化工原理.ppt

化工原理总复习提纲（适用于有机化工、环境工程、应用化学、精细化工专业）2004年4月5日 .第八章 传质过程概论第一节第一节 概述概述 传质定义传质定义 分类分类 四个工具（传质速率方程）四个工具（传质速率方程）第二节第二节 扩散与单相传质扩散与单相传质 分子扩散与分子扩散与fickfick定律定律 等分子反向扩散、单向扩散等分子反向扩散、单向扩散 扩散系数扩散系数 涡流扩散与对流传质涡流扩散与对流传质第三节第三节 质量、热量和动量传递的类比质量、热量和动量传递的类比.传质定义：传质定义：当不平衡的两相接触时，物质从一相传递到另一相中的过程称为相间传质过程，简称传质。（均相分离过程）分类：分类：气（汽）液（吸收、精馏、增湿减湿）气固（干燥、吸附）液液（萃取）液固（浸取、结晶）第一节 传质过程概述.第一节 传质过程概述相组成表示法：1 1、摩尔分率摩尔分率（气相y 液相x）、质量分率质量分率 （无量纲）2 2、摩尔比、质量比摩尔比、质量比（以二元为例）（无量纲）3 3、摩尔浓度、质量浓度摩尔浓度、质量浓度 (kmol/m3)(kg/m3).第一节 传质过程概述研究传质过程的四个工具：研究传质过程的四个工具：1、传质速率方程传质过程的快慢 2、相平衡传质的极限 3、物料守恒操作线方程 4、热量守恒.第二节 扩散与单相传质单相扩散单相扩散 相主体 相界面 另一相主体 （溶解）传质过程示意图 .第二节 扩散与单相传质单相内的传质机理：单相内的传质机理：v 分子扩散：（与导热类似）在单一相内存在浓度差的条件下，由于分子无规则运动而造成的物质传递现象。静止流体或与层流运动方向相垂直的方向上可认为是单纯的分子扩散。v 对流传质：（与对流传热类似）由分子扩散和涡流扩散共同作用的流体与相界面之间的传质。涡流扩散是由于宏观流体流动而实现的物质传递现象。.分子扩散Fick定律：JA 组分A在Z方向上的分子扩散通量，kmol/m2s；DAB 组分A在A、B混合物中的扩散系数，m2/s；dCA/dZ 组分A在Z方向上的浓度梯度，kmol/m4；“”传质方向与浓度梯度方向相反。其型式与描述动量传递过程的牛顿粘性定律、描述热量传递过程的傅利叶热传导定律相类似。.双组分一维稳定的分子扩散1 1、等分子反向扩散：等分子反向扩散：气相：液相：.2 2、单向扩散（组分、单向扩散（组分A A通过停滞通过停滞 组分组分B B的扩散）的扩散）（等分子反向扩散加上总体流动）气相：液相：双组分一维稳定的分子扩散.漂流因子定义式：气相：液相：物理意义：反映总体流动对传质速率的影响，因为P/PBm1，所以单向扩散比单纯分子扩散流的传质速率大。当混合气中组分A的浓度很低时，总体流动的影响可忽略，可简化为等分子反向扩散的型式。当混合气中组分A的浓度很高时，总体流动对传质速率的影响占主导地位，漂流因子不可忽略。.扩散系数定义：定义：单位浓度梯度下物质的扩散通量，是物质的一种传递属性。影响因素：物系、温度、压力（对液相可忽略）、组成（对气相可忽略）单位：m2/s.扩散系数组分在气体中的扩散系数：（数量级：10-5）Full公式：适用于常温、高温，不适用于低温。.扩散系数组分在液体中的扩散系数：（数量级：10-9）Wilke-Chomg公式：适用于低分子量非电解质的稀溶液。.涡流扩散与对流传质膜模型膜模型.速率方程型式：速率方程型式：涡流扩散与分子扩散共同作用的结果。模型分区：层流底层：仅靠分子扩散传质，浓度梯度较大，传质阻力主要集 中在该层；过渡区：湍流扩散与分子扩散相当；湍流主体：主要靠涡流扩散传质，浓度梯度接近于零，阻力很小。膜模型将对流扩散简化成溶质通过虚拟层流膜的分子扩散型式。膜模型.第三节 质量、热量与动量传递的类比雷诺类比：雷诺类比：式中：契尔顿-柯尔本类比：.第九章 吸收第一节第一节 概述概述第二节第二节 吸收过程的相平衡（亨利定律）吸收过程的相平衡（亨利定律）第三节第三节 吸收机理及传质速率方程吸收机理及传质速率方程 （双膜理论（双膜理论 传质系数）传质系数）第四节第四节 吸收设计计算吸收设计计算 （操作线方程、最小吸收剂用量、（操作线方程、最小吸收剂用量、低浓度气体吸收填料层高度计算）低浓度气体吸收填料层高度计算）第五节第五节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论第六节第六节 其他条件下的吸收（非等温、多组分、化学）其他条件下的吸收（非等温、多组分、化学）.