吸收與蒸餾完整版資料課件

第章吸收與蒸餾第章吸收與蒸餾1本章學(xué)習(xí)的目的與要求了解擴(kuò)散系數(shù)的影響因素；掌握穩(wěn)定分子擴(kuò)散的基本計(jì)算與應(yīng)用；掌握等溫條件下低濃度逆流吸收塔的計(jì)算與應(yīng)用；掌握兩組份連續(xù)精餾塔的計(jì)算；掌握逐板計(jì)算法及圖解法求解理論板數(shù)的方法。本章學(xué)習(xí)的目的與要求了解擴(kuò)散系數(shù)的影響因素；掌握穩(wěn)定分子擴(kuò)散27-1傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)混合物組成的表示方法名稱符號(hào)定義單位質(zhì)量濃度ρAmA/Vkg/m3物質(zhì)量濃度cAnA/Vkmol/m3質(zhì)量分率αAmA/(mA+mB)無(wú)因次摩爾分率

氣—yA、液—xAnA/(nA+nB)無(wú)因次摩爾比

氣—YA、液—XAnA/nB無(wú)因次7-1傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)混合物組成的表示方法名稱符號(hào)定義單位質(zhì)量濃3請(qǐng)參考例7-1請(qǐng)參考例7-14非均相物系的分離：利用多相物質(zhì)在物理性質(zhì)上的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)均相物系的分離：造成一個(gè)兩相物系利用各組分在兩相中性質(zhì)的差異，使其中某組分或某一些組分從一相向另一相轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)分離目的。傳質(zhì)過(guò)程：吸收、蒸餾、萃取、吸附、膜分離、干燥

在含有兩個(gè)或兩個(gè)以上組分的混合體系中，如果存在濃度梯度，某一組分（或某些組分）將有自高濃度區(qū)向地濃度區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，該移動(dòng)過(guò)程稱為傳質(zhì)過(guò)程。

分離過(guò)程包括機(jī)械分離和傳質(zhì)分離。機(jī)械分離：壓榨、過(guò)濾、沉降等非均相物系的分離：利用多相物質(zhì)在物理性質(zhì)上的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)均相物5界面氣相主體組分組分液相主體1）擴(kuò)散物質(zhì)從一相的主體擴(kuò)散到兩相界面（單相中的擴(kuò)散）；2）在界面上的擴(kuò)散物質(zhì)從一相進(jìn)入另一相（相際間傳質(zhì)）；3）進(jìn)入另一相的擴(kuò)散物質(zhì)從界面向該相的主體擴(kuò)散（單相中的擴(kuò)散）；物質(zhì)傳遞的三個(gè)步驟：傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)界面氣相主體組分組分液相主體1）擴(kuò)散物質(zhì)從一相的主體擴(kuò)散到6

物質(zhì)在單相中的傳遞靠擴(kuò)散，發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散兩種。分子擴(kuò)散：依靠分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，主要發(fā)生在靜止或?qū)恿髁黧w中。

渦流擴(kuò)散：依靠流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦而傳遞物質(zhì)，主要發(fā)生在湍流流體中。

物質(zhì)在單相中的擴(kuò)散物質(zhì)在單相中的傳遞靠擴(kuò)散，發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有分子7ABABABAB分子擴(kuò)散：在一相內(nèi)部存在濃度差（或濃度梯度）的情況下，由于分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。分子擴(kuò)散是物質(zhì)分子微觀運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。擴(kuò)散通量(J)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位面積上擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量，其單位為mol/(m2·s)。（1）分子擴(kuò)散與菲克Fick定律ABABABAB分子擴(kuò)散8式中

JA——物質(zhì)A在z方向上的分子擴(kuò)散通量，kmol/(m2s)

dCA/dz——物質(zhì)A的濃度梯度，kmol/m4

DAB——物質(zhì)A在A、B混合物中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

負(fù)號(hào)——表示擴(kuò)散是沿著物質(zhì)A濃度降低的方向進(jìn)行的。

當(dāng)物質(zhì)A在介質(zhì)B中發(fā)生擴(kuò)散時(shí)，任一點(diǎn)處物質(zhì)A的擴(kuò)散通量與該位置上A的濃度梯度成正比，即：菲克（Fick）定律同理：式中JA——物質(zhì)A在z方向上的分子擴(kuò)散通量，kmol9對(duì)氣體常用分壓梯度表示：式中

pA——物質(zhì)A組分分壓，Pa

T——?dú)怏w溫度，K

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314J/（kmol·K）

負(fù)號(hào)——表示擴(kuò)散是沿著物質(zhì)A濃度降低的方向進(jìn)行的。對(duì)氣體常用分壓梯度表示：式中pA——物質(zhì)A組分分壓，10假定：pA1>pA2

pB1<pB2

pA1+pB1=pA2+pB2=P

在總壓相同的情況下，聯(lián)通管內(nèi)任一截面上單位時(shí)間單位面積上向右傳遞的A分子的數(shù)量與向左傳遞的B分子的數(shù)量必定相等，此現(xiàn)象稱為等摩爾逆向擴(kuò)散。

（2）等摩爾逆向擴(kuò)散（等分子反向擴(kuò)散）PA1PA2PB1PB2PP假定：pA1>pA2在總壓相同11

在任一固定的空間位置垂直于擴(kuò)散方向的截面上，單位時(shí)間通過(guò)單位面積的A物質(zhì)的量，稱為A的傳遞速率，以NA表示。對(duì)于等分子反向擴(kuò)散

JA=-JB

對(duì)于單純的等摩爾逆向擴(kuò)散，物質(zhì)A的傳遞速率應(yīng)等于A的擴(kuò)散通量。注意：在上述條件下，擴(kuò)散為穩(wěn)定過(guò)程，NA為常數(shù)；

pA—z呈線性關(guān)系。在任一固定的空間位置垂直于擴(kuò)散方向的截面上，單12上式分離變量并積分，積分條件為：z1=0，pA=pA1；z2=z，pA=pA2

PpA1pB1z1P

pB2

pA2z2上式分離變量并積分，Pz1Pz213

在氣體吸收中溶質(zhì)A溶解于溶劑中，惰性氣體B不溶解于溶劑中，則液相中不存在組分B，此過(guò)程為組分A通過(guò)另一“靜止”組分B的單向擴(kuò)散。

整體移動(dòng)→NM（3）單向擴(kuò)散

p總壓p界面pB2氣相主體

液相NBM

NAMJBJA0pA2pB1pA1zNM=NAM+NBM在氣體吸收中溶質(zhì)A溶解于溶劑中，惰性氣體B不溶解14整體移動(dòng)中A和B的傳遞速率與各自在混合氣體中的分壓成正比。式中

NAM、NBM——分別為總體流動(dòng)中組分A和B的傳遞速率，mol/m2spA、pB——分別為組分A和B在氣相主體中的分壓，Pa

整體移動(dòng)中A和B的傳遞速率與各自在混合氣體中的分壓成正比。式15

組分A從氣相主體到界面的傳遞速率為分子A擴(kuò)散通量與總體流動(dòng)中組分A的傳遞速率之和，即JA=-JB

組分B因不溶于吸收劑而在氣相主體與相界面間作等量來(lái)回運(yùn)動(dòng)，其凈傳質(zhì)速率應(yīng)為零，即（2）（1）組分A從氣相主體到界面的傳遞速率為分子A擴(kuò)散通量與16將上式分離變量并積分綜合（1）、（2）兩式：將上式分離變量并積分綜合（1）、（2）兩式：17對(duì)公式進(jìn)行變換

令pA1-pA2=pB2-pB1P=pA1+pB1=pA2+pB2對(duì)公式進(jìn)行變換令pA1-pA2=pB2-pB1P=pA1+18等分子反向擴(kuò)散

比較上兩式可以發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)蜗驍U(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)速率比等分子反向擴(kuò)散時(shí)多了一個(gè)因子（P/pBM），稱為“漂流因子”。顯然P/pBM>1，漂流因子的大小直接反映了整體移動(dòng)在傳質(zhì)中所占分量的大小，即漂流因子體現(xiàn)了整體移動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響。

單向擴(kuò)散的傳質(zhì)速率等分子反向擴(kuò)散比較上兩式可以發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)蜗驍U(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)速19在液相中以單向擴(kuò)散多見，仿氣相中的擴(kuò)散速率關(guān)系，則有

