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![分离过程的分类[经典]](https://img.taocdn.com/s1/m/d0f392d3ba4cf7ec4afe04a1b0717fd5360cb286.png)
第一章 绪论分离过程的分类:机械分离、传质分离机械分离：处理两相以上的混合物如过滤、沉降、离心分离等传质分离：处理均相混合物传质分离可分为：平衡分离过程如精馏、吸收、萃取、结晶、吸附等，借助分离剂使均相混合物系统变成两相系统，再利用混合物中各组分在处于相平衡的两相中的不等同分配而实现分离。
速率分离过程如微滤、超滤、反渗透、电渗析等，在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，利用各组分扩散速率的差异实现分离。
分离媒介：能量媒介ESA 、质量媒介MSA第二章 单级平衡过程相平衡关系：混合物所形成的若干相保持物理平衡而共存的状态。
热力学：整个物系的自由能最小。
动力学：相间表观传递速率为零。
相平衡条件（准则）：各相的温度相等、压力相等，每个组分的化学位相等。
相平衡常数：ii i x y K /=分离因子：ji j i j i ij K K/x x /y y ==α，平衡分离过程，常采用分离因子表示平衡关系。
相对挥发度对温度和压力变化不敏感，常视为常数，简化计算。
分离因子与1的偏离程度表示组分间分离的难易程度。
相平衡方程：C 个C1,2,...,i ==i i i x K y摩尔分率加和方程：2个0.11=∑=Cii x.11=∑=Cii y汽液平衡常数关联式： C 个C1,2,...,i ),,,(==y x P T f K i泡点方程：()011=-=∑=Cii i x K T f泡点压力的计算：泡点方程：()011=-=∑=Cii i x K p f露点方程：()0.1/1=∑=cii i K y闪蒸过程:连续单级蒸馏过程。
它使进料混合物部分汽化或冷凝得到含易挥发组分较多的蒸汽和含难挥发组分较多的液体。
物料衡算—M 方程 C 个,...C ,i Vy Lx Fz i i i 21 =+=相平衡—E 方程 C 个 Ci x K y i i i ,...2,1 ==摩尔分率加和式—S 方程 2个11=∑=Cii x11=∑=Cii y热量平衡式— H 方程 1个 LV F LH VH Q FH +=+设计前需预先给定数值的变量称为设计变量。
第一章绪论1.分离工程的定义、作用及分类？2.何为“清洁工艺”？与分离工程有何关系？3.按所依据的物理化学原理不同，传质分离过程可分为那两类？4.列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。
试比较使用ESA与MSA分离方法的优缺点。
5.请列举至少4种速率分离过程，并说明其推动力及传递机理。
第二章单级平衡过程1.相平衡常数相关的概念？（K、α、β）2.相平衡关系可用几种方法来表达？3.什么叫泡点、露点？如何计算？设计精馏塔时各处温度如何处理？4.活度系数法计算气液平衡常数的简化形式？5.怎样判断混合物在指定T，P下的相态？若为两相区其气化率和气液相组成怎样计算？第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算第一、二节设计变量、多组分精馏1. 基本概念：设计变量；清晰分割；关键组分/非关键组分；分配组分/非分配组分；逆行精馏；最小回流比；全回流意义。
2. 单元及装置设计变量计算及变量组的指定。
3. 如何确定最小回流比和最少理论板数？相应的方程及条件？4. 总结简捷法计算精馏塔的步骤。
第三节萃取精馏和共沸精馏1. 基本概念：特殊精馏；萃取精馏；共沸精馏。
2. 萃取精馏的原理是什么？画出液相进料的萃取精馏流程。
3. 溶剂的作用？选择时考虑因素？4. 萃取精馏特点？其流量、浓度分布特点？5. 共沸精馏的基本原理？6. 理想共沸剂的要求？共沸剂用量的确定？7. 分离均相共沸物的双塔双压法流程及二元非均相共沸精馏流程。
8. 请指出共沸精馏与萃取精馏的主要异同。
第四节吸收和蒸出过程1. 基本概念：吸收因子/蒸出因子2. 吸收的分类？吸收塔内组分分布特点？3. 平均吸收因子法计算吸收过程。
4. 简述精馏和吸收过程的主要不同点。
第六章第三节分离顺序的选择确定分离顺序的经验法有哪些？第七章其他分离技术1.催化精馏实质是什么？有何特点？2.简述溶液结晶过程。
3.常用的固体吸附剂有哪些？简述两床变压吸附过程。
4.膜分离定义是什么？举例说明膜分离在工业上的运用。
分离过程习题答案第⼀章绪论1.列出5种使⽤ESA和5种使⽤MSA的分离操作。
答：属于ESA分离操作的有精馏、萃取精馏、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。
属于MSA分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取（双溶剂）、吸收、吸附。
2.⽐较使⽤ESA与MSA分离⽅法的优缺点。
答：当被分离组分间相对挥发度很⼩，必须采⽤具有⼤量塔板数的精馏塔才能分离时，就要考虑采⽤萃取精馏（MSA），但萃取精馏需要加⼊⼤量萃取剂，萃取剂的分离⽐较困难，需要消耗较多能量，因此，分离混合物优先选择能量媒介(ESA)⽅法。