第一节 概述 1.11.1 处理对象处理对象 1.21.2 定义定义 1.31.3 吸收剂的选择吸收剂的选择 1.41.4 吸收的类型与例子吸收的类型与例子 1.51.5 吸收与精馏的比较吸收与精馏的比较 .化工生产中主要用于以下几个目的：气体混合物的分离，用液体溶剂进行分离：例如在焦化厂焦炉气中含氨，一般用硫酸处理，这样可以回收其中的氨；制取溶液硫铁矿+O2=SO2H2+Cl2=2HClSO2+O2=SO3HCl+H2O=盐酸SO3+H2O=H2SO4NH3+H2O=氨水用水吸收二氧化氮制造硝酸、用水吸收甲醛以制备福尔马林溶液。净化气体用碱液去除烟道气中的SO2等有害气体，SO2酸雨。1.1 1.1 处理对象处理对象 .利用组分A和B在S中溶解度的差异来实现A和B的分离。A：溶质；B：惰性组分（认为两者溶解度相差无穷）；S：吸收剂/溶剂；吸收操作所得到的溶液为吸收液，其成分为溶剂S和溶质A；排出的气体为吸收尾气，其主要成分是惰性气体B，还含有残余的溶质A。逆流操作的吸收塔示意图1.2 1.2 定义定义 .吸收的效果：a.用吸收率表示；b.用吸收液浓度表示；c.用尾气浓度表示。吸收率：EA=被吸收的A/吸收前气体总A选用惰性气体的量为基准，V不变，Y为质量或摩尔比。溶质的再生可用解吸的方法进行，也可用其它方法进行。逆流吸收塔示意图1.2 1.2 定义定义 .溶解度要求：溶解度要求：选选择择性性好好（A和B的溶解度差异大）；A的溶溶解解度度要大（吸收剂用量少）；A的溶解度在条件改变时，改变较大（便于解吸）。其它性质：其它性质：挥挥发发性性小小（减少损失，减少污染：对环境及对气体产品B）、粘粘度度小小（有利于流动及汽、液两相充分接触）、腐腐蚀蚀小小（延长设备寿命）无毒无毒，具有化学稳定性化学稳定性等。最终需综合考虑，一般以“经济性”为指标考虑，往后可能转变为“环境性”“安全性”等。1.3 1.3 吸收剂的选择吸收剂的选择 .1.4 1.4 吸收的类型与例子吸收的类型与例子 .1.多组分吸收：A1，A2同时被吸收（计算关键组分）；单组分吸收：2.根据吸收过程的热效应来分（溶解热/反应热）：非等温吸收：需知不同T下热力学数据（有时需中间冷却）；等温吸收：3.根据有无化学反应来定化学吸收：可逆反应：能再生不可逆反应：不能再生物理吸收：能再生以等温、单组分、低浓度、物理吸收为主进行研究。分类：分类：.相似相似：吸收过程和精馏过程进行的方向和极限都取决于组分在汽、液两相中的平衡关系。当汽相中溶质的实际分压高于与液相成平衡的溶质分压时，溶质便由汽相向液相转移，即发生吸收过程。当液相中轻组分分压高于与液相呈平衡的汽相分压时，部分轻组分从液相转移到汽相，同理，部分重组分从汽相转移到液相，实现精馏过程。1.5 1.5 吸收与精馏的比较吸收与精馏的比较 .区别区别：精馏操作用加入能量分离剂的方法产生第二相（塔顶冷凝，塔底再沸加热）；吸收操作是用加入质量分离剂的方法直接得到第二相（吸收剂）。精馏操作可以直接获得较纯净的轻、重组分；吸收操作得到的是含有溶质的吸收液，要想得到较纯净的溶质，还需要经过第二个分离操作（如脱吸）。精馏操作中，液相部分汽化与汽相部分冷凝同时发生，每层板上的汽、液相都处于接近饱和的温度下，在相界面两侧轻重组分同时地向着彼此相反的方向传递，二元精馏接近等分子反向扩散过程。而吸收操作中，液相温度远远低于沸点，溶剂没有显著的汽化现象，只有溶质分子由汽相进入液相的单向传递，而汽相中的惰性组分和液相中的溶剂组分处于“停滞”状态，吸收接近单向扩散过程。1.5 1.5 吸收与精馏的比较吸收与精馏的比较 .2.12.1 相平衡关系相平衡关系 2.22.2 亨利定律亨利定律 2.32.3 相平衡关系的应用相平衡关系的应用 第二节 吸收过程的相平衡.以等温、单组分、低浓度、物理吸收等温、单组分、低浓度、物理吸收为主，研究在一定温度和压力下，汽液两相中组分A的平衡组成关系。对于单组分物理吸收，主要涉及A、B、S三个组分构成的汽液两相。B为惰性组分在S中不溶；S为不挥发组分汽相中无S。在恒定的温度与压力下，吸收剂S与A+B的混合气体接触，组分A将向吸收剂S中溶解，直到液相S中A达到饱和，浓度不再增加为止，此时，在任何瞬间进入S中A的分子数与从S中逸出的溶质分子数相等，达到动态平衡。汽相中的溶质分压称为平平衡衡分分压压或饱和分压；液相中溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度，也就是气体在液体中的溶解度溶解度。