化工原理基礎(chǔ)知識(shí)講解

1、化工過(guò)程常用的化工過(guò)程常用的單單 元元 操操 作作賀 輝2015.8.7一、吸收和解析一、吸收和解析二、精餾二、精餾三、三、萃取萃取分離的物系：氣體混合物吸收的概念：吸收的概念：利用混合氣體中各組分在同一種溶劑中溶解度溶解度的不同，的不同，用液體吸收劑分離氣體混合物的單元操作稱為吸收吸收。形成兩相體系的方法：引入液相（吸收劑）傳質(zhì)原理：根據(jù)各組分在溶劑中的溶解度不同 吸收質(zhì)或溶質(zhì)吸收質(zhì)或溶質(zhì)混合氣體中的溶解組分，以A表示。 惰性氣體或載體惰性氣體或載體 不溶或難溶組分，以B表示。 吸收劑吸收劑吸收操作中所用的溶劑，以S表示。 吸收液吸收液 吸收操作后得到的溶液，主要成分為溶劑S和溶質(zhì)A。 吸收

2、尾氣吸收尾氣吸收后排出的氣體，主要成分為惰性氣體B和少量的溶質(zhì)A。 吸收塔混合氣體混合氣體(A+B)吸收液吸收液(A+S)吸收劑吸收劑(S)吸收尾氣吸收尾氣(A+B)吸收過(guò)程在吸收塔吸收塔中進(jìn)行，逆流操作吸收塔示意圖一個(gè)完整的吸收分離過(guò)程包括：吸收與解吸一個(gè)完整的吸收分離過(guò)程包括：吸收與解吸 變換氣變換氣凈化氣凈化氣甲醇甲醇H2S/CO2水水過(guò)熱蒸汽過(guò)熱蒸汽加熱器加熱器冷卻器冷卻器吸吸收收塔塔解解吸吸塔塔吸收操作的用途吸收操作的用途：(1) (1) 制取液體產(chǎn)品制取液體產(chǎn)品 用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產(chǎn)品。如硫酸吸收SO3 3制濃硫酸，用水吸收氯化氫制鹽酸等 。(2) (2) 分離混合氣

3、體分離混合氣體 用水吸收含氨氣的混合氣體。(3) (3) 氣體凈化氣體凈化 一類是原料氣的凈化，即除去混合氣體中的雜質(zhì)，如合成氨原料氣脫H2S、脫CO2等。尾氣處理和廢氣凈化以保護(hù)環(huán)境，吸收操作的分類吸收操作的分類物理吸收物理吸收：吸收過(guò)程溶質(zhì)與溶劑不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，可視為單純的氣體溶解于液相的過(guò)程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烴等。溶液解吸再生容易?；瘜W(xué)吸收化學(xué)吸收：溶質(zhì)與溶劑有顯著的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。如用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等過(guò)程?；瘜W(xué)反應(yīng)能大大提高單位體積液體所能吸收的氣體量并加快吸收速率,但溶液解吸再生較難。單組分吸收單組分吸收：

4、混合氣體中只有單一組分被液相吸收，其余組分因溶解度甚小其吸收量可忽略不計(jì)。多組分吸收多組分吸收：有兩個(gè)或兩個(gè)以上組分被吸收。非等溫吸收非等溫吸收：體系溫度發(fā)生明顯變化的吸收過(guò)程。(吸收放熱）等溫吸收等溫吸收：體系溫度變化不顯著的吸收過(guò)程（絕熱吸收）平衡時(shí)，溶質(zhì)氣體在液相中的濃度稱為平衡濃度或溶解度溶解度表明一定條件下吸收過(guò)程可能達(dá)到的極限程度。吸收過(guò)程并不是無(wú)止境的吸收的基本原理吸收的基本原理平衡狀態(tài)下氣相中溶質(zhì)的分壓稱為平衡狀態(tài)下氣相中溶質(zhì)的分壓稱為平衡分壓或平衡分壓或飽和分壓飽和分壓。溶解度曲線：在一定溫度、壓力下，平衡時(shí)溶質(zhì)在氣相和液相中的濃度的關(guān)系曲線。溶解度/g(NH3)/1000g

