化工原理基本概念和原理

1、化工原理基本概念和原理蒸餾-基本概念和基本原理利用各組分揮發(fā)度不同將液體混合物部分汽化而使混合物得到分離的單元操作稱為蒸餾。這種分離操作是通過液相和氣相之間的質量傳遞過程來實現(xiàn)的。對于均相物系，必須造成一個兩相物系才能將均相混合物分離。蒸餾操作采用改變狀態(tài)參數(shù)的辦法（如加熱和冷卻）使混合物系內部產生出第二個物相（氣相）;吸收操作中則采用從外界引入另一相物質（吸收劑）的辦法形成兩相系統(tǒng)。一、兩組分溶液的氣液平衡1拉烏爾定律理想溶液的氣液平衡關系遵循拉烏爾定律：p=p0Xp=p0X=p0（1x）AAABBBBA根據(jù)道爾頓分壓定律：p=Py而P=p+pAAAB則兩組分理想物系的氣液相平衡關系：x=（

2、Pp0）/（p0一p0）泡點方程ABABy=pox/P露點方程AAA對于任一理想溶液，利用一定溫度下純組分飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)可求得平衡的氣液相組成；反之，已知一相組成，可求得與之平衡的另一相組成和溫度（試差法）。2用相對揮發(fā)度表示氣液平衡關系溶液中各組分的揮發(fā)度V可用它在蒸汽中的分壓和與之平衡的液相中的摩爾分率來表示，即v=p/xv=p/xAAABBB溶液中易揮發(fā)組分的揮發(fā)度對難揮發(fā)組分的揮發(fā)度之比為相對揮發(fā)度。其表達式有：a二v/v二（p/x）/（p/x）二yx/yxABAABBABBA對于理想溶液：a=po/poAB氣液平衡方程：y=ax/1+（a1）xA值的大小可用來判斷蒸餾分離的難易程度。

3、a愈大,揮發(fā)度差異愈大，分離愈易；a=l時不能用普通精餾方法分離。3氣液平衡相圖（1）溫度一組成（t-x-y）圖該圖由飽和蒸汽線（露點線）、飽和液體線（泡點線）組成，飽和液體線以下區(qū)域為液相區(qū)，飽和蒸汽線上方區(qū)域為過熱蒸汽區(qū)，兩曲線之間區(qū)域為氣液共存區(qū)。氣液兩相呈平衡狀態(tài)時,氣液兩相溫度相同,但氣相組成大于液相組成;若氣液兩相組成相同，則氣相露點溫度大于液相泡點溫度。2)x-y圖x-y圖表示液相組成x與之平衡的氣相組成y之間的關系曲線圖，平衡線位于對角線的上方。平衡線偏離對角線愈遠，表示該溶液愈易分離?？倝簩ζ胶馇€影響不大。二、精餾原理精餾過程是利用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理進行的，精

4、餾操作的依據(jù)是混合物中各組分揮發(fā)度的差異，實現(xiàn)精餾操作的必要條件包括塔頂液相回流和塔底產生上升蒸汽。精餾塔中各級易揮發(fā)組分濃度由上至下逐級降低；精餾塔的塔頂溫度總是低于塔底溫度，原因之一是：塔頂易揮發(fā)組分濃度高于塔底，相應沸點較低;原因之二是：存在壓降使塔底壓力高于塔頂，塔底沸點較高。當塔板中離開的氣相與液相之間達到相平衡時，該塔板稱為理論板。精餾過程中，再沸器的作用是提供一定量的上升蒸汽流,冷凝器的作用是提供塔頂液相產品及保證由適宜的液相回流。三、兩組分連續(xù)精餾的計算1全塔物料衡算總物料衡算：F=D+W易揮發(fā)組分：Fx=Dx+WxFDW塔頂易揮發(fā)組分回收率：n=(Dx/Fx)xlOO%DDF

5、塔底難揮發(fā)組分回收率：n=W(l-x)/F(l-x)xl00%WWF2精餾段物料衡算和操作線方程總物料衡算：V=L+D易揮發(fā)組分：Vy=Lx+Dxn+1nD操作線方程：y=（L/V）x+（D/V）x=R/（R+1）x+1/（R+1）xn+1nDnD其中：R=L/D回流比上式表示在一定操作條件下，精餾段內自任意第n層板下降的液相組成x與其相鄰的下一層板（第n+1層板）上升蒸汽相組成y之間的關系。在xy坐標上為直n+i線，斜率為R/R+1,截距為x/R+1。D3提餾段物料衡算和操作線方程總物料衡算：L=V+W易揮發(fā)組分：Lx=Vy+Wxmm+1W操作線方程：y二(L/V)x(W/V)xm+1mW上

