化工原理天大下册第一部分

1、化化 工工 原原 理理（下（下 册）册）制作人：贾绍义第七章传质与分离过程概论6第八章气体吸收12第九章蒸馏16第十章液-液萃取和液-固浸取6第十一章固体物料的干燥8第十二章其他分离方法2学时安排总学时 56授课 50期中考试 2习题课 4教材n柴诚敬主编n普通高等教育“十五”国家级规划教材n化工原理（下册）n北京: 高等教育出版社n2006年1月（第一版）(1)贾绍义,柴诚敬.化工传质与分离过程.第二版北京:化学工业出版社,2007(2)夏清，陈常贵.化工原理，下册.天津:天津大学出版社,2005(3)W.L.McCabe,J.C.Smith.UnitOperationsofChemical

2、Engineering,6thed.NewYork:McGraw.HillInc.,2001参考教材网络课程辅助教学化工原理及实验网络课程 网址：202.113.179.181网络课程站点化工原理及实验网络课程虚拟课堂演示实验图片汇总动画汇总思考题汇总作业汇总讨论与答疑网上自测教师主页附件下载网络课程辅助教学 通过本章学习，应掌握传质与分离过程的基本概念和传质过程的基本计算方法，为以后各章传质单元操作过程的学习奠定基础。学习目的与要求第七章传质与分离过程概论7.1 概述7.1.1 传质分离过程第七章传质与分离过程概论原料反应产物目的产物副产物分离过程反应过程一、分离过程在化工中的应用示例：三氯

3、甲烷的制备。示例：炼油过程。原料目的产物副产物分离过程二、相际传质过程与分离分离过程非均相物系分离均相物系分离可通过机械方法分离，易实现分离。不能通过简单的机械方法分离，需通过某种物理（或化学）过程实现分离，难实现分离。例 气固分离：沉降液固分离：过滤均相物系的分离方法均相物系某种过程两相物系根据不同组分在各相中物性的差异，使某组分从一相向另一相转移：相际传质过程实现均相物系的分离相际传质过程均相物系分离二、相际传质过程与分离空气氨水空气氨水示例：空气和氨分离吸收塔二、相际传质过程与分离三、传质分离方法1.平衡分离过程 （1）气液传质过程 气液传质过程是指物质在气、液两相间的转移，它主要包括气

4、体的吸收（或脱吸）、气体的增湿（或减湿）等单元操作过程。 吸收（脱吸） 增湿（减湿） （2）汽液传质过程 汽液传质过程是指物质在汽、液两相间的转移，该汽相是由液相经过汽化而得，它主要包括蒸馏（或精馏）单元操作过程。 蒸馏（精馏） 三、传质分离方法（3）液液传质过程 液液传质过程是指物质在两个不互溶的液相间的转移，它主要包括液体的萃取等单元操作过程 。 萃取 三、传质分离方法（4）液固传质过程 液固传质过程是指物质在液、固两相间的转移，它主要包括结晶（或溶解）、液体吸附（或脱附）、浸取等单元操作过程。 结晶（溶解） 吸附（脱附） 浸取 三、传质分离方法（5）气固传质过程 气固传质过程是指物质在气

5、、固两相间的转移，它主要包括气体吸附（或脱附）、固体干燥等单元操作过程。 干燥 吸附（脱附） 三、传质分离方法平衡常数（分配系数） iiixyK/分配因子 jiijKK / 通常将K值大的当作分子，故一般大于1。当偏离1时，便可采用平衡分离过程使均相混合物得以分离，越大越容易分离。 xi、yi分别表示组分在两相中的组成三、传质分离方法2.速率分离过程 （1）膜分离 膜分离是指在选择性透过膜中，利用各组分扩散速度的差异，而实现混合物分离的单元操作过程。 膜分离超滤反渗透渗析点渗析三、传质分离方法（2）场分离 场分离是指在外场（电场、磁场等）作用下，利用各组分扩散速度的差异，而实现混合物分离的单元

6、操作过程。 场分离电泳热扩散高梯度磁场分离三、传质分离方法三、传质分离方法 磁化精馏实验装置 钕铁硼永磁场3.分离方法的选择 分离方法选择的原则三、传质分离方法v 被分离物系的相态 v 被分离物系的特性 v 产品的质量要求 v 经济程度 7.1 概述7.1.1 传质分离过程第七章传质与分离过程概论7.1.2 相组成的表示方法一、质量浓度与物质的量浓度1.质量浓度质量浓度定义式VAmA混合物的总质量浓度Nii1总kg/m3密度2.物质的量浓度混合物的总物质的量浓度Niicc1总VnAAckmol/m3一、质量浓度与物质的量浓度物质的量浓度定义式质量浓度与物质的量浓度的关系 AAAMcMc总总ii

7、MxM平均摩尔质量一、质量浓度与物质的量浓度1.质量分数质量分数定义式mmAAw混合物的总质量分数Niiw11二、质量分数与摩尔分数2.摩尔分数 nnxAA混合物的总摩尔分数 11iNixnnyAA11iNiy液相气相二、质量分数与摩尔分数摩尔分数定义式质量分数与摩尔分数的关系 iiNiAAAMwMwx/1iiNiAAAMxMxw1由质量分数求摩尔分数由摩尔分数求质量分数二、质量分数与摩尔分数1.质量比质量比的定义式AAAmmmX质量比与质量分数的关系AAAwwX1三、质量比与摩尔比AAAXXw1摩尔比的定义式AAAnnnXAAAnnnY摩尔比与摩尔分数的关系 AAAxxX1AAAXXx1液相

