化工原理下冊復(fù)習(xí)課件

1、化工原理任課教師：楊雪峰Prof. Dr. Yang XuefengPrinciples of Chemical Engineering復(fù) 習(xí)Review第九章 氣 體 吸 收Gas Absorption亨利定律（Henrys law） 當(dāng)總壓不太高時，一定溫度下的稀溶液的溶解度曲線近似為直線，即溶質(zhì)在液相中的溶解度與其在氣相中的分壓成正比。式中： p* 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa； x 溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)； E 亨利系數(shù)，kPa。 亨利定律比摩爾分?jǐn)?shù)在低濃度氣體吸收計(jì)算中，通常采用基準(zhǔn)不變的比摩爾分?jǐn)?shù) Y（ 或 X ）表示組成。 氣相傳質(zhì)速率方程kg 氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2

2、kPa)；ky 氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2)；kY 氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2)；p、y、Y 溶質(zhì)A在氣相主體的分壓(kPa)、摩爾分?jǐn)?shù)和比摩爾分?jǐn)?shù)；pi 、yi、Yi 溶質(zhì)A在界面氣相側(cè)的分壓(kPa)、摩爾分?jǐn)?shù)和比摩爾分?jǐn)?shù)。 液相傳質(zhì)速率方程kc 液相傳質(zhì)系數(shù)，m/s；kx 液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2)；kX 液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2)；c、x、X 溶質(zhì)A在液相主體的摩爾濃度、摩爾分?jǐn)?shù)和比摩爾分?jǐn)?shù)；ci、xi、Xi 溶質(zhì)A在界面液相側(cè)的摩爾濃度、摩爾分?jǐn)?shù)和比摩爾分?jǐn)?shù)。 總傳質(zhì)速率方程 傳遞過程的阻力具有加和性。根據(jù)雙膜理論(相界面無阻力)傳質(zhì)總阻力氣相傳質(zhì)阻力液相

3、傳質(zhì)阻力相平衡關(guān)系為直線對稀溶液，相平衡關(guān)系服從亨利定律 y*=mx總傳質(zhì)速率方程 對易溶氣體，平衡常數(shù) m 值小，平衡線很平：傳質(zhì)阻力主要集中在氣相，此類傳質(zhì)過程稱為氣相阻力控制過程，或稱氣膜控制過程。 優(yōu)點(diǎn)：可避開難以確定的相界面組成 xi 和 yi。總傳質(zhì)速率方程 對難溶氣體，平衡常數(shù) m 值大，平衡線很陡： 傳質(zhì)阻力主要集中在液相，此類過程稱為液相阻力控制過程，或液膜控制過程。 分析氣、液兩相中傳質(zhì)阻力所占的比例，對于強(qiáng)化傳質(zhì)過程，提高傳質(zhì)速率有重要的指導(dǎo)意義。例：以氣相阻力為主的吸收操作，增加氣體流速，可減薄界面處氣膜層的厚度，從而降低氣相傳質(zhì)阻力，有效地提高吸收速率；而增加液體流速

4、吸速率則不會有明顯改變。 吸收塔的計(jì)算 化工單元設(shè)備的計(jì)算，按給定條件、任務(wù)和要求的不同，一般可分為設(shè)計(jì)型計(jì)算和操作型（校核型）計(jì)算兩大類。設(shè)計(jì)型計(jì)算：按給定的生產(chǎn)任務(wù)和工藝條件來設(shè)計(jì)滿足任務(wù)要求的單元設(shè)備。操作型計(jì)算：根據(jù)已知的設(shè)備參數(shù)和工藝條件來求算所能完成的任務(wù)。以逆流操作的填料塔為例：對穩(wěn)定過程，單位時間內(nèi)氣相在塔內(nèi)釋放出的溶質(zhì) A 必等于液相吸收的量。物料衡算與吸收操作線方程 物料衡算 目的：計(jì)算給定吸收任務(wù)下所需的吸收劑用量 L 或吸收劑出口濃度 X1。V, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, X物料衡算V, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, X操作線方程

5、與操作線V, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, XV, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, X最小液氣比(L/V)minYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1,max=X1*(L/V)minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max兩線在 Y1 處相交時，X1,max=X1*；兩線在中間某個濃度處相切時， X1,maxX1* 。 低濃度氣體吸收填料層高度的計(jì)算 特點(diǎn)：低濃度氣體吸收（y110%）因吸收量小，由此引起的塔內(nèi)溫度和流動狀況的改變相應(yīng)也小，吸收過程可視為等溫過程，傳質(zhì)系數(shù) kY、kX 、KY、KX 沿塔高變化小，可取塔頂和塔底條