連續(xù)等價(jià)離子交換和理想溶液精餾時(shí)的擴(kuò)散過(guò)程屬于等分子反向擴(kuò)散模型，連續(xù)結(jié)晶、吸附、浸提、吸收等擴(kuò)散過(guò)程屬于單向擴(kuò)散模型。式中N?A——溶質(zhì)A在液相中的傳遞速率，kmol/m2sD?——溶質(zhì)A在溶劑中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/sC——溶液的總濃度，C=CA+CS，kmol/m3

CBm——擴(kuò)散初、終截面上溶劑S的對(duì)數(shù)平均濃度，kmol/m3液相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散在液相中以單向擴(kuò)散多見，仿氣相中的擴(kuò)散速率關(guān)系，則有20分子擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的特征系數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能力；擴(kuò)散系數(shù)取決于對(duì)于氣體中的擴(kuò)散，濃度的影響可以忽略；對(duì)于液體中的擴(kuò)散，濃度的影響不可以忽略，而壓強(qiáng)的影響不顯著。

物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，或查有關(guān)資料，或借助于經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。分子擴(kuò)散系數(shù)介質(zhì)的種類、溫度、濃度及壓強(qiáng)。分子擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的特征系數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能力21吸收與蒸餾完整版資料課件22式中

D0——溫度T0，

壓強(qiáng)p0下的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

P——總壓強(qiáng)，kPa；

氣相中的擴(kuò)散系數(shù)液相中的擴(kuò)散系數(shù)(非電解質(zhì))式中

D0——溫度T0，

粘度μ0下的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

式中D0——溫度T0，壓強(qiáng)p0下的擴(kuò)散系數(shù)，m223例題有一10cm高的燒杯內(nèi)裝滿乙醇，問(wèn)在1atm及25℃的室溫下全部蒸干約需多少天?假設(shè)量筒口上方空氣中乙醇蒸氣分壓為0。若室溫升高至35℃，問(wèn)全部蒸干約需多少天?已知25℃和35℃下乙醇的飽和蒸氣壓分別為8.0kPa和13.3kPa。

分析：此題屬非穩(wěn)定單向擴(kuò)散問(wèn)題.解決非穩(wěn)定問(wèn)題是在對(duì)擴(kuò)散至某一時(shí)刻τ(液面將高度Z處)的瞬間，利用單向擴(kuò)散傳質(zhì)速率方程，然后利用質(zhì)量衡算建立微分式，最后劃定邊界條件積分得所需時(shí)間τ.

例題有一10cm高的燒杯內(nèi)裝滿乙醇，問(wèn)在1atm及25℃的室24

物質(zhì)在湍流的流體中傳質(zhì)，主要憑藉湍流流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦引起流體各部分之間的劇烈混合，在有濃度差存在的條件下，物質(zhì)朝著濃度降低的方向進(jìn)行傳遞，這種現(xiàn)象稱為渦流擴(kuò)散（eddydiffusion）。

渦流擴(kuò)散

對(duì)流傳質(zhì)是指發(fā)生在運(yùn)動(dòng)著的流體與相截面之間的傳質(zhì)過(guò)程。在實(shí)際生產(chǎn)中，傳質(zhì)操作多發(fā)生在流體湍流的情況下，此時(shí)的對(duì)流傳質(zhì)是湍流主體與相界面之間的渦流擴(kuò)散與分子擴(kuò)散兩種傳質(zhì)作用的總和。二相際間的傳質(zhì)(對(duì)流傳質(zhì))（1）對(duì)流傳質(zhì)物質(zhì)在湍流的流體中傳質(zhì)，主要憑藉湍流流體質(zhì)點(diǎn)的湍25

在湍流流體中同時(shí)存在渦流擴(kuò)散

和分子擴(kuò)散（渦流擴(kuò)散占主導(dǎo)地位

），其總擴(kuò)散通量為式中

D——分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

DE——渦流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

dCA/dZ——沿z方向的濃度梯度，kmol/m4；

J——總擴(kuò)散通量kmol/(m2?s)注：渦流擴(kuò)散系數(shù)DE不是物性常數(shù)，它與湍動(dòng)有關(guān)，且隨位置而不同。由于其難以測(cè)定，常將分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散結(jié)合在一起考慮。在湍流流體中同時(shí)存在渦流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散（渦流擴(kuò)26以吸收為例：吸收劑沿壁面自上而下流動(dòng)，混合氣體自下而上流過(guò)液體表面?？疾旆€(wěn)定操作狀況下吸收塔設(shè)備任一截面m-n處相界面的氣相一側(cè)溶質(zhì)A濃度分布情況。單相內(nèi)對(duì)流擴(kuò)散的有效膜模型以吸收為例：吸收劑沿壁面自上而下流動(dòng)，混合氣體自下而上流過(guò)液27

流體主體與相界面之間存在三個(gè)流動(dòng)區(qū)域，即湍流主體、過(guò)渡層和滯流層。過(guò)渡層

同時(shí)存在分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散，分壓梯度逐漸變小，曲線逐漸平緩。層流層

溶質(zhì)的傳遞主要依靠分子擴(kuò)散作用，由于D值較小，在該區(qū)域內(nèi)分壓梯度較大，曲線陡峭。湍流主體

主要依靠渦流擴(kuò)散，大量旋渦引起的混合作用使得氣相主體內(nèi)溶質(zhì)的分壓趨于一致，分壓線為直線。流動(dòng)區(qū)域流體主體與相界面之間存在三個(gè)流動(dòng)區(qū)域，即湍流主28相界面氣相主體

停滯膜模型

延長(zhǎng)層流內(nèi)層的分壓線和氣相主體

的分壓線交于H點(diǎn)，此點(diǎn)與相界面的距離為δG’

，

在δG’以內(nèi)的流動(dòng)為層流，其物質(zhì)傳遞純屬分子擴(kuò)散，此虛擬的膜層稱為有效滯流膜。

相界面氣相主體停滯膜模型延長(zhǎng)層流內(nèi)層29

由氣相主體至相界面的對(duì)流傳質(zhì)速率為（按有效滯流膜層內(nèi)的分子擴(kuò)散速率計(jì)算）式中

NA——溶質(zhì)A的對(duì)流傳質(zhì)速率，kmol/(m2s)；

δG’——?dú)庀嘤行髂雍穸?m；

kG——?dú)饽の障禂?shù)；

pA——?dú)庀嘀黧w中溶質(zhì)A的分壓,kPa；

pAi——相界面處溶質(zhì)A的分壓,kPa；

pBM——惰性組分B在氣相主體中與相界面處的分壓的對(duì)數(shù)平均

值,kPa；

由氣相主體至相界面的對(duì)流傳質(zhì)速率為（按有效滯流30在液相中的傳質(zhì)速率為式中

zL——液相有效滯流膜層厚度，m；

C——液相主體中的溶質(zhì)A濃度，kmol/m3；

ci——相界面處的溶質(zhì)A濃度，

kmol/m3；

cSm——溶劑S在液相主題與相界面處的濃度的對(duì)數(shù)均

值，

kmol/m3；

kL——液膜吸收系數(shù)或液膜傳質(zhì)系數(shù)在液相中的傳質(zhì)速率為式中zL——液相有效滯流膜層厚度，m31當(dāng)氣液兩相接觸時(shí)，兩相之間有一個(gè)相界面，在相界面兩側(cè)分別存在著呈層流流動(dòng)的穩(wěn)定膜層（有效層流膜層）。溶質(zhì)必須以分子擴(kuò)散的形式連續(xù)的通過(guò)這兩個(gè)膜層，膜層的厚度主要隨流速而變，流速愈大厚度愈小。在相界面上氣液兩相相互成平衡。在膜層以外的主體內(nèi)，由于流體的充分湍動(dòng)，溶質(zhì)的濃度分布均勻，可認(rèn)為兩相主體中的濃度梯度為零，即濃度梯度全部集中在兩個(gè)有效膜層中。

用雙膜理論解釋具有固定相界面的系統(tǒng)及速度不高的兩流體間的傳質(zhì)過(guò)程（如濕壁塔），與實(shí)際情況是大致相符合的。（2）雙膜理論當(dāng)氣液兩相接觸時(shí)，兩相之間有一個(gè)相界面，在相界面兩側(cè)分別存在32pAcA

pA,i

cA,i氣膜液膜相界面氣相主體液相主體傳質(zhì)方向圖

雙膜理論示意圖溶質(zhì)A在氣相中的分壓溶質(zhì)A在液相中的摩爾濃度pAcApA,icA,i氣膜液膜相界面氣相主體液相主體傳33傳質(zhì)設(shè)備簡(jiǎn)介