8、气相三、质量比与摩尔比2.摩尔比练 习 题 目思考题作业题: 1、21.传质分离过程有哪些类型?2.何为相平衡常数和分离因子?3.选择分离方法应主要考虑哪些因素?4.相组成有哪些表示方法，引出质量比和摩尔比有 何意义?7.1 概述第七章传质与分离过程概论7.2.1 分子传质（扩散）7.2 质量传递的方式与描述一、分子扩散现象与费克定律1.分子扩散现象 由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象分子传质。v分子传质又称为分子扩散，简称为扩散v分子传质在气相、液相和固相中均能发生播放动画31：分子扩散现象描述分子扩散过程的基本定律费克第一定律。dzdcDJAABAkmol/(m2 s)费克第一定律

9、DAB 组分A在组分B中的扩散系数，m2/s一、分子扩散现象与费克定律2.费克(Fick)定律dzdcDJBBAB及DBA 组分B在组分A中的扩散系数，m2/s0dzdcdzdcBA常数总BAccc对于两组分扩散系统BAABDD一、分子扩散现象与费克定律微分得故此得0BAJJJ3.总体流动现象示例：用水吸收空气中的氨一、分子扩散现象与费克定律 设由A、B组成的二元气体混合物，其中 A为溶质，可溶解于液体中，而B不能在液体中溶解。这样，组分A可以通过气液相界面进入液相，而组分 B不能进入液相。由于 A分子不断通过相界面进入液相，在相界面的气相一侧会留下“空穴”。根据流体连续性原则，混合气体会自动

10、地向界面递补，这样就发生了A、B 两种分子并行向相界面递补的运动，这种递补运动就形成了混合物的总体流动。 相界面气相（AB）液相 SANAJBJ主体流动0BNANyBNymuAAANyJN0BBNyJNBBBNyJ一、分子扩散现象与费克定律二、气体中的稳态分子扩散 设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则称为等分子反方向扩散。1.等分子反方向扩散气相相界面液相易挥发组分NANB难挥发组分蒸馏操作对于等分子反方向扩散dzdcDJNAABAANA=NB二、气体中的稳态分子扩散因此得N=NA+NB=0故此得等分子反方向扩散(1) z =z1边界条件cA=

11、cA1(pA=pA1）(2) z =z2cA=cA2(pA=pA2）二、气体中的稳态分子扩散求解得)(21AAABAAcczDJN12zzz当扩散系统处于低压时，气相可按理想气体混合物处理，则RTAApc)(21AAABAAppzRTDJN二、气体中的稳态分子扩散据此得设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A为扩散组分，组分B为不扩散组分（称为停滞组分），组分A通过停滞组分B进行扩散。吸收操作液相相界面气相溶质NANB0惰性组分B2.一组分通过另一停滞组分的扩散二、气体中的稳态分子扩散对于组分A通过停滞组B的扩散AAAABAAAABANccdzdcDNydzdcDN总NB=0整理得 dzdc

12、cccDNAAABA总总二、气体中的稳态分子扩散N=NA+NB=NA(1) z =z1边界条件cA=cA1(pA=pA1）(2) z =z2c A=cA2(pA=pA2）二、气体中的稳态分子扩散一组分通过另一停滞组分的扩散二、气体中的稳态分子扩散求解可得12lnAAABAcccczcDN总总总12lnAAABAppppzRTpDN总总总或由于扩散过程中总压不变 22ABppp总11ABppp总2112AABBpppp121221lnBBBBAAABAppppppzRTpDN总二、气体中的稳态分子扩散令1212lnBBBBBMppppp)(21AABMABAppzpRTpDN总据此得组分B的对数

13、平均分压二、气体中的稳态分子扩散比较 反映了总体流动对传质速率的影响)(21AAABAppzRTDN)(21AABMABAppzpRTpDN总相差BMpp /总BMpp/总飘流因数二、气体中的稳态分子扩散1/BMpp总BMpp总因为故1/BMpp总AAJNBMpp/总AN总体流动影响无总体流动二、气体中的稳态分子扩散三、液体中的稳态分子扩散1.等分子反方向扩散)(21AAABAcczDN参照气体中的等分子反方向扩散过程，可写出12zzz 组分A在溶剂B中的扩散系数，m2/sABD三、液体中的稳态分子扩散)(21AABMABAcczccDN总 参照气体中的一组分通过另一停滞组分的扩散过程，可写出

14、2.一组分通过另一停滞组分的扩散或)(21AABMABAxxzxcDN总三、液体中的稳态分子扩散12ln12BBBMcccccBB其中12ln12BBBMxxxxxBB停滞组分B对数平均物质的量浓度停滞组分B对数平均摩尔分数四、扩散系数1.气体中的扩散系数 通常，扩散系数与系统的温度、压力、浓度以及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关，只是温度及压力的函数。气体扩散系数可从有关资料中查得，某些双组分气体混合物的扩散系数列于附录一中。气体中的扩散系数，其值一般在 m2/s范围内。54101101四、扩散系数估算气体扩散系数经验公式23/13/12/175. 15

15、)()()11(10013. 1BABAABvvpMMTD总福勒公式BAMM 、 组分A、B的摩尔质量，kg/kmol；BAvv、 组分A、B的分子扩散体积，cm3/mol。四、扩散系数简单分子的扩散体积简单分子的扩散体积物 质v/（cm3/mol）物 质v/（cm3/mol）H27.07CO18.90D26.70CO226.90He2.88N2O35.90N217.90NH314.90O216.60H2O12.70air20.10（CCl2F2）114.80Ar16.10(SF6)69.70四、扩散系数原子的扩散体积原子的扩散体积元 素/（cm3/mol）元 素/（cm3/mol）C16.5

16、0(Cl)19.5H1.98(S)17.0O5.48芳香环20.2(N)5.69杂环20.2四、扩散系数 由福勒公式可知，气体扩散系数与 成正比、与 成反比。根据该关系，可得75. 1T总p75. 112211AB2AB)(TTPPDD总，总，1ABD 、 下的扩散系数，m2/s；1T1总，p2ABD 、 下的扩散系数，m2/s。2T2总，p四、扩散系数2.液体中的扩散系数 液体中溶质的扩散系数不仅与物系的种类、温度有关，而且随溶质的浓度而变。液体中的扩散系数可从有关资料中查得，某些低浓度下的二组元液体混合物的扩散系数列于附录一中。液体中的扩散系数，其值一般在 m2/s范围内。10910110

