化工原理第六章第二节讲稿

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化工原理第六章蒸馏

恒摩尔气流恒摩尔液流
注意：V不一定等于V′，L不一定等于L′
溶液中两组分的摩尔汽化热相等，即rA rB；因汽液两相温度不同而传递的热量可忽略；假定精馏塔保温良好，其热量损失可以忽略。
三、进料热状态参数q
1.进料热状况的定性分析：
A — — 过冷液体；
B — — 饱和液体；
加料板及其以下 ——提馏段
加料板以上 ——精馏段
间歇精馏：
——只有精馏段，没有提馏段
第三节双组分连续精馏的计算与分析
设计型计算：操作型计算：
一、全塔物料衡算
F、D、W — kmol( A B) h
xF、xD、xW — kmolA kmol( A B) 总物料：F D W
Ln1 温度易挥发汽化多
Vn yn
气相
液相
yn yn1 xn xn1
Ln1 x n1
Ln xn
n-1 n n+1
塔顶：纯A 塔釜：纯B
Vn1 y n 1
yn+1 tn+1 tn tn-1 xn
G O P
yn
t/℃
xn-1
0
x或y
1.0
加料位置 ——与原料液组成和温度相近的板上进料
240 101.33
pA
pB
0
,kPa ,kPa
101.33 116.9 135.5 155.7 179.2 204.2 40.0 46.0 54.0 63.3 74.3 86.0
0
温度℃
80.1
85
90
95
100
105
110.6 240
pA
0
,kPa

《化工原理教学资料》第六章蒸馏(郭锴)

m 顶釜
式中: α 顶: 塔顶的相对挥发度 α 釜: 塔釜的相对挥发度
4.α 的物理意义气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之比的倍数；
α 标志着分离的难易程度；
若α>1,则 y>x ,可用蒸馏方法分离，且α愈大，
平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；
α =1, 无法用普通蒸馏方法分离。
6.3 简单蒸馏和平衡蒸馏
一、简单蒸馏 1. 装置 2. 特点: • 间歇非定态 • 一次进料
• xD, xW不是一对平衡组成
• 适合于大的组分 • 对A部分提出, 粗分
二. 平衡蒸馏(又叫闪蒸) 1. 流程 2. 特点: •一次进料，粗分 •xD, xW是一对平衡组成 F xF
D xD
1、收率低；
2、设备重复量大，设备投资大； 3、能耗大，过程有相变。问题：工业上如何实现？
2. 有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝
6.4.2 连续精馏装置流程
进料板：原料液进入的那层塔板
精馏段：进料板以上的塔段提馏段：进料板以下（包括进料板）的塔段
6.4.3 塔板的作用
特点：
•塔板提供了汽液分离的场所； •每一块塔板是一个混合分离器； •足够多的板数可使各组分较完全分离。
A pA xA 一般物系： B pB xB
yA xA 理想气体： yB xB
对于二元物系：yB=1-yA xB=1-xA 则
y 1 y x 1 x
即
x y ——相平衡方程 1 ( 1) x
理想溶液：
p p
o A o xW
6.4 精馏原理
6.4.1 多次部分汽化、部分冷凝

化工原理(第二版)第六章-

管道阻力引起的温度差损失，其值一般取为1℃。
第三节多效蒸发
一、多效蒸发的操作原理
由蒸发器的热量恒算可知，在单效蒸发器中每蒸发1㎏的水需要消耗1㎏多的生蒸汽。在大规模的工业生产中，水分蒸发量很大，需要消耗大量的生蒸汽。如果能将二次蒸汽用作另一蒸发器的加热蒸汽，则可减少生蒸汽消耗量。由于二次蒸汽的压力和温度低于生蒸汽的压力和温度，因此，二次蒸汽作为加热蒸汽的条件是：该蒸发器的操作压力和溶液沸点应低于前一蒸发器。采用抽真空的方法可以很方便地降低蒸发器的操作压力和溶液的沸点。每一个蒸发器称为一效，这样，在第一效蒸发器中通入生蒸汽，产生的二次蒸汽引入第二效蒸发器，第二效的二次蒸汽再引入第三效蒸发器，以此类推，末效蒸发器的二次蒸汽通入冷凝器冷凝，冷凝器后接真空装置对系统抽真空。于是，从第一效到最末效，蒸发器的操作压力和溶液的沸点依次降低，因此可以引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽，这就是多效蒸发
降。
3
真空蒸发系统要求有造成减压的装置，使系统的
投资费和操作费提高。
第二节单效蒸发
F,w0,t0,h0
D, T, H
W, T’, H’
蒸发室
加热室
(F-W)，w1, t1, h1
D, T, hw
图6-2 单效蒸发示意图
第二节单效蒸发
二、单效蒸发的计算
单效蒸发计算的主要内容有：水分蒸发量；加热蒸气消耗量；蒸发器的传热面积。计算的依据是：物料衡算、热量衡算和传热速率方程。
（6-2）
第二节单效蒸发
式中
Q——蒸发器的热负荷或传热量，kJ/h ； D——加热蒸气消耗量，kg/h； Cp0——原料液比热容，kJ/(㎏·℃)； t0——原料液的温度，℃；