填料塔板式塔降液管填料層氣體液體氣體液體塔板氣體液體氣體液體傳質(zhì)設(shè)備簡(jiǎn)介填料塔板式塔降液管填料層氣體液體氣體液體塔板氣34傳質(zhì)設(shè)備簡(jiǎn)介傳質(zhì)設(shè)備簡(jiǎn)介35吸收與蒸餾完整版資料課件36吸收與蒸餾完整版資料課件37板式塔板式塔38

1定義7-2吸收與解吸吸收(absorption)是依據(jù)不同組分在溶劑中溶解度不同，讓混合氣體與適當(dāng)?shù)囊后w溶劑相接觸，使氣體中的一個(gè)或幾個(gè)組分溶解于溶劑中形成溶液，難以溶解的組分保留在氣相中,從而達(dá)到混合氣體初步分離的操作。所用液體稱為吸收劑(或溶劑)。、氣體中能被溶解的組分稱為溶質(zhì)或吸收質(zhì)。不被溶解的組分稱為惰性氣體或載體。

在食品工業(yè)生產(chǎn)中，有時(shí)需要將吸收得到的溶質(zhì)氣體從液體中取出來(lái)。1定義7-2吸收與解吸吸收(absorptio39煙道氣二氧化碳的氣體吸收工藝流程示意圖

解吸氣廢氣稀溶液冷卻水進(jìn)預(yù)熱后的飽和溶液

凈化CO2

煙道氣6

5

3

41

2

1-吸收塔

2-泵

3-換熱器

4-冷卻器

5-解吸塔

6-冷凝器

煙道氣二氧化碳的氣體吸收工藝流程示意圖解吸氣廢氣40吸收操作的類型(1)按吸收過(guò)程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分類：物理吸收、化學(xué)吸收(2)按吸收過(guò)程中體系的溫度變化分類：等溫吸收、非等溫吸收(3)按被吸收組分的數(shù)目分類：?jiǎn)谓M分吸收、多組分吸收本節(jié)主要討論低濃度氣體混合物的單組分等溫物理吸收。吸收的目的？吸收操作的類型(1)按吸收過(guò)程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分類：物理吸412氣—液相平衡關(guān)系吸收過(guò)程進(jìn)行的方向與限度取決于溶質(zhì)在氣液兩相中的平衡關(guān)系。相平衡：也稱相際動(dòng)平衡，即任何瞬間內(nèi)進(jìn)入液相的溶質(zhì)分子數(shù)與從液相逸出的溶質(zhì)分子數(shù)恰好相抵。在宏觀過(guò)程就像停止了傳質(zhì)過(guò)程。平衡狀態(tài)下氣相中的溶質(zhì)分壓稱為平衡分壓或飽和分壓。液相氣相2氣—液相平衡關(guān)系吸收過(guò)程進(jìn)行的方向與限度取決于溶質(zhì)在氣液42吸收與蒸餾完整版資料課件43（1）氣體在液體中的溶解度1)在一定溫度下，氣體組分的溶解度隨該組分在氣相中的平衡分壓的增大而增大；而在相同平衡分壓條件下，氣體組分的溶解度則隨溫度的升高而減小。2)在同一溫度下，對(duì)于不同種類的氣體組分，欲得到相同濃度的溶液，易溶氣體僅需控制較低的分壓，而難溶氣體則需較高分壓。3)加壓和降溫對(duì)吸收操作有利；反之，升溫和減壓有利于解吸。（1）氣體在液體中的溶解度1)在一定溫度下，氣體組分的溶解44

當(dāng)總壓不高（<5×105Pa）時(shí)，在一定溫度下，稀溶液上方溶質(zhì)的平衡分壓與其在液相中的濃度之間存在著如下的關(guān)系：

上式表示溶液的濃度低于一定數(shù)值時(shí)溶質(zhì)的平衡分壓與它在溶液中的摩爾分率成正比。亨利系數(shù)E值較大表示溶解度較小。一般E值隨溫度的升高而增大。

PA*=E·x

式中:PA*---------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----------享利系數(shù)，

kPa（2）亨利定律

當(dāng)總壓不高（<5×105Pa）時(shí)，在一定溫度下45吸收與蒸餾完整版資料課件46

——溶液的密度,kg/m3

；

M——溶液的平均分子量,kg/kmol

PA*=cA/H式中：

c——液相中溶質(zhì)的摩爾濃度,kmol/m3;

H——溶解度系數(shù),kmol/m3·Pa;

在亨利定律適用的范圍內(nèi),H是溫度的函數(shù),而與P*或c無(wú)關(guān)。對(duì)于一定的溶質(zhì)和溶劑，H值一般隨溫度升高減小。易溶氣體H值較大，難溶氣體H值較小。

（3）亨利定律的其它形式1)氣相用平衡分壓，液相用物質(zhì)的量濃度表示——溶液的密度,kg/m3；M——溶47y*=m·x

式中：

x——溶質(zhì)在液相中的摩爾分率；

y*——與該液相成平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分率；

m——相平衡常數(shù),無(wú)因次。

m=E/P

上式中P為系統(tǒng)總壓，ｍ值越大，表示溶解度越小。

2)溶質(zhì)在液相和氣相中的濃度分別用摩爾分率x、y表示y*=m·x

式中：x——溶質(zhì)在液相中48當(dāng)溶液濃度很低時(shí),上式右端分母約等于1,于是上式可簡(jiǎn)化為:Y*=mX

3)對(duì)于低濃度氣體吸收，兩相的組成通常用摩爾比來(lái)表示當(dāng)溶液濃度很低時(shí),上式右端分母約等于1,于是上式可簡(jiǎn)化為:49亨利定律各系數(shù)之間的關(guān)系

對(duì)稀溶液，溶液的濃度接近純?nèi)軡?jì)的Ms≈Mm，

亨利定律各系數(shù)之間的關(guān)系對(duì)稀溶液，溶液的濃度接近純?nèi)軡?jì)的M50例題總壓為101.3kPa、溫度為20℃時(shí)，l000kg水中溶解15kgNH3，此時(shí)溶液上方氣相中NH3的平衡分壓為2.266kPa。試求此時(shí)之溶解度系數(shù)E、亨利系數(shù)H、相平衡常數(shù)m。若總壓增倍，維持溶液上方氣相分率不變，則問(wèn)此時(shí)NH3的溶解度及各系數(shù)的值。

例題總壓為101.3kPa、溫度為20℃時(shí)，l000kg水中51

吸收解吸ΔxPpApAΔpxAx1xA＊pA1Qx2pA2(a)（b）(c)不平衡的氣液兩相接觸后所發(fā)生的傳質(zhì)過(guò)程，是吸收還是解吸，要視溶質(zhì)在氣相中的分壓與其液相的平衡分壓間的關(guān)系而定。（4）相平衡與吸收過(guò)程的關(guān)系p*A

吸收解吸ΔxPpApAΔpxAx1xA＊pA1Qx2pA252當(dāng)氣相中溶質(zhì)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)便由氣相向液相轉(zhuǎn)移，即發(fā)生吸收過(guò)程。當(dāng)氣相中溶質(zhì)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)便由氣相向液相轉(zhuǎn)移，即發(fā)生解析過(guò)程。當(dāng)氣相中溶質(zhì)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)便由531．判斷過(guò)程進(jìn)行的方向A由氣相向液相傳質(zhì)，吸收過(guò)程平衡狀態(tài)A由液相向氣相傳質(zhì)，解吸過(guò)程1．判斷過(guò)程進(jìn)行的方向A由氣相向液相傳質(zhì)，吸收過(guò)程平衡狀態(tài)A541）逆流吸收，塔高無(wú)限，吸收劑用量極小。x2x12）逆流吸收，塔高無(wú)限，吸收劑用量無(wú)限。3．確定過(guò)程的推動(dòng)力吸收過(guò)程推動(dòng)力的表達(dá)式y(tǒng)-y*或x*