17、1四、扩散系数估算液体扩散系数经验公式威尔基公式BM 溶剂 B 的摩尔质量，kg/kmol；bAV 溶质在正常沸点下的分子体积，cm3/mol。6 . 0152/1)(104 . 7bABBABVTMDB 溶剂 B 的黏度，Pa s； 溶剂 B 的缔合因子；四、扩散系数常见溶剂的缔合因子常见溶剂的缔合因子 溶剂名称水甲 醇乙 醇苯非缔合溶剂缔合因子2.61.91.51.01.0四、扩散系数某些物质在正常沸点下的分子体积某些物质在正常沸点下的分子体积物 质分 子 体 积/（cm3/mol）物 质分 子 体 积/（cm3/mol）空气29.9H2O18.9H214.3H2S32.9O225.6NH

18、325.8N231.2NO23.6Br253.2N2O36.4Cl248.4SO244.8CO30.7I271.5CO234.0练 习 题 目思考题作业题: 3、4、51.求解分子传质问题的基本方法是什么？2.“漂流因子”与总体流动有何关系？3.气体扩散系数与哪些因素有关？4.如何获得气体扩散系数与液体扩散系数？7.1 概述第七章传质与分离过程概论7.2.1 分子传质（扩散）7.2 质量传递的方式与描述7.2.2 对流传质1.涡流扩散 由于流体质点的湍动和旋涡而形成的物质传递现象涡流扩散。 v 涡流扩散在湍流流体中发生一、涡流扩散现象v 在涡流扩散中时刻存在分子扩散v 涡流扩散的通量远大于分子

19、扩散的通量2.涡流扩散通量方程dzdcJAMeA涡流扩散系数，m2/sMkmol/(m2 s)一、涡流扩散现象描述涡流扩散通量的方程为涡流扩散通量1.对流传质的类型 运动流体与固体表面之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递过程对流传质。 二、对流传质对流传质自然对流传质强制层流传质强制湍流传质强制对流传质2.对流传质的机理所谓对流传质的机理是指在传质过程中，流体以哪种方式进行传质。研究对流传质速率需首先弄清对流传质的机理。层流内层缓冲层湍流中心AicAfc)(rfcA湍流流体流体与管壁间的浓度分布二、对流传质湍流主体层流内层缓冲层传质机理：分子传质传质机理：涡流传质为主浓度分布：为一陡峭

20、直线传质机理浓度分布：为一渐缓曲线浓度分布：为一平坦曲线分子传质涡流传质在与壁面垂直的方向上分为三层二、对流传质2.对流传质速率方程 描述对流传质的基本方程对流传质速率方程。 对流传质系数，kmol/(m2sc)Lk)(AfAiLAcckNkmol/(m2 s)二、对流传质对流传质速率方程对流传质通量7.1 概述第七章传质与分离过程概论7.2.1 分子传质（扩散）7.2 质量传递的方式与描述7.2.2 对流传质7.2.3 相际间的传质一、相际间的对流传质过程 设组分 A从气相传递到液相（如吸收），该过程由以下3步串联而成： 组分A从气相主体扩散到相界面； 在相界面上组分A由气相转入液相； 组分

21、A由相界面扩散到液相主体。 一般来说，相界面上组分A从气相转入液相的过程很快，相界面传质阻力可以忽略。因此，相际间传质的阻力主要集中在气相和液相中。若其中一相传质阻力较另一相大得多，则另一相传质阻力可以忽略，此种传质过程即称之为“该相控制”。 一、相际间的对流传质过程相际间的传质二、相际间对流传质模型1.双膜模型 惠特曼(Whiteman)于1923年提出，最早提出的一种传质模型。pbcb停滞膜模型（双阻力模型）双膜模型示意图播放动画32：双膜模型停滞膜模型的要点 当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳 定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞 膜气膜和液膜，溶质A经过两膜层的传质方式 为

22、分子扩散。 在气液相界面处，气液两相处于平衡状态，无 传质阻力。 在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流 体强烈湍动，各处浓度均匀一致，无传质阻力。 二、相际间对流传质模型)(AiAbBMGABApppRTzpDN总)(AbAiBMLABAcccczDN总 依据双膜模型，组分A通过气膜、液膜的扩散通量方程分别为二、相际间对流传质模型设对流传质速率方程分别为 比较得)(AiAbGAppkN)(AbAiLAcckNBMGABGpRTzpDk总BMLABLczcDk总气膜对流传质系数液膜对流传质系数二、相际间对流传质模型根据双膜模型，导出停滞膜模型的模型参数液膜厚度 zL气膜厚度 zGGkABD

23、二、相际间对流传质模型LkABD或2.溶质渗透模型 希格比( Higbie)于1935年提出，为非稳态模型。溶质渗透模型示意图二、相际间对流传质模型播放动画33：溶质渗透模型溶质渗透模型的要点 液面由无数微小的液体单元所构成，当气液两相相互接触时，液相主体中的某些单元运动至相界面便停滞下来。在气液未接触前，液体单 元中溶质的浓度和液相主体的浓度相等，接触 开始后，相界面处立即达到与气相平衡状态。 随着接触时间的延长，溶质 A通过不稳态扩 散方式不断地向液体单元中渗透。 二、相际间对流传质模型 液体单元在界面处暴露的时间是有限的，经 过时间c后，旧的液体单元即被新的液体单 元所置换而回到液相主体