2.1 2.1 相平衡关系相平衡关系 .气体在液体中的溶解度与整个物系的温温度度、压压力力及溶质在汽相中的浓度浓度有关。由溶解度曲线所表现出的规律性可知，加加压压和和降降温温对对吸吸收收操操作作有有利利，因为加压和降温可以提高气体的溶解度。反之，升升温温和和减减压压则有利于脱吸则有利于脱吸。特别要注意的是：汽相中：A的组成可表示为分压或摩尔分数或摩尔比；液相中：A的组成可表示为摩尔分数或摩尔比。因此，平衡关系式有不同的表达式。2.1 2.1 相平衡关系相平衡关系 .摩尔分率：摩尔分率：式中：P*A组分在汽相中的平衡分压，kPa；xA组分在液相中的平衡浓度，摩尔分数；E亨利系数，受物系和温度影响，kPa；摩尔浓度：摩尔浓度：式中：P*A组分在汽相中的平衡浓度，摩尔分数；CA组分在液相中的摩尔浓度，kmol/m3H溶解度系数，受物系和温度影响，kmol/(kPam3)2.2 2.2 亨利定律亨利定律.摩尔分率：摩尔分率：式中：y*每千摩尔气体中所含A组分的摩尔分率；m相平衡常数，受物系、温度和压力影响，无因次摩尔比：摩尔比：式中：Y*每千摩尔惰性气体中所含A组分的摩尔量X每千摩尔吸收剂中所含A组分的摩尔量亨利系数E、溶解度系数H和相平衡常数m均由实验测得。一般物理化学手册或化工手册都有有关的体系的亨利系数E。亨利定律的表达形式亨利定律的表达形式：.1.判断过程进行的方向：判断过程进行的方向：A点吸收：A从气液D点解吸：A从液气2.计算操作点传质推动力：计算操作点传质推动力：可用实际汽相浓度与和液相成平衡的汽相浓度之差表示；也可用实际液相浓度与和汽相成平衡的液相浓度之差表示。2.3 2.3 相平衡关系的应用相平衡关系的应用.3.推算过程进行的极限：推算过程进行的极限：汽液两相成平衡之点为极限点。极限时汽液组成满足相平衡关系，其具体值与汽液相之量有关。例如：A点汽相量无限大，则平衡时，YA*=YAo，XA*=YA*/mXao（上图中水平线）A点汽相量无限小，则平衡时，XA*=XAo，YA*=mXA*=mXAo1/HkL，KGkG，称为汽膜控制过程。（水吸收NH3或HCl）当液相阻力远大于气膜阻力，溶解度系数H很小，则1/kLH/kG，KLkL，称为液膜控制过程。（水吸收O2或CO2）当汽、液两相的传质阻力具有相近的数量级，两者都不能忽略，总传质速率由双膜控制。（中等溶解度的气体吸收，如水吸收SO2）3 3、传质阻力、传质阻力.3 3、传质阻力、传质阻力.4.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程 4.2 吸收剂用量和最小液气比吸收剂用量和最小液气比 4.3 低浓度气体吸收填料层高度的计算（重点）低浓度气体吸收填料层高度的计算（重点）4.4 理论板数的计算理论板数的计算4.5 解吸解吸 第四节 吸收设计计算.设计型计算：*已知：气体处理量（V，惰性组成量），kmol/h；原始浓度Y1，摩尔比，kmol(A)/kmol(B)；吸收率EA或尾气浓度Y2，摩尔比，kmol(A)/kmol(B)；吸收剂入口浓度X2，摩尔比，kmol(A)/kmol(S)。*设计：吸收剂用量L（以S量计），kmol/h；物料衡算吸收剂出口浓度X1，摩尔比，kmol(A)/kmol(S)；塔高H（m）吸收的计算分为设计型和操作型。吸收的计算分为设计型和操作型。.总物料衡算：总物料衡算：V(Y1-Y2)=L(X1-X2)吸收率：吸收率：4.14.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程逆流吸收塔的物料衡算示意图.逆流吸收塔的操作线方程逆流吸收塔的操作线方程操作线BT上任何一点A代表塔内相应截面上的液、气浓度X、Y，端点B代表塔底组成，端点T代表塔顶组成。在逆流吸收塔中，底部具有最大的汽、液浓度，称为浓端；顶部具有最小的汽液浓度称为稀端。4.14.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程.逆流和并流操作线方程是由物料衡算得到的，与系统的平衡关系、操作温度和压强、及塔的结构形式无关。吸收剂用量的决定吸收剂用量的决定操作线的斜率L/V称为“液气比”，是溶剂与惰性气体摩尔流量的比值。它反映单位气体处理量的溶剂消耗量的大小。4.24.2 吸收剂用量和最小液气比吸收剂用量和最小液气比.当L减小时，斜率变小，当操作线和平衡线相交（或相切）时，X1=X1*，是理论上吸收液达到的最高浓度，但推动力为0，不可能实现分离。