化工原理基本概念和原理

1、化工原理基本概念和原理蒸餾-基本概念和基本原理利用各組分揮發(fā)度不同將液體混合物部分汽化而使混合物得到分離的單元操作稱(chēng)為蒸餾。這種分離操作是通過(guò)液相和氣相之間的質(zhì)量傳遞過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于均相物系，必須造成一個(gè)兩相物系才能將均相混合物分離。蒸餾操作采用改變狀態(tài)參數(shù)的辦法（如加熱和冷卻）使混合物系內(nèi)部產(chǎn)生出第二個(gè)物相（氣相）;吸收操作中則采用從外界引入另一相物質(zhì)（吸收劑）的辦法形成兩相系統(tǒng)。一、兩組分溶液的氣液平衡1拉烏爾定律理想溶液的氣液平衡關(guān)系遵循拉烏爾定律：p=p0Xp=p0X=p0（1x）AAABBBBA根據(jù)道爾頓分壓定律：p=Py而P=p+pAAAB則兩組分理想物系的氣液相平衡關(guān)系：x=（

2、Pp0）/（p0一p0）泡點(diǎn)方程ABABy=pox/P露點(diǎn)方程AAA對(duì)于任一理想溶液，利用一定溫度下純組分飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)可求得平衡的氣液相組成；反之，已知一相組成，可求得與之平衡的另一相組成和溫度（試差法）。2用相對(duì)揮發(fā)度表示氣液平衡關(guān)系溶液中各組分的揮發(fā)度V可用它在蒸汽中的分壓和與之平衡的液相中的摩爾分率來(lái)表示，即v=p/xv=p/xAAABBB溶液中易揮發(fā)組分的揮發(fā)度對(duì)難揮發(fā)組分的揮發(fā)度之比為相對(duì)揮發(fā)度。其表達(dá)式有：a二v/v二（p/x）/（p/x）二yx/yxABAABBABBA對(duì)于理想溶液：a=po/poAB氣液平衡方程：y=ax/1+（a1）xA值的大小可用來(lái)判斷蒸餾分離的難易程度。

3、a愈大,揮發(fā)度差異愈大，分離愈易；a=l時(shí)不能用普通精餾方法分離。3氣液平衡相圖（1）溫度一組成（t-x-y）圖該圖由飽和蒸汽線（露點(diǎn)線）、飽和液體線（泡點(diǎn)線）組成，飽和液體線以下區(qū)域?yàn)橐合鄥^(qū)，飽和蒸汽線上方區(qū)域?yàn)檫^(guò)熱蒸汽區(qū)，兩曲線之間區(qū)域?yàn)闅庖汗泊鎱^(qū)。氣液兩相呈平衡狀態(tài)時(shí),氣液兩相溫度相同,但氣相組成大于液相組成;若氣液兩相組成相同，則氣相露點(diǎn)溫度大于液相泡點(diǎn)溫度。2)x-y圖x-y圖表示液相組成x與之平衡的氣相組成y之間的關(guān)系曲線圖，平衡線位于對(duì)角線的上方。平衡線偏離對(duì)角線愈遠(yuǎn)，表示該溶液愈易分離?？倝簩?duì)平衡曲線影響不大。二、精餾原理精餾過(guò)程是利用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理進(jìn)行的，精

4、餾操作的依據(jù)是混合物中各組分揮發(fā)度的差異，實(shí)現(xiàn)精餾操作的必要條件包括塔頂液相回流和塔底產(chǎn)生上升蒸汽。精餾塔中各級(jí)易揮發(fā)組分濃度由上至下逐級(jí)降低；精餾塔的塔頂溫度總是低于塔底溫度，原因之一是：塔頂易揮發(fā)組分濃度高于塔底，相應(yīng)沸點(diǎn)較低;原因之二是：存在壓降使塔底壓力高于塔頂，塔底沸點(diǎn)較高。當(dāng)塔板中離開(kāi)的氣相與液相之間達(dá)到相平衡時(shí)，該塔板稱(chēng)為理論板。精餾過(guò)程中，再沸器的作用是提供一定量的上升蒸汽流,冷凝器的作用是提供塔頂液相產(chǎn)品及保證由適宜的液相回流。三、兩組分連續(xù)精餾的計(jì)算1全塔物料衡算總物料衡算：F=D+W易揮發(fā)組分：Fx=Dx+WxFDW塔頂易揮發(fā)組分回收率：n=(Dx/Fx)xlOO%DDF