24、中去。在液体单元 深处，仍保持原来的主体浓度不变。 液体单元不断进行交换，每批液体单元在界面暴露的时间c都是一样的。 二、相际间对流传质模型根据溶质渗透模型，可导出)(40AAicABccDAN二、相际间对流传质模型设对流传质速率方程分别为 )(AbAiLAcckN比较可得溶质渗透模型的模型参数暴露时间cLk2/1ABDcABLDk4二、相际间对流传质模型3.表面更新模型 丹克沃茨(Danckwerts)于1951年提出，为非稳态模型。表面更新模型的要点 溶质向液相内部传质为非稳态分子扩散过程。 界面上液体单元有不同的暴露时间或称年龄，界面上各种不同年龄的液体单元都存在。 不论界面上液体单元暴

25、露时间多长，被置换的概 率是均等的。单位时间内表面被置换的分率称为 表面更新率，用符号S 表示。 二、相际间对流传质模型根据表面更新模型，可导出二、相际间对流传质模型)(0AAiAccNSDAB设对流传质速率方程分别为 )(AbAiLAcckN表面更新模型的模型参数表面更新率S比较可得Lk2/1ABDSDABLk二、相际间对流传质模型7.1 概述第七章传质与分离过程概论7.3.1 传质设备的分类与性能要求7.2 质量传递的方式与描述7.3 传质设备简介一、传质设备的分类传质设备气液传质设备按所处理物系相态分类液液传质设备气固传质设备液固传质设备传质设备按两相的接触方式分类逐级接触式设备微分接触

26、式设备按促使两相混合与接触动力分类传质设备无外加能量式设备有外加能量式设备二、传质设备的性能要求v单位体积中，两相的接触面积应尽可能大对传质设备的基本要求v两相分布均匀，避免或抑制沟流、短路及返混等 现象发生v流体的通量大，单位设备体积的处理量大v流动阻力小，运转时动力消耗低 v操作弹性大，对物料的适应性强 v结构简单，造价低廉，操作调节方便，运行安全 可靠 7.1 概述第七章传质与分离过程概论7.3.1 传质设备的分类与性能要求7.2 质量传递的方式与描述7.3 传质设备简介7.3.2 典型的传质设备一、板式塔 板式塔为逐级接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液

27、盘等部件构成。 板式塔的结构 1. 壳体2. 塔板3. 溢流堰4. 受液盘5. 降液管板式塔液相连续相汽相分散相二、板式塔筛孔塔板示意图 1. 筛孔2. 鼓泡层3. 泡沫层4. 降液管 填料塔为连续接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、液体分布器、填料支承板、塔填料、填料压板及液体再分布装置等部件构成。 1.塔壳体；2.液体分布器；3.填料压板；4.填料；5.液体再分布器；6.填料支承板。填料塔结构示意图填料塔液相连续相气相分散相二、填料塔与板式塔相比，填料塔具有以下特点：v 生产能力大v侧线进料和出料较难v 压力降小，持液量小v 操作弹性大v 分离效率高v 造价较高v 易堵塞二、填料塔练

28、 习 题 目思考题作业题: 6、7、81. 对流传质有哪些类型，其传质机理如何？2. 提出对流传质模型的意义是什么？3.停滞膜模型，溶质渗透模型和表面更新模型的要点是什么，各模型求得的传质系数与扩散系数有何关系，其模型参数是什么？4.板式塔和填料塔的构造如何？学 习 指 导本章重点掌握的内容v传质分离方法 v相组成的表示方法 v质量传递的方式与描述 分子传质（扩散） 对流传质v典型的传质设备 第八章气体吸收 通过本章学习，应掌握吸收的基本概念和吸收过程的平衡关系与速率关系；掌握低组成气体吸收的计算方法；了解吸收系数的获取途径和解吸过程的概念与计算方法；掌握填料塔的结构、填料的类型、填料塔的流体

29、力学性能与操作特性。学习目的与要求8.1 吸收过程概述8.1.1 吸收的原理与流程第八章气体吸收原料气AB吸收剂S尾气B(含微量A)溶液S+A一、气体吸收的原理吸收塔形成两相体系的方法引入一液相（吸收剂） 各组分在吸收剂中溶解度不同。分离物系气体混合物传质原理二、气体吸收的流程吸收过程吸收过程：溶质溶解于吸收剂中逆流操作解吸过程：溶质从溶液中释放出并流操作气体吸收过程在吸收塔中进行。吸收解吸具有吸收剂再生的连续吸收流程8.1 吸收过程概述8.1.1 吸收的原理与流程8.1.2 气体吸收的分类与应用 第八章气体吸收一、气体吸收的分类气体吸收按被吸收组分数目单组分吸收按吸收有无化反按溶质组成的高低

30、低组成吸收多组分吸收物理吸收化学吸收高组成吸收气体吸收过程的分类方法一、气体吸收的分类气体吸收按气液接触方式常规吸收按吸收的温度变化膜基吸收等温吸收非等温吸收本章讨论重点单组分低组成的常规等温物理吸收过程。二、气体吸收的工业应用v净化或精制气体示例：合成氨工艺中合成气中的净化脱碳。示例：用水吸收氯化氢气体制取盐酸。 v回收混合气体中所需的组分 示例：用洗油处理焦炉气以回收芳烃。 v工业废气的治理示例：废气中含有SO2、H2S等有害气的脱除。 气体吸收的应用场合v制取某种气体的液态产品8.1 吸收过程概述8.1.1 吸收的原理与流程8.1.2 气体吸收的分类与应用 8.1.3 吸收剂的选择第八章

31、气体吸收吸收剂的选择 吸收剂选择的原则v溶解度v选择性v挥发度v黏度v其它吸收剂对溶质组分的溶解度要大。吸收剂应对溶质组分有较大溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微。吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小。吸收剂在操作温度下的黏度要低。无毒、无腐蚀、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定。 8.1 吸收过程概述8.2 吸收过程的相平衡关系 8.2.1 气体在液体中的溶解度第八章气体吸收一、溶解度曲线 液体 S气体（AB）A 溶解 A 逸出)(AAxfpAx 平衡方程达平衡状态时气体在液体中的溶解度气相分压液相组成Ap 在一定温度和压力下，令某气体混合物（AB）与液体 S 接触。A