此时操作线斜率(L/V)min称为最小液气比。相应的吸收剂用量为最小吸收剂用量Lmin。实际上，L=(1.1-2)Lmin4.24.2 吸收剂用量和最小液气比吸收剂用量和最小液气比.2、理论级模型法：、理论级模型法：由已知条件求出达到分离要求所需的理论板数，然后乘以等板高度，得填料层高度：H=NHETP4.34.3 低浓度气体吸收填料层高度的计算低浓度气体吸收填料层高度的计算 确定填料层高度有两种方法：确定填料层高度有两种方法：1、传质速率模型法：、传质速率模型法：根据吸收速率方程，经过微积分方法求填料层高度：H=HOGNOG=HOLNOL.说明：说明：有效比表面a：被液膜覆盖，能进行汽液接触传质的填料比表面积。汽相总传质系数KY：当相平衡曲线接近直线时可近似为常数。计算中把KY和a作为一个量对待，称为汽相总体积传质系数。填料层高度的计算公式：填料层高度的计算公式：.高度单位，可将HOG 理解为由过程条件所决定的某种单元高度，反映了传质设备效能高低，与流动状态/设备型式/处理量/有关。2 2）汽相总传质单元数：汽相总传质单元数：无量纲，反映了分离操作的难易，在整个填料层中，吸收推动力(Y-Y*)是变量，可以用平均值(Y-Y*)m代替而不改变积分值。填料层高度的计算公式：填料层高度的计算公式：1 1）汽相总传质单元高度：汽相总传质单元高度：.(Y1-Y2)=(Y-Y*)m如果气体流经一段填料层前后的浓度变化(Y1-Y2)恰好等于此段填料层内以汽相浓度表示的总推动力的平均值(Y-Y*)m时，这段填料层的高度就是一个汽相总传质单元高度。3 3）汽相总传质单元：汽相总传质单元：填料层高度的计算公式：填料层高度的计算公式：.1、对数平均推动力法对数平均推动力法 2、解析法、解析法 3、图解积分法图解积分法4、近似梯级图解法近似梯级图解法 NOG 的计算的计算.式中：(Y1-Y2)进塔和出塔浓度变化；Y1塔顶汽相总传质推动力；Y2塔底汽相总传质推动力；Ym对数平均推动力。适用范围：适用范围：平衡线为直线平衡线为直线计算公式：计算公式：1 1、对数平均推动力法对数平均推动力法.S=mV/L 称为解吸因子；同理 A=L/mV 称为吸收因子。2 2、解析法解析法适用范围：适用范围：平衡线为过原点的直线平衡线为过原点的直线计算公式：计算公式：.1）根据物系的溶解度数据和操作条件，在X-Y图上作平衡线和操作线；2）Y1、Y2之间选若干个Y，由平衡线查对应的Y*，并计算1/(Y-Y*)；3）以Y为横坐标、1/(Y-Y*)为纵坐标画出相应的图，Y1和Y2所作的垂线与曲线所包围的面积为NOG3 3、图解积分法图解积分法适用范围：适用范围：平衡线为曲线平衡线为曲线.积分中值定理积分中值定理若(Y-Y*)m=(Y1-Y2)，则这一段填料刚好为一个传质单元数。4 4、近似梯级图解法近似梯级图解法（Baker法）法）适用范围：适用范围：平衡线为曲率不大的曲线平衡线为曲率不大的曲线.AF=2HF=HH*(TT*+AA*)/2(Y-Y*)mHH*代表此段内汽相总推动力(Y-Y*)的算术平均值；AF表示此段内汽相浓度的变化(YA-YT)，TFA三角形即表示一个汽相总传质单元。作一个阶梯为一个NOG4 4、近似梯级图解法近似梯级图解法（Baker法）法）.4.44.4 理论板数的计算理论板数的计算板式塔：板式塔：逐板计算，得到级数。H=NHT/1）解析法：）解析法：.4.44.4 理论板数的计算理论板数的计算2）图解法：）图解法：.4.54.5 解吸解吸是吸收过程的逆过程，塔顶浓度高，塔底浓度低，操作线位于相平衡线下方，升温减压有利于解吸。.4.54.5 解吸解吸填料层高度计算公式：填料层高度计算公式：理论板数计算公式：理论板数计算公式：.5.1 试验方法试验方法 5.2 经验关系式经验关系式 5.3 准数关系式准数关系式 5.4 对流传质的理论模型对流传质的理论模型 第五节 传质系数和传质理论.表表1.1.吸收系数与传热系数的对比吸收系数与传热系数的对比吸收传热膜速率方程NA=kG(p-pi)=kL(ci-c)Q=1(T-Tw)=2(tw-t)总速率方程NA=KG(p-p*)=KL(c*-c)Q=K(T-t)膜系数kG，kL1,2总系数KG，KLK 求传质单元高度求传质单元高度HOG=V/ATKYa时，时，KY和和a在一起，在一起，a本身很难直接本身很难直接测定，并作为一个完整的物理量对待，称为测定，并作为一个完整的物理量对待，称为“体积吸收系数体积吸收系数”。