5、塔底難揮發(fā)組分回收率：n=W(l-x)/F(l-x)xl00%WWF2精餾段物料衡算和操作線方程總物料衡算：V=L+D易揮發(fā)組分：Vy=Lx+Dxn+1nD操作線方程：y=（L/V）x+（D/V）x=R/（R+1）x+1/（R+1）xn+1nDnD其中：R=L/D回流比上式表示在一定操作條件下，精餾段內(nèi)自任意第n層板下降的液相組成x與其相鄰的下一層板（第n+1層板）上升蒸汽相組成y之間的關(guān)系。在xy坐標(biāo)上為直n+i線，斜率為R/R+1,截距為x/R+1。D3提餾段物料衡算和操作線方程總物料衡算：L=V+W易揮發(fā)組分：Lx=Vy+Wxmm+1W操作線方程：y二(L/V)x(W/V)xm+1mW上

6、式表示在一定操作條件下，提餾段內(nèi)自任意第m層板下降的液相組成x與其相鄰的下一層板（第m+1層板）上升蒸汽相組成y之間的關(guān)系。L除與L有關(guān)外，m+1還受進(jìn)料量和進(jìn)料熱狀況的影響。四、進(jìn)料熱狀況參數(shù)實(shí)際操作中，加入精餾塔的原料液可能有五種熱狀況：（1）溫度低于泡點(diǎn)的冷液體；（2）泡點(diǎn)下的飽和液體；（3）溫度介于泡點(diǎn)和露點(diǎn)的氣液混合物；（4）露點(diǎn)下的飽和蒸汽；（5）溫度高于露點(diǎn)的過(guò)熱蒸汽。不同進(jìn)料熱狀況下的q值進(jìn)料熱狀況冷液體飽和液體氣液混合物飽和蒸汽過(guò)熱蒸汽q值110100對(duì)于飽和液體、氣液混合物和飽和蒸汽進(jìn)料而言，q值等于進(jìn)料中的液相分率。L=L+qFV二V（ql）Fq線方程（進(jìn)料方程）為：y二

7、q/（ql）xx/（q1）上式表示兩操作線交點(diǎn)的軌跡方程。塔底再沸器相當(dāng)于一層理論板（氣液兩相平衡），塔頂采用分凝器時(shí)，分凝器相當(dāng)于一層理論板。由于冷液進(jìn)料時(shí)提餾段內(nèi)循環(huán)量增大，分離程度提高，冷液進(jìn)料較氣液混合物進(jìn)料所需理論板數(shù)為少。五、回流比及其選擇1）全回流r二L/D=8，操作線與對(duì)角線重合，操作線方程y二X,達(dá)到給定分離程度所需理nn-1論板層數(shù)最少為N。min（2）最小回流比當(dāng)回流比逐漸減小時(shí)，精餾段操作線截距隨之逐漸增大，兩操作線位置將向平衡線靠近，為達(dá)到相同分離程度所需理論板層數(shù)亦逐漸增多。達(dá)到恒濃區(qū)（夾緊區(qū)）回流比最小，所需理論板無(wú)窮多。正常平衡線R=（Xy）/（yX）minDq