化工原理第六章蒸发

件
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主题
西
安 1、溶液沸点升高――杜林规则
交大
’：与溶液的种类、浓度、蒸汽压
化
力有关
工 (1)手册上可以查到常压下的溶液沸点
原 (2)杜林规则：（压强影响）
理
电子课
tA tw

t
0 A
tw0

K
件
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主题
西
安两种不同压力下溶液的沸点差与另交一种标准液体在相应压力下的沸点差的大比值为常数。
西
安
交
大化
化工原理第六章蒸发
工
原
理
电
子
课
件
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主题
西
第一节概述
安
交一、蒸发的概念：
大化工
挥发性溶剂，不挥发溶质――加热、沸腾－→ 溶剂部分汽化；溶液浓缩
原
热量供给→汽化→热量衡算传热
理特
速率
电子
点蒸汽移出→浓缩→物料衡算
方程
课
沸腾现象溶液→沸点升高
件
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任务：(1)计算水分蒸发量（二次蒸汽量）
W kg/h
子
(2) 加热蒸汽消耗量D kg/h
课
(3)蒸发器传热面积S
件
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主题
西
安
交
一、单效蒸发器的计算
大
化
物料衡算
工
热量衡算
原
理
传热速率方程
电
沸点升高关系式
子
课
件

化工原理讲稿8(第六章)(天大版).

九、塔高与塔径的计算（一）塔板效率
指反映实际塔板的气液两相传质的完善程度；表示方法有总板效率、单板效率等； 1.总板效率（又称全塔效率）ET 指达到指定分离效果所需理论板层数与实际塔板层数的比值；
ET

NT Np
100%

理论板数实际板数

Np

NT ET
NT：不包括塔釜再沸器，再沸器相当一块理论板；
问：（1）此时产品组成将有何变化？（2）若维持xD不变，可采用哪些措施，并比较这些方法的优缺点？
十二、特殊精馏 1.恒沸精馏
原理：在混合液中加入第三组分（称为挟带剂）形成新的最低恒沸物；
2.萃取精馏原理：向混合液中加入溶剂(又称萃取剂)，萃取剂
不与原料液中任何组分形成恒沸物；
P73页习题15、16；
xF 对xD, xW 的影响
b. 加料板位置上移
结论：xD , xW
加料板位置对xD, xW 的影响
c. R 结论：xD , xW
R 对xD, xW 的影响
d. q , R 不变， D不变， V’ 结论：xD , xW
q 对xD, xW 的影响
十一、精馏装置的热量恒算

xn1 xn xn1 f '( yn )

xn1 xn

xn1 f '( xn1 )
习题16
1.y1 xD
F L'
2.

D

V
'

L
'
x1

V
'
yW
WxW
3.yW

1
xW ( 1)xW

化工原理-6章蒸馏

1 yA 1 xA
y x 1 ( 1)x
——相平衡方程
当 α为已知时，可用相对挥发度表示了气液相平衡关系。
当 1 当 1
y=x, 即相平衡时气相的组成与液相的组成相同，不能用蒸馏方法分离。
则y>x,α愈大，y比x大的愈多，组分A和B愈易分离。
三、双组分理想溶液的气液平衡相图
双组分理想溶液的汽液平衡关系用相图表示比较直观、清晰，而且影响蒸馏的因素可在相图上直接反映出来。蒸馏中常用的相图为恒压下的温度-组成（ t-x-y ）图和气相-液相组成（ x-y ）图。
当生产任务要求将一定数量和组成的原料分离成指定组成的产品时，精馏塔计算的内容有：出液和塔釜残液的流量、塔板数、进料口位置、塔高、塔径等。
6.4.1 全塔物料衡算
1．全塔物料衡算
单位时间为基准
总物料衡算： qn,F=qn,D+qn,W 易挥发组分物料衡算：
qn,FxF=qn,DxD+qn,WxW qn,F、qn,D、qn,W——流量，kmol/h
二、蒸馏的分类
1、按蒸馏方法：简单蒸馏、平衡蒸馏(闪蒸)、精馏、特殊精馏。 2、按操作压力：常压；减压；加压。 3、按原料液组分数：双组分蒸馏和多组分蒸馏 4、按操作方式：间歇蒸馏和连续蒸馏。
三、蒸馏操作的特点
优点：* 适用面广，液体混合物和气体混合物均可 * 操作流程较简单，无需其他外加介质
缺点：* 能耗大
一、利用饱和蒸气压计算气液平衡关系
法国物理学家拉乌尔在1887年研究含有非挥发性溶质的稀溶液的行为时发现的，可表述为：“在某一温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数”。
PA PA0 xA ——拉乌尔定律
pA0——纯组分A在溶液温度下的饱和蒸气压，Pa； xA——溶液中组分A的摩尔分数；

