均相混合物的分離與設(shè)備

——36—第四章均相混合物的分別與設(shè)備4－1答：關(guān)于氣體的〔物理〕吸取問題，W.G.Whitman和W.K.Lewis提出“雙膜理氣體吸取物理模型的建立各有一個很薄的滯流膜層，吸取質(zhì)是以分子集中的方式通過此二膜層。吸取過程機(jī)理的假設(shè)湍動。膜層〔雙膜〕上。假設(shè)Ⅱ：在相界面處，氣－液相吸取質(zhì)總是處于一種溶解平衡狀態(tài)；在“氣膜”一方，吸取質(zhì)的壓強(qiáng)為p；在“液膜”一方，吸取質(zhì)的濃度為C。Ai Ai結(jié)論2——假設(shè)假設(shè)成立，則氣體吸取過程的推動力為：氣相傳質(zhì)過程的推動力：p-p 〔吸取質(zhì)A的壓強(qiáng)差〕A Ai液相傳質(zhì)過程的推動力：C -C〔吸取質(zhì)A的濃度差〕Ai A30℃氣。，氣膜吸取系數(shù)kgk1.83×10-4m·s-1。l

=3.84×10-6kmol·m-2·s-1·kPa-1，液膜吸取系數(shù)Henryslaw；0.05，6.7kPa。y=0.05、x=0.01⑴吸取速率及吸取系數(shù)；解：寫為：N=K·S〔p-p*〕A G A A或：N=K·S〔C*-C〕A L A A氣相總吸取系數(shù)K=G 1/kg

1+1/(k·H)l⑴溶解度系數(shù)ρ

1000H≈ρ/(E·M)= s =s s

6.7/0.05×18A A s=0.415(kmol·m-3·kPa-1)⑵氣相吸取系數(shù)1 1K= =G1/kg=

l1

1/3.84×10-6+1/(1.83×10-4×0.415)=3.66×10-6(kmol·m-2·s-1·kPa-1)2.60×105+1.32×104某截面單位面積總吸取速率N/S=K〔p-p*〕=K

-E·x)A G A A G A=3.66×10-6×[100×0.05-(6.7/0.05〕×0.01]=1.34×10-5(kmol·m-2·s-1)3.吸取過程掌握因素的分析由氣相總吸取系數(shù)的計算可知：Rg

=1/kg

=1/3.84×10-6=2.6×105(kPa·m2·s·kmol-1)Rl

=1/(k·H)=1.32×104(kPa·m2·s·kmol-1)l即：氣膜阻力(R(R(RR+Rg l g l95.2%。所以，該吸取過程是一個氣膜掌握過程。——37—4－3答：個方面考慮。提高吸取過程的推動力⑴提高氣相推動力通過增大氣相主體的壓強(qiáng)，可直接增大吸取質(zhì)的分壓(p)，進(jìn)而到達(dá)增大吸A(pA

A(p*)，進(jìn)而到達(dá)增大吸取過程(p-p*)的目的；A A A⑵提高液相推動力平衡濃度增大(C*)，進(jìn)而到達(dá)增大吸取過程(C*-CA A A通過提高吸取劑的流量，降低吸取劑入口吸取質(zhì)的濃度(C)，可到達(dá)增大吸A收過程(C*-CA A減小吸取過程的阻力⑴減薄流體膜的厚度阻力(RRg l⑵實行逆流操作阻力的作用。⑶改善吸取設(shè)備性能a料的比外表積)，可有效地降低吸取阻力。4－4答：所謂“液泛”是指逆流操作時，由于氣體的流速過大，則阻礙吸取劑的正常F

是指消滅液泛現(xiàn)象時，氣體的最低流速。99.5％。1400kg·h-11.013×105Pa，1.333kPa。假設(shè)實際吸取劑的為最小用量的1.4倍，操作溫度(298K)下的氣液平衡關(guān)系0.088kmol·m-3·s-1。求：吸取塔每小時的用水量及填料層高度。解：1.求用水量對吸取操作中的氨進(jìn)展物料衡算

V，y L，x2 2V(y1

y)=L(x2

x)2假設(shè)吸取劑承受清水，x=0。則，用水量為：2

V，y1

L，x1L=[V(y-y)]/x1 2 1⑴確定有關(guān)數(shù)據(jù)①進(jìn)口氣相中的氨含量假設(shè)，混合氣體聽從抱負(fù)氣體行為。即：pV=nRT則：p/p 1.333/101.3y=n/(1-n)= 1 =1 1 =0.0134