KYa的求法有三条途径：实验测定、经验公式及准数关联式；其中的求法有三条途径：实验测定、经验公式及准数关联式；其中实验方法为最基本的方法。实验方法为最基本的方法。.已知：已知：H，AT，V，L，Y1，Y2，X1，X2及及Y*=mX求出求出:可求出可求出:根据根据 便可求出便可求出KYa5.15.1 试验方法试验方法.吸收系数的经验公式一般都是针对特定体系及特定条件下的实验数据得出的，使用范围很窄，使用时一定要注意使用范围。介绍三种计算体积吸收系数的经验公式：1.1.水吸收氨水吸收氨属易溶气体的吸收（阻力在气膜）气膜体积吸收系数的经验公式：kGa=6.0710-4G0.9W0.39式中：kGa气膜体积吸收系数，kmol/(m3hkPa)；G汽相空塔质量速度，kg/(m2h)；W液相空塔质量速度，kg/(m2h)；使用范围：填料塔中水吸收氨；直径为12.5mm的陶瓷环形填料5.25.2 经验关联式经验关联式.2.2.常压下水吸收二氧化碳常压下水吸收二氧化碳属难溶气体的吸收（阻力在液膜）液膜体积吸收系数的经验式：kLa=2.57U0.96式中：kLa液相体积吸收系数，kmol/(m3hkmol/m3)U喷淋密度，即单位时间喷淋在单位塔截面上的液相体积，m3/(m2h)；使用条件：常压下在填料塔中水吸收二氧化碳、直径为10-32mm的陶瓷环、U=3-20 m3/(m2h)、气 体 的 空 塔 质 量 速 度 为 130-580kg/(m2h)、温度21-27。5.25.2 经验关联式经验关联式.3.3.水吸收水吸收SO2属中等溶解度的气体吸收（气膜阻力和液膜阻力都不能忽略）体积吸收系数的经验公式：kGa=9.8110-4G0.7W0.25kLa=W0.82适用范围：温度常数、G3204150、W440058500、直径25mm的环形填料5.25.2 经验关联式经验关联式.1.1.常用的准数有：常用的准数有：Sherwood准数准数：包含待的吸收系数、物性及设备尺寸汽相：液相：式中：L特征尺寸：塔径或填料直径，m；D、D吸收质在汽相、液相的扩散系数，m2/s；kG气膜吸收系数，kmol/(m3hkPa)；R通用气体常数，kJ/(kmolK)5.35.3 准数关联式准数关联式.T温度，K；PBm相界面处与汽相主体中惰性组分分压的对数平均值kPaP总压强，kPa；kL液膜吸收系数，m/s；csm相界面处及液相主体中的溶剂浓度对数平均值kmol/m3c溶液的总浓度，kmol/m3；5.35.3 准数关联式准数关联式.Schmidt准数准数Sc=/D反映物性的参数式中：混合气体或溶液的粘度，Pas；混合气体或溶液的密度，kg/m3；D吸收质在汽相、液相的扩散系数，m2/s；5.35.3 准数关联式准数关联式Gallilio准数：准数：重力影响(对液体).Renold准数准数反映流动状况式中：uo流体经过填料层的实际速度，m/s；de填料层的当量直径，m；de=4/空隙率；比表面积G气体的空塔质量流速，kg/m2s；W液体的空塔质量流速，kg/m2s；L液体的粘度，Pas；5.35.3 准数关联式准数关联式.2.2.气膜吸收系数的准数关联式气膜吸收系数的准数关联式ShG=(ReG)(ScG)适用范围：ReG=21033.5104，ScG=0.62.5，p=101303kPa(绝压)湿壁塔：0.023，0.83，0.44；L湿壁塔的塔径，m；填料塔：0.066，0.80.33；L拉西环填料的外径，m。5.35.3 准数关联式准数关联式.3.液膜吸收系数的准数关联式液膜吸收系数的准数关联式ShL=0.000595ReL0.67ScL0.33Ga0.33适用范围：填料塔，L填料的外径，m；比较：Nu=0.023Re0.8Pr0.3-0.4在溶质浓度低的情况下，汽相传质单元高度的计算式：HG=GW(ScG)0.5式中：HG=V/ATKYa、取决于填料类型及尺寸的常数，可查表或手册。在溶质浓度及气速均较低的情况下，液相传质单元高度的计算式：HL=(W/L)(ScL)0.5式中：HL=L/ATKXa，m；、取决于填料类型及尺寸的常数，可查表或手册。.5.45.4 对流传质的理论模型对流传质的理论模型1.1.膜模型膜模型基本内容：基本内容：在流体靠近界面处存在一层停滞膜，称为有效层流膜或虚拟层流膜，在膜内流体呈层流状态，传质以分子扩散形式完成，传质阻力全部集中在层流膜内。模型关联式为：G为模型参数，双膜理论就是在膜模型的基础上建立起来的。.