32、p曲线Ax 溶解度曲线 氨在水中的溶解度40050易溶 二氧化硫在水中的溶解度5068中等溶解度 氧在水中的溶解度500.002难溶二、温度和压力对溶解度的影响温度的影响 v 加压和降温 对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度的升高而减小。 对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。压力的影响 注意 v 减压和升温有利于吸收操作有利于解吸操作8.1 吸收过程概述8.2 吸收过程的相平衡关系 8.2.1 气体在液体中的溶解度8.2.2 亨利定律第八章气体吸收一、亨利定律的表达式 若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔分数x表示，亨利定律为E 亨利系数，kPa溶解度亨利系

33、数1.px关系 Exp v 易溶气体注意 v 难溶气体E 小E 大 若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔浓度 c 表示，亨利定律为H 溶解度系数，kmol/(m3kPa)溶解度溶解度系数2.pc关系 Hcp *一、亨利定律的表达式 v 易溶气体注意 v 难溶气体H 大H 小 若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔分数y、x表示，亨利定律为m 相平衡常数溶解度相平衡常数3.yx关系 mxy *一、亨利定律的表达式 v 易溶气体注意 v 难溶气体m 小m 大xXX1yYY1XXmYY1*1*由得整理得对于低组成吸收1 m X1简化得mXY *一、亨利定律的表达式 XmmXY11*4.YX关系 亨

34、利定律表达式可改写为以下形式：Epx *Hpc *myx *mYX*一、亨利定律的表达式 二、各系数的换算关系 推导可得亨利定律表达式各系数间的关系如下： HEMS总pEm mMpHS1总EH 关系Em 关系Hm 关系溶液密度溶剂S的摩尔质量8.1 吸收过程概述8.2 吸收过程的相平衡关系 8.2.1 气体在液体中的溶解度8.2.2 亨利定律8.2.3 相平衡关系在吸收中的应用第八章气体吸收一、判断传质进行的方向 设某瞬时，气相中溶质的实际组成为y，溶液中溶质的实际组成为x。若传质方向由气相到液相进行吸收过程若传质方向由液相到气相进行解吸过程*yy *xx *yy *xx 二、确定传质的推动力

35、以气相表示的传质推动力以液相表示的传质推动力*yyyxxx*吸收推动力示意图*x*y*yyyxxx*y*=mx三、指明传质进行的极限对于逆流吸收塔液相出口最大组成气相出口最低组成X2X1Y1Y2min2Ymax1X2*2mXYmYX1*18.1 吸收过程概述8.2 吸收过程的相平衡关系 8.3 吸收过程的速率关系第八章气体吸收8.3.1 膜吸收速率方程一、气膜吸收速率方程气膜内的吸收速率方程可表示为)(iGAppkNNkyyAyiGiAkppN/1yiAkyyN/1Gk/1气膜阻力yk/1比较得Gykpk总由道尔顿分压定律 ypp总iiypp总)()()(iGiGiGAyypkypypkppk

36、N总总总一、气膜吸收速率方程)(cckNiLAxxkNixALiAkccN/1xiAkxxN/1Lk/1xk/1二、液膜吸收速率方程液膜阻力液膜内的吸收速率方程可表示为比较得Lxkck总)()()(xxckxcxckcckNiiiALLL总总总由iixcc总xcc总二、液膜吸收速率方程练 习 题 目思考题作业题: 1、21.温度和压力对吸收过程的平衡关系有何影响？2.亨利定律为何具有不同的表达形式？3.亨利定律的适用条件是什么？4.相平衡关系在吸收过程中有何作用？8.3 吸收过程的速率关系8.3.1 膜吸收速率方程一、气膜吸收速率方程第八章气体吸收二、液膜吸收速率方程稳态下，气、液两膜中的传质

37、速率相等，即NkppkccAGiLi)(iGLicckkpp直线通过定点A(c，p)斜率kL /kG三、界面组成的确定界面组成的确定8.3 吸收过程的速率关系8.3.1 膜吸收速率方程第八章气体吸收8.3.2 总吸收速率方程一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程 设吸收系统服从亨利定律或平衡关系在过程所涉及的浓度范围内为直线 Hcp *根据双膜模型，相界面上两相互成平衡 pcHii)(iGAppkN*ppHkcckNiLiLA*ppHkNiLA由此得整理得由相加得*11ppkHkNGLA)(iGAppkN一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程 令则*ppKNGAKGGLGkHkK111气相

38、总吸收系数，kmol/(m2skPa)总阻力液膜阻力气膜阻力气相总吸收速率方程式一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程 对于易溶气体，H值很大GLkHk11液膜阻力气膜阻力控制整个吸收过程的速率气膜控制示例：水吸收氨GGkK11气膜阻力气膜控制示意图ipppp *一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程 设吸收系统服从亨利定律或平衡关系在过程所涉及的浓度范围内为直线 Hcp*根据双膜模型，相界面上两相互成平衡 pcHii二、以(c*- c)表示的总吸收速率方程 )(cckNiLAiGiGAccHkppkN*/iGAcckHN*由此得整理得由相加得cckHkNGLA*1)(cckNiLA二、以

39、(c*- c)表示的总吸收速率方程 令则ccKNLA*KLLGLkkHK11液相总吸收系数，m/s总阻力气膜阻力液膜阻力液相总吸收速率方程式二、以(c*- c)表示的总吸收速率方程 对于难溶气体，H值很小LGkkH1气膜阻力示例：水吸收氧11KkLL液膜阻力液膜控制示意图cccci*液膜阻力控制整个吸收过程的速率液膜控制二、以(c*- c)表示的总吸收速率方程 *yyKNyA同理，可导出KyPKKGy气相总吸收系数，kmol/(m2s)气相总吸收速率方程式三、以(y- y*)表示的总吸收速率方程 xxKNxA*同理，可导出KxCKKLx液相总吸收系数，kmol/(m2s)液相总吸收速率方程式四