3.⽓体分离与渗透蒸发这两种膜分离过程有何区别？答：⽓体分离与渗透蒸发式两种正在开发应⽤中的膜技术。
⽓体分离更成熟些，渗透蒸发是有相变的膜分离过程，利⽤混合液体中不同组分在膜中溶解与扩散性能的差别⽽实现分离。
5.海⽔的渗透压由下式近似计算：π=RTC/M，式中C为溶解盐的浓度，g/cm3；M为离⼦状态的各种溶剂的平均分⼦量。
若从含盐0.035 g/cm3的海⽔中制取纯⽔，M=31.5，操作温度为298K。
问反渗透膜两侧的最⼩压差应为多少kPa?答：渗透压π=RTC/M＝8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa。
所以反渗透膜两侧的最⼩压差应为2.753kPa。
9. 假定有⼀绝热平衡闪蒸过程，所有变量表⽰在所附简图中。
求：（1）总变更量数Nv;（2）有关变更量的独⽴⽅程数Nc；（3）设计变量数Ni;（4）固定和可调设计变量数Nx ,Na；（5）对典型的绝热闪蒸过程，你将推荐规定哪些变量？思路1：3股物流均视为单相物流，总变量数Nv=3(C+2)=3c+6独⽴⽅程数NcV-2F ziT FP FV , yi ,Tv , PvL , x i , T L , P L习题5附图物料衡算式C个热量衡算式1个相平衡组成关系式C个1个平衡温度等式1个平衡压⼒等式共2C+3个故设计变量Ni=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3固定设计变量Nx＝C+2,加上节流后的压⼒，共C+3个可调设计变量Na＝0解：（1）Nv = 3 ( c+2 )内在(P，T) 2Nc = 2c+3（3）Ni = Nv – Nc = c+3（4）Nxu = ( c+2 )+1 = c+3（5）Nau = c+3 –( c+3 ) = 0思路2：输出的两股物流看成是相平衡物流，所以总变量数Nv=2(C+2) 独⽴⽅程数Nc：物料衡算式C个，热量衡算式1个,共C+1个设计变量数Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1)=C+3固定设计变量Nx:有C+2个加上节流后的压⼒共C+3个可调设计变量Na：有011. 满⾜下列要求⽽设计再沸汽提塔见附图，求：（1）设计变更量数是多少？（2）如果有，请指出哪些附加变量需要规定？解：N x u 进料c+2压⼒9c+11=7+11=18N a u 串级单元 1传热 1 进料，227K，2068kPa组分N2C1C2C3C4C5C6Kmol/h1.054.467.6141.154.756.033.3塔顶产物塔底产物92习题6附图合计 2 N V U = N x u +N a u = 20 附加变量：总理论板数。
第二章 单级气液相平衡过程1 计算在0.1013MPa 和378.47K 下苯(1)-甲苯(2)-对二甲苯(3)三元系，当x 1=0.3125，x 2=0.2978，x 3=0.3897时的K 值。
汽相为理想气体，液相为非理想溶液。
并与完全理想系的K 值比较。
已知三个二元系的Wilson 方程参数。
83.977;33.103522121112=--=-λλλλ 15.4422223=-λλ ;05.4603323-=-λλ14.15101113=-λλ ; 81.16423313-=-λλ (单位：J/mol) 在T=378.47K 时液相摩尔体积为：k m o l m v L 3311091.100-⨯= ；321055.117-⨯=Lv ；331069.136-⨯=L v 安托尼公式为：苯：()36.5251.27887936.20ln 1--=T P s ； 甲苯：)67.5352.30969065.20ln 2--=T P s ；对二甲苯：()84.5765.33469891.20ln 3--=T P s ；(K T Pa P s :;:) 解1：由Wilson 参数方程()[]RT vv ii ij LiL j ij λλ--=Λexp()[]RT v v L L 11121212exp λλ--=Λ ()()[]47.378314.833.1035ex p 1091.1001055.11733⨯--⨯⨯=-- =1.619 ()[]RT v v L L22212121exp λλ--=Λ ()()[]47.378314.883.977ex p 1055.1171091.10033⨯-⨯⨯=-- =0.629同理：838.013=Λ ；244.131=Λ 010.123=Λ ；995.032=Λ由Wilson 方程∑∑∑ΛΛ-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛Λ-=k jjkj k ki j j ij i x x x ln 1ln γ： 9184.01=γ ；9718.02=γ ；9930.03=γ 根据安托尼方程：M P a P s 2075.01= ；Pa P s 4210693.8⨯= ；Pa P s 4310823.3⨯=由式(2-38)计算得：88.11=K ；834.02=K ；375.03=K 如视为完全理想系，根据式(2-36)计算得： 048.21=K ；858.02=K ；377.03=K 解2：在T=378.47K 下苯： )36.5247.378/(5.27887936.20ln 1--=s P ；∴ s P 1=207.48Kpa 甲苯： )67.5347.378/(52.30969065.20ln 2--=s P ；∴s P 2 =86.93Kpa 对二甲苯：)84.5747.378/(65.33469891.20ln 3--=s P ；∴s P 3=38.23Kpa Wilson 方程参数求取854.0)47.378314.883.977exp(1091.1001055.117)exp(3322121221=⨯-⨯⨯=--=∧--RTv v LL λλ7472.0)47.378314.815.442exp(1069.1361055.117)exp(3322233223=⨯-⨯⨯=--=∧--RTvv L Lλλ 346.1)47.378314.805.460exp(1055.1171069.136)exp(3333232332=⨯--⨯⨯=--=∧--RTvv L L λλ457.0)47.378314.814.1510exp(1091.1001069.136)exp(3311132113=⨯-⨯⨯=--=∧--RTvv L L λλ 283.2)47.378314.881.1642exp(1091.1001069.136)exp(3333131331=⨯--⨯⨯=--=∧--RTvv L Lλλ193.1)47.378314.833.1035exp(1055.1171091.100)exp(3311122112=⨯--⨯⨯=--=∧--RT vv LL λλ313121211122133112213321122333113223ln 1ln()()0.31251ln(0.3125 1.1930.29780.4570.3897)(0.3125 1.1930.29780.4570.38970.8540.29780.8540.31250.29780.74x x x r x x x x x x x x x x x x ∧∧=-+∧+∧-+++∧+∧∧++∧∧+∧+=-+⨯+⨯-+⨯+⨯⨯+⨯++ 2.2830.3897)720.3897 2.2830.3125 1.3460.29780.38970.09076⨯++⨯+⨯+=-∴1r =0.9132323112221212323112213321122333113223ln 1ln()()0.2125 1.1931ln(0.31250.8540.29780.74720.3897)(0.3125 1.1930.29780.4570.38970.29780.8540.31250.29780.7x x x r x x x x x x x x x x x x ∧∧=-∧++∧-+++∧+∧∧++∧∧+∧+⨯=-⨯++⨯-+⨯+⨯+⨯++0.3897 1.346)4720.3897 2.2830.3125 1.3460.29780.38970.0188⨯++⨯+⨯+= ∴ 2r =1.019113232331312233112213321122333113223ln 1ln()()0.31250.4571ln(0.31250.4570.2987 1.3460.3897)(0.3125 1.1930.29780.4570.38970.74720.29780.8540.31250.297x x x r x x x x x x x x x x x x ∧∧=-∧+∧+-+++∧+∧∧++∧∧+∧+⨯-⨯+⨯+-+⨯+⨯⨯+⨯+0.3897)80.74720.3897 2.2830.3125 1.3460.29780.38970.2431+++⨯+⨯+= ∴ 3r =1.2752 故87.13.10148.2079132.0111=⨯==P P r K s 8744.03.10193.86019.1222=⨯==P P r K s 4813.03.10123.382752.1333=⨯==PP r K s而完全理想系：048.23.10148.20711===P P K s 8581.03.10193.8622===P P K s 3774.03.10123.3833===PP K s2 在361K和4136.8kPa下，甲烷和正丁烷二元系呈汽液平衡，汽相含甲烷60.387%（mol ）,与其平衡的液相含甲烷13.04%。
第二章 单级平衡过程Chapter2 Single stage balance process单级平衡分离是指两相经一次紧密接触达到平衡后随即引离的过程，由于平衡两相的组成不同，因而可起到一个平衡级的分离作用。
其相平衡用于阐述混合物分离原理、传质推动力和设计计算。
§2-1汽液相平衡（Vapour-liquid phase equilibrium ）所谓相平衡是指两个或两个以上的相处于平衡状态。
“平衡”的意思是指：在宏观上系统的性质随时间而改变的趋势已达到零。
而所谓“相”，是指任何数量的物质在其所占据的空间内宏观性质是均匀一致的，没有不连续的地方。
一定数量的物质，即使被分割成若干部分，但只要它们的性质和组成完全一样，则可把它们称为一个“均相”。
若有两个或两个以上的均相，虽然它们互相紧密接触，但它们各自的性质并不随时间而改变，通常，就用“相平衡“这一词来表达这一状态。