8、qq飽和液體進(jìn)料時(shí)：X=xqF飽和蒸汽進(jìn)料時(shí)：y二yqF不正常平衡線由a（X，y）或c（X，y）點(diǎn)向平衡線作切線，由切線斜率或截距求R。DDWWmin（3）適宜回流比R=（1.12）Rmin精餾設(shè)計(jì)中，當(dāng)回流比增大時(shí)所需理論板數(shù)減少，同時(shí)蒸餾釜中所需加熱蒸汽消耗量增加，塔頂冷凝器中冷卻介質(zhì)消耗量增加，操作費(fèi)用相應(yīng)增加，所需塔徑增大精餾操作時(shí)，若F、D、x、q、R、加料板位置都不變，將塔頂泡點(diǎn)回流改為冷回F流，則塔頂產(chǎn)品組成X變大。D精餾設(shè)計(jì)中，回流比愈大，操作能耗愈大，隨著回流比逐漸增大，操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)的總和將呈現(xiàn)先減小后增大的過(guò)程。六、板效率和實(shí)際塔板數(shù)1單板效率（默弗里效率）E=（yy）/

9、（y*y）mVnn+1nn+1E=（XX）/（XX*）mLn-1nn-1n2全塔效率E=（N/N）X100%TP精餾塔中第nT,n,n+1塊理論板，yy，tx。n+1nn-1nnn-1精餾塔中第n-1,n,n+1塊實(shí)際板，x*y。nnnn如板式塔設(shè)計(jì)不合理或操作不當(dāng)，可能產(chǎn)生液泛、漏液、及霧沫夾帶等不正常現(xiàn)象，使塔無(wú)法正常工作。負(fù)荷性能圖有五條線，分別是霧沫夾帶、液泛、漏液、液相負(fù)荷上限和液相負(fù)荷下限。吸收基本概念和基本原理利用各組分溶解度不同而分離氣體混合物的單元操作稱(chēng)為吸收。混合氣體中能夠溶解的組分稱(chēng)為吸收質(zhì)或溶質(zhì)（A）；不被吸收的組分稱(chēng)為惰性組分或載體（B）；吸收操作所用的溶劑稱(chēng)為吸收劑

10、（S）；吸收所得溶液為吸收液（S+A）；吸收塔排出的氣體為吸收尾氣。當(dāng)氣相中溶質(zhì)的的實(shí)際分壓高于與液相成平衡的溶質(zhì)分壓時(shí)，溶質(zhì)從氣相向液相轉(zhuǎn)移，發(fā)生吸收過(guò)程；反之當(dāng)氣相中溶質(zhì)的的實(shí)際分壓低于與液相成平衡的溶質(zhì)分壓時(shí)，溶質(zhì)從液相向氣相轉(zhuǎn)移，發(fā)生脫吸（解吸）過(guò)程。一、氣-液相平衡-傳質(zhì)方向與傳質(zhì)極限平衡狀態(tài)下氣相中溶質(zhì)分壓稱(chēng)為平衡分壓或飽和分壓，液相中的溶質(zhì)濃度稱(chēng)為平衡濃度或飽和濃度溶解度。對(duì)于同一種溶質(zhì)，溶解度隨溫度的升高而減小，加壓和降溫對(duì)吸收操作有利，升溫和減壓有利于脫吸操作。亨利定律：P*=ExE為亨利系數(shù)，單位為壓強(qiáng)單位，隨溫度升高而增大，難溶氣體（稀溶液）E很大，易溶氣體E很小。對(duì)理想

11、溶液E為吸收質(zhì)的飽和蒸氣壓。p*=c/HH為溶解度系數(shù)，單位：kmol/（kNm），H=P/（EM），隨溫度升高s而減小，難溶氣體H很小，易溶氣體H很大。y*二mx-m相平衡常數(shù)，無(wú)因次，m二E/P,m值愈大，氣體溶解度愈??；m隨溫度升高而增加，隨壓力增加而減小。Y*=mX當(dāng)溶液濃度很低時(shí)大多采用該式計(jì)算。X=x/(l-x);Y=y/(1-y);x,y摩爾分率，X,Y摩爾比濃度二、傳質(zhì)理論傳質(zhì)速率分子擴(kuò)散憑借流體分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。推動(dòng)力為濃度差，由菲克定律描述：J二-D(dC)/(dz)J-擴(kuò)散通量，kmol/(m2s)D-AABAAAB擴(kuò)散系數(shù)渦流擴(kuò)散-憑借流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦

12、傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。等分子反向擴(kuò)散傳質(zhì)速率：氣相內(nèi)NA=D(p-p)/RTzA1A2液相內(nèi)N=D(c-c)/zAA1A2單相擴(kuò)散傳質(zhì)速率：氣相內(nèi)N=J+Nc/C=D(p-p)/AAAAAiRTz(P/p)=k(p-p)BmGAAi液相內(nèi)NA=D(c-c)/z(C/c)二k(c-c)AiASmLAiA其中P/p1為漂流因數(shù)，反映總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響。BmPBm=(PB2-PB1)/ln(PB2/PB1)一般而言，雙組分等分子反向擴(kuò)散體現(xiàn)在精餾單元操作中,而一組分通過(guò)另一組分的單相擴(kuò)散體現(xiàn)在吸收單元操作中。氣相中，溫度升高物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)增大,壓強(qiáng)升高則擴(kuò)散系數(shù)降低;液相中粘度增加擴(kuò)散系數(shù)降低。在傳

13、質(zhì)理論中有代表性的三個(gè)模型分別為雙膜理論、溶質(zhì)滲透理論和表面更新理論。傳質(zhì)速率方程傳質(zhì)速率二傳質(zhì)推動(dòng)力/傳質(zhì)阻力N=k(p-p)=k(c-c)=k(yy)=k(xx)GiLiyixiN=K(p-p*)=K(c*-c)=K(YY*)=K(X*-X)GLYX注意傳質(zhì)系數(shù)與推動(dòng)力相對(duì)應(yīng)，即傳質(zhì)系數(shù)與推動(dòng)力的范圍一致,傳質(zhì)系數(shù)的單位與推動(dòng)力的單位一致。吸收系數(shù)之間的關(guān)系：1/K=1/k+1/Hk1/K=1/k+H/k1/K=1/k+m/k1/K=1/k+1/mkGGLLLGYyxXxyk=Pkk=CkKPKKCKyGxLYGXL氣膜控制與液膜控制的概念對(duì)于易溶氣體，H很大，傳質(zhì)阻力絕大部分存在于氣膜之

14、中，液膜阻力可以忽略,此時(shí)Kk，這種情況稱(chēng)為“氣膜控制”反之，對(duì)于難溶氣體，H很小，傳質(zhì)阻力GG絕大部分存在于液膜之中，氣膜阻力可以忽略，此時(shí)Kk，這種情況稱(chēng)為“液膜LL控制”。物料衡算-操作線方程與液氣比全塔物料衡算：V(Y-Y)二L(X-X)1212逆流操作吸收操作線方程：Y=LX/V+(Y-LX/V)111-塔底，2-塔頂吸收操作時(shí)塔內(nèi)任一截面上溶質(zhì)在氣相中的實(shí)際分壓總是高于與其接觸的液相平衡分壓，所以吸收操作線總是位于平衡線的上方。最小液氣比：L/V)=(Y-Y)/(X*-X)min1212液氣比即操作線的斜率若平衡關(guān)系符合亨利定律，則L/V)增加液氣比提高壓力增加傳質(zhì)推動(dòng)力提高吸收效率的途徑減小傳質(zhì)阻力|采用新型填料改變操作條件增加吸收劑用量，操作線斜率增大，操作線向遠(yuǎn)離平衡線的方向偏移，吸收過(guò)程推動(dòng)力增大，設(shè)備費(fèi)用減少。四、填料層高度計(jì)算氣液相平衡、傳質(zhì)速率和物料衡算相結(jié)合取微元物料衡算求得填料層高度。填料層高度二傳質(zhì)單元高度X傳質(zhì)單元數(shù)即z=HXN=HXN=HXN=HXNOGOGOLOLGGLLN氣相總傳質(zhì)單元數(shù)(氣體流經(jīng)一段填料后其組成變化等于該段填料的總OG的平均推動(dòng)力則為一個(gè)傳質(zhì)單元)H氣相總傳質(zhì)單元高度(一個(gè)傳質(zhì)單元所對(duì)應(yīng)的填料高度)OG1平均推動(dòng)力法(適合平衡線為直線)：z=HXN=(V/KaQ)(YY)/AY=(L/KaQ)