化工原理第六章吸收

由 y * mx得,
Y* mX 1 Y * 1 X
*
mX Y 1 (1 m)X
当溶液浓度很低时，X≈0，分母约等于1. 上式简化为：
Y mX
*
亨利定律的几种表达形式也可改写为
P * x , c HP E y Y * ℃ 下，测得氨在水中的平衡数据为： 0.5gNH3/100gH2O浓度为的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系
——逆流吸收塔操作线方程
在m—n截面与塔顶截面之间作组分A的衡算
VY LX 2 VY2 LX
L L Y X (Y2 X 2 ) V V
——逆流吸收塔操作线方程
表明：塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度X之间成直线关系，直线的斜率为L/V。
吸收操作线总是位于平衡线的上方，
s
EM s
1000 7.32 104 kmol / m3 Pa 7.59 10 4 18
E 7.59 10 4 m 3 0.749 P 101.33 10
三、用气液平衡关系分析吸收过程
1、判断过程的方向
例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的气液相平衡关系为：
L L Y1 X 1 Y2 X 2 V V
吸收率 A 混合气中溶质A 被吸收的百分率
Y2 Y1 (1 A )
2、吸收塔的操作线方程式与操作线
在 m—n截面与塔底截面之间作组分A的衡算
VY LX1 VY1 LX
L L Y X (Y1 X 1 ) V V
操作线位于平衡线下方，则应进行脱吸过程。
并流吸收塔的操作线：

化工原理讲稿8(第六章)(天大版)

对全回流操作： y n +1 = x n、 y n = x n −1 y n − y n +1 x n −1 − x n E mV = y * − y = f ( x ) − x n n +1 n n 则： x n −1 − x n E = x n −1 − x n = x n −1 − x n = mL x n −1 − x n * x n −1 − f '( y n ) x n −1 − f '( x n −1 )
习题16 习题
1. y1 = xD F = L ' ⇒ L ' x1 = V ' yW + WxW 2. D = V ' α xW 3. yW = 1 + (α − 1) xW 4.EmV y1 − yW = y1 * − yW
设： F = 1kmol / h Dx D x F − xW x D 0.2 − xW 0.28 η D = 0.8 = = = ⇒ xW = 0.0857 Fx F x D − xW x F 0.28 − xW 0.2 D = 0.57 kmol / h、 W = 0.43kmol / h F = L ' F W ⇒ L ' x1 = V ' y W + Wx W ⇒ y W = x1 − xW D D D = V ' 1 0.43 ⇒ 0.206 = x1 − × 0.094 ⇒ x1 = 0.158 0.57 0.57 y1 = x D = 0.28 y1 − y W α xW 2.5 × 0.094 = = 0.206 由于： E mV = 其中： yW = y1 * − y W 1 + (α − 1) xW 1 + 1.5 × 0.094 α x1 2.5 × 0.158 = = 0.319 y1 * = 1 + (α − 1) x1 1 + 1.5 × 0.158 0.28 − 0.206 E mV = = 0655 0.319 − 0.206