-x或2．相平衡是過(guò)程的極限氣、液相間達(dá)平衡態(tài)，相組成點(diǎn)落在平衡線上，凈傳質(zhì)速率為零，yA=y*A。此時(shí)的xA、

yA便為過(guò)程極限。pA2pA11）逆流吸收，塔高無(wú)限，吸收劑用量極小。x2x12）逆流吸收55【例】在總壓101.3kPa，溫度30℃的條件下,SO2摩爾分率為0.3的混合氣體與SO2摩爾分率為0.01的水溶液相接觸，試問(wèn)：（1）SO2的傳質(zhì)方向；（101.3kPa，30℃時(shí)SO2的亨利系數(shù)為4850kPa）（2）其它條件不變，溫度降到0℃時(shí)SO2的傳質(zhì)方向；（101.3kPa，0℃時(shí)SO2的亨利系數(shù)為1670kPa）（3）其它條件不變，總壓提高到202.6kPa時(shí)SO2的傳質(zhì)方向，并計(jì)算以液相摩爾分率差及氣相摩爾率差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力。（202.6kPa，30℃時(shí)SO2的亨利系數(shù)為4850kPa）【例】在總壓101.3kPa，溫度30℃的條件下,SO2摩56吸收與蒸餾完整版資料課件57吸收與蒸餾完整版資料課件583吸收劑的選擇1、溶解度2、選擇性3、揮發(fā)度4、粘性5、其他3吸收劑的選擇1、溶解度2、選擇性3、揮發(fā)度4、粘性559總傳質(zhì)速率方程總傳質(zhì)速率（NA）即相間傳質(zhì)速率?？倐髻|(zhì)速率方程反映吸收過(guò)程進(jìn)行快慢的特征量，其推動(dòng)力是以主體濃度與平衡濃度差為推動(dòng)力的；對(duì)穩(wěn)定體系，總傳質(zhì)速率等于相內(nèi)傳質(zhì)速率?？倐髻|(zhì)速率方程60氣膜邊界液膜邊界

氣液相界面氣相主體液相主體傳質(zhì)方向ppicic

液膜吸收速率方程式

氣膜吸收速率方程式相界面氣膜邊界液膜邊界61

吸收過(guò)程的總推動(dòng)力可采用任何一相的主體濃度與其平衡濃度的差值來(lái)表示。1)以（y-y*）表示總推動(dòng)力

液相吸收速率方程氣相吸收速率方程

（1）總吸收速率方程吸收過(guò)程的總推動(dòng)力可采用任何一相的主體濃度與其平衡62令式中

Ky——以氣相濃度差

(y-y*)為推動(dòng)力的總吸收系數(shù)，kmol/(m2?s)

NA=Ky(y-y*)

（a）同理，以（x*-x）表示總推動(dòng)力

時(shí)，令NA=Kx(x*-x)（b）式中

Kx——以液相濃度差

(x*-x)為推動(dòng)力的總吸收系數(shù)，kmol/(m2?s)

比較a、b兩式：令式中Ky——以氣相濃度差(y-y*)為推動(dòng)力的總吸632)以（p-p*）表示總推動(dòng)力

雙膜理論：

pi=ci/H

亨利定律：

p*=c/H

液相吸收速率方程N(yùn)A=kL(ci-c)NA=kLH(pi-p*)氣相吸收速率方程

NA=kG(p-pi)代入NA=KG(p-p*)

2)以（p-p*）表示總推動(dòng)力雙膜理論：pi=ci643)以（C*-C）表示總推動(dòng)力令代入NA=KL(c*-c)

KL——液相總吸收系數(shù)，m/s

3)以（C*-C）表示總推動(dòng)力令代入NA=KL(c*-c)65

ｐ、ｃ為推動(dòng)力

Ｙ、Ｘ為推動(dòng)力

ｙ、ｘ為推動(dòng)力

氣

膜

NA=Kg(p-pi)

NA=kY(Y-Yi)kY=Pkg/(1+Y)(1+Yi)

NA=ky(y-yi)ky=Pkg

液

膜

NA=kL(Ci-C)

NA=kX(Xi-X)kX=kLC/(1+Xi)(1+X)

NA=kX(xi-X)kX=CkL

氣

相

NA=Kg(P-P*)

Kg=1/(1/kg+1/HkL)

氣膜控制

Kg=kg

NA=KY(Y-Ye)KY=PKG/(1+Y)(1+Ye)KY=1/(1/kY+m/kX)氣膜控制時(shí)KY=kY

NA=Ky(y-y*)Ky=PKgKy=1/(1/ky+m/kX)

氣膜控制時(shí)Ky=ky

液相

NA=KL(C*-C)

KL=1/(H/kg+1/kg)

液膜控制時(shí)KL=kL

NA=KX(X*-X)

KX=KL./(1+X*)(1+X)

KX=1/(1/mky+1/kx)

液膜控制時(shí)KX=kX

NA=Kx(x*-x)Kx=CKL

Kx=1/(1/mky+1/kx)

液膜控制時(shí)Kx=kx

傳質(zhì)速率方程式的各種形式

ｐ、ｃ為推動(dòng)力Ｙ、Ｘ為推動(dòng)力ｙ、ｘ為推動(dòng)66（2）傳質(zhì)阻力1/Ky即為傳質(zhì)總阻力，即

對(duì)于易溶氣體，m值很小，則有：m/kx<<1/ky

，此時(shí)Ky≈ky，傳質(zhì)阻力的絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可以忽略。（2）傳質(zhì)阻力1/Ky即為傳質(zhì)總阻力，即對(duì)于易溶氣體67

對(duì)于氣膜控制的吸收，要提高總吸收系數(shù)，應(yīng)該加大氣相湍動(dòng)程度。

氣膜阻力控制著整個(gè)吸收過(guò)程的速率，吸收總推動(dòng)力的絕大部分用于克服氣膜阻力，此種情況稱為“氣膜控制”（gas-filmcontrol）。如：水吸收氨，濃硫酸吸收水蒸氣等過(guò)程。對(duì)于氣膜控制的吸收，要提高總吸收系數(shù)，應(yīng)該加大氣相68

對(duì)于難溶氣體，m值很大，則有：Kx≈kx，此時(shí)傳質(zhì)阻力的絕大部分存在于液膜之中，氣膜阻力可以忽略。

即液膜阻力控制著整個(gè)吸收過(guò)程的速率，吸收總推動(dòng)力的絕大部分用于克服液膜阻力，此種情況稱為“液膜控制”（

liquid-filmcontrol）。如：水吸收氧或氫。

對(duì)于中等溶解度的氣體，氣膜阻力和液膜阻力都不可忽略，要提高總吸收系數(shù)，必須同時(shí)增大氣相和液相的湍動(dòng)程度。對(duì)于難溶氣體，m值很大，則有：Kx≈kx，此時(shí)69吸收與蒸餾完整版資料課件70亨利定律

PA*=E·xPA*=cA/Hy*=m·x亨利定律各系數(shù)之間的關(guān)系Pi=E·xi=Pyi=PmxiE=mPP=E·x=E·cA/cm=cA/HE=cm/HE=ρm/HMm對(duì)稀溶液，溶液的濃度接近純?nèi)軡?jì)的Ms≈Mm，E=ρs/HMsm≈ρs/HMsP亨利定律PA*=E·xPA*=cA/Hy*=m·x亨利定律71

ｐ、ｃ為推動(dòng)力

Ｙ、Ｘ為推動(dòng)力

ｙ、ｘ為推動(dòng)力

氣

膜

NA=Kg(p-pi)

NA=kY(Y-Yi)kY=Pkg/(1+Y)(1+Yi)

NA=ky(y-yi)ky=Pkg

液

膜

NA=kL(Ci-C)

NA=kX(Xi-X)kX=kLC/(1+Xi)(1+X)

NA=kX(xi-X)kX=CkL

氣

相

NA=Kg(P-P*)

Kg=1/(1/kg+1/HkL)

氣膜控制

Kg=kg

NA=KY(Y-Ye)KY=PKG/(1+Y)(1+Ye)KY=1/(1/kY+m/kX)氣膜控制時(shí)KY=kY

NA=Ky(y-y*)Ky=PKgKy=1/(1/ky+m/kX)

氣膜控制時(shí)Ky=ky

液相

NA=KL(C*-C)

KL=1/(H/kg+1/kg)

液膜控制時(shí)KL=kL

NA=KX(X*-X)

KX=KL./(1+X*)(1+X)

KX=1/(1/mky+1/kx)

液膜控制時(shí)KX=kX

NA=Kx(x*-x)Kx=CKL

Kx=1/(1/mky+1/kx)