5、(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC120溶解度/g(SO2)/1000g(H2O)250200020406080100pSO2/kPa1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC吸收：高壓、低溫利于吸收；解析：低壓、高溫利于解析吸收劑性能的優(yōu)劣，是決定吸收操作效果是否良好的關(guān)鍵。如果吸收的目的是制取某種溶液作成品，例如用HCl氣生產(chǎn)鹽酸，吸收劑只能用水，自然沒(méi)有選擇的余地，但如果目的在于把一部分氣體從混合物中分離出來(lái)，便應(yīng)考慮選擇合用的吸收劑問(wèn)題。 溶解度大溶解度大

6、 吸收劑的選擇主要考慮的是溶解度溶解度，溶解度大則吸收劑用量少，吸收速率也大，設(shè)備的尺寸便?。贿x擇性好選擇性好 很顯然，吸收劑對(duì)溶質(zhì)氣體的溶解度既要大，對(duì)混合氣體中其他組分的溶解度卻要小或基本上不溶，這樣才能進(jìn)行有效的分離，滿足這一要求稱為選擇性選擇性好；揮發(fā)度要小揮發(fā)度要小 吸收劑的揮發(fā)度要小揮發(fā)度要小，即在操作溫度下它的蒸汽壓要低，經(jīng)過(guò)吸收后的氣體在排出時(shí)，往往為吸收劑蒸汽所飽和，吸收劑的揮發(fā)度高，其損失量便大。此外所選用的吸收劑盡可能滿足無(wú)腐蝕性，粘度小，無(wú)毒，不燃，價(jià)無(wú)腐蝕性，粘度小，無(wú)毒，不燃，價(jià)廉易得廉易得等條件。 連續(xù)接觸(也稱微分接觸)：氣、液兩相的濃度呈連續(xù)變化。如填料塔。溶

7、劑b 級(jí)式接觸a a 微分接觸圖9-2 填料塔和板式塔氣體溶劑氣體級(jí)式接觸：氣、液兩相逐級(jí)接觸傳質(zhì)，兩相的組成呈階躍變化。 如板式塔。散裝填料塑料鮑爾環(huán)填料規(guī)整填料 塑料絲網(wǎng)波紋填料 吸收塔的氣體入口條件是由前一工序決定的，不能隨意改變。因此，吸收塔在操作時(shí)的調(diào)節(jié)手段只能是改變吸收劑的入口條件。 （1）增大吸收劑的用量； （2）降低吸收劑的溫度； （3）降低吸收劑中溶解物質(zhì)的含量。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 概念：液體都具有揮發(fā)成氣體的能力，但揮發(fā)性不同，利用混合液體中各組分揮發(fā)度的差異而分離液體混合物的操作。 目的：均相液體混合物的分離。 依據(jù)：利用液體混合物中各組分在一定溫度下?lián)]發(fā)能力的差異。

8、 方法：將液體混合物部分氣化。 混合物中較易揮發(fā)的組分易揮發(fā)組分A 混合物中較難揮發(fā)的組分難揮發(fā)組分BA+B（C.）液體混合物液體混合物蒸餾過(guò)程通常以如下方法進(jìn)行分類：、根據(jù)被蒸餾的混合物的組分?jǐn)?shù)，可分為二元蒸餾和多元蒸餾。、根據(jù)操作過(guò)程是否連續(xù)，可分為間歇蒸餾和連續(xù)蒸餾。、根據(jù)操作壓力，可分為常壓蒸餾、加壓蒸餾和減壓蒸餾。、根據(jù)操作方式，可分為簡(jiǎn)單蒸餾、平衡蒸餾和精餾可分為簡(jiǎn)單蒸餾、平衡蒸餾和精餾。 根據(jù)被分離物系的一些特殊要求，精餾還包括水蒸氣精餾、恒沸精餾、萃取精餾、反應(yīng)精餾等等。第二節(jié)第二節(jié) 蒸餾的方式蒸餾的方式 簡(jiǎn)單蒸餾的基本流程如圖所示。一定量的原料液投入蒸餾釜中，在恒定壓力下加熱