40、、以(x*- x)表示的总吸收速率方程 *YYKNYA同理，可导出KY总pKKKGyY对于低浓度吸收气相总吸收系数，kmol/(m2s)气相总吸收速率方程式五、以(Y- Y*)表示的总吸收速率方程 XXKNXA*同理，可导出KX总cKKKLxX对于低浓度吸收液相总吸收系数，kmol/(m2s)液相总吸收速率方程式六、以(X*- X)表示的总吸收速率方程 8.3 吸收过程的速率关系8.3.1 膜吸收速率方程第八章气体吸收8.3.2 总吸收速率方程8.3.3 吸收速率方程小结吸收速率方程小结使用吸收速率方程式应注意以下几点: （1）上述的各种吸收速率方程式是等效的。采用任何吸收速率方程式均可计算吸

41、收过程速率。 （2）任何吸收系数的单位都是kmol/(m2s单位推动力)。 （3）必须注意各吸收速率方程式中的吸收系数与吸收推动力的正确搭配及其单位的一致性。 （4）上述各吸收速率方程式都是以气液组成保持不变为前提的，因此只适合于描述稳态操作的吸收塔内任一横截面上的速率关系，而不能直接用来描述全塔的吸收速率。在塔内不同横截面上的气液组成各不相同，其吸收速率也不相同。 （5）在使用与总吸收系数相对应的吸收速率方程式时，在整个过程所涉及的浓度范围内，平衡关系须为直线。吸收速率方程小结8.1 吸收过程概述8.2 吸收过程的相平衡关系 8.3 吸收过程的速率关系8.4 低组成气体吸收的计算 8.4.1

42、 物料衡算与操作线方程 第八章气体吸收一、全塔物料衡算在工业中，吸收操作多采用塔式设备，既可采用气液两相在塔内逐级接触的板式塔，也可采用气液两相在塔内连续接触的填料塔。工业中以采用填料塔为主，故本节对于吸收过程计算的讨论结合填料塔进行。逆流吸收塔的物料衡算原料气：AB吸收剂：S尾气：B(含微量A)溶液：S+AV (kmolB/s)Y1(kmolA/kmolB)L (kmolS/s)X2(kmolA/kmolS)L(kmolS/s)X1(kmolA/kmolS)mnYXV (kmolB/s)Y2(kmolA/kmolB)填料塔在吸收塔的两端面间，对溶质A作物料衡算1,2,2,1,XqYqXqYq

43、LnVnLnVn21,21,XXqYYqLnVn溶质A的吸收率121YYYA气体出塔时的组成Y2 AYY112一、全塔物料衡算二、操作线方程与操作线 吸收塔内任一横截面上，气液组成Y与X之间的关系称为操作关系，描述该关系的方程即为操作线方程。XqYqXqYqLnVnLnVn,1,1,1,1,XqqYXqqYVnLnVnLn 在 m-n截面与塔底端面之间对组分 A 进行衡算，可得 逆流吸收塔操作线方程同理，在 m-n截面与塔顶端面之间作组分 A 的衡算，得 2,2,XqqYXqqYVnLnVnLn操作线方程为直线斜率B(X1，Y1)T(X2，Y2)二、操作线方程与操作线 逆流吸收塔操作线方程Vn

44、Lnqq,过点塔底塔顶 逆流吸收塔中的操作线2X2Y1Y1XTBXY*YY*=f(X)操作线推动力斜率（液气比）VnLnqq,/8.4 低组成气体吸收的计算 8.4.1 物料衡算与操作线方程 第八章气体吸收8.4.2 吸收剂用量的确定一、最小液气比 在吸收塔的计算中，通常气体处理量是已知的，而吸收剂的用量需通过工艺计算来确定。在气量一定的情况下，确定吸收剂的用量也即确定液气比 。 VnLnqq,/ 液气比 的确定方法是，先求出吸收过程的最小液气比 ，然后再根据工程经验，确定适宜（操作）液气比。 VnLnqq,/min,)/(VnLnqq 吸收塔的最小液气比2X2Y1YT1XBB1X*B*1XV

45、nLnqq,min,)(VnLnqqY*=f(X）)(,VnLnqq最小液气比可用图解法求得 ：21212*121min,/XmYYYXXYYqqVnLnVnLnqXXYYq,2*121min,AVnLnmYYYmqq121min,)(一、最小液气比最小液气比最小溶剂用量纯溶剂吸收 吸收塔的最小液气比（非正常曲线）2121min,XXYYqqVnLnVnLnqXXYYq,2121min,Y*=mX二、适宜的液气比操作费用设备费用填料层高度根据生产实践经验，取 min,)(0 . 21 . 1VnLnVnLnqqqqmin,0 . 21 . 1LnLnqq推动力适宜液气比适宜溶剂用量Lnq,Vn

46、Lnqq,处理量 一定Vnq,动力消耗练 习 题 目思考题作业题: 3、4、51.如何判断吸收过程是属于哪种过程控制？2.总吸收速率方程与膜吸收速率方程有何不同？3.何为吸收过程的操作线，操作线如何获得？4.吸收剂的用量如何确定？8.4 低组成气体吸收的计算 8.4.1 物料衡算与操作线方程 第八章气体吸收8.4.2 吸收剂用量的确定8.4.3 塔径的计算塔径的计算 工业上的吸收塔通常为圆柱形，故吸收塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算： 注意v计算塔径时，一般应以塔底的气量为依据。 uqDVV,4v计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速u。 吸收塔直径计算式v计算塔径时， 采用操作状态下的数