6、件下的平均值。傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度對數(shù)平均推動力法NOG 的含意：低濃度氣體吸收是以全塔的Ym 為度量單位，衡量完成分離任務(wù)（Y1-Y2）所需的傳質(zhì)單元高度的數(shù)目。若分離程度（Y1-Y2）大或平均推動力 Ym 小，NOG 值就大，所需的填料層就高。 吸收因子法相對吸收率 r = (Y1-Y2)/ (Y1-Y2*)第十章 蒸 餾Chapter 10 Distillation理想溶液的汽液平衡拉烏爾(Raoult)定律 汽、液兩相物系分為理想物系與非理想物系。理想物系：理想溶液和理想氣體組成的物系。實(shí)驗(yàn)表明，理想溶液服從拉烏爾（Raoult）定律，理想氣體服從理想氣體定律或道爾頓分壓定律。兩組

7、分物系 pA、pB 液相上方A、B兩組分的蒸汽壓，Pa； xA、xB 液相中A、B兩組分的摩爾分?jǐn)?shù)；poA、poB 在溶液溫度 t 下純組分A、B的飽和蒸汽壓，為溫度的函數(shù)，Pa。 理想溶液的汽液平衡拉烏爾(Raoult)定律沸騰時，溶液上方總壓應(yīng)等于各組分的分壓之和泡點(diǎn)方程(bubble-point equation)poA、poB 取決于溶液沸騰時的（泡點(diǎn)）溫度，上式實(shí)際表達(dá)的是一定總壓下液相組成與溶液泡點(diǎn)溫度關(guān)系。理想溶液的汽液平衡拉烏爾(Raoult)定律當(dāng)汽相為理想氣體時露點(diǎn)(dew-point)方程一定總壓下汽相組成與溫度的關(guān)系式。對非理想物系不能簡單地使用上述定律。汽液相平衡數(shù)據(jù)

8、可以通過分子模擬計(jì)算，或依靠實(shí)驗(yàn)測定。 相對揮發(fā)度（Relative volatility）對雙組分物系有 yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下標(biāo) A 可得 相平衡方程若已知兩組分的相對揮發(fā)度，則可由上式確定平衡時汽液兩相的組成。 理論板和板效率（Ideal plate and plate efficiency） (1) 汽、液兩相在板上充分接觸混合，塔板上不存在溫度差和濃度差；(2) 離開塔板的汽、液兩相達(dá)平衡，即離開理論板的兩相溫度相等，組成互成平衡。理論板的概念（Concept of ideal plate） 表達(dá)理論板上傳遞過程特征的溫度和汽、液組成可直接由相平衡關(guān)系描述，如

9、t-x(y) 相圖、泡點(diǎn)方程或露點(diǎn)方程。 板效率（Plate efficiency） n-1 tn-1ntnn+1tn+1yn+2yn+1ynyn-1xn-2xn-1xnxn+1物料衡算與操作線方程 全塔物料衡算 （Overall material balance）總物料衡算 易揮發(fā)組分物料衡算 操作線方程（Operating line） 對控制體作物料衡算：1 2 3 n n+1 V, y1D, xDL, xDV, yn+1L, xn 精餾段操作線方程 回流比：R=L/D泡點(diǎn)回流：V=L+D=(R+1)D 提餾段操作線方程 操作線方程 （Operating line） 對控制體作物料衡算：V

10、, yWW, xWL, xWn n+1 L, xnV, yn+1加料熱狀態(tài)對操作線交點(diǎn)的影響提餾段操作線與加料熱狀態(tài)有關(guān)，兩操作線交點(diǎn)的坐標(biāo)也與加料熱狀態(tài)（q值）有關(guān)。應(yīng)用兩操作線方程可導(dǎo)出以 q 值為參變量的交點(diǎn)軌跡方程。q 線的作法eacbdq0q=00q101.0 xWxy1.0 xDzF不同加料熱狀態(tài)下的 q 線最小回流比 (Minimum reflux ratio)最小回流比(Rmin)：R，兩操作線交點(diǎn) d 落在平衡線上，所需的理論板數(shù)為無窮多。d 點(diǎn)稱為挾點(diǎn)，其附近稱為恒濃區(qū)或挾緊區(qū)。 qadydxWxdxFxD1.001.0理論板數(shù)的求法 逐板計(jì)算法y1y1x1x2y212yN

11、-2xN-2xN-1yNN-1NmN-2W, xWF, zFD, xDQ圖解法y1y1x1x2y212yN-2xN-2xN-1yNN-1NmN-2W, xWF, zFD, xDQyy1xW12345678910axq 線de01.01.0y2y3y6yqxqzFx2x1xD第十二章 干 燥 Drying絕對濕度(濕度) H（Humidity）對于空氣-水系統(tǒng)：Mw=18.02，Mg=28.96濕氣體中濕份蒸汽的質(zhì)量與絕干氣體的質(zhì)量之比。若濕份蒸汽和絕干氣體的摩爾數(shù) (nw, ng) 和摩爾質(zhì)量 (Mw , Mg) 總壓一定時，氣體的濕度只與濕份蒸汽的分壓有關(guān)。 kg濕份蒸汽/kg絕干氣體相對濕