基本内容：基本内容：当两相进行接触时，溶质由相界面向液相纵深方向逐渐渗透，直至建立稳定的浓度梯度，同时液相主体每经过单位时间就进行一次混合，重新建立浓度梯度，重新混合的时间间隔小于建立稳定浓度梯度的过渡时间，所以溶质在液相中的扩散始终处于不稳定过程。模型关联式为：为模型参数，称作混合时间。2.2.溶质渗透模型溶质渗透模型.基本内容：基本内容：基本内容：液相由很多液体微元构成，这些微元是大量分子的微团，随着流体的运动，液相主体的微元可以与相表面的微元发生置换，溶质在液相中的扩散始终处于不稳定过程。模型关联式为：s为模型参数，成为更新频率。3.3.表面更新模型表面更新模型.三个模型的比较三个模型的比较膜模型建立最早、最简单、最直观，它的局限性是，当流体呈湍流流动时，假设流体中存在层流膜是不合适的，并且膜模型假设当两相刚接触时，由没有浓度梯度到建立起稳定的浓度梯度过渡时间为零也不合适，根据膜模型的关联式，KG应该与D的1次方成正比，而实验值表明k与D的0.50.67次方成正比，说明膜模型在描述吸收过程时有一定偏差。溶质渗透模型和表面更新模型则避免了膜模型的第二个缺点，认为两相刚接触时由没有浓度梯度到建立起稳定的浓度梯度需要过渡时间，不同的是，溶质渗透模型认为不稳定过程是定期更新的，而表面更新模型认为该过程是随时更新的，因为溶质渗透模型和表面更新模型的模型参数难以得到，实用性较差，所以目前对吸收过程作理论分析时仍采用膜模型。.6.1 非等温吸收非等温吸收沿着塔高温度变化，相平衡关系发生变化6.2 多组分吸收多组分吸收每个组分的操作线斜率相同，相平衡关系不同，求关键组分得到所需理论级数，再求其他组分6.3 化学吸收化学吸收选择性强、有效溶解度大 第六节 其他条件下的吸收.第十章 蒸 馏第一节第一节 概述概述第二节第二节 二元溶液的汽液相平衡二元溶液的汽液相平衡 拉乌尔定律拉乌尔定律 泡、露点方程泡、露点方程 相对挥发度相对挥发度 相平衡方程相平衡方程第三节第三节 精馏原理精馏原理第四节第四节 二元连续精馏塔的计算二元连续精馏塔的计算 操作线方程操作线方程 理论板数计算理论板数计算 塔板效率塔板效率 热量衡算热量衡算 主要操作主要操作因素分析因素分析第五节第五节 特殊蒸馏特殊蒸馏.1.11.1 蒸馏的概念蒸馏的概念 1.1.蒸馏的定义蒸馏的定义 2.2.蒸馏如何分离均相物系蒸馏如何分离均相物系1.21.2 蒸馏的优缺点蒸馏的优缺点1.31.3 蒸馏的分类蒸馏的分类 1.1.组分数组分数 2.2.操作方式操作方式 3.3.操作压力操作压力 4.4.蒸馏方式蒸馏方式第一节 概述.1.蒸馏的定义蒸馏的定义 蒸馏是依靠物质之间挥发性的差异实现均相混合物（特别是液相混合物）分离的一种方法。2.蒸馏如何分离均相物系蒸馏如何分离均相物系靠加入能量分离剂使A+B部分汽化，产生汽、液两相，经冷凝和冷却后分别得到产品A+B和A+B。1.11.1 蒸馏的概念蒸馏的概念.1.优点：优点：2.1）用途广泛：可用于液相混合物的分离，还可用于汽相和固相的分离。大多数组分间均存在挥发性差异，汽液平衡易建立（加入能量）。2）工艺流程简单，有可能直接得到纯物质。2.缺点：缺点：能耗大，将塔釜中的液体加热汽化和将塔顶蒸汽冷凝均是消耗汽化潜热。对于有些物系，为了建立汽、液两相系统，有时需要高压、高真空、低温或高温等特殊条件，是否选用蒸馏需要与其他分离技术比较。1.21.2 蒸馏的优缺点蒸馏的优缺点.1.组分数：组分数：二元和多元。2.操作方式：操作方式：连续蒸馏和间歇蒸馏 连续蒸馏：处理量大，操作容易实现自控，稳态；间歇蒸馏：换体系容易、小批量、灵活性大，非稳态。3.操作压力操作压力:常压、加压和减压精馏常压精馏：沸点在室温到150左右的混合物常在常压下蒸馏。减压精馏：在常温下沸点较高，或在高温下易发生分解、聚合的混合物（热敏性物质），常采用减压操作以降低操作温度。加压蒸馏：常压下沸点在室温以下的混合物，一般用加压的方法提高它的沸点，使精馏操作尽可能在室温下操作，降低能耗。本章着重讨论常压下两组分的连续精馏。常压下两组分的连续精馏。1.31.3 蒸馏的分类蒸馏的分类.4.蒸馏方式：蒸馏方式：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏。简单蒸馏：简单蒸馏：间歇蒸馏，分离效果不高；平平衡衡蒸蒸馏馏：“闪蒸”，混合物经过减压生成汽、液两相，两相达到平衡，轻重组分得到一定程度的分离；简单蒸馏和平衡蒸馏一般只能作为原料的粗分或初步分离。