化工原理第五章

化工原理第五章第一頁，共四十九頁，2022年，8月28日5.1概述化工過程中步驟很多,這些步驟可分為兩類:以進行化學(xué)反應(yīng)為主,通常在反應(yīng)器中進行.物理性操作單元操作第二頁，共四十九頁，2022年，8月28日單元操作流體力學(xué)：沉降、過濾、離心分離等分離非均相混合物傳熱：傳質(zhì)：吸收、脫吸、精餾、萃取、干燥、吸附、結(jié)晶等分離操作非均相混合物均相混合物傳質(zhì)設(shè)備第三頁，共四十九頁，2022年，8月28日

一、化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程均相混合物的分離過程1.均相物系的分離混合物可分為非均相物系和均相物系。

非均相物系的分離前面已經(jīng)講過；均相物系的分離條件是必須造成一個兩相物系，然后依據(jù)物系中不同組分間某種物性的差異，使其中某個組分或某些組分從一相向另一相轉(zhuǎn)移，以達到分離的目的。第四頁，共四十九頁，2022年，8月28日均相物系分離的特點引入第二個相，并使兩組分在第二個相中存在不均勻分配。相際傳質(zhì)（物質(zhì)從一相通過相界面進入另一相）第五頁，共四十九頁，2022年，8月28日分離的目的：

濃縮：除去溶劑；純化：除去雜質(zhì)；分離：將混合物分成兩種或多種目的產(chǎn)物；反應(yīng)促進：把化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)的產(chǎn)物連續(xù)取出，以提高反應(yīng)速率。第六頁，共四十九頁，2022年，8月28日２．以相際傳質(zhì)為特征的單元操作常見的有：吸收

氣體混合物的分離。物質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)入液相氣相B

+

A液相S

+

AAA

脫吸吸收逆過程脫吸第七頁，共四十九頁，2022年，8月28日氣體的減濕

吸收的一種特殊情況。為水蒸氣所飽和的氣體與冷水接觸，水蒸氣則從氣相轉(zhuǎn)入液相，傳質(zhì)只在氣相中進行。逆過程氣相B

+

A液相（水相）

A（水）A減濕增濕A增濕第八頁，共四十九頁，2022年，8月28日液－液萃?。ㄝ腿。┗旌弦旱姆蛛x，物質(zhì)從一液相轉(zhuǎn)入另一液相液相B

+

A液相S

+

AA萃取A萃取逆過程萃取第九頁，共四十九頁，2022年，8月28日固－液萃?。ńr或浸?。?/p>

屬多相系的分離物質(zhì)固相表面或內(nèi)部轉(zhuǎn)入液相。固相B

+

A液相S

+

A浸瀝－－－－－A第十頁，共四十九頁，2022年，8月28日結(jié)晶溶質(zhì)從液相趨附于溶質(zhì)晶體的表面轉(zhuǎn)為固相，使晶體長大。溶解液相S

+

A固相

AA結(jié)晶溶解A逆過程第十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日吸附物質(zhì)從氣相或液相趨附于固體表面（多為多空性固體的內(nèi)表面）脫附

氣相或液相B

+

A固相

CA吸附脫附A逆過程第十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日干燥液體（水）經(jīng)過汽化，從固體表面或內(nèi)部轉(zhuǎn)入氣相，屬多相系分離。固相B

+

A氣相C

+

A干燥－－－－－A第十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日精餾液體混合物的分離不同物質(zhì)在汽液兩相間相互轉(zhuǎn)移。液相A

+

B汽相A

+

BAB精餾第十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.相際傳質(zhì)與傳熱的相似和區(qū)別相似：區(qū)別：傳遞量極限（最終的平衡狀態(tài)）推動力傳熱熱量Q熱平衡T=t⊿t=T-t傳質(zhì)質(zhì)量m相平衡⊿C第十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日二、相組成的表示法１.質(zhì)量分率和摩爾分率質(zhì)量分率ai：均相混合物中某組分質(zhì)量占總質(zhì)量的分率或百分率?！芶i

＝１摩爾分率xi、yi：某組分摩爾數(shù)占總摩爾數(shù)的分率或百分率?！苮i

＝１∑yi

＝１第十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日2.質(zhì)量比和摩爾比：常用于雙組分物系質(zhì)量比：a=mA/mB摩爾比：X=nA/nB

Y=nA/nB換算

a=a1-aa=a1+aX=x1-xX=X1+X第十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.濃度：單位體積中的物質(zhì)量質(zhì)量濃度：cA=

摩爾濃度：CA=(體積濃度）質(zhì)量摩爾量mAVnAVKg/m3Kmol/m3第十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日質(zhì)量濃度與質(zhì)量分率的關(guān)系：摩爾濃度與摩爾分率的關(guān)系：C—混合物在液相中的總摩爾濃度，kmol/m3；—混合物液相的密度，kg/m3。第十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日4．氣體總壓與理想氣體中組分的分壓總壓與某組分的分壓之間的關(guān)系:摩爾比與分壓之間的關(guān)系:摩爾濃度與分壓之間的關(guān)系:pA=PyA第二十頁，共四十九頁，2022年，8月28日三、傳質(zhì)設(shè)備簡介1.對傳質(zhì)設(shè)備的要求（設(shè)計原則）：給傳質(zhì)的兩相（或多相）提供良好的接觸機會，包括增大相界面積和增強湍動程度。兩相在接觸后能分離完全。結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，操作便利，穩(wěn)定，運轉(zhuǎn)可靠，周期長，能量消耗小等。第二十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日2.填料塔和板式塔：填料塔：在填料塔內(nèi)氣液兩相沿著塔高連續(xù)接觸、傳質(zhì)，因而兩相的濃度也沿塔高連續(xù)變化。連續(xù)接觸式傳質(zhì)設(shè)備板式塔：在板式塔內(nèi)氣流與液流依次在各層塔板上接觸、傳質(zhì)，其濃度沿塔高呈階躍式變化。逐級接觸式傳質(zhì)設(shè)備

第二十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日第二十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日5.2蒸餾概述1.蒸餾原理：蒸餾是利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的不同實現(xiàn)分離的單元操作.