1-p/p 1-1.333/101.31②進(jìn)口氣體的流量〔惰性氣體。則惰性氣體的流量為：V=Ws ×(1-y)=1400(1-0.0134)M 1 29空氣的平均式量=47.6(kmol·h-1)空氣的平均式量③出口氣相中的氨含量依據(jù)工藝要求〔氨的吸取率為99.5%〕有：y=y(1-η)=0.0134×(1-99.5%)=6.7×10-52 1⑵確定吸取劑的最小用量Lminy-y y-yL =Vmin

1 2=V 1 2x*-x x*1 2 1由氣液平衡關(guān)系為y*=0.75x得知：x*=y/0.75=0.0134/0.75=0.01791 1則：0.0134-6.7×10-5L =47.6× =35.6(kmol·h-1)min 0.0179⑶實際用水量L=1.4L

min

=1.4×35.6=49.8(kmol·h-1)Ws(水)

=M L=18×49.8=897(kg·h-1)(H2O)897kg〔0.89732.求填料層高度

V，y L，x2 2Z=H

·N0G ⑴氣相總傳質(zhì)單元高度 ZH= V0G K·a·Ωy①填料塔的橫截面積Ω=πr2=1/4×πD2=0.25π×0.82=0.5024(m2)a·Ω

V，y L，x1 1假設(shè)選擇50×50×4.5mm的〔陶瓷〕拉西環(huán)為吸取塔的填料，亂堆。則：a·Ω≈0.5③氣相總傳質(zhì)單元高度H=

=47.6/3600

=0.30(m)0G K·a·Ω 0.088×0.5y⑵氣相總傳質(zhì)單元數(shù)y

y-yN0G①Δym

=∫2y1

[1/(y-y*)]dy=

1 2ΔymΔy-Δy

(y-y*)-(y-y*)

-0.75x*)-yΔy= 1

2 = 1 1 2 2 = 1 1 2m Δy

(y-y*)

-0.75x)lnΔ 1

ln 1 1

ln 1 1 y (y-y*) y2 2 2 2依據(jù)物料衡算V(y1

y)=L(x2

x)=L·x2 1即：V(y-y) 0.0134-6.7×10-5x= 1 2 =47.6× =0.01281 L 49.8則：Δy=y-0.75x=0.0134-0.75×0.0128=0.00381 1 10.0038-6.7×10-5Δy= =9.4×10-4mln②N0Gy-y

0.00386.7×10-50.0134-6.7×10-5N= 1 20G Δym

= =14.39.4×10-4⑶求填料層高度Z=H

·N0G

=0.30×14.3=4.29(m)4－6答：冷凝以分段收集的分別操作〔分批參加原料，間歇操作。收集的分別操作。因此，簡潔蒸餾至少有如下兩個方面的特點。平衡關(guān)系。⑵體系的氣、液相組成、沸點隨時間而轉(zhuǎn)變。的溫度由低→高(逐步上升)。〔料液的沸點由低→高(逐步上升)。100℃；B10050.56kPa100℃時，A組分的相對揮發(fā)度。解：假設(shè)體系聽從拉烏爾定律時，即：p=p°xi i i則：α =po/po=101.3/50.56=2.0AB A Bα

=2.0。AB4－8〔二組分體系〕在80.1－110.8℃時,苯的平均相對揮發(fā)度。解：假設(shè)體系聽從拉烏爾定律，則平均相對揮發(fā)度為：α -αα = 1 2 m α ln α121.80.1℃(苯的正常沸點)po=101.3kPa苯po=39.3kPa (查手冊)甲苯則：α =po/po=101.3/39.3=2.581 苯 甲苯2.110.8℃(甲苯的正常沸點)po=101.3kPa甲苯po=233.0kPa (查手冊)苯=2.303.平均相對揮發(fā)度α -αα = 1 2m α

= 2.58

=2.44ln α12

ln2.30答：苯－甲苯二組分體系的平均相對揮發(fā)度α =2.44。m4－9：進(jìn)料液中苯的含量xF

0.50，80％。求餾出液的量及其組成。進(jìn)料W進(jìn)料W，xW，xPF FW，x解：P100kmolW=100kmol；x=0.50；α =2.44F F m餾分中苯的量n =W·x·80％=100×0.5×80％P(苯) F F=40(kmol)釜?dú)堃褐斜降牧?/p>

