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第1章 蒸馏符号：1.英文字母：D塔顶产品（馏出液）流量，kmol/h L塔内下降的液体流量，kmol/h V上升蒸气的流量，kmol/h 2.上标：纯态 * 平衡状态 提馏段一、 概述1. 易挥发组分（轻组分）：沸点低的组分难挥发组分（重组分）：沸点高的组分2. 传质过程（分离操作）：物质在相间的转移过程。3. 蒸馏：将液体混合物部分气化利用各组分挥发度不同的特性达到分离的目的。较易分离或分离要求不高 分类：（1）操作流程：间歇蒸馏连续蒸馏 （2）蒸馏方式：简单蒸馏平衡蒸馏（闪蒸）精馏：（有回流）较难分离特殊精馏：很难分离（3）操作压力：常压蒸馏减压蒸馏：、沸点较高 、热敏性混合物原理、计算无本质区别加压蒸馏：常压下的气态混合物 （4）组分的数目：两组分精馏多组分精馏：工业生产中最为常见二、 两组分溶液的气液平衡（一） 两组分理想物系的气液平衡1. 相律（1） 平衡物系中的自由度数、相数及独立组分数间的关系。（2） F=C-+2（2：外界只有温度&压力2个条件可影响物系的平衡状态）2. 两组分理想物系的气液平衡函数关系（气液相组成与平衡温度间的关系）理想物系：液相为理想溶液。气相为理想气体。（1） 用饱和蒸气压&相平衡常数表示的气液平衡关系1） 拉乌尔定律理想溶液上方的平衡分压：pA=pAxA pB=pBxB=pB（1-xA）溶液沸腾时：p=pA+pB联立：xA=泡点方程：气液平衡下液相组成与平衡温度间的关系 xB=1-xA2） 道尔顿分压定律（外压不太高时，平衡的气相可视为理想气体）yA=yA=xA露点方程：气液平衡时气相组成与平衡温度间的关系yB=1-yA（2） 用相对挥发度表示的气液平衡关系1） 挥发度（与温度有关）：A= B=理想溶液：A=pA；B=pB2） 相对挥发度（溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比）：=若操作压力不高，气相遵循道尔顿分压定律： =yA=理想溶液：=3） y=若1，愈大，挥发度差异愈大，分离愈易。若=1 y=x，不能用普通的精馏方法。y=x，yx，气相组成液相组成 y，相对挥发度越大，3. 两组分理想溶液的气液平衡相图泡点温度：混合液加热，温度升高，溶液开始沸腾，产生第一个气泡，相应的温度。（二） 两组分非理想物系的气液平衡正偏差溶液：两组分分压以及总压均大于拉乌尔定律的计算值，图中有最高点。负偏差溶液：两组分分压以及总压均小于拉乌尔定律的计算值，图中有最低点。恒沸组成（与压强有关）三、 平衡蒸馏&简单蒸馏（一） 平衡蒸馏平衡蒸馏（闪蒸）：一种单级蒸馏操作。1. 物料衡算总物料：F=D+W易挥发组分：FxF=Dy+Wx令=q，y=x - （=xF - x）液化分率y=xF - x = xF - x2. 热量衡算对加热器作热量衡算，热损失忽略：Q=Fcp（T-tF）原料液节流减压后进入分离器，此时物料放出的显热等于部分汽化所需的潜热： Fcp（T-te）=（1-q）Fr原料液离开加热器的温度：T=te+（1-q）3. 气液平衡关系y=te=f（x）（二） 简单蒸馏简单蒸馏（微分蒸馏）：一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行。非稳态过程（不稳定过程）：瞬间形成的蒸气与液体可视为互相平衡，全部蒸气并不与剩余的液体相平衡。*操作范围内，x-y平衡关系为直线，y=mx+b：x1x2ln=lnln= 馏出液的平均组成（或xD，m）：总物料：D=F-W 易挥发组分：D=FxF-Wx2汽化率相同（Dj=Dp=D，Wj=Wp=W yjyp，xj1 饱和液体（泡点）进料：q=1q=0q=1 气液混合物进料：0q1 饱和蒸气（露点）进料：q=0 过热蒸气进料：q1（ppBm）pBm（kPa）：物质B分压的对数平均值（三） 液相中的稳态分子扩散NA=（cA1-cA2） 经验式，仿照气相（四） 扩散系数（1） 分子扩散系数（扩散系数）：物质的特性常数之一 有关：介质的种类、温度、压力、浓度（组成）（2） 马克斯韦尔-吉利兰公式：已知：温度T0、压力p0下的扩散系数D0 推算：温度T、压力p时的扩散系数D（五） 对流传质1. 涡流扩散此时扩散通量：JA= -（D+DE）涡流扩散系数DE（m2/s）：不是物性常数，与湍动程度有关2. 对流传质过程分析（1） 对流传质：发生在运动着的流体与相界面之间的传质过程。