47、据。 VVq,8.4 低组成气体吸收的计算 8.4.1 物料衡算与操作线方程 第八章气体吸收8.4.2 吸收剂用量的确定8.4.3 塔径的计算8.4.4 吸收塔有效高度的计算一、传质单元数法1. . 基本计算公式 填料塔为连续接触式设备，随着吸收的进行，沿填料层高度气液两相的组成均不断变化，塔内各截面上的吸收速率并不相同。为解决填料层高度的计算问题，需要对微元填料层进行物料衡算。微元填料层的物料衡算在微元填料层内对组分A作物料衡算： dXqdYqdqLnVnGnA,dZaNdANdqAAGnA,填料总比表面积填料润湿比表面积aW填料有效比表面积ata一、传质单元数法填料有效比表面积m2/m3吸

48、收塔截面积m21，值愈大，分离愈容易。讨论v若=1，不能用普通蒸馏方法分离。以相对挥发度表示的气液平衡方程二、气液平衡关系式三、气液平衡方程的应用1.计算泡点温度设：t0*ipkiyiiy1NOYEStb=t0已知 、x求t、y总p2.计算露点温度设：t0*ipkixiix1NOYEStd=t0三、气液平衡方程的应用已知、y求t、x总p3.计算气液平衡组成tki给定 xi*ipyi列表xiyi三、气液平衡方程的应用已知、t求x y关系总p课外资料：气液平衡数据获取途径1.由安托尼方程求取iiiiCtBAp*lg2.由手册查得 权威的气液平衡数据手册 GmehlimgJ,etal.Vapor-L

49、iquidEquilibriumDataCollection 3.由实验测定安托尼方程第九章蒸馏9.1 蒸馏过程概述9.2 两组分溶液的气液平衡9.2.1 两组分理想物系的气液平衡9.2.2 两组分非理想物系的气液平衡 9.3 平衡蒸馏与简单蒸馏9.3.1 平衡蒸馏 (选读) 一、平衡蒸馏装置 将混合液在压力P1下加热，然后通过减压阀使压力降低至P2后进入分离器。过热液体混合物在分离器中部分汽化，将平衡的气、液两相分别从分离器的顶部、底部引出，即实现了混合液的初步分离。 平衡蒸馏的原理平衡蒸馏为单级蒸馏操作。 闪蒸平衡蒸馏装置简图1.加热器；2.减压阀；3.分离器。二、平衡蒸馏过程的计算1.物

50、料衡算 总物料衡算 WnDnFnqqq,易挥发组分物料衡算 xqyqxqWnDnFFn,气相产品的流量为 xyxxqqFFnDn,FnWnqqq,/设FnDnqqq,/1则11qxxqqyF整理得直线方程斜率1qq过点),(FFxx液化率汽化率平衡蒸馏中气液相组成的关系式二、平衡蒸馏过程的计算2.热量衡算 对加热器作热量衡算，忽略热损失，得 )(,FpFnttcqQ对减压阀和分离器作热量衡算，忽略热损失，得 FnepFnrqqttcq,)1 ()(pecrqtt)1 ( 整理得二、平衡蒸馏过程的计算3.气液平衡关系 平衡蒸馏中，气液两相处于平衡状态，即两相温度相等，组成互为平衡。 xxy)1(

51、1v在平衡蒸馏中，气液组成关系同时满足平衡方程与物料衡算方程。注意二、平衡蒸馏过程的计算练 习 题 目思考题作业题: 1、21.讨论溶液的气液平衡关系有何意义？2.挥发度与相对挥发度有何不同？3.相对挥发度在精馏计算中有何重要意义？4.何为泡点和露点，如何进行计算？5.平衡蒸馏的原理是什么？第九章蒸馏9.1 蒸馏过程概述9.2 两组分溶液的气液平衡9.3 平衡蒸馏与简单蒸馏9.3.1 平衡蒸馏9.3.2 简单蒸馏一、简单蒸馏装置 原料液在蒸馏釜中通过间接加热使之部分汽化，产生的蒸汽进入冷凝器中冷凝，冷凝液作为馏出液产品排入接受器中。在一批操作中，馏出液可分段收集，以得到不同组成的馏出液。简单蒸

52、馏为间歇、单级蒸馏操作。 微分蒸馏简单蒸馏装置简图1.蒸馏釜；2.冷凝器；3.接收器。二、简单蒸馏的特点及其应用1.简单蒸馏的特点v间歇操作过程v非稳态过程v单级过程，无塔段2.简单蒸馏的应用场合v 液体混合物的初步分离v 测油品的沸程 恩式蒸馏v某些料液的脱色三、简单蒸馏过程的计算简单蒸馏为非稳态过程。因此，简单蒸馏的计算应该进行微分衡算。设在某瞬间釜液量为nL，kmol 釜液组成为x经时间釜液量为nL - dL，kmol 釜液组成为x - dxd馏出量dnD ，kmol 馏出组成为y总物料衡算 DLdndn 易挥发组分衡算 DLLLydndxxdnnxn)(联立以上两式，并略去二阶无穷小量

53、得xydxndnLL三、简单蒸馏过程的计算设积分FWxxWFxydxnnlnFWFWxxnnLLxydxndn得三、简单蒸馏过程的计算简单蒸馏过程物料衡算关系初始时，釜液量为nF，组成为xF。 结束时，釜液量为nW，组成为xW。设气液平衡关系为 xxy)1(1积分，可得11lnln11lnFWWFWFxxxxnn三、简单蒸馏过程的计算 馏出液的平均组成可通过一批操作的物料衡算求得WFDnnnWFWWFFnnxnxnyWWFFDxnxnyn联立得三、简单蒸馏过程的计算馏出液的平均组成第九章蒸馏9.1 蒸馏过程概述9.2 两组分溶液的汽液平衡9.3 平衡蒸馏与简单蒸馏9.4 精馏 多级蒸馏过程9.