W釜?dú)堃簄w(苯)

=W

W

=100×0.5-40=10(kmol)確定計算公式中的積分項ln(W/W)=xFdx/(y-x)F xW即：x dx x dx∫Fxy-xW

xW

α1+(α

·xm -x-1)·xmx [1+(α

1)x]dx

x [1+(α

1)x]dxW=∫F m =∫F m Wαx x-[1+(ααW mx dx

-1)x]xm

x(αx dx

-1)x-(αm

-1)x2m=∫FxW由于：

(α -1)x-(αm

-1)x2m

xW

1-xxF

dx x dx∫W= F∫WxW(α

-1)x-(αm

-1)x2m

xx[(α

-1)-(αm

-1)x]m1 α=- lnα

-1)+(1-α)xxFm mx-1m xW——43—1 (1-x)x=- ln F Wα -1 (1-x)xm W F并且：x

xd(1-x)

x 1-x∫Fx1-xW即：

xW

1-x

=-ln(1-x)FxW

=-ln

F1-xWx

1

1-x∫F =-

F

-ln Fx y-x

α -1

1-xW于是：

mW=ln FW

W F WW 1-x

1 (1-x)xln F

+ln F

=

W FW 1-x

α -1 (1-x)x

W m F W1 x(1-x)ln[ F W ]= ln[ F W ]

α -1

x(1-x)F m令：料液中甲苯的量=n

Wn

F=W·x則：W(1-x)=n

F(甲苯)

F(苯) F FF F F(甲苯)令：釜?dú)堃褐屑妆降牧?nW(甲苯)

，苯的量=nW(苯)

=W·xW則：W(1-x)=n

w w(甲苯)W(1-x) n 1 x(1-x)ln[ F W

F(甲苯)

= ln[ F W ]W(1-x)

α -1

x(1-x)F移項整理得：n

w(甲苯)n

m W Fx(1-x)α ln m n

-ln

n

=ln[ F W ]x(1-x)w(甲苯)

w(甲苯) W Fn n n n=ln[

F(苯) w(甲苯) ]=ln F(苯)

-ln

F(甲苯)即：nln F(苯)=αlnn mw(苯)

n F(甲苯) nw(甲苯)

nW(苯)

nF(甲苯)

nW(苯)

nW(甲苯)于是：W·x

1-W·xln F 10

=2.44ln nF Fw(甲苯)100×0.5 1-100×0.5ln 10即：

=2.44ln

n

=1.612.44[ln50-lnn

]=1.61w(甲苯)lnn則：

=ln50-0.660=3.25nw(甲苯)

=arcln3.25=25.8〔kmol〕餾分的量及其組成⑴餾分的量W=n +n

=n

-n ]P

甲苯)=40+[(1-100×50)-25.8]=64.2(kmol)⑵餾分的組成苯的含量：xp(苯)甲苯的含量：x

=40/64.2=0.623=1-0.623=0.377p(甲苯)答：冷凝，將液體混合物各組分分別的一種質(zhì)量傳遞操作。區(qū)分。程中，每個“局部氣化、冷凝”體系至少在理論上存在著氣－液平衡關(guān)系。揮發(fā)度組分的含量由高→低(逐步降低)；沸點由低→高(逐步上升)。隨時間變化?！?5——45—庚烷二組分體系的平衡數(shù)據(jù)如下。T/℃ 30 36 40 46 50 56 58x 1.00 0.700 0.524 0.340 0.214 0.091 0己烷y 1.00 0.856 0.770 0.625 0.449 0.228 0 己烷 T/℃60504030T/℃60504030(T)為縱坐標(biāo)，以組成(x、y)為橫坐標(biāo)作圖——正己烷－正庚烷二組分體系的氣－液平衡相圖。x(y ) 20 40 60 80 100 己烷己烷15000kg40%60%的混合液進(jìn)展連續(xù)精餾。要F，xFF，xF解：物料衡算F=P+W

P，xPF·xF

=P·xP

+W·xw⑴將有關(guān)數(shù)據(jù)換算為物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)40/Mx= 苯