液膜控制時(shí)Kx=kx

傳質(zhì)速率方程式的各種形式

ｐ、ｃ為推動(dòng)力Ｙ、Ｘ為推動(dòng)力ｙ、ｘ為推動(dòng)72假設(shè)：

吸收塔計(jì)算的內(nèi)容主要是通過(guò)物料衡算及操作線方程，確定吸收劑的用量和塔設(shè)備的主要尺寸（塔徑和塔高）。

吸收操作多采用逆流；

低濃度氣體吸收；吸收是在等溫下進(jìn)行；傳質(zhì)分系數(shù)kg、kL在全塔為常數(shù)；傳質(zhì)總系數(shù)Kg或KL也可認(rèn)為是常數(shù)。7-3吸收塔（或脫吸）的計(jì)算假設(shè)：吸收塔計(jì)算的內(nèi)容主要是通過(guò)物料衡算及操73V，Y1L，X1Y

XV，Y2L，X2mn

逆流吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算

V，Y1L，X1YXV，Y2L，X2m74

對(duì)全塔來(lái)說(shuō)，氣體混合物經(jīng)過(guò)吸收塔后，吸收質(zhì)的減少量等于液相中吸收質(zhì)的增加量，即：式中：

V——惰性氣體的摩爾流量,Kmol/S

L——吸收劑摩爾流量,Kmol/S

Y1、Y2——分別為吸收塔的塔底和塔頂?shù)囊合啾饶柗致剩?/p>

X1、X2——分別為吸收塔的塔底和塔頂?shù)囊合啾饶柗致剩?/p>

對(duì)全塔來(lái)說(shuō)，氣體混合物經(jīng)過(guò)吸收塔后，吸收質(zhì)的減少75

現(xiàn)取塔內(nèi)任一截面ｍ－ｎ與塔底（圖中的虛線范圍）作溶質(zhì)的物料衡算，

即：V(Y1-Y)=L(X1-X)

式中：

Y、Y1——分別為m-n截面和塔底氣相中溶質(zhì)的比摩爾分率，

Kmol(溶質(zhì))/Kmol(惰性氣體)；

X、X1——分別為m-n截面和塔底液相中溶質(zhì)的比摩爾分率，

Kmol(溶質(zhì))/Kmol(溶劑)。

同理，可得上兩式稱為吸收操作線方程式。

現(xiàn)取塔內(nèi)任一截面ｍ－ｎ與塔底（圖760X2XX1Y1

YY2TABY*=f（X）

在任一截面上的氣相濃度Y與液相濃度X之間成直線關(guān)系，直線的斜率為L(zhǎng)/V，過(guò)點(diǎn)B（X1，Y1）和T（X2，Y2）兩點(diǎn)。端點(diǎn)B代表塔底端面，稱為“濃端”，端點(diǎn)T代表塔頂端面，稱為“稀端”。

0X2XX1Y1T77

說(shuō)明：

1)在進(jìn)行實(shí)際吸收操作時(shí)，在塔內(nèi)任一截面上，溶質(zhì)在氣相中的實(shí)際分壓總高于與其接觸的液相平衡分壓，故吸收操作線總位于平衡線上方；若在下方，則為脫吸。2)吸收操作線方程是從溶質(zhì)的物料平衡關(guān)系出發(fā)而推得的關(guān)系式，它取決于氣液兩相和流量Ｌ、Ｖ，與吸收塔內(nèi)某截面上的氣液濃度有關(guān)，而與相平衡關(guān)系、塔的類型、相際接觸情況及操作條件無(wú)關(guān)。此式應(yīng)用的唯一必要條件是穩(wěn)定狀態(tài)下連續(xù)逆流操作。

說(shuō)明：1)在進(jìn)行實(shí)際吸收操作時(shí)，在塔內(nèi)任78吸收劑的用量與最小液氣比吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算中，氣體的處理量、進(jìn)塔氣體的組成Y1，吸收劑的入塔組成X2及分離要求都是作為設(shè)計(jì)的已知條件規(guī)定好了的，吸收劑的用量則有待于確定。吸收目的回收有用物質(zhì)：計(jì)算回收率。除去有害物質(zhì)：直接規(guī)定Y2（計(jì)算吸收劑用量）。吸收劑的用量與最小液氣比吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算中，氣體的處理量、進(jìn)790X2X1Y1

Y2TBY*=f（X）

D

操作線的斜率L/V稱為“液氣比”，是溶劑與惰性氣體摩爾流量的比值。它反映單位氣體處理量的溶劑耗用量大小。

如左圖所示，在V、Y1、Y2及X2已知的情況下，吸收操作線的一個(gè)端點(diǎn)A已固定，另一個(gè)端點(diǎn)B則在Y=Y1上移動(dòng)，點(diǎn)B的橫坐標(biāo)由操作線的斜率L/V決定。

C0X2X1Y180

當(dāng)塔底流出的吸收液與剛進(jìn)塔的混合氣體呈平衡狀態(tài)時(shí)，吸收的推動(dòng)力為零。此種狀況下，吸收操作線的斜率稱為最小液氣比，以(L/V)min。相應(yīng)的吸收劑用量為最小吸收劑用量，用Lmin表示。

增大吸收劑用量可以使吸收推動(dòng)力增大，達(dá)到一定限度后，效果變得不明顯，而溶劑的消耗、輸送及回收等項(xiàng)操作費(fèi)用急劇增加。

吸收劑用量的選擇：應(yīng)從設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)兩方面綜合考慮，選擇適宜的液氣比，使兩種費(fèi)用之和最小。L/V=(1.1~1.2)(L/V)min

或

L=(1.1~1.2)Lmin當(dāng)塔底流出的吸收液與剛進(jìn)塔的混合氣體呈平衡狀態(tài)時(shí)，81(1)平衡線為凹形

根據(jù)水平線Y=Y1與平衡線的交點(diǎn)B?

的橫坐標(biāo)Xe1求出。

0X2X1Y1

Y2TBYe=f（X）

B?

圖解法求最小液氣比(1)平衡線為凹形根據(jù)水平線Y=Y1與平衡線的交82(2)平衡線為凸形步驟：過(guò)點(diǎn)T作平衡線的切線，找出水平線Y=Y1與切線的交點(diǎn)B?，讀出B?的橫坐標(biāo)X1?，再按下式計(jì)算。0X2X1Y1

Y2TBYe=f（X）

B?

(2)平衡線為凸形步驟：過(guò)點(diǎn)T作平衡線的切線，找出水平線Y83例

在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合氣體中的SO2。氣體處理量為1.20m3（標(biāo)準(zhǔn)）?s-1，進(jìn)塔氣體中含SO28%（體積百分?jǐn)?shù)），要求SO2的吸收率為85%，在該吸收操作條件下的相平衡關(guān)系Ye=26.7X，用水量為最小用量的1.5倍。試求：

（1）用水量為多少？

（2）若吸收率提高至90%，用水量又為多少？解：惰性氣體量為

例題例在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合氣體中84（1）當(dāng)吸收率為85%時(shí)實(shí)際液氣比

最小液氣比

Y2=Y1（1-φA）=0.087×(1-0.85)=0.0131Xe1=Y1/26.7=0.087/26.7=3.258×10-3

X2=0（清水）L=34.02V=34.02×49.29=1677mol·s-1=0.03m3·s-1L/V=1.5(L/V)min=1.5×22.68=34.02實(shí)際用水量

（1）當(dāng)吸收率為85%時(shí)實(shí)際液氣比最小液氣85（2）若吸收率提高至90%，出塔氣體濃度為Y?2，則最小液氣比

實(shí)際液氣比L?=36.05V=36.05×49.29=1777mol·s-1=0.032m3·s-1

從計(jì)算結(jié)果可知，在其他條件相同時(shí)，吸收率提高，最小液氣比增大，所需的吸收劑用量也增大。(L/V)?=1.5(L/V)?

min=1.5×24.03=36.05

實(shí)際用水量

（2）若吸收率提高至90%，出塔氣體濃度為Y?2，則最小液氣86塔徑的確定塔徑的確定87

建立和不斷更新兩相接觸表面，使之具有盡可能大的接觸面積和盡可能好的流體力學(xué)條件，以利于提高吸收速率，減少設(shè)備的尺寸，同時(shí)，氣體通過(guò)設(shè)備的阻力要小，以節(jié)省動(dòng)力消耗。

吸收塔簡(jiǎn)介（1）吸收設(shè)備的作用建立和不斷更新兩相接觸表面，使之具有盡可能大的接88液體分布器氣體出口液體入口塔殼填料液體再分布器支承柵板氣體入口液體出口（2）填料塔的結(jié)構(gòu)與操作液體分布器氣體出口液體入口塔殼填料液體再分布器支承柵板氣體89填料的作用：液相分散造型的支撐體，為氣、液兩相提供充分的接觸面，并為強(qiáng)化其湍動(dòng)程度創(chuàng)造條件，以利于傳質(zhì)。對(duì)于填料的要求：