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2016/1/24
2.1.2、亨利定律
1、亨利定律
p Ex
*
E——亨利常数，单位与压强单位一致。
*1 E值取决于物系的特性及温度；温度T上升，E值增大E值越大的气体越难溶，即Ｅ＝f(t. p). t↑E↑溶解度↓难溶．
*2总压不太高，稀溶液时Ｅ可视为常数
2016用溶质A的摩尔浓度和气相分压表示的亨利定律
实际组成y和x，在x-y坐标
图中确定状态点，若点在平衡曲线上方，则发生吸收过程；若点在平衡曲线下方，则发生解吸过程。
2016/1/24
2、计算过程的推动力
当气液相的组成均用摩尔分数表示时，吸收的推动力可表示为：
y y *：以气相组成差表示的吸收推动力；
x * x：以液相组成差表示的吸收推动力。
H
s
EM s
1000 4 3 7 . 32 10 kmol / m Pa 4 7.59 10 18
E 7.59 10 4 m 3 0.749 P 101.33 10
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２．１．３．吸收剂的选择
1．溶解度 2．选择性对溶质组分有较大的溶解度对溶质组分有良好的选择性，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微， 3．挥发性应不易挥发 4．粘性粘度要低 5．其它无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易得，并具有化学稳定性等要求。
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1000kg/m3）
解：
* p 由亨利定律表达式知：E x
0.5 / 17 x 0.00527 0.5 / 17 100 / 18
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∴亨利系数为 E
p 400 7.59 10 4 Pa x 0.00527 400 p * * 0.00395 又 y mx，而 y 5 P 1.01 10
∴氨从气相转入液相，发生吸收过程。
若含氨0.02摩尔分数的混合气和 x=0.05的氨水接触，则
x * y / 0.94 0.02 / 0.94 0.021
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x 0.05 x* 0.021
气液相接触时，氨由液相转入气相，发生解吸过程。此外，用气液相平衡曲线图也可判断两相接触时的传质方向具体方法：已知相互接触的气液相的
c p H
*
H——溶解度系数，单位：kmol/m3· Pa或kmol/m3· atm。
H是温度的函数，H值随温度升高而减小。
易溶气体H值大，难溶气体H值小。即t↓H↑易溶，浓度为 C总kmol / m ，则设溶液的密度为 kg / m 3
3
H与E的关系
C总

M
M M A x A M S xS
*
P * x , c HP E y Y * * x , X m m
*
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例：在常压及20℃下，测得氨在水中的平衡数据为： 0.5gNH3/100gH2O浓度为的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系
数 E，溶解度系数 H，及相平衡常数 m。（氨水密度可取为
A A+B （气体）
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S （液体）
２．１．４、用气液平衡关系分析吸收过程
1、判断过程的方向
例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的气液相平衡关系为：
y* 0.94 x ，若含氨0.094摩尔分数的混合气和组成 x A 0.05
的氨水接触,确定过程的方向。解：用相平衡关系确定与实际气相组成 y 0.094 成平衡的液相组成
3、确定过程的极限
所谓过程的极限是指两相充分接触后，各相组成变化的最大可能性。
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增加塔高组成为y1的混合气塔底 x1增加减少吸收剂用量
极限
组成为： x1 max
x1*
y1 m
塔顶y2降低极限
组成为y1的混合气
增加塔高增加吸收剂用量
*
组成为：y
2 min
y2 mx2
m与E的关系：由分压定律知： p P y
p y* P
由亨利定律： p * E x
E y x P

即：
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E m P
3）用摩尔比Y和X分别表示气液两相组成的亨利定律
a) 摩尔比定义：
液相中溶质的摩尔数 x X 液相中溶剂的摩尔数 1 x
第2章吸收
2.1.1、气体的溶解度
2.1.2、亨利定律
2.1.3 吸收剂的选择
气液相平衡
2.1.4、用气液平衡关系分析吸收过程
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2.1.1、气体的溶解度
1、气体在液体中溶解度的概念
气体在液相中的溶解度：气体在液体中的饱和浓度 C
表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。
* A
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对于稀溶液， M
M S , S
H
C总 E

s
MsE
*
2) 气液相中溶质的摩尔分数表示的亨利定律
y mx
m——相平衡常数，是温度和压强的函数。m＝f(t. p). 温度升高、总压下降则m值变大， m值越大，表明气体的溶解度越小。即t↑P↓m↑，难溶
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2、溶解度曲线
对于单组分物理吸收，由相律知
f c 2 3 2 2 3
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2016/1/24
2016/1/24
2016/1/24
•吸收剂、温度T、P 一定时，不同物质的溶解度不同。
•温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物质越难溶。
•对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。 •对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。 •加压和降温对吸收操作有利。
∴相平衡常数 m 0.00395 0.75 0.00527
c p H
*
0.5 / 17 3 c 0 . 293 kmol / m 0.5 100 1000
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∴溶解度系数为：
0.293 H 7.33 10 4 kmol / m3 Pa 400
或由各系数间的关系求出其它系数
气相中溶质的摩尔数 y Y 气相中惰性组分的摩尔数 1 y
X Y x ,y 1 X 1 Y
由 y * mx得,
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Y* mx * 1 x 1 Y
mx Y 1 (1 m) x
*
当溶液浓度很低时，X≈0，上式简化为：
Y mX
亨利定律的几种表达形式也可改写为
x y / 0.94 0.1
*
2016/1/24
将其与实际组成比较： x 0.05 x* 0.1 ∴气液相接触时，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。或者利用相平衡关系确定与实际液相组成成平衡的气相组成
y * 0.94 x 0.94 0.05 0.047
将其与实际组成比较：y 0.094 y * 0.047