只有在混合物的挥发性大，同时对产品的纯度要求不高的场合才用。精馏精馏：多极平衡蒸馏，可以实现液体混合物的高纯度分离。在精馏过程中，采用塔顶“回流”和塔底“再沸”形成液相和汽相，从塔底上升的蒸汽与塔顶回流液形成逆流，进行“多级接触”，液体“多次汽化”和气体“多次冷凝”，从塔底到塔顶易挥发组分的含量逐步增加，难挥发组分的含量逐步减少，从而实现混合物高纯度的分离。1.31.3 蒸馏的分类蒸馏的分类.特殊精馏：特殊精馏：水水蒸蒸气气蒸蒸馏馏：有些物质在较高的温度下蒸馏容易分解，并且它们不溶于水，可用同入水蒸气的方法，降低沸点，使其在较低的温度下分离。恒恒沸沸精精馏馏、萃萃取取精精馏馏：当混合物中各组分的挥发性相差很小，或者形成恒沸液时，采用普通精馏的方法无法分离或需要很多块板，不经济。因此需要加入适当的物质，改变原混合物中各组分的相对挥发度，适合用精馏方法分离。根据加入的物质不同，特殊精馏还有反应精馏、加盐精馏和分子精馏等精馏过程，它们适合于高沸点热敏性物质的分离。1.31.3 蒸馏的分类蒸馏的分类.2.1 2.1 汽、液相平衡关系汽、液相平衡关系 拉乌尔定律拉乌尔定律 泡、露点方程泡、露点方程2.2 2.2 相平衡图相平衡图 等温相图等温相图 等压相图（等压相图（t-x-yt-x-y、y-xy-x）2.3 2.3 相对挥发度及相平衡关系相对挥发度及相平衡关系2.42.4 相平衡常数相平衡常数第二节 二元溶液的汽液相平衡.根据热力学原理，汽、液两相平衡时，各组分在两相中的化学位相等或逸度相等：iL=iV或fiL=fiV式中：iL组分i在液相中的化学位，J/mol；iV组分i在汽相中的化学位，J/mol；fiL组分i在液相中的逸度，Pa；fiV组分i在汽相中的逸度，Pa。汽、液两相平衡关系的描述，反映了XA，YA，T，P之间的关系：相平衡关系式相图相对挥发度相平衡常数2.12.1 汽、液相平衡关系汽、液相平衡关系.液相为理想溶液、汽相为理想气体混合物所组成的体系为理想体系。理理想想溶溶液液:组分的逸度就是它的蒸汽压。而组分的蒸汽压与组分在溶液中的摩尔分数的关系服从拉乌尔（拉乌尔（Raoult）定律）定律：PA=PAoXA或PB=PBo（1-XA）式中：PA，PB分别为组分A、B在汽相中的平衡分压，Pa；PAo、PBo体系温度下纯组分A、B的饱和蒸汽压，Pa；XA组分A在液相中的摩尔分数。理理想想气气体体混混合合物物：组分的逸度就是它的分压。而组分的分压与组分在汽相中的组成的关系服从道尔顿（道尔顿（Dalton）分压定律）分压定律：PA=PYA或PB=P(1-YA)1 1、理想体系、理想体系.1 1、泡点方程：、泡点方程：P-t-x 之间的关系2 2、露点方程：、露点方程：P-t-y 之间的关系Pao、PBo随温度而变化，常用安托因（Antoine）方程表示：式中：A,B,C安托因常数。.汽液两相中有一相不属于理想情况，都为非理想体系，分三种情况：液相是非理想溶液，汽相为理想气体的混合物；液相是理想溶液，汽相为非理想气体的混合物；液相是非理想溶液，汽相为非理想气体的混合物。实际液体溶液大多数是非理想溶液，与拉乌尔定律有一定的偏差。非理想溶液的蒸汽压引入活度系数表示成拉乌尔定律的形式：PA=PAoXAA PB=PBoXBB非理想溶液中组分的活度系数可以用专门的方法计算。2 2、非理想体系、非理想体系.1 1、等温相图、等温相图 (t定了之后，随着xA的变化，yA和P便可确定)PA=PAoXAPB=PBoXBP=PA+PB=PAoXA+PBoXB2.22.2 相图表示法相图表示法2 2、等压相图（P一定时，t和yA随xA的变化）在压强一定的条件下汽、液两相的平衡关系可以用t-x-y图和y-x图表示。.t-x-yt-x-y相图相图饱和蒸汽线位于饱和液体线的上方，表明在同一温度下，平衡时的蒸汽相中易挥发组分的量大于液相，对应的两点表示在此温度下呈平衡的汽、液相组成。两相的量之比根据杠杆法则确定：液相量/汽相量=Pf/eP两条曲线划分为三三个个区区：过热蒸汽区；汽、液两相区；液相区。两条线两条线：曲线为饱和液体线（泡点线）液体加热产生第一个气泡时的温度。曲线为饱和蒸汽线（露点线）蒸汽冷凝产生第一个露珠时的温度。三种点：三种点：沸点（纯物质）；泡点；露点。.y-xy-x相图相图平衡线上每一点的坐标代表平衡的汽液相组成，曲线外不平衡，但不能说明过冷或过热。yx才有分离作用。平衡线上每一点（x,y）对应一个t，随着x、y的增大，t也增大。