化工原理第五章

化工原理第五章第1頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1概述化工過程中步驟很多,這些步驟可分為兩類:以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)為主,通常在反應(yīng)器中進(jìn)行.物理性操作單元操作第2頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月單元操作流體力學(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3頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(gè)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(gè)組分或某些組分從一相向另一相轉(zhuǎn)移，以達(dá)到分離的目的。第4頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月均相物系分離的特點(diǎn)引入第二個(gè)相，并使兩組分在第二個(gè)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(jìn)入另一相）第5頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月分離的目的：

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(jìn)：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6頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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7頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jìn)行。逆過程氣相B

+

A液相（水相）

A（水）A減濕增濕A增濕第8頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月液－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9頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月固－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10頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月結(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(zhǎng)大。溶解液相S

+

A固相

AA結(jié)晶溶解A逆過程第11頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月吸附物質(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12頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月干燥液體（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13頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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14頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(dòng)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15頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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16頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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17頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月3.濃度：?jiǎn)挝惑w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18頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月質(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19頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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20頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月三、傳質(zhì)設(shè)備簡(jiǎn)介1.對(duì)傳質(zhì)設(shè)備的要求（設(shè)計(jì)原則）：給傳質(zhì)的兩相（或多相）提供良好的接觸機(jī)會(huì)，包括增大相界面積和增強(qiáng)湍動(dòng)程度。兩相在接觸后能分離完全。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，操作便利，穩(wěn)定，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，周期長(zhǎng)，能量消耗小等。第21頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jí)接觸式傳質(zhì)設(shè)備

第22頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)現(xiàn)分離的單元操作.

沸點(diǎn)低的組分稱為易揮發(fā)組分，高的為難揮發(fā)組分第24頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.蒸餾分離的特點(diǎn)蒸餾操作需要消耗大量的能量，流程簡(jiǎn)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(shí)需要高壓、高真空、高溫或低溫條件第26頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(jiǎn)單蒸餾、平衡蒸餾、精餾和特殊精餾等按操作壓強(qiáng)分為常壓、減壓、加壓蒸餾按待分離混合物中組分?jǐn)?shù)不同分為雙組分和多組分蒸餾第27頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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28頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(dú)立組分?jǐn)?shù)；

Φ――相數(shù)。

對(duì)雙組分的氣液相平衡，由相律知其自由度數(shù)為2。第29頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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(cè)或由下面安托因方程求得：第30頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)溶液沸騰時(shí)，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31頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月相平衡常數(shù)當(dāng)總壓不變時(shí)，相平衡常數(shù)K并非常數(shù)，隨溫度變化第32頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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33頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月1）t-x-y相圖的說明2）液體的加熱過程泡點(diǎn)3）過熱蒸汽的冷凝過程露點(diǎn)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34頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月x-y圖圖5-2苯—甲苯混合液的x-y圖第35頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：

上述的平衡曲線是在恒定的壓強(qiáng)（總壓為1atm）下測(cè)得的。對(duì)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(duì)揮發(fā)度α愈小，因此蒸餾壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)也表明，在總壓變化范圍為20-30%下，x-y平衡曲線變動(dòng)不超過2%，因此在總壓變化不大時(shí)，外壓對(duì)平衡曲線的影響可以忽略。第36頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月四、揮發(fā)度和相對(duì)揮發(fā)度1、揮發(fā)度：

對(duì)于純液體：用其蒸氣壓表示揮發(fā)度。對(duì)于二元溶液：對(duì)于理想溶液：

vA=pAovB=pBo

對(duì)于非理想溶液：vi≠pio

第37頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)雙組分溶液，氣相遵循道爾頓分壓定律，則：2.相對(duì)揮發(fā)度：上式稱為氣液相平衡方程。α越大，分離越容易。第38頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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39頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月正偏差溶液，具有最低恒沸點(diǎn)溶液第40頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月負(fù)偏差溶液，具有最高恒沸點(diǎn)溶液第42頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月氣液平衡數(shù)據(jù)來源1、實(shí)驗(yàn)測(cè)定或從有關(guān)手冊(cè)中查得2、由純組分的某些物性按經(jīng)驗(yàn)的或理論的公式估算3、根據(jù)少量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由經(jīng)驗(yàn)的或理論的公式估算第45頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月例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?yán)美瓰鯛柖珊拖鄬?duì)揮發(fā)度，分別計(jì)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46頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）利用拉烏爾定律第47頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）利用相對(duì)揮發(fā)度第48頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第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(diǎn)方程、露點(diǎn)方