1、比表面積大，即單位體積的填料所具有的表面積大。

2、比重小，減輕塔和基座負(fù)荷。

3、機(jī)械強(qiáng)度好，不易破碎。

4、耐腐蝕性好。

5、價(jià)格低廉，容易制得。

常用填料：拉西環(huán)（又分金屬、陶瓷等）、鮑爾環(huán)、杯形和

鞍形填料、波紋板、柵板等。（3）填料填料的作用：液相分散造型的支撐體，為氣、液兩相提供充分的接觸90填料特性參數(shù)(1)比表面積

比表面積大，則能提供的相接觸面積大。同一種填料其尺寸愈小，比表面積愈大。(2)空隙率

空隙率大，則氣體通過(guò)時(shí)阻力小，因而流量可以增大。(3)填料因子

表示填料阻力及液泛條件的重要參數(shù)。填料特性參數(shù)(1)比表面積91白酒蒸餾器白酒蒸餾器92吸收與蒸餾完整版資料課件93蒸餾在工業(yè)上的應(yīng)用

1）石油煉制工業(yè)(原油汽油、煤油、柴油等）；

2）石油化工工業(yè)（基本有機(jī)原料、石油裂解氣等分離）；

3）空氣的分離（氧氣、氮?dú)獾闹苽洌?/p>

4）食品加工及醫(yī)藥生產(chǎn)。7.4蒸餾蒸餾在工業(yè)上的應(yīng)用7.4蒸餾94蒸餾：易揮發(fā)組分：難揮發(fā)組分：沸點(diǎn)低的組分，又稱為輕組分。沸點(diǎn)高的組分，又稱為重組分。將液體部分氣化，利用各組分揮發(fā)度的不同從而使混合物達(dá)到分離的單元操作。蒸餾是分離液相混合物的典型單元操作。例：乙醇(A)—水溶液(B)蒸餾：易揮發(fā)組分：難揮發(fā)組分：沸點(diǎn)低的組分，又稱為輕組分。沸95蒸餾操作的分類

按操作方式分：簡(jiǎn)單蒸餾、精餾、特殊精餾按操作壓力分：常壓蒸餾、加壓蒸餾、減壓（真空）蒸餾按原料中所含組分?jǐn)?shù)目分：雙組分蒸餾及多組分蒸餾按操作流程分：連續(xù)蒸餾和間歇蒸餾

本節(jié)主要討論常壓雙組分連續(xù)精餾。蒸餾操作的分類按操作方式分：簡(jiǎn)單蒸餾、精餾、特殊精餾按操作96吸收與蒸餾完整版資料課件97精餾：多級(jí)分離過(guò)程，即同時(shí)進(jìn)行多次部分氣化和部分冷凝的過(guò)程，因此可使混合物得到幾乎完全分離的單元操作。精餾可視為多次簡(jiǎn)單蒸餾的組合?；旌衔镏懈鹘M分的揮發(fā)度相差不大，而又有較高的分離要求時(shí)，可采用精餾。精餾：多級(jí)分離過(guò)程，即同時(shí)進(jìn)行多次部分氣化和部分冷凝的過(guò)程，98精餾裝置示意圖精餾裝置示意圖99液體的沸點(diǎn)是指它的蒸氣壓等于外界壓力時(shí)的溫度，因此液體的沸點(diǎn)是隨外界壓力的變化而變化的，如果借助于真空泵降低系統(tǒng)內(nèi)壓力，就可以降低液體的沸點(diǎn)。

減壓蒸餾是分離和提純有機(jī)化合物的常用方法之一。它特別適用于那些在常壓蒸餾時(shí)未達(dá)沸點(diǎn)即已受熱分解、氧化或聚合的物質(zhì)。減壓蒸餾操作的理論依據(jù)：液體的沸點(diǎn)是指它的蒸氣壓等于外界壓力時(shí)的溫度，因此液體的沸點(diǎn)100吸收與蒸餾完整版資料課件101（1）通過(guò)蒸餾操作，可以直接獲得所需要的產(chǎn)品，而吸收和萃取還需要如其它組分；（2）蒸餾分離應(yīng)用較廣泛，歷史悠久；（3）能耗大，在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的氣相或液相。此外為建立氣液系統(tǒng)，有時(shí)需要高壓、真空、高溫或低溫等條件，這些困難帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題或困難，常是不宜采用蒸餾分離某些物系的原因。蒸餾操作的特點(diǎn)

蒸餾操作的特點(diǎn)102

相律是研究相平衡的基本規(guī)律，它表示平衡物系中自由度數(shù)、相數(shù)及獨(dú)立組分?jǐn)?shù)間的關(guān)系。F=C-φ+2式中

F——自由度數(shù)

C——獨(dú)立組分?jǐn)?shù)

φ——相數(shù)

2表示外界只有溫度和壓強(qiáng)可以影響物系的平衡關(guān)系。（1）相關(guān)概念及氣液平衡圖1）相律

雙組分溶液的氣液平衡相律是研究相平衡的基本規(guī)律，它表示平衡物系中自由103對(duì)于雙組分物系的氣液平衡：即雙組分物系氣、液相平衡的自由度為2。雙組分物系的獨(dú)立變量：汽相組成y、液相組成x、溫度

T、壓力P。可見：規(guī)定其中的兩個(gè)，則系統(tǒng)平衡狀態(tài)即定。一般蒸餾壓力恒定，故僅有一個(gè)自由度。C=2φ=2∴F=2對(duì)于雙組分物系的氣液平衡：即雙組分物系氣、液相平衡的自由度為104汽液相平衡(vapor--liquidphaseequilibrium)：溶液與其上方蒸汽達(dá)到平衡時(shí)汽液兩相各組分組成的關(guān)系。溶液的分類：理想溶液和非理想溶液。2）拉烏爾定律ABfAA=fBB=fAB，即分子間相互吸引力不因混合而有所變化，這種溶液稱為理想溶液。fAA≠fBB≠fAB，這種溶液稱為非理想溶液。汽液相平衡(vapor--liquidphaseequi105理想溶液的氣液平衡關(guān)系遵循拉烏爾定律，即式中

p——溶液上方組分的蒸汽壓

p0——同溫度下純組分的飽和蒸氣壓

x——溶液中組分的摩爾分率道爾頓分壓定律：當(dāng)總壓不太高時(shí)，氣相可視為理想氣體理想溶液的氣液平衡關(guān)系遵循拉烏爾定律，即式中p——溶液上106根據(jù)道爾頓分壓定律，溶液上方的蒸汽總壓為

當(dāng)總壓P不高時(shí)，平衡的氣相可視為理想氣體，服從道爾頓分壓定律，即式（a）和（b）為兩組分理想物系的氣液平衡關(guān)系式。（a）（b）根據(jù)道爾頓分壓定律，溶液上方的蒸汽總壓為當(dāng)總壓P不高107純組分的飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系通常可用經(jīng)驗(yàn)式表示：上式稱為安托因方程，T：溫度，A、B、C為該組分的安托因常數(shù)，常用液體的A、B、C值可由手冊(cè)查得。純組分的飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系通?？捎媒?jīng)驗(yàn)式表示：上式稱為安108（2）氣液平衡圖(GraphofG—LEquilibrium)1）溫度–組成圖（t–x–y圖）已知P、

t

，求相互平衡的

x

、y

，

t

pA0,pB0

x,y（2）氣液平衡圖(GraphofG—LEquili109t/℃x(y)t-xt-yp=101.3kPatFFGtGECxCDyDtEIJtItJx001.01001108090苯-甲苯溫度-組成圖上曲線：平衡時(shí)汽相組成與溫度的關(guān)系，稱為汽相線（露點(diǎn)曲線）；下曲線：平衡時(shí)液相組成與溫度的關(guān)系，稱為液相線（泡點(diǎn)曲線）。兩曲線將圖分成三個(gè)區(qū)域：液相區(qū)、過(guò)熱蒸汽區(qū)、汽液共存區(qū)。

t/℃x(y)t-xt-yp=101.3kPatFFGtG110從過(guò)冷液體至過(guò)熱氣體的變化過(guò)程從過(guò)冷液體至過(guò)熱氣體的變化過(guò)程111說(shuō)明：（2）全部汽化和全部冷凝沒有分離作用；（3）不斷的部分汽化和冷凝可使分離程度不斷提高；（4）蒸餾操作應(yīng)處于汽液兩相區(qū)內(nèi)。二元混合物與純液體的差別：（1）泡點(diǎn)與濃度有關(guān)，其值在A，B組分沸點(diǎn)范圍之內(nèi)。（2）總組成相同，其泡點(diǎn)和露點(diǎn)（冷凝點(diǎn)）溫度不同。（1）部分汽化和部分冷凝均可起到分離作用；說(shuō)明：（2）全部汽化和全部冷凝沒有分離作用；（3）不斷的部分112壓力對(duì)溫度組成圖的影響壓力對(duì)溫度組成圖的影響113標(biāo)繪：略去溫度坐標(biāo)，依x-y