9、氣化，陸續(xù)產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入冷凝器，經(jīng)冷凝后的液體（又稱餾出液）根據(jù)不同要求放入不同的產(chǎn)品罐中。因上述流程很簡(jiǎn)單，故稱其為簡(jiǎn)單蒸餾，也是間歇精餾它是較早的一種蒸餾方式。1加熱蒸汽3A3B3C2圖 簡(jiǎn)單蒸餾流程簡(jiǎn)1蒸餾釜；2冷凝器；3A、3B、3C產(chǎn)品罐 平衡蒸餾流程如圖所示，平衡蒸餾又稱閃蒸，物料在換熱器內(nèi)換熱到一定溫度，然后經(jīng)節(jié)流閥減壓至預(yù)定壓力。由于壓力的突然降低，過(guò)熱液體會(huì)自然蒸發(fā)，液體部分氣化。氣、液兩相在分離器中分開(kāi)，氣相為頂部產(chǎn)物，其中易揮發(fā)組分較為富集，液相為底部產(chǎn)物，其中難揮發(fā)組分獲得了增濃。4L， xF， xF1235圖 9 6平 衡 蒸 餾 流 程 簡(jiǎn) 圖1 泵 ； 2 加 熱

10、 器 ； 3 節(jié) 流 閥 ； 4 分 離 器 （ 閃蒸 塔 ） ； 5 冷 凝 器V ,y 精餾是利用混合物中各組分精餾是利用混合物中各組分揮發(fā)能力的差異，通過(guò)液相揮發(fā)能力的差異，通過(guò)液相和氣相的和氣相的回流回流、經(jīng)過(guò)、經(jīng)過(guò)多次平多次平衡級(jí)衡級(jí)過(guò)程，使物系實(shí)現(xiàn)過(guò)程，使物系實(shí)現(xiàn)高純高純度分離度分離的操作。的操作。精餾段精餾段上升蒸汽中輕組分上升蒸汽中輕組分的精制（除去重組分）的精制（除去重組分）提餾段提餾段下降液相中重組分下降液相中重組分的提濃的提濃(除去輕組分）除去輕組分）回流回流實(shí)現(xiàn)精餾操作的必要實(shí)現(xiàn)精餾操作的必要條件條件進(jìn) 料F , xF提餾段再 沸 器釜 液W , xw同流餾 出 液D

11、, xD冷 凝 器精餾段圖 9 9 連 續(xù) 精 餾 裝 置 流 程 簡(jiǎn) 圖 蒸餾改變狀態(tài)參數(shù)產(chǎn)生第二相，吸收從外界引入另一相形成兩相系統(tǒng)； 蒸餾直接獲得輕、重組分，吸收混合液經(jīng)脫吸才能得到較純組分； 蒸餾中氣相中重組分向液相傳遞，液相中輕組分向氣相傳遞，是雙相傳遞雙相傳遞；吸收中溶質(zhì)分子由氣相向液相單相傳遞單相傳遞，惰性組分及溶劑組分處于“停滯”狀態(tài)。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述在液體混合物中加入與其不完全混溶的液體溶劑（萃取劑），形成液-液兩相，利用液體混合物中各組分在兩液相中溶解度的差異而達(dá)到分離的目的。稱溶劑萃取，簡(jiǎn)稱萃取?；旌弦褐斜环蛛x出的物質(zhì)，以A表示；混合液中的其余部分，以B表示；萃取

