化工原理第五章

1、化工原理第五章第1页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二5.1概述化工过程中步骤很多,这些步骤可分为两类: 以进行化学反应为主,通常在反应器中进行.物理性操作 单元操作第2页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二单元操作 流体力学：沉降、过滤、离心分离等分离非均相混合物传热：传质：吸收、脱吸、精馏、萃取、干燥、吸附、结晶等分离操作非均相混合物均相混合物传质设备第3页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二 一、化工生产中的传质过程 均相混合物的分离过程1. 均相物系的分离混合物可分为非均相物系和均相物系。 非均相物系的分离前面已经讲过； 均相物系

2、的分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目的。第4页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二均相物系分离的特点引入第二个相，并使两组分在第二个相中存在不均匀分配。相际传质（物质从一相通过相界面进入另一相）第5页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二分离的目的： 浓缩：除去溶剂； 纯化：除去杂质；分离：将混合物分成两种或多种目的产物；反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，以提高反应速率。第6页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二以相际传质为特征的单元操

3、作常见的有：吸收气体混合物的分离。物质由气相转入液相气相B+A液相S+AAA脱吸吸收逆过程脱吸第7页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二气体的减湿吸收的一种特殊情况。为水蒸气所饱和的气体与冷水接触，水蒸气则从气相转入液相，传质只在气相中进行。逆过程气相B+A液相（水相）A（水）A减湿增湿A增湿第8页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二液液萃取（萃取）混合液的分离，物质从一液相转入另一液相液相B+A液相S+AA萃取A萃取逆过程萃取第9页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二固液萃取（浸沥或浸取） 属多相系的分离 物质固相表面或内部转入液相。固相

4、B+A液相S+A浸沥A第10页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二结晶溶质从液相趋附于溶质晶体的表面转为固相，使晶体长大。 溶解液相S+A固相AA结晶溶解A逆过程第11页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二吸附物质从气相或液相趋附于固体表面（多为多空性固体的内表面）脱附气相或液相 B+A固相CA吸附脱附A逆过程第12页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二干燥液体（水）经过汽化，从固体表面或内部转入气相，属多相系分离。固相B+A气相C+A干燥A第13页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二精馏液体混合物的分离不同物质在汽液两相

5、间相互转移。液相A+B汽相A+BAB精馏第14页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二3.相际传质与传热的相似和区别相似：区别：传递量极限（最终的平衡状态）推动力传热热量Q热平衡 T=tt=T-t传质质量m相平衡C第15页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二二、相组成的表示法.质量分率和摩尔分率质量分率ai：均相混合物中某组分质量占总质量的分率或百分率。 ai 摩尔分率xi 、yi：某组分摩尔数占总摩尔数的分率或百分率。 xi yi 第16页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二2.质量比和摩尔比：常用于双组分物系质量比：a= m A/mB摩尔

6、比：X= n A/nB Y= n A/nB换算 a=a1 - aa=a1 + aX=x1 - xX=X1+X第17页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二3.浓度：单位体积中的物质量质量浓度： cA= 摩尔浓度： CA=(体积浓度） 质量摩尔量mAVnAVKg/m3Kmol/m3第18页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二质量浓度与质量分率的关系：摩尔浓度与摩尔分率的关系：C混合物在液相中的总摩尔浓度， kmol/m3；混合物液相的密度，kg/m3。 第19页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二4气体总压与理想气体中组分的分压总压与某组分的分

7、压之间的关系:摩尔比与分压之间的关系:摩尔浓度与分压之间的关系:pA = PyA第20页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二三、传质设备简介1. 对传质设备的要求（设计原则）：给传质的两相（或多相）提供良好的接触机会，包括增大相界面积和增强湍动程度。两相在接触后能分离完全。结构简单、紧凑，操作便利，稳定，运转可靠，周期长，能量消耗小等。第21页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二2. 填料塔和板式塔：填料塔：在填料塔内气液两相沿着塔高连续接触、传质，因而两相的浓度也沿塔高连续变化。连续接触式传质设备板式塔：在板式塔内气流与液流依次在各层塔板上接触、传质，其浓