54、4.1 精馏原理一、多次部分汽化和部分冷凝平衡蒸馏简单蒸馏单级过程精馏多级过程液体混合物的初步分离进行一次部分汽化比较进行多次部分汽化和部分冷凝实现液体混合物的完全分离多次部分汽化和部分冷凝的 t- x- y 图FxFt1x1y2x2y3x3y123yyyA2x2y3x3y123xxxB二、板式塔内进行的精馏过程 上述的多次部分汽化和部分凝过程是在精馏塔内进行的。精馏塔板式塔塔内装有若干层塔板填料塔塔内装有一定高度的填料层精馏塔模型塔板上的操作情况塔板操作分析1ntnt1nttn-1tnynyn+1xn+1xnxn-11ny第九章蒸馏9.1 蒸馏过程概述9.2 两组分溶液的汽液平衡9.3 平衡

55、蒸馏与简单蒸馏9.4.1 精馏原理9.4.2 精馏操作流程9.4 精馏 多级蒸馏过程一、连续精馏操作流程化工生产以连续精馏为主。操作时，原料液连续地加入精馏塔内，连续地从再沸器取出部分液体作为塔底产品（称为釜残液）；部分液体被汽化，产生上升蒸汽，依次通过各层塔板。塔顶蒸气进入冷凝器被全部冷凝，将部分冷凝液用泵（或借重力作用）送回塔顶作为回流液体，其余部分作为塔顶产品（称为馏出液）采出。 连续精馏装置示意图精馏段提馏段1精馏塔2再沸器3冷凝器二、间歇精馏操作流程与连续精馏不同之处是：原料液一次加入精馏釜中，因而间歇精馏塔只有精馏段而无提馏段。在精馏过程中，精馏釜的釜液组成不断变化，在塔底上升蒸气

56、量和塔顶回流液量恒定的条件下，馏出液的组成也逐渐降低。当釜液达到规定组成后，精馏操作即被停止。间歇精馏装置示意图1精馏塔2再沸器3冷凝器4观察罩5储槽第九章蒸馏9.1 蒸馏过程概述9.2 两组分溶液的汽液平衡9.3 平衡蒸馏与简单蒸馏9.5 两组分连续精馏的计算9.5.1 计算的基本假定9.4 精馏 多级蒸馏过程一、理论板的假定理论板的概念 用作衡量实际板分离效率的依据和标准。通常，在工程设计中，先求得理论板层数，再用塔板效率予以校正，即可求得实际塔板层数。 v 离开该板的气液两相互成平衡；v 塔板上各处的液相组成均匀一致。理论板提出的意义1.恒摩尔气流 精馏段 常数VnVnVnVnqqqqn

57、,21提馏段 常数VnmVnVnVnqqqq,1,2注意：两段上升的气相摩尔流量不一定相等 。二、恒摩尔流的假定精馏段中上升气体摩尔流量提馏段中上升气体摩尔流量2.恒摩尔液流 精馏段 常数LnLnLnLnqqqqn,1,2提馏段 常数LnmLnLnLnqqqq,21二、恒摩尔流假定注意：两段下降的液相摩尔流量不一定相等 。精馏段中下降液体摩尔流量提馏段中下降液体摩尔流量恒摩尔流动的假定成立的条件恒摩尔流动虽是一项简化假设，但某些物系能基本上符合上述条件，因此，可将这些系统在精馏塔内的气液两相视为恒摩尔流动。后面介绍的精馏计算均是以恒摩尔流为前提的。v 混合物中各组分的摩尔汽化潜热相等；v 塔设

58、备保温良好，热损失可以忽略。二、恒摩尔流假定第九章蒸馏9.5 两组分连续精馏的计算9.5.1 计算的基本假定9.5.2 物料衡算与操作线方程 一、全塔物料衡算 精馏塔各股物料(包括进料、塔顶产品和塔底产品)的流量、组成之间的关系可通过全塔物料衡算来确定。 精馏塔的物料衡算Vnq,Lnq,Vnq,Lnq,馏出液釜残液原料液总物料衡算 WnDnFnqqq,易挥发组分衡算 WWnDDnFFnxqxqxq,馏出液采出率WDWFFnDnxxxxqq,%100,FFnDDnAxqxq易挥发组分回收率 %100)1 ()1 (,FFnWWnBxqxq一、全塔物料衡算难挥发组分回收率 二、操作线方程 在精馏段

59、中，任意塔板（n 板）下降的液相组成 xn与由其下一层塔板（n+1板）上升的气相组成 yn1之间的关系称之为操作关系，描述该关系的方程称为精馏段操作线方程。 1.精馏段操作线方程 精馏段的物料衡算总物料衡算 易挥发组分衡算 DDnnLnnVnxqxqyq,1,DnLnVnqqq,整理得 DVnDnnVnLnnxqqxqqy,1令 DnLnqqR,DnnxRxRRy1111则 二、操作线方程 精馏段操作线方程回流比精馏段操作线方程 根据恒摩尔流假定，qn,L为定值，且在稳态操作时，qn,D及 xD为定值，故 R 也是常量。精馏段操作线方程为一直线方程。直线方程斜率1RR截距1RxD二、操作线方程

60、 练 习 题 目思考题作业题: 3、4、51. 精馏原理是什么，精馏与简单蒸馏有何不同？2. 塔顶液体回流和塔底上升蒸汽流的作用如何？3.为什么说理论板是一种假定，理论板的引入在精馏计算中有何重要意义？4. 恒摩尔流假定的内容如何？5. 操作线表示何种关系，它是如何获得的？第九章蒸馏9.5 两组分连续精馏的计算9.5.1 计算的基本假定9.5.2 物料衡算与操作线方程 一、全塔物料衡算二、操作线方程 在提馏段中，任意塔板（m 板）下降的液相组成 与由其下一层塔板（m+1板）上升的气相组成 之间的关系称之为操作关系，描述它们之间关系的方程称为提馏段操作线方程。 2.提馏段操作线方程 mx1my提