12、過(guò)程中加入的溶劑，以S表示。萃取劑對(duì)溶質(zhì)應(yīng)有較大的溶解能力，對(duì)于稀釋劑則不互溶或僅部分互溶。按性質(zhì)可分為物理萃取和化學(xué)萃??；按萃取對(duì)象可分為有機(jī)物萃取和無(wú)機(jī)物萃取。 分級(jí)接觸式單級(jí)單級(jí)多級(jí)錯(cuò)流多級(jí)逆流按溶液與萃取劑的接觸方式 微分接觸式（連續(xù)接觸式）單級(jí)萃取最多為一次平衡，故分離程度不高，只適用于溶質(zhì)在萃取劑中的溶解度很大或溶質(zhì)萃取率要求不高的場(chǎng)合。 萃取相Extract萃余相Raffinate料液A+BFeed萃取劑Solvent混合澄清槽Mixer-settler萃取劑Solvent原料液依次通過(guò)各級(jí)，新鮮溶劑則分別加入各級(jí)的混合槽中，萃取相和最后一級(jí)的萃余相分別進(jìn)入溶劑回收設(shè)備，回收溶劑

13、后的萃取相稱為萃取液（用E表示），回收溶劑后的萃余相稱為萃余液（用R表示）。萃取率比較高，但萃取劑用量較大，溶劑回收處理量大，能耗較大，水平排列的設(shè)備占地面積大，并且設(shè)備費(fèi)用高。料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123N一般為塔式設(shè)備（噴淋塔、填料塔、轉(zhuǎn)盤塔、振動(dòng)篩板塔等）。一液相為連續(xù)相，另一液相為分散相，分散相和連續(xù)相呈逆流流動(dòng)；兩相在流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行質(zhì)量傳遞，其濃度沿塔高呈連續(xù)微分變化；兩相的分離在塔的上下兩端進(jìn)行。輕液出口Light Liquid outlet輕液進(jìn)口Lightliquid inlet重液出口Heavy liquid outlet重液進(jìn)口Heavy

14、liquid inlet如果輕液為分散相，如圖所示，如果輕液為分散相，如圖所示，分散相穿過(guò)各層篩板自下而上分散相穿過(guò)各層篩板自下而上流動(dòng)，而作為連續(xù)相的重液則流動(dòng)，而作為連續(xù)相的重液則沿篩板橫向流動(dòng)，由降液管流沿篩板橫向流動(dòng)，由降液管流入下層篩板。輕液通過(guò)板上篩入下層篩板。輕液通過(guò)板上篩孔分散為液滴，與板上橫向流孔分散為液滴，與板上橫向流動(dòng)的連續(xù)相接觸傳質(zhì)。輕液在動(dòng)的連續(xù)相接觸傳質(zhì)。輕液在每層篩板上層空間形成一清液每層篩板上層空間形成一清液層，在兩相密度差作用下，經(jīng)層，在兩相密度差作用下，經(jīng)上層篩板再次被分散成液滴而上層篩板再次被分散成液滴而浮升，傳質(zhì)效率較高。浮升，傳質(zhì)效率較高。篩孔板篩孔板

15、降液管降液管相界面相界面相界面相界面輕相出口輕相出口重相出口重相出口重相入口重相入口輕相入口輕相入口分層界面分層界面重相重相輕相輕相重相出口重相出口輕相出口輕相出口如圖所示，噴灑塔是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單如圖所示，噴灑塔是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的傳質(zhì)設(shè)備，但傳質(zhì)效果差。的傳質(zhì)設(shè)備，但傳質(zhì)效果差。操作時(shí)，輕重兩液體分別由塔底操作時(shí)，輕重兩液體分別由塔底和塔頂加入，在密度差作用下呈和塔頂加入，在密度差作用下呈逆流流動(dòng)。兩液體中一個(gè)為連續(xù)逆流流動(dòng)。兩液體中一個(gè)為連續(xù)相相( (圖示為重液圖示為重液) )充滿塔內(nèi)主要空充滿塔內(nèi)主要空間，而另一液體以液滴形式分散間，而另一液體以液滴形式分散于連續(xù)相，使兩相傳質(zhì)。塔內(nèi)兩于連續(xù)相，使兩相傳質(zhì)。塔內(nèi)兩端各有一澄清室，供兩相分離。端各有一澄清室，供兩相分離。兩相分層界面位置可由閥門和兩相分層界面位置可由閥門和形