40/78

W，xWF 40/M苯=0.44

+60/M甲苯

40/78+60/922/Mx= 苯

2/78W 2/M+(100-2)/M苯

2/78+98/92=0.0235⑵料液的流量①料液的平均相對式量F F

+(1-x苯

)·M

=0.44×78+0.56×92=85.8甲苯F=W/M

=15000/85.8=175(kmol·h-1)s F⑶塔頂產(chǎn)品由于：P·xFη = P ×100％P F·xF則：P·x=η·(F·x)=97.1%×175×0.44=74.8P P F由物料衡算式得：175=P+W ①175×0.44=74.8+0.0235W ②由②式得：-177-74.W= =93.62(kmol·h)-10.0235由①式得：P=F-W=175-93.62=81.4(kmol·h-1)答：①餾出液流量——P=81.4kmol·h-1；組成——xP

=74.8/P=0.92②釜液流量——W=93.6kmol·h-1；組成——xW

=0.0235混合液進(jìn)展連續(xù)精餾。2 4：原料液的流量WF

=14000kg/h，料液組成wF

=0.3(二硫化碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；下同)。假設(shè)要求釜液組成ww〔摩爾分?jǐn)?shù)。解：依據(jù)物料衡算有：F=P+W

≤0.05，餾出液的回收率為90％。求餾出液F，xFF，xFPF·xF

=P·xP

+W·xw料液組分

W，x—46— W——48—nx= F(CS2)

0.3/76= =0.465F n +nF(CS2)

0.3/76+0.7/154釜液組分nx= W(CS2)

0.05/76= =0.0964W n +nW(CS2)

0.05/76+0.95/154料液的流量⑴料液的平均相對式量M=x·M +(1-x)·M

=0.464×76+0.536×154F F CS2 F CCl4=117.8⑵料液的流量F=W/M=14000/117.8=118.8(kmol·h-1)s F塔頂產(chǎn)品由于：P·xFη = P ×100％P F·xF則：P·x=η·(F·x)=90%×118.8×0.464=49.6P P F物料衡算118.8=P+W ①118.8×0.464=49.6+0.0964W ②由②式得：-1118.8×0.464-49.W= =57.3(kmol·h)-10.0964由①式得：P=F-W=118.8-57.3=61.5(kmol·h-1)答：餾出液的流量及組成為①流量——P=61.5kmol·h-1；②組成——xP

=49.6/P=49.6/61.5=0.810.95，0.90。：回流比R=4，q=1.2，比揮發(fā)度〔平均相對揮發(fā)度〕α =2.45。m⑴求精餾塔的理論塔板數(shù)；⑵假設(shè)全塔效率為E0

=60％，求精餾塔的實際塔板數(shù)。解：用作圖法求解，其求解步驟如下：x-yxyi iα·xy= m m m 1+(α

-1)·xm mxxi0.950.900.800.700.600.450.200.10yi0.980.960.910.850.790.670.380.21x-yx-y相圖，并在相圖中確定xxx點。F P w作操作線⑴依據(jù)精餾段操作線方程作精餾段操作線yn+1

