冷凝Q,T,V,yi,xip(或或T),V(或或)部分汽化部分汽化Q,T(或或p),L,yi,xi表表2-4 闪蒸计算类型闪蒸计算类型闪蒸计算有多种规定方法，下表列出了一些常用的类型。闪蒸计算有多种规定方法，下表列出了一些常用的类型。闪蒸计算类型闪蒸计算类型的异同点的异同点相同点相同点：都是气化过程，说明可按气化公式计算都是气化过程，说明可按气化公式
6、计算 气液两相平衡气液两相平衡 相当于一块理论板相当于一块理论板 可调设计变量不同可调设计变量不同不同点不同点：产生气化的原因不同产生气化的原因不同部分气化或部分冷凝：外界交换热部分气化或部分冷凝：外界交换热绝热闪蒸：不与外界换热，焓变为零绝热闪蒸：不与外界换热，焓变为零气化：除气化：除P外还要已知一个条件外还要已知一个条件绝热闪蒸：给定绝热闪蒸：给定P，体系就固定了体系就固定了 第第4周第周第1次课次课2007年年10月月8日日2.3.1 等温闪蒸和部分冷凝过程等温闪蒸和部分冷凝过程规定：规定：、T T 计算：计算：Q,V,L,Q,V,L,y yi i,x,xi i 汽液相混合物焓值的汽液相
7、混合物焓值的计算：对于理想溶液，计算：对于理想溶液，汽液相的焓值分别由汽液相的焓值分别由纯物质的焓加和求的，纯物质的焓加和求的，对非理想溶液，可以对非理想溶液，可以利用物质的偏摩尔焓利用物质的偏摩尔焓加和求得加和求得。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。当相平衡常数不仅是温当相平衡常数不仅是温度和压力的函数，而且度和压力的函数，而且还是组成的函数时，求还是组成的函数时，求解解RachordRachord-Rice-Rice方程就方程就复杂得多，此时一般需复杂得多，此时一般需要利用计算机编程计算要利用计算机编程计算,下面介绍的是两种普遍下面介绍的是两种
8、普遍化算法。化算法。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。的流率加入闪蒸室。闪蒸室的压力为闪蒸室的压力为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。闪蒸计算举例闪蒸计算举例 该物系为轻烃混合物，可按理想溶液处理。利用该物系为轻烃混合物，可按理想溶液处理。利用P-T-K图查得：图查得：K1=4.80，K2=1.96，K3=0.80，K4=0.33 验证料液的泡点和露点：验证料液的泡点和露点
9、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Tb82.5，因此在给定温度和压力下，料液将分成汽、液两相，属于闪蒸计，因此在给定温度和压力下，料液将分成汽、液两相，属于闪蒸计算问题。算问题。迭代计算料液的汽化率迭代计算料液的汽化率：先设定一个先设定一个值，代入下式分别计算出和值，代入下式分别计算出和 若若()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 本例取本例取的初值为的初值为0.1，迭代到，迭代到=0.405时，时，()接接近近0，故汽化率为，故汽化率为0.405。计算汽、液相产量计算汽、液相产量
10、V和和L：V=F=202.5kmol/h，L=(1-)F=297.5kmol/h 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xi0.03150.15840.57680.2333绝热闪蒸过程计算绝热闪蒸过程计算l已知流率、组成、压力、温度（或焓）的液体进料已知流率、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部分汽化。绝热闪蒸计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算的目的是确定闪蒸温度、汽液相组成及流率
11、确定闪蒸温度、汽液相组成及流率。绝绝热闪蒸问题的计算问题，原则上还是利用物料平衡、热闪蒸问题的计算问题，原则上还是利用物料平衡、相平衡和热量衡算和组成总和方程联立求解。目前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温度和汽化率为迭代变量。根据工程计算中均选择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。物性的差别，又分三种具体的算法。宽沸程绝热闪蒸过程计算宽沸程绝热闪蒸过程计算l 所谓宽沸程混合物指的是构成所谓宽沸程混合物指的是构成混合物各组分的挥发度相混合物各组分的挥发度相差悬殊差悬殊，其中一些很容易挥发，而另一些很难挥发，它的特，其中一些很容易挥发，而另一
12、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。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。l 对这类体系，在很宽的温度范围内，易挥发组分主要对这类体系，在很宽的温度范围内，易挥发组分主要集中在汽相中，而液相中则主要集中了难挥发组分。集中在汽相中，而液相中则主要集中了难挥发组分。进料焓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，因此，宽沸程闪蒸的热衡算主要取决与因此，宽沸程闪蒸的热衡算主要取决与T T，而不是，而不是。l对对绝热闪蒸过程，用牛顿法迭代法求闪蒸温度绝热闪蒸过程，用牛顿法迭代法求闪蒸温
13、度,需要构造需要构造一个迭代方程。该方程可以利用对热衡算方程，一个迭代方程。该方程可以利用对热衡算方程，式中各项分别为节流前式中各项分别为节流前后物料的摩尔焓后物料的摩尔焓,由于由于节流为绝热过程节流为绝热过程,故利故利用该式可以计算汽化率用该式可以计算汽化率,在压力为已知的条件下在压力为已知的条件下,该式中的焓值为温度的该式中的焓值为温度的函数函数,因此因此,假设温度后假设温度后可以计算出相应的汽化可以计算出相应的汽化率率l利用牛顿迭代公式有利用牛顿迭代公式有:l其中其中:选择选择T初值初值计算计算 函数函数 f()计算计算G(T)ABS(G(T)重新估算重新估算TABS(f()选择选择初值
14、初值重新估计重新估计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NYYN结束结束窄窄沸程绝热闪蒸过程计算沸程绝热闪蒸过程计算l窄沸点闪蒸过程特点是混合物中窄沸点闪蒸过程特点是混合物中各组分的沸点很接各组分的沸点很接近近，因而热量衡算主要受汽化潜热的影响，既主要，因而热量衡算主要受汽化潜热的影响，既主要受汽相分率的影响，受汽相分率的影响，改变进料的热焓值会使汽液相改变进料的热焓值会使汽液相流率发生变化，而平衡温度变化不明显流率发生变化，而平衡温度变化不明显。显然，在。显然，在这时应该内循环温度，外循环迭代汽化率。这时应该内循环温度，外循环迭代汽化率。l对窄沸程绝热闪蒸过程，与等温闪蒸一样
15、采用对窄沸程绝热闪蒸过程，与等温闪蒸一样采用Rachord-Rice 方程，迭代方程，迭代T:l其中其中窄沸程绝热闪蒸的序贯迭代法窄沸程绝热闪蒸的序贯迭代法l采用热量平衡方程构造迭代函数迭代汽液分率，迭代采用热量平衡方程构造迭代函数迭代汽液分率，迭代方程为方程为方程为方程为l根据牛顿迭代公式有根据牛顿迭代公式有直接迭代法可能产生振荡，这时需引进阻尼因子直接迭代法可能产生振荡，这时需引进阻尼因子d加以控制。加以控制。通常通常d取值约为取值约为0.5。窄沸程绝热闪蒸过程计算框图窄沸程绝热闪蒸过程计算框图选择选择初值初值选择选择T初值初值计算计算f(T)ABS(f(T)计算计算G()ABS(G()重新估计重新估计重新估计重新估计TY YN N 输出输出
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