（2） 对流传质速率关系式：气相一侧：NA=（pA-pAi）=kG（p-pi） 液相一侧：NA=（cAi-cA）=kL（ci-c）zG（m）：气相有效层流膜层厚度zL（m）：液相有效层流膜层厚度（六） 吸收过程的机理1. 双膜理论（1） 惠特曼，20世纪20年代，提出（2） 基本假设：1） 相互接触的气、液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的停滞膜，吸收质以分子扩散方式通过此二膜层由气相主体进入液相主体。2） 在相界面处，气、液两相达到平衡。3） 在两个停滞膜以外的气、液两相主体中，由于流体充分湍动，物质组成均匀。 无扩散阻力，故浓度均匀。 传质阻力停留在滞流层内。2. 溶质渗透理论3. 表面更新理论（七） 吸收速率方程式1. 气膜吸收速率方程式NA=（pA-pAi）NA=kG（p-pi）=，kG= 气膜吸收系数kG：kmol/（m2skPa）气相的组成以摩尔分数表示：NA=ky（yA-yAi）气相总压不很高时，根据分压定律：ky=pkG 气膜吸收系数ky：kmol/（m2s）2. 液膜吸收速率方程式NA=（cAi-cA）令kL=，NA=kL（cAi-cA） 液膜吸收系数kL：kmol/（m2skmol/m3）或m/s液相的组成以摩尔分数表示：NA=kx（xAi-xA） kx=ckL 液膜吸收系数kx：kmol/（m2s）4. 总吸收系数&相应的吸收速率方程式（1）以pA-pA*表示总推动力的吸收速率方程式1）总系数KG的倒数为两膜总阻力，由气膜阻力与液膜阻力两部分组成：=+ c=Hp*，ci=HpiNA=kG（p-pi）=kL（ci-c）=kL（Hpi-Hp*）=KG（p-p*）2）气相总吸收系数KG：kmol/（m2skPa）3）气膜阻力占总阻力百分数：=4）对于易溶气体，H值很大。 kG与kL数量级相同或接近： 此时传质阻力的绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略，简化：KGkG；NAkG（p-p*）（2）以cA*-cA表示总推动力的吸收速率方程式1）=+ p=，pi=NA=kL（ci-c）=kG（p-pi）=kG（- ）=KL（c*-c）2）液相总吸收系数KL：kmol/（m2skmol/m3），即m/s3）对于难溶气体，H值甚小。 kG与kL数量级相同或接近： 此时传质阻力的绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略，简化：KLkL（3）以YA-YA*表示总推动力的吸收速率方程式KY=吸收质在气相中的组成很小时，Y和Y*都很小，分母接近于1：KYKGp（4）以XA*-XA表示总推动力的吸收速率方程式5. 小结NA气膜kG（p-pi）ky（y-yi）kY（Y-Yi）液膜kL（ci-c）kx（xi-x）kX（Xi-X）气相KG（p-p*）Ky（y-y*）KY（Y-Y*）液相KL（c*-c）Kx（x*-x）KX（X*-X） 压力p改变无影响 =pKG；压力p有影响已知可求kGky，kYkLkx，kXKGKy，KY，KL，Kx，KXKLKx，KX，KG，Ky，KY操作类型三、 吸收塔的计算板式塔 逆流填料塔 并流（一） 吸收塔的物料衡算&操作线方程1. 物料衡算对单位时间内进出吸收塔的A物质的量作衡算：VY1+LX2=VY2+LX1 V（Y1-Y2）=L（X1-X2） 吸收率（回收率）：A=（混合气中溶质A被吸收的百分数）2. 吸收塔的操作线方程&操作线（1）m-n截面与塔底端面之间作组分A的衡算：VY+LX1=VY1+LX Y=X +（Y1 - X1） m-n截面与塔顶端面之间作组分A的衡算：Y=X +（Y2 - X2）（2）液气比：=（3）逆流吸收塔的操作线方程：直线的斜率： 直线通过B（X1，Y1）及T（X2，Y2）两点（二） 吸收剂用量的决定（）min=平衡关系符合亨利定律（假设：Y=mX）：X2=0（纯溶剂） （）min=m；（）=m ：1.12.0（三） 塔径的计算D= （四） 填料层高度的计算1. 填料层高度的基本计算式kmol/（m3s）物料衡算；传质速率；相平衡关系气相总体积吸收系数KY液相总体积吸收系数KX2. 传质单元高度&传质单元数Y1Y2气相总传质单元高度（m；由过程条件所决定的某种单元高度）：HOG=气相总传质单元数：NOG= Y1Y2Z=HOGNOG*Z=HOG NOG=1 =1 （Y-Y*）m=Y1-Y2在高度等于传热单元高度的填料层内，吸收的平均推动力与气相组成的变化相等。 