12、度（Relative humidity）一定的系統(tǒng)總壓和溫度下，氣體中濕份蒸汽的分壓 p 與系統(tǒng)溫度下濕份的飽和蒸汽壓 ps 之比。 值越低，氣體越偏離飽和，吸濕潛力越大； =100% 時，p=ps，氣體被濕份蒸汽所飽和，不能再吸濕。對于空氣-水系統(tǒng)：濕比容H 或干基濕比容 (m3/kg絕干氣體)1kg 絕干氣體及所含濕份蒸汽所具有的體積常壓下(P=1013.25kN/m2) ：濕氣體的密度濕比熱cH 或干基濕比熱J/(kg絕干氣體 )1kg 絕干氣體及所含濕份蒸汽溫度升高1所需要的熱量式中：cg 絕干氣體的比熱，J/(kg絕干氣體)； cv 濕份蒸汽的比熱，J/(kg濕份蒸汽) 。對于空氣-

13、水系統(tǒng)：cg=1.005 kJ/(kg)，cv=1.884 kJ/(kg) 濕焓iH (Total enthalpy) 或干基濕焓 (kJ/kg絕干氣體)1kg 絕干氣體及所含濕份蒸汽所具有焓的總和焓是相對值，計(jì)算時須規(guī)定基準(zhǔn)狀態(tài)和基準(zhǔn)溫度，若取0下的絕干氣體和液態(tài)濕份的焓為零對于空氣-水系統(tǒng)：顯熱項(xiàng)汽化潛熱項(xiàng)露點(diǎn)溫度干燥系統(tǒng)中氣體的極限溫度對于空氣-水系統(tǒng)當(dāng)氣體的 P、H 不變，則濕分分壓 p 不變。 ps = p, ts=td各溫度間的關(guān)系不飽和空氣：t tas (tw) td 飽和空氣：t = tas (tw) = td 物料濕分的表示方法濕物料是絕干固體與液態(tài)濕分的混合物。濕基濕含量

14、w：干基濕含量 X：換算關(guān)系： 結(jié)合水分：與物料存在某種形式的結(jié)合，汽化能力比獨(dú)立存在的水低，蒸汽壓或汽化能力與水分和物料結(jié)合力的強(qiáng)弱有關(guān)。結(jié)合水分與非結(jié)合水分 非結(jié)合水分：與物料沒有任何形式的結(jié)合，具有和獨(dú)立存在的水相同的蒸汽壓和汽化能力。濕含量 XXh相對濕度 非結(jié)合水分結(jié)合水分01.00.5結(jié)合水分按結(jié)合方式可分為：吸附水分、毛細(xì)管水分、溶漲水分(物料細(xì)胞壁內(nèi)的水分)和化學(xué)結(jié)合水分(結(jié)晶水)。平衡水分和自由水分 平衡水分：低于平衡濕含量 X* 的水分。是不可除水分。自由水分：高于平衡濕含量 X* 的水分。是可除水分。濕含量 XXh相對濕度 非結(jié)合水分結(jié)合水分自由水分平衡水分X*01.00

15、.5干燥速率的定義干燥速率 ：干燥器單位時間內(nèi)在物料單位表面積上汽化的濕分量（kg濕分/(m2s)）。微分形式為式中：N 干燥器的干燥速度，kg/(m2s)； A 物料表面積，即干燥面積，m2。 以臨界濕含量 Xc 為界，干燥過程分為恒速干燥和降速干燥段。干燥速率曲線：干燥速率 U 或干燥速度 N 與濕含量 X 的關(guān)系曲線。干燥過程的特征在干燥速率曲線上更為直觀。干燥速率曲線ABCD干燥速率 U 或 NABCD物料溫度twXcX*濕含量 XIIIC物料衡算（Mass balance）G1 濕物料進(jìn)口的質(zhì)量流率，kg/s；G2 產(chǎn)品出口的質(zhì)量流率，kg/s； Gc 絕干物料的質(zhì)量流率，kg/s；

16、 w1 物料的初始濕含量； w2 產(chǎn)品濕含量； L 絕干氣體的質(zhì)量流率，kg/s； H1 氣體進(jìn)干燥器時的濕度； H2 氣體離開干燥器時的濕度； W 單位時間內(nèi)汽化的水分量，kg/s。 濕物料G1 , w1干燥產(chǎn)品G2 , w2熱空氣L , H1濕廢氣體L , H2絕干氣體消耗量絕干氣體比消耗熱量衡算（Heat balance）Qp 預(yù)熱器向氣體提供的熱量，kW；Qd 向干燥器補(bǔ)充的熱量，kW；Ql 干燥器的散熱損失，kW。 濕物料G1 , w1 , 1, cm1干燥產(chǎn)品G2 , w2 , 2, cm2熱氣體L, H1, t1, i1濕廢氣體L, H2, t2, i2濕氣體L, H0, t0, i0QpQdQl預(yù)熱器干燥器整個干燥系統(tǒng)的熱量衡算 干燥器干燥器的熱量衡算 熱氣體在干燥器中冷