R= xR+1 n

1+ xR+1 P+1)]——NP、N線——精餾段操作線。⑵依據(jù)進(jìn)料作操作線方程作進(jìn)料操作線qy= q-1

1 xq-1F-1)]；F進(jìn)料操作線(q⑶作提餾段作操作線——49—連接q、W操作線。作階梯圖

1.0N=7-1=6TN=6/0.6=10NT

0.56(不N含塔釜)。假設(shè)全塔效率為E0N=10。

=60％，則

yqyq線12P345qF67Wxx=0.1 xw

=0.5

1.0=0.95P〔原料〕中參加某種與其不相混溶的液體作為溶劑，利用取。ER分的安排系數(shù)。例如，在A－B－S〔萃取劑〕體系中：溶質(zhì)A的安排系數(shù) k=y/xA A溶劑B的安排系數(shù) k=y/xB B答：在生產(chǎn)中，選擇萃取劑需重點考慮如下幾個方面的因素。萃取劑的選擇性效果越好。萃取劑的經(jīng)濟(jì)性取劑難以回收或回收率不高，其經(jīng)濟(jì)性必定較差。萃取劑的其它物性與被分別混合物有較大的密度差。這樣，可有效地提高設(shè)備的生產(chǎn)能。乳化現(xiàn)象，使兩液相難分別。低萃取效果。因此，在萃取操作中應(yīng)選擇適中的界面張力。液相的混合與分層，也有利于流體的流淌與傳質(zhì)；反之亦然。毒性等因素，權(quán)衡利弊，得出最正確萃取方案。答：超臨界流體(SupercriticalFluid)是指，溫度、壓強(qiáng)高于臨界溫度和臨界壓強(qiáng)的流體。重要的根本特性。⑴兼有氣體和液體兩重性密度、溶解力量，又有與氣體相近的粘度、集中系數(shù)和滲透力量。操作中，超臨界流體的傳質(zhì)速率將遠(yuǎn)大于液態(tài)下溶劑萃取速率。⑵密度對溫度和壓強(qiáng)的變化敏感與其密度有著親熱的關(guān)系。通常物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度(C)對數(shù)與其密度對數(shù)呈直線關(guān)系。即：lnC=klnρ+m(k溶解力量的目的。25℃下，以水為萃取劑，從醋酸－氯仿混合液中提取醋酸。，原料——51—35％(，ERER氯仿層(R氯仿層(R水層(E醋酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)醋酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)0.000.990.0099.166.771.3825.1073.6917.722.2844.1248.5825.724.1550.1834.7127.655.2050.5631.1132.087.9349.4125.3934.1610.0347.8723.2842.5016.5042.5016.50解：依據(jù)數(shù)據(jù)作平衡相圖ERABFFSFSM借助關(guān)心曲線用試差法確定通過M

A(醋酸)E’.8E’.80.2.60.4.4F0.6E.2M0.8R’R000點的連接線ER。由圖得：

B

0.2 0.4

0.6 0.8

S(水)EyA

=27%，yB

=1.5%，ys

=71.5%

醋酸－水－氯仿平衡相圖示意圖RyA

=7.2%，yB

=91.4%，ys

=1.4%由物料衡算得：M=F+S=4000+3200=7200(kg/h)由圖量得：RM=26mm，RE=42mm由杠桿原理得：E=M×RM/RE=7200×26/42=4457(kg/h)R=M-E=7200-4457=2743(kg/h)答：E組成yA

=27%，yB

=1.5%，ys

=71.5%流量E=4457kg/hR組成yA

=7.2%，yB

=91.4%，ys

=1.4%流量R=2743kg/h4－20什么是離子交換？什么是離子交換劑？離子交換可分為哪幾個根本步驟？答：離子交換(ionexchange)是借助于固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進(jìn)展交換，以到達(dá)提取或去除溶液中某些離子目的的一種單元操作。離子交換劑(ionexchanger)是一種含有可解離基團(tuán)的物質(zhì)，其解離基團(tuán)能與溶液中的其它離子起交換作用。離子交換過程可簡潔地劃分為如下三個根本步驟。子接觸。子發(fā)生化學(xué)反響〔離子交換。液相主體。再生液再生液陽離子交換柱陽離子再生液再生液陽離子交換柱陽離子交換液陰離子交換柱清水再生清水再生陽離子交換柱陽離子交換柱再生陽離子交換柱再生陰離子交換柱藝流程如右圖所示。 料液 產(chǎn)品后可進(jìn)入下一個循環(huán)使用。4－22答：程稱為結(jié)晶(crystallization)。結(jié)晶是生物化工生產(chǎn)中，獲得純固態(tài)物質(zhì)的一種重要的分別方法，是傳質(zhì)分別過程的一種單元操作。發(fā)結(jié)晶和降溫結(jié)晶。⑴蒸發(fā)結(jié)晶小的溶質(zhì)。⑵降溫結(jié)晶降溫結(jié)晶是通過加熱溶液〔同時蒸發(fā)溶劑，使溶液由不飽和變?yōu)轱柡?，再溫度變化較大的溶質(zhì)。4－23體生長階段可分為哪幾個步驟？答：晶體從溶液中的形成過程一般認(rèn)為有三個階段。即：⑴介質(zhì)到達(dá)過飽和狀態(tài)狀態(tài)。⑵晶核形成階段〔稱為晶核。晶核的形成是晶體生長過程必不行少的核心。⑶晶體生長階段運(yùn)動，并在其外表有序積存，使晶核或晶種不斷長大形成晶體。依據(jù)液相集中理論，晶體生長階段可分為如下三個根本