对于双组分系统温度—压力—组成的平衡关系，常常利用实验来测得，而多组分系统的相平衡关系用实验方法来测定就比较复杂。
随着相平衡理论研究的深入，对双组分和多组分系统的汽液相平衡已建立了一些定量的关系式，利用这些关系式，它只需用少量的双组分的实验数据，这就大大地减轻了实验工作量。
一、汽液相平衡关系（Vapour-liquid phase equilibrium ） 1. 基本关系式相平衡条件：组分i 在汽液两相中的化学位相等，L i V i μμ= 也可表示为组分i 在汽液两相中的逸度相等，L iV i f f ˆˆ= iV i V i i V i V i y f y P f 0ˆˆγφ== iL i L i i L i L i x f x P f 0ˆˆγφ== i L i i V i x P y P φφˆˆ= 或 ii L i i V i x f y P γφ0ˆ= ()RTP P V P f Si i S iSi Li-=exp 0φ2. 相平衡常数i k ①定义工程中常用相平衡常数来表示相平衡关系i ii x y k =i k 表示了i 组分在平衡的汽液两相中的分配情况，俗称分配系数。
②i k 的计算方法 ⑴状态方程法V iL iiii x y k φφˆˆ==只要给出组分i 的汽液两相的分逸度系数，即可求出i k ，而已知i k 则可由()i i y x 求与之相平衡的()i i x y 。
L i φˆ和V iφˆ均可用状态方程来计算，但该状态方程必须同时适用于汽液两相，常见的有SRK 、PR 和BWR 方程，此法适用于中压下，液相非理想性不是很强的烃类系统。
⑵活度系数法V iLi i i i i P f x y k φγˆ0== 用于只能计算V iφˆ的状态方程，如维里方程，RK 方程，而i γ则由活度系数模型来计算。
该法用于压力不高，液相非理想性强的系统。
a. 可凝性组分基准态逸度 当1→i x 时，1→i γ，()RTP P V P f Si i S iSi Li-=exp 0φ即纯液体i 在T 、P 下的逸度等于饱和蒸汽压乘以两个校正系数，S i φ为校正处于饱和蒸汽压对理想气体的偏差，指数校正（Poynting ）因子是校正压力偏离饱和蒸汽压的影响。
b. 不凝性组分基准态逸度 当0→i x 时，1*→i γ，iL ix Lix f H f i ˆlim0→==或亨利定律：iL i Hx f =ˆ ③i k 与ij α的关系相对挥发度ij α的定义是i ，j 两组分的相平衡常数之比。
固有分离因子：ji j i j j ii j i ij x x y y x y x y k k ===α 若1=ij α，表示汽液两相中i 、j 两组分的浓度之比相等，因此不能用一般的精馏来分离，ij α值越大，两相平衡后的比值∑=i ijiji x k αα ∑=iij iij i x x y αα∑=ijiij i y k αα ijiiji i yy x αα∑=二、汽液平衡的分类与计算（Classification and calculation of vapour-liquid phase equilibrium constant ） 1. 汽液平衡的分类基本关系式：ii S i S i i i L i i V i x P x f y P γφγφ==0ˆ 忽略Poynting 因子，SS L p f =02. 汽液平衡常数的计算 ①逸度系数的计算计算逸度系数可以通过气体状态方程，PVT 实验数据，普遍化关系，可根据情况任选一种，其基本关系为： ⑴纯组分的逸度系数⎰-=Pi i PdP Z 0)1(ln φ 当2≥r V ,)(Pr ln 10B B Tri ωφ+=6.100422083.0r T B -= 421172.0139.0rT B -= 当2<r V , 10ln ln ln i i i φωφφ+=)(ln ,ln ,10r r i i P T f =φφ可查图。
⑵二元混合物的逸度系数⎰-=PdP Z ii )1(ˆln φ a. 维里方程RT P B B y M j ij j i ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∑2ˆln φ ∑∑=i jij j i M B y y B10B B RT BP C Cω+= ij B 用混合规则求，即先求ij Cij Cij p T ω,,。
见P34和化工热力学。
b. RK 方程⎪⎭⎫⎝⎛-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++--+-=∑RT PV b V b V b V b RT b a V b V b RT a y b V b b V V m m m m mmm mi m m m m m k ikk m m i m m m i ln ln )ln(2ln ˆln 22323φ ∑=ii i m b y b ∑∑=j ij j i im a y y a书中给出了Vdw Equ.的计算，见P30。
②活度系数的计算若1>i γ，称为对拉乌尔定律有正偏差，1<i γ为负偏差。
大多数非烃类混合物，都表现为正偏差，少数由于有缔合现象或属于电解质溶液，能发生负偏差。
一般可以液相中分子间的作用力来估计偏差的正负。