沸點低的組分稱為易揮發(fā)組分，高的為難揮發(fā)組分第二十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日第二十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日

2.蒸餾分離的特點蒸餾操作需要消耗大量的能量，流程簡單蒸餾操作既可用于氣體混合物的分離，也可用于液體混合物甚至是固體混合物的分離蒸餾操作有時需要高壓、高真空、高溫或低溫條件第二十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日

3.蒸餾過程的分類按生產(chǎn)方式分為間歇蒸餾和連續(xù)蒸餾按蒸餾方式分為簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾和特殊精餾等按操作壓強分為常壓、減壓、加壓蒸餾按待分離混合物中組分數(shù)不同分為雙組分和多組分蒸餾第二十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日5.1雙組分溶液的氣液相平衡

5.1.1雙組分理想物系的氣液平衡5.1.2

雙組分非理想物系的氣液平衡第二十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日5.1雙組分溶液的氣液平衡5.1.1雙組分理想物系的氣液平衡一、相律

在物理化學(xué)中，我們學(xué)習(xí)過相律，即：式中F――自由度數(shù)；

C――獨立組分數(shù)；

Φ――相數(shù)。

對雙組分的氣液相平衡，由相律知其自由度數(shù)為2。第二十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日二、雙組分理想物系的氣液平衡函數(shù)關(guān)系

所謂理想物系，即指液相為理想溶液，遵循拉烏爾定律；氣相為理想氣體，遵循道爾頓分壓定律。拉烏爾定律：pA0、pB0為溶液溫度下純組分A和B的飽和蒸氣壓可查有關(guān)手冊或由下面安托因方程求得：第三十頁，共四十九頁，2022年，8月28日當溶液沸騰時，溶液上方的總壓等于各組分的蒸氣壓之和：由式5-2和5-4得：第三十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日相平衡常數(shù)當總壓不變時，相平衡常數(shù)K并非常數(shù)，隨溫度變化第三十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日三、雙組分理想溶液的氣液平衡相圖溫度----組成（t-x-y)圖圖5-1苯—甲苯混合液的t-x-y圖第三十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日1）t-x-y相圖的說明2）液體的加熱過程泡點3）過熱蒸汽的冷凝過程露點4）液體混合物的分離條件：部分汽化或部分冷凝5）二元理想溶液與純液體的不同：

第三十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日x-y圖圖5-2苯—甲苯混合液的x-y圖第三十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日注意：

上述的平衡曲線是在恒定的壓強（總壓為1atm）下測得的。對同一物系而言，混合液的平衡溫度愈高，各組分間揮發(fā)度差異愈小，即相對揮發(fā)度α愈小，因此蒸餾壓強愈高，平衡溫度隨之升高，α減小，分離變得愈難，反之亦然。但實驗也表明，在總壓變化范圍為20-30%下，x-y平衡曲線變動不超過2%，因此在總壓變化不大時，外壓對平衡曲線的影響可以忽略。第三十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日四、揮發(fā)度和相對揮發(fā)度1、揮發(fā)度：

對于純液體：用其蒸氣壓表示揮發(fā)度。對于二元溶液：對于理想溶液：

vA=pAovB=pBo

對于非理想溶液：vi≠pio

第三十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日

對雙組分溶液，氣相遵循道爾頓分壓定律，則：2.相對揮發(fā)度：上式稱為氣液相平衡方程。α越大，分離越容易。第三十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日5.1.2雙組分非理想物系的氣液平衡一、非理想物系

化工生產(chǎn)中遇到的物系大多為非理想物系。液相為非理想溶液，氣相為理想氣體；液相為理想溶液，氣相為非理想氣體；液相為非理想溶液，氣相為非理想氣體。

非理想物系可能有以下幾種情況：第三十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日正偏差溶液，具有最低恒沸點溶液第四十頁，共四十九頁，2022年，8月28日第四十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日負偏差溶液，具有最高恒沸點溶液第四十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日第四十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日第四十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日氣液平衡數(shù)據(jù)來源1、實驗測定或從有關(guān)手冊中查得2、由純組分的某些物性按經(jīng)驗的或理論的公式估算3、根據(jù)少量實驗數(shù)據(jù)，由經(jīng)驗的或理論的公式估算第四十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日例1－1苯與甲苯的飽和蒸汽壓和溫度的關(guān)系如本題附表所示。試利用拉烏爾定律和相對揮發(fā)度，分別計算苯－甲苯混合液在總壓為101.33kPa下的氣液平衡數(shù)據(jù)，并做出溫度－組成圖。該溶液可視為理想溶液。第四十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日（1）利用拉烏爾定律第四十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日（2）利用相對揮發(fā)度第四十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日第1講小結(jié)1、蒸餾是分離均相液體混合物最廣泛采用的單元操作。蒸餾分離的依據(jù)是混合液中組分揮發(fā)度的差異。2、在恒壓下，氣—液相平衡關(guān)系是t-x-y及x-y關(guān)系。表示這些定量關(guān)系的方程是泡點方程、露點方