6、式表示在一定操作條件下，提餾段內自任意第m層板下降的液相組成x與其相鄰的下一層板（第m+1層板）上升蒸汽相組成y之間的關系。L除與L有關外，m+1還受進料量和進料熱狀況的影響。四、進料熱狀況參數(shù)實際操作中，加入精餾塔的原料液可能有五種熱狀況：（1）溫度低于泡點的冷液體；（2）泡點下的飽和液體；（3）溫度介于泡點和露點的氣液混合物；（4）露點下的飽和蒸汽；（5）溫度高于露點的過熱蒸汽。不同進料熱狀況下的q值進料熱狀況冷液體飽和液體氣液混合物飽和蒸汽過熱蒸汽q值110100對于飽和液體、氣液混合物和飽和蒸汽進料而言，q值等于進料中的液相分率。L=L+qFV二V（ql）Fq線方程（進料方程）為：y二

7、q/（ql）xx/（q1）上式表示兩操作線交點的軌跡方程。塔底再沸器相當于一層理論板（氣液兩相平衡），塔頂采用分凝器時，分凝器相當于一層理論板。由于冷液進料時提餾段內循環(huán)量增大，分離程度提高，冷液進料較氣液混合物進料所需理論板數(shù)為少。五、回流比及其選擇1）全回流r二L/D=8，操作線與對角線重合，操作線方程y二X,達到給定分離程度所需理nn-1論板層數(shù)最少為N。min（2）最小回流比當回流比逐漸減小時，精餾段操作線截距隨之逐漸增大，兩操作線位置將向平衡線靠近，為達到相同分離程度所需理論板層數(shù)亦逐漸增多。達到恒濃區(qū)（夾緊區(qū)）回流比最小，所需理論板無窮多。正常平衡線R=（Xy）/（yX）minDq

8、qq飽和液體進料時：X=xqF飽和蒸汽進料時：y二yqF不正常平衡線由a（X，y）或c（X，y）點向平衡線作切線，由切線斜率或截距求R。DDWWmin（3）適宜回流比R=（1.12）Rmin精餾設計中，當回流比增大時所需理論板數(shù)減少，同時蒸餾釜中所需加熱蒸汽消耗量增加，塔頂冷凝器中冷卻介質消耗量增加，操作費用相應增加，所需塔徑增大精餾操作時，若F、D、x、q、R、加料板位置都不變，將塔頂泡點回流改為冷回F流，則塔頂產品組成X變大。D精餾設計中，回流比愈大，操作能耗愈大，隨著回流比逐漸增大，操作費和設備費的總和將呈現(xiàn)先減小后增大的過程。六、板效率和實際塔板數(shù)1單板效率（默弗里效率）E=（yy）/

9、（y*y）mVnn+1nn+1E=（XX）/（XX*）mLn-1nn-1n2全塔效率E=（N/N）X100%TP精餾塔中第nT,n,n+1塊理論板，yy，tx。n+1nn-1nnn-1精餾塔中第n-1,n,n+1塊實際板，x*y。nnnn如板式塔設計不合理或操作不當，可能產生液泛、漏液、及霧沫夾帶等不正?，F(xiàn)象，使塔無法正常工作。負荷性能圖有五條線，分別是霧沫夾帶、液泛、漏液、液相負荷上限和液相負荷下限。吸收基本概念和基本原理利用各組分溶解度不同而分離氣體混合物的單元操作稱為吸收。混合氣體中能夠溶解的組分稱為吸收質或溶質（A）；不被吸收的組分稱為惰性組分或載體（B）；吸收操作所用的溶劑稱為吸收劑

10、（S）；吸收所得溶液為吸收液（S+A）；吸收塔排出的氣體為吸收尾氣。當氣相中溶質的的實際分壓高于與液相成平衡的溶質分壓時，溶質從氣相向液相轉移，發(fā)生吸收過程；反之當氣相中溶質的的實際分壓低于與液相成平衡的溶質分壓時，溶質從液相向氣相轉移，發(fā)生脫吸（解吸）過程。一、氣-液相平衡-傳質方向與傳質極限平衡狀態(tài)下氣相中溶質分壓稱為平衡分壓或飽和分壓，液相中的溶質濃度稱為平衡濃度或飽和濃度溶解度。對于同一種溶質，溶解度隨溫度的升高而減小，加壓和降溫對吸收操作有利，升溫和減壓有利于脫吸操作。亨利定律：P*=ExE為亨利系數(shù)，單位為壓強單位，隨溫度升高而增大，難溶氣體（稀溶液）E很大，易溶氣體E很小。對理想