目前，还不能完满地定量计算活度系数，对于双组分系统，主要通过实验测定，也可采用某些公式计算，对于三组分或更多组分的非理想溶液，实验数据很少，活度系数主要用公式估算。
()∑=i i i Ex RT G γln ()jn P T i E i n RT nG ,,ln ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂=γ 只要知道E G 的数学模型，就可通过组分i 的摩尔数n i 求偏导数得到i γ的表达式。
⑴二元溶液的活度系数a. Van-Laar Equ.22211121211lg ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=x A x A A γ 21122212121lg ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=x A x A A γ讨论1）A 的物理意义∞→==11012lg lg lim 1γγx A ∞→==22021lg lg lim 2γγx A2）由2112,lg A A i →γ21122112lg lg 1lg ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=γγγx x A 22211221lg lg 1lg ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=γγγx x A 3）当A A A ==2112时，此二元系统称对称系统，方程可变为单参数的对称方程：2222121lg Ax x A ==γ；2121212lg Ax x A ==γ 4）当02112==A A 时，1=i γ为理想体系；当0,02112<<A A 时，1<i γ为负偏差非理想体系； 当0,02112>>A A 时，1>i γ为正偏差非理想体系 A 可用来判别实际溶液与理想溶液的偏离度。
b. Margules Equ.()[]12211122212lg A A x A x -+=γ ()[]21122212122lg A A x A x -+=γ 1012lg lim 1γ→=x A 2021lg lim 2γ→=x A121221212lg 2lg x x x x A γγ+-=Van Laar 方程和Margules 方程有悠久的历史，仍有实用价值，特别是定性分析方面。
优点：数学表达式简单；容易从活度系数数据估计参数；非理想性强的二元混合物包括部分互溶物系，也经常能得到满意的结果。
缺点：不能用二元数据正确推断三元系的活度系数。
不能用于多元系相平衡计算。
c. Wilson Equ.∑∑∑===--=n j nk nj kjj kik ij j i x x x 111ln 1ln λλλγ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++-+-=2211212122111221)ln(1ln x x x x x x x x i λλλλγ)exp(RTg g VV iiij LjL i ij --=λ注意：1）当01→x 时，21121ln 1ln λλγ--=∞；当02→x 时，12212ln 1ln λλγ--=∞2）当1,12112>>λλ时，为理想体系；当1,12112<>λλ时，为负偏差非理想体系；当1,12112<>λλ时，为正偏差非理想体系；λ可用来判别实际溶液与理想溶液的偏离度。
3）ji ij g g =，但ji ij λλ≠该方程考虑了T 、P 的影响，汽液平衡计算有较高的精度；适用范围很广，不能用于液液平衡的计算，不能用于部分互溶系统。
d. NRTL 方程和UNIQUAC 方程根据局部摩尔分率的概念建立的。
NRTL 方程能进行汽液平衡和液液平衡的计算；但方程中每对二元系多了第三参数α12；Uniquac 方程有NRTL 的优点，但数学表达式最复杂；适用于分子大小相差悬殊的混合物。
e. UNIFAC 基团贡献法0=E S 正规溶液 ⑵三元溶液的活度系数 a. Margules Equ.()[][]+-++-+=)(22lg 1331113231221112221A A x A x A A x A x γ [])21()(2)(21233231331132132132x C A A x A A x A A A x x ---+-+-++ )]21()(2123323x C A A x ---+2133132231221A A A A A A C -+-+-=ij A 为有关的双组分溶液之端值常数，可查阅手册，顺序轮回替换下标，用2代1，用3代2，1代3，便可求2γ及3γ。
b. Wilson Equ.)exp(RTg g VV iiij L jL i ij --=λ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++++++++-++-=33223113132332211212133122111331221)ln(1ln x x x x x x x x x x x x x x x i λλλλλλλλλλγ只需查出有关三个二元溶液的威尔逊参数，计算结果较好，虽较繁复，随着计算机的使用，目前应用较多。