的對(duì)應(yīng)關(guān)系做圖，得x-y圖。2）汽液相平衡圖（

X—Y

圖

）標(biāo)繪：略去溫度坐標(biāo)，依x-y的對(duì)應(yīng)關(guān)系做圖，得x-y圖。114某些溶液達(dá)平衡時(shí)，氣相中易揮發(fā)組分濃度總是大于液相，故其平衡線位于對(duì)角線的上方；平衡線離對(duì)角線越遠(yuǎn)，表示該溶液越易分離。

平衡線上不同點(diǎn)代表一個(gè)氣、液平衡狀態(tài)，即對(duì)應(yīng)一組x、y、t，且y(或x)越大，t愈低。注意：當(dāng)總壓變化不大時(shí),總壓對(duì)

y-x關(guān)系的影響可以忽略不計(jì)蒸餾中使用

y-x圖較t-y-x圖更為方便。某些溶液達(dá)平衡時(shí)，氣相中易揮發(fā)組分濃度總是大于液相，故其平衡115純液體的揮發(fā)度是指該液體在一定溫度下的飽和蒸氣壓。溶液中各組分的揮發(fā)度定義為該組分在蒸氣中的分壓和與之相平衡的液相中的摩爾分率之比，即vA=PA/xA

vB=PB/xB

（3）相對(duì)揮發(fā)度及氣液平衡方程若溶液為理想溶液，則其揮發(fā)度為：vA=PA/xA

=PA0xA/xA

=PA0

vB=PB/xB

=PB0xB/xB

=PB0

純液體的揮發(fā)度是指該液體在一定溫度下的飽和蒸氣壓。溶液中各組116相對(duì)揮發(fā)度（RelativeVolatility）是指溶液中兩組分揮發(fā)度之比，常以易揮發(fā)組分的揮發(fā)度為分子。

α=vA/vB=（PA/XA）/（PB/XB）

當(dāng)總壓不高時(shí)，蒸氣服從道爾頓分壓定律

相對(duì)揮發(fā)度（RelativeVolatility）是指溶液117對(duì)于二元溶液

xB=1-xAyB=1-yA整理后，略去下標(biāo)相平衡方程當(dāng)α值已知，按上式可由x（y）算出平衡時(shí)的y（x），即用相對(duì)揮發(fā)度表示了氣液平衡關(guān)系，故可稱為相平衡方程。對(duì)于二元溶液整理后，略去下標(biāo)相平衡方程當(dāng)α值已知，按上式可118相對(duì)揮發(fā)度的意義

其值的大小可用于判斷某混合溶液能否用蒸餾方法加以分離以及分離的難易程度。當(dāng)α>1時(shí)，表示組分A較B容易揮發(fā)，

α愈大，揮發(fā)度差異愈大，分離愈容易。當(dāng)α=1時(shí)，氣相組成與液相組成相同，不能用普通精餾方法加以分離。

對(duì)于理想溶液，相對(duì)揮發(fā)度α變化不大，可取一平均值作為常數(shù)處理，相平衡關(guān)系簡(jiǎn)單。相對(duì)揮發(fā)度的意義其值的大小可用于判斷某混合溶液能119溫度對(duì)飽和蒸汽壓的影響溫度對(duì)飽和蒸汽壓的影響120常壓下苯、甲苯的相對(duì)揮發(fā)度隨溫度的變化常壓下苯、甲苯的相對(duì)揮發(fā)度隨溫度的變化121壓力對(duì)相平衡的影響P↑，t↑，↓，對(duì)分離不利，

P↓，t↓，↑，對(duì)分離有利。

故蒸餾壓力的選擇，優(yōu)先考慮采用常壓操作，只在特殊情況下采用加壓（處理量增加，塔徑不夠）或減壓（熱敏性物料）。壓力對(duì)相平衡的影響P↑，t↑，↓，對(duì)分離不利，故122與理想溶液發(fā)生正偏差的溶液：如乙醇–水、正丙醇–水等物系。對(duì)于乙醇–水體系，其恒沸組成為x=y=0.894，恒沸點(diǎn)t=78.15℃(常壓下)。稱為具有最低恒沸點(diǎn)的溶液。（4）兩組分非理想溶液的氣液平衡相圖與理想溶液發(fā)生正偏差的溶液：如乙醇–水、正丙醇–水等物系。對(duì)123與理想溶液發(fā)生負(fù)偏差的溶液：如硝酸–水、氯仿–丙酮等物系。對(duì)于硝酸–水體系，其恒沸組成為x=y=0.383，恒沸點(diǎn)t=121.9℃(常壓下)。稱為具有最高恒沸點(diǎn)的溶液。與理想溶液發(fā)生負(fù)偏差的溶液：如硝酸–水、氯仿–丙酮等物系。對(duì)124在恒沸點(diǎn)處,α=1，故一般蒸餾方法不能使兩組分分離。同一種溶液的恒沸組成隨壓強(qiáng)而變。在理論上可采用改變壓強(qiáng)的方法來(lái)分離恒沸溶液。但在實(shí)際使用時(shí)，則應(yīng)該考慮經(jīng)濟(jì)性和操作可能性。非理想溶液未必都有恒沸點(diǎn)。在恒沸點(diǎn)處,α=1，故一般蒸餾方法不能使兩組分分離。125

將一定組分的液體加熱至泡點(diǎn)以上，使其部分氣化，或者將一定組分的蒸汽冷卻至露點(diǎn)以下，使其部分冷凝，兩相達(dá)到平衡，然后將兩相分離。此過(guò)程的結(jié)果是易揮發(fā)組分在氣相中富集，難揮發(fā)組分在液相中富集。（1）平衡蒸餾（閃蒸）

平衡蒸餾和簡(jiǎn)單蒸餾將一定組分的液體加熱至泡點(diǎn)以上，使其部分氣化126平衡蒸餾原理平衡蒸餾原理127加熱器減壓閥分離器原料底部產(chǎn)品冷凝器塔頂產(chǎn)品F,xFD,yD,tbW,xW,tbt0A.物料衡算B.熱量衡算C.相平衡關(guān)系TQ=Fcp(T-t0)Fcp(T-tb)=fFrT=tb+fr/cpyD=xw(

f-1)/f+xF/f加熱器減壓閥分離器原料底部產(chǎn)品冷凝器塔頂產(chǎn)品F,xFD,yD128特點(diǎn)①連續(xù)操作；②組成和溫度恒定不變；③氣、液兩相平衡。溫度和壓力對(duì)平衡蒸餾的影響特點(diǎn)溫度和壓力對(duì)平衡蒸餾的影響129t/℃t-xt-yp=101.3kPatFFGtGECxCDyDtEIJtItJx001.01001108090苯-甲苯溫度-組成圖REVIEWt/℃t-xt-yp=101.3kPatFFGtGECxCD130吸收與蒸餾完整版資料課件131溶液中各組分的揮發(fā)度定義為該組分在蒸氣中的分壓和與之相平衡的液相中的摩爾分率之比，即vA=PA/xA

vB=PB/xB

揮發(fā)度相對(duì)揮發(fā)度（RelativeVolatility）是指溶液中兩組分揮發(fā)度之比，常以易揮發(fā)組分的揮發(fā)度為分子。

α=vA/vB=（PA/XA）/（PB/XB）

相平衡方程溶液中各組分的揮發(fā)度定義為該組分在蒸氣中的分壓和與之相平衡的132歷史上最早應(yīng)用的蒸餾方法；一種單級(jí)蒸餾操作，常以間歇方式進(jìn)行；簡(jiǎn)單蒸餾多用于混合液的初步分離。（2）簡(jiǎn)單蒸餾歷史上最早應(yīng)用的蒸餾方法；（2）簡(jiǎn)單蒸餾133將料液加熱至泡點(diǎn)，溶液汽化，產(chǎn)生的蒸汽隨即進(jìn)入冷凝器，冷凝成餾出液；隨著過(guò)程的進(jìn)行，釜中液相組成不斷下降，使得與之相平衡的氣相組成（餾出液組成）亦隨時(shí)降低，而釜內(nèi)液體的沸點(diǎn)逐漸升高；當(dāng)餾出液的平均組成或釜?dú)堃航M成降至某規(guī)定值后，即可停止蒸餾操作；在同一批操作中，餾出液分批收集，可得到不同組成的餾出液。