传质单元高度的大小是由过程条件决定的：HOG= ：单位塔截面上惰性气体的摩尔流量 KY：体积吸收系数 传质单元数反映吸收过程的难度。 气体组成变化越大，平均推动力越小，过程难度越大，所需的传质单元数越大。3. 传质单元数的求法（1） 解析法1） 脱吸因数式NOG=ln（1-S）+ S 脱吸因数S=（物理意义）：平衡线斜率（m）与操作线斜率的比值增大S值，NOG值必然增大，不利吸收。为了从混合气体中分离出溶质组分A而进行的吸收过程要获得最高的吸收率，必然力求使出塔气体与进塔液体趋近平衡，这就必须采用较大的液体量，使操作线斜率大于平衡线斜率（即S1）才有可能。Y1=Y1-Y1*Y2=Y2-Y2*2） 对数平均推动力法NOG=，Ym=， ts（或tw） td 饱和空气：t=ts（或tw）= td（二） 湿空气的H-I图1. 湿空气的H-I图（1） 等湿度线（等H线）群（2） 等焓线（等I线）群（3） 等干球温度线（等t线）群（4） 等相对湿度线（等线）群：H= （5） 蒸汽分压线2. H-I图的说明&应用二、 干燥过程的物料衡算&热量衡算（一） 湿物料的性质（1） 湿基含水量：水分在湿物料中的质量百分数=100%（2） 干基含水量X：湿物料中的水分与绝干物料的质量比X=100%=，X=（3） 湿物料的比热容cmcm=cs+Xcwcm湿物料的比热容，kJ/（kg绝干料）cs绝干物料的比热容，kJ/（kg绝干料）cw物料中所含水分的比热容，取为4.187 kJ/（kg水）（4） 湿物料的焓II=cm 湿物料的温度，（二） 干燥系统的物料衡算可算出：从物料中除去水分的数量，即水分蒸发量 空气消耗量 干燥产品的流量（1） 水分蒸发量W（kg/s）：单位时间内水分的蒸发量LH1+GX1=LH2+GX2W=L（H2-H1）=G（X1-X2） 后求L（2） 空气消耗量L（kg绝干气/s）：单位时间内消耗的绝干空气量L= 等焓= 单位空气消耗量（kg绝干气/kg水）：蒸发1kg水分消耗的绝干空气质量（3） 干燥产品流量G2G2（1 - 2）=G1（1 - 1）G2= 1物料进干燥器时的湿基含水量 2物料离开干燥器时的湿基含水量（三） 干燥系统的热量衡算可求得：预热器消耗的热量；向干燥器补充的热量；干燥过程消耗的总热量1. 热量衡算的基本方程（1） 预热器消耗的热量忽略热损失，对预热器列焓衡算：LI0+Qp=LI1单位时间内预热器消耗的热量：Qp=L（I1-I0）（2） 向干燥器补充的热量对干燥器列焓衡算：LI1+GI1+QD=LI2+GI2+QL干燥器的热损失速率（kW）：QL=（kJ/kg）W单位时间内向干燥器补充的热量：QD=L（I2-I1）+G（I2-I1）+QL（3） 干燥系统消耗的总热量1） 干燥系统消耗的总热量（kJ/h，kW）：Q=Qp+QD=L（I2-I0）+G（I2-I1）+QLv2v02） 假设：新鲜空气中水的焓等于离开干燥器废气中水气的焓，即I =I 湿物料进出干燥器时的比热取平均值cmm2Q=Qp+QD=1.01L（t2-t0）+W（2490+1.88t2）+Gc （2-1）+QL3） 向干燥系统中输入的热量用于：加热空气；蒸发水分加热（湿）物料；热损失（损失于周围环境中）2. 干燥系统的热效率定义：=100%蒸发水分所需的热量：Qv=W（2490+1.88t2）- 4.1871W kJ/（kg），cm=cs+Xcw忽略湿物料中水分带入系统中的焓，简化：QvW（2490+1.88t2）=100%G=G1（1-1），kg绝干料/h新鲜空气消耗量（kg新鲜空气/h）：L0=L（1+H0）（四） 空气通过干燥器时的状态变化QD=L（I2-I1）+G（I2-I1）+QL1. 等焓干燥过程（1） 等焓干燥过程（绝热干燥过程），满足条件： 不向干燥器中补充热量，即QD=0 忽略干燥器向周围散失的热量，即QL=0 物料进出干燥器的焓相等，即G（I2-I1）=0（2） 由假设可得：I1=I2，t2I2，t2t1 不向干燥器中补充热量，即QD=0 不能忽略干燥器向周围散失的热量，即QL0 物料进出干燥器的焓不相等，即G（I2-I1）0（2） 操作线在过点B的等焓线上方：I1I2，t2G（I2-I1）+QL（3） 操作线为过点B的等温线：I2I1，t2=t1*循环比=三、 固体物料在干燥过程中的平衡关系&速率关系（一） 物料中的水分1. 平衡水分&自由水分平衡含水量（