11、溶液E為吸收質的飽和蒸氣壓。p*=c/HH為溶解度系數(shù)，單位：kmol/（kNm），H=P/（EM），隨溫度升高s而減小，難溶氣體H很小，易溶氣體H很大。y*二mx-m相平衡常數(shù)，無因次，m二E/P,m值愈大，氣體溶解度愈?。籱隨溫度升高而增加，隨壓力增加而減小。Y*=mX當溶液濃度很低時大多采用該式計算。X=x/(l-x);Y=y/(1-y);x,y摩爾分率，X,Y摩爾比濃度二、傳質理論傳質速率分子擴散憑借流體分子無規(guī)則熱運動傳遞物質的現(xiàn)象。推動力為濃度差，由菲克定律描述：J二-D(dC)/(dz)J-擴散通量，kmol/(m2s)D-AABAAAB擴散系數(shù)渦流擴散-憑借流體質點的湍動和旋渦

12、傳遞物質的現(xiàn)象。等分子反向擴散傳質速率：氣相內NA=D(p-p)/RTzA1A2液相內N=D(c-c)/zAA1A2單相擴散傳質速率：氣相內N=J+Nc/C=D(p-p)/AAAAAiRTz(P/p)=k(p-p)BmGAAi液相內NA=D(c-c)/z(C/c)二k(c-c)AiASmLAiA其中P/p1為漂流因數(shù)，反映總體流動對傳質速率的影響。BmPBm=(PB2-PB1)/ln(PB2/PB1)一般而言，雙組分等分子反向擴散體現(xiàn)在精餾單元操作中,而一組分通過另一組分的單相擴散體現(xiàn)在吸收單元操作中。氣相中，溫度升高物質的擴散系數(shù)增大,壓強升高則擴散系數(shù)降低;液相中粘度增加擴散系數(shù)降低。在傳

13、質理論中有代表性的三個模型分別為雙膜理論、溶質滲透理論和表面更新理論。傳質速率方程傳質速率二傳質推動力/傳質阻力N=k(p-p)=k(c-c)=k(yy)=k(xx)GiLiyixiN=K(p-p*)=K(c*-c)=K(YY*)=K(X*-X)GLYX注意傳質系數(shù)與推動力相對應，即傳質系數(shù)與推動力的范圍一致,傳質系數(shù)的單位與推動力的單位一致。吸收系數(shù)之間的關系：1/K=1/k+1/Hk1/K=1/k+H/k1/K=1/k+m/k1/K=1/k+1/mkGGLLLGYyxXxyk=Pkk=CkKPKKCKyGxLYGXL氣膜控制與液膜控制的概念對于易溶氣體，H很大，傳質阻力絕大部分存在于氣膜之

14、中，液膜阻力可以忽略,此時Kk，這種情況稱為“氣膜控制”反之，對于難溶氣體，H很小，傳質阻力GG絕大部分存在于液膜之中，氣膜阻力可以忽略，此時Kk，這種情況稱為“液膜LL控制”。物料衡算-操作線方程與液氣比全塔物料衡算：V(Y-Y)二L(X-X)1212逆流操作吸收操作線方程：Y=LX/V+(Y-LX/V)111-塔底，2-塔頂吸收操作時塔內任一截面上溶質在氣相中的實際分壓總是高于與其接觸的液相平衡分壓，所以吸收操作線總是位于平衡線的上方。最小液氣比：L/V)=(Y-Y)/(X*-X)min1212液氣比即操作線的斜率若平衡關系符合亨利定律，則L/V)增加液氣比提高壓力增加傳質推動力提高吸收效率的途徑減小傳質阻力|采用新型填料改變操作條件增加吸收劑用量，操作線斜率增大，操作線向遠離平衡線的方向偏移，吸收過程推動力增大，設備費用減少。四、填料層高度計算氣液相平衡、傳質速率和物料衡算相結合取微元物料衡算求得填料層高度。填料層高度二傳質單元高度X傳質單元數(shù)即z=HXN=HXN=HXN=HXNOGOGOLOLGGLLN氣相總傳質單元數(shù)(氣體流經一段填料后其組成變化等于該段填料的總OG的平均推動力則為一個傳質單元)H氣相總傳質單元高度(一個傳質單元所對應的填料高度)OG1平均推動力法(適合平衡線為直線)：z=HXN=(V/KaQ)(YY)/AY=(L/KaQ)