簡(jiǎn)單蒸餾操作原理將料液加熱至泡點(diǎn)，溶液汽化，產(chǎn)生的蒸汽隨即進(jìn)入冷凝器，冷凝成134簡(jiǎn)單蒸餾簡(jiǎn)單蒸餾135吸收與蒸餾完整版資料課件136

特點(diǎn)

①間歇操作過(guò)程是一動(dòng)態(tài)過(guò)程；②易揮發(fā)組分更多地傳遞到氣相中去，釜液溫度不斷升高；③產(chǎn)品與釜液組成隨時(shí)間而改變(降低）；④瞬時(shí)蒸氣與釜中液體處于平衡狀態(tài)。

特點(diǎn)137簡(jiǎn)單蒸餾流程F,xF312W2,x2簡(jiǎn)單蒸餾流程F,xF312W2,x2138(3)簡(jiǎn)單蒸餾的計(jì)算

W——釜內(nèi)液相量，kmol；

x——任一時(shí)刻液相組成；

y——任一時(shí)刻氣相組成；

dW——d時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的釜液量,kmol；

①易揮發(fā)組分的物料衡算整理得：積分：(3)簡(jiǎn)單蒸餾的計(jì)算整理得：積分：139若低壓下，液相為理想溶液的雙組分蒸餾，則有：說(shuō)明:如果x,y之間的平衡關(guān)系不能用以上方程表達(dá)時(shí)，則需采用數(shù)值積分或圖解法積分求解。

②蒸餾產(chǎn)品的平均組成設(shè)W為任一時(shí)刻的釜液量，kmol若低壓下，液相為理想溶液的雙組分蒸餾，則有：說(shuō)明:如果x140例、在常壓下將某原料液組成為0.55（易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)）的兩組分溶液進(jìn)行平衡蒸餾和簡(jiǎn)單蒸餾，若汽化率為1/3，試求兩種情況下的釜液和餾出液組成。假設(shè)在操作范圍內(nèi)體系的相對(duì)揮發(fā)度α=2.0。例、在常壓下將某原料液組成為0.55（易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)）141精餾原理1）精餾的定義

精餾是將由揮發(fā)度不同的組分所組成的混合液，在精餾塔中同時(shí)多次地進(jìn)行部分氣化和部分冷凝，使其分離成幾乎純態(tài)組分的過(guò)程。

精餾原理1）精餾的定義

精餾是將由揮發(fā)度不同的組142A、精餾過(guò)程

進(jìn)料板以上稱為精餾段

——精制汽相中的易揮發(fā)組分。進(jìn)料板以下（包括進(jìn)料板）稱為提餾段

——提濃液相中難揮發(fā)組分。塔頂產(chǎn)品稱為餾出液

——富含易揮發(fā)組分。塔底產(chǎn)品稱為釜液

——富含難揮發(fā)組分。

板式塔釜液餾出液進(jìn)料2）精餾原理A、精餾過(guò)程進(jìn)料板以上稱為精餾段塔頂產(chǎn)品稱為餾出液143B、板式精餾塔塔板上的傳質(zhì)B、板式精餾塔塔板上的傳質(zhì)144熱量傳遞過(guò)程液體汽化所需熱量由蒸汽冷凝提供。易揮發(fā)組分：液相→汽相；難揮發(fā)組分：汽相→液相。傳質(zhì)方向易揮發(fā)組分沿塔高方向增加，而溫度沿塔高方向降低。熱量傳遞過(guò)程易揮發(fā)組分：液相→汽相；傳質(zhì)方向易揮發(fā)組分沿塔高145

如圖所示，考察篩板塔中任意第n層板的操作情況。

理論塔板

(Idealplate)

：若

yn和xn滿足氣液平衡方程，則此層塔板稱為理論

塔板。

yn-1

yn

yn+1

xn-1

xn

xn+1

塔內(nèi)氣液的流動(dòng)

注：

x*n+1表示與yn+1

成相平衡的

液相的組成。

Tn+1>Tn-1

xn-1>x*n+1

在任一塔板上易揮發(fā)組分由液相轉(zhuǎn)移到氣相，而難揮發(fā)組分從氣相轉(zhuǎn)移到液相，即

xn-1>xn

yn>yn+1

精餾塔(DistillingColumn)

如圖所示，考察篩板塔中任意第n層板的操作情況。理論塔板146回流：升到塔頂?shù)钠鹘M成在冷凝器中冷凝后，只放出一部份作為塔頂產(chǎn)品，另一部分返回塔頂作為液流，這部份液流稱為回流。

再沸器：提供一定量上升的蒸氣流。3）精餾連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行的條件回流：升到塔頂?shù)钠鹘M成在冷凝器中冷凝后，只放出一部份作為塔147確定產(chǎn)品的流量；確定合適的操作條件:操作壓強(qiáng)、回流比和加料狀態(tài)等；確定精餾塔所需的理論塔板數(shù)和加料位置；選擇精餾塔的類型、確定塔徑、塔高及塔的其它參數(shù)；冷凝器和再沸器的設(shè)計(jì)計(jì)算。7.5

兩組分連續(xù)精餾塔的計(jì)算兩組分連續(xù)精餾工藝計(jì)算的主要內(nèi)容確定產(chǎn)品的流量；7.5兩組分連續(xù)精餾塔的計(jì)算兩組分連續(xù)精148

理論板是指離開該塔板的蒸汽和液體呈平衡狀態(tài)的塔板。理論板不存在的原因：氣液間接觸面積和接觸時(shí)間是有限的，難以達(dá)到平衡狀態(tài)。理論板可作為衡量實(shí)際板分離效率的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。理論塔板的概念(Idealplateortray)理論板是指離開該塔板的蒸汽和液體呈平衡狀態(tài)的塔板。理論板149恒摩爾汽化：每層塔板上升的蒸汽的摩爾流量相等。精餾段:L1=L2=L3=…Ln=L=定值提餾段:L1’=L2’=L3’=…Lm’=L’=定值但L與L’不一定相等.精餾段:V1=V2=V3=…Vn=V=定值提餾段:V1’=V2’=V3’=…Vm’=V’=定值但V與V’不一定相等.恒摩爾溢流：

每層塔板溢流的液體的摩爾流量相等。恒摩爾流的假設(shè)恒摩爾汽化：每層塔板上升的蒸汽的摩爾流量相等。精餾段:L1150恒摩爾流

滿足恒摩爾流的條件

（1）各組分的摩爾氣化焓相等；恒摩爾汽化和恒摩爾液流的總稱。（2）氣液接觸時(shí)因溫度不同而交換的顯熱可以忽略；（3）塔設(shè)備保溫良好，熱損失可以忽略。恒摩爾流滿足恒摩爾流的條件

（1）各組分的摩爾151原料液釜?dú)堃吼s出液QBLD,XD,ILDF,XF,IFQcW,XW,ILW全塔物料衡算

(MassBalance)原料液釜?dú)堃吼s出液QBLD,XD,ILDF,XF,IFQ152總物料

F=D+W

式中

F——原料液流量，kmol/h；

D——餾出液流量，kmol/h；

W——釜?dú)堃毫髁?，kmol/h；xF——原料液中易揮發(fā)組分的摩爾分率；xD——餾出液中易揮發(fā)組分的摩爾分率；xW——釜?dú)堃褐幸讚]發(fā)組分的摩爾分率；塔頂易揮發(fā)組分回收率=DxD/FxF×100%

易揮發(fā)組分

FxF=DxD+WxW

塔底難揮發(fā)組分回收率=總物料153

如圖所示，對(duì)進(jìn)料板作總物料衡算和熱量衡算式中：

IF

——原料液的焓，kJ/kmol；

H

——分別為飽和蒸氣的的摩爾焓，kJ/kmol；

h

——分別飽和液體的摩爾焓，kJ/kmol；V,HL,hV?,H

L?,h

F,IF加料板物料衡算：

FIF+Lh+V?H

=VH+L?h

進(jìn)料熱狀況的影響熱量衡算：F+L+V?=L?+V如圖所示，對(duì)進(jìn)料板作總物料衡算和熱量衡算式中：154整理得：

將物