平衡线离对角线越远，越容易分离，随着操作压力的减小，平衡线离对角线越远，说明减压有利于蒸馏操作。.1 1、挥发度的定义、挥发度的定义：理想溶液VA=PAo；纯组分VA=PAo；VA是组分挥发性的标志。VA=f（t，P，组分浓度）Vi=Pio Xii/Xi=Pio i2 2、相对挥发度、相对挥发度：2.32.3 相对挥发度和相平衡方程相对挥发度和相平衡方程.3 3、相平衡方程、相平衡方程：对于两组分将YB=1-YA，XB=1-XA 代入的定义式，可得到相平衡方程。随T、P变化均不明显，随P变化较T更明显些。等P下，随T几乎不变；改变P，梢有变化；P降低，增加（减压蒸馏）。.1、定义：、定义：Ki=Yi/XiYi（i=1，2n）t，P下，Ki=Pi/P/Xi=Pio Xi/P Xi=Pio/P（理想体系）Xi（i=1，2n）=f（t，P）（两个组分的浓度）2、泡点方程：、泡点方程：Yi=1 或 Ki/Xi=1（P一定时，已知液相浓度，求t）3 3、露点方程：露点方程：Xi=1 或 Yi/Ki=1（P一定时，已知汽相浓度，求t）Yi，Xi时，计算t，试差，多组分设计要用。2.42.4 相平衡常数相平衡常数.3.13.1 简单蒸馏简单蒸馏3.23.2 平衡蒸馏平衡蒸馏3.33.3 精馏原理精馏原理3.43.4 精馏塔及精馏流程精馏塔及精馏流程3.53.5 操作方式汽液接触方式操作方式汽液接触方式第三节 精馏原理.1.概念概念 简单蒸馏为间歇、非稳态过程。简单蒸馏也称为微分蒸馏，在操作过程中，系统的温度和浓度都随时间而连续变化。简单蒸馏得到产品的最高的浓度为YD，因此，只能用于物系的初步分离。欲再高，需以YD为起点再蒸，可到YD。3.1 3.1 简单蒸馏（微分蒸馏）简单蒸馏（微分蒸馏）.简单简单(平衡平衡)蒸馏蒸馏 物理化学基础物理化学基础 挥发性差异挥发性差异 一次部分一次部分 汽化冷凝汽化冷凝 设备包括设备包括加热器、分离器、冷凝器加热器、分离器、冷凝器 产品纯度不高产品纯度不高 3.1 3.1 简单蒸馏简单蒸馏.2.2.过程计算过程计算 简单蒸馏的计算有两方面：1）根据料液量和组成，确定馏出液与釜残液的量和组成间的关系；2）蒸馏液的生产能力。计算的基础仍然是物料衡算、热量衡算及汽液平衡关系。已知：W1起始的加料量；X1料液中易挥发组分起始浓度；W2釜中的残留量；X2残液中易挥发组分的起始浓度；求：蒸出液为多少时，釜液达到要求的XW？.对易挥发组分作物料衡算：则(易挥发组分变少的量)d(wx)/dt=ydw/dt(馏出物中易挥发性组分的量)xdw+wdx=ydwwdx=(y-x)dwdw/w=dx/(y-x)所以:w1w2dw/w=x1x2dx/(y-x)y、x为汽、液两相呈平衡的组成，只要知道汽、液两相的平衡关系，就可以得出W1、X1、W2、X2的关系。如果在X1到X2的操作范围内，接近常数，则代入平衡关系得到：lnw1/w2=ln(1-x2)/(1-x1)+lnx1(1-x2)/x2(1-x1)/（-1)对整个过程作总物料衡算:流出液平均浓度：yD=(w1x1-w2x2)/(w1-w2).1.1.含义含义:采用某种方法将汽、液两相分离，此过程的结果是易挥发组分在汽相中浓集，难挥发组分在液相中浓集，这种过程称为平衡蒸馏。平衡蒸馏所达到的分离效果不高，一般只能作为原料的粗分或初步分离。3.23.2 平衡蒸馏平衡蒸馏.加热过程：状态点（To、XF）在红的泡点之下，仍为液相。减压汽化过程：状态点（T、XF）在黑泡点线之间，为汽液两相共存。2.2.闪蒸过程的描述闪蒸过程的描述.F料液流量，kmol/h；xF料液的组成；L闪蒸后液相的量，kmol/h；xW闪蒸后液相的组成；V闪蒸后汽相的量，kmol/h；yD闪蒸后汽相的组成；t料液在加热器的出口温度，。闪蒸过程的主要关系式为：物料衡算、热量衡算及汽液平衡关系。联立这三个关系式，可进行平衡蒸馏的各种计算。组成：组成：由平衡线可知（相平衡方程）：yD=xW/1+(-1)xW物料衡算：物料衡算：过（xF，xF），斜率为L/V的直线，交点为（xW，yD）3.3.闪蒸过程的计算闪蒸过程的计算.量：物料衡算（杠杆法则）V+L=FV（yD-xF）=L（xF-xW）两线之交点Y=f（X）y-xF=-L（x-xF）/V yD=(f-1)xW/f+xF/f f=V/F表示1 kmol 料液所得的汽相量,称为汽化率.热量衡算：如果遇到计算料液温度t、平衡温度te，可以通过热量衡算得到料液温度t、平衡温度te与汽化率的关系。.高温低浓度（指低于与液相成平衡的汽相浓度）的