8、度沿塔高呈阶跃式变化。逐级接触式传质设备第22页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二第23页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二5.2 蒸馏概述1. 蒸馏原理： 蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同实现分离的单元操作. 沸点低的组分称为易挥发组分，高的为难挥发组分第24页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二第25页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二 2. 蒸馏分离的特点蒸馏操作需要消耗大量的能量，流程简单 蒸馏操作既可用于气体混合物的分离，也可用于液体混合物甚至是固体混合物的分离蒸馏操作有时需要高压、高真空、高温或低

9、温条件第26页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二 3. 蒸馏过程的分类按生产方式分为间歇蒸馏和连续蒸馏按蒸馏方式分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏 和特殊精馏等按操作压强分为常压、减压、加压蒸馏按待分离混合物中组分数不同分为双组分 和多组分蒸馏第27页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二5.1双组分溶液的气液相平衡 5.1.1 双组分理想物系的气液平衡5.1.2 双组分非理想物系的气液平衡第28页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二5.1 双组分溶液的气液平衡5.1.1 双组分理想物系的气液平衡一、相律 在物理化学中，我们学习过相律，即：式中F

10、自由度数； C 独立组分数； 相数。 对双组分的气液相平衡，由相律知其自由度数为2。第29页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二二、双组分理想物系的气液平衡函数关系 所谓理想物系，即指液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律；气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。拉乌尔定律：pA0、 pB0为溶液温度下纯组分A和B的饱和蒸气压可查有关手册或由下面安托因方程求得：第30页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二 当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和： 由式5-2和5-4得： 第31页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二 相平衡常数 当总压不变时

11、，相平衡常数K并非常数，随温度变化第32页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二三、双组分理想溶液的气液平衡相图 温度-组成（t-x-y)图 图5-1 苯甲苯混合液的t-x-y图第33页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二1）t-x-y相图的说明2）液体的加热过程 泡点3）过热蒸汽的冷凝过程 露点4）液体混合物的分离条件： 部分汽化或部分冷凝5）二元理想溶液与纯液体的不同： 第34页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二 x-y图 图5-2 苯甲苯混合液的x-y图第35页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二注意： 上述的平衡曲

12、线是在恒定的压强（总压为1atm）下测得的。对同一物系而言，混合液的平衡温度愈高，各组分间挥发度差异愈小，即相对挥发度愈小，因此蒸馏压强愈高，平衡温度随之升高，减小，分离变得愈难，反之亦然。但实验也表明，在总压变化范围为20-30%下，x-y平衡曲线变动不超过2%，因此在总压变化不大时，外压对平衡曲线的影响可以忽略。第36页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二四、挥发度和相对挥发度1、挥发度： 对于纯液体：用其蒸气压表示挥发度。 对于二元溶液： 对于理想溶液： vA = pAo vB = pBo 对于非理想溶液： vi pio 第37页，共49页，2022年，5月20日，0点

13、42分，星期二 对双组分溶液，气相遵循道尔顿分压定律，则：2. 相对挥发度：上式称为气液相平衡方程。越大，分离越容易。第38页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二5.1.2 双组分非理想物系的气液平衡一、非理想物系 化工生产中遇到的物系大多为非理想物系。液相为非理想溶液，气相为理想气体；液相为理想溶液，气相为非理想气体；液相为非理想溶液，气相为非理想气体。 非理想物系可能有以下几种情况：第39页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二正偏差溶液，具有最低恒沸点溶液第40页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二第41页，共49页，2022年，5月2

14、0日，0点42分，星期二负偏差溶液，具有最高恒沸点溶液第42页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二第43页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二第44页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二气液平衡数据来源1、实验测定或从有关手册中查得2、由纯组分的某些物性按经验的或理论的公式估算3、根据少量实验数据，由经验的或理论的公式估算第45页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二例11 苯与甲苯的饱和蒸汽压和温度的关系如本题附表所示。试利用拉乌尔定律和相对挥发度，分别计算苯甲苯混合液在总压为101.33kPa下的气液平衡数据，并做出温度组成图。该溶液可视为理想溶液。第46页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二（1）利用拉乌尔定律第47页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二（2）利用相对挥发度第48页，共49页，2022年，5月20日，0点42分，星期二第1讲小结1、蒸馏是分离均相液体混合物最广泛采用的单元操作。蒸馏分离的依据是混合液中组分挥发度的差异。2、在恒压下，气液相平衡关系是t-x-y及x-y关系。表示这些定量关系的方程是泡点方程、露点方程与相平衡方程。或者采