化工原理天大下册第一部分

《化工原理》（下册）制作人：贾绍义第七章传质与分离过程概论6第八章气体吸收12第九章蒸馏16第十章液-液萃取和液-固浸取6第十一章固体物料的干燥8第十二章其他分离方法2学时安排总学时56授课50期中考试2习题课4教材柴诚敬主编普通高等教育“十五”国家级规划教材化工原理（下册）北京:高等教育出版社2006年1月（第一版）(1)贾绍义,柴诚敬.化工传质与分离过程.第二版北京:化学工业出版社,2007(2)夏清，陈常贵.化工原理，下册.天津:天津大学出版社,2005(3)W.L.McCabe,J.C.Smith.UnitOperationsofChemicalEngineering,6thed.NewYork:McGraw.HillInc.,2001参考教材网络课程辅助教学《化工原理及实验》网络课程网址：202.113.179.181网络课程站点《化工原理及实验》网络课程虚拟课堂演示实验图片汇总动画汇总思考题汇总作业汇总讨论与答疑网上自测教师主页附件下载网络课程辅助教学通过本章学习，应掌握传质与分离过程的基本概念和传质过程的基本计算方法，为以后各章传质单元操作过程的学习奠定基础。学习目的与要求第七章传质与分离过程概论7.1概述7.1.1传质分离过程第七章传质与分离过程概论原料反应产物目的产物副产物分离过程反应过程一、分离过程在化工中的应用示例：三氯甲烷的制备。示例：炼油过程。原料目的产物副产物分离过程二、相际传质过程与分离分离过程非均相物系分离均相物系分离可通过机械方法分离，易实现分离。不能通过简单的机械方法分离，需通过某种物理（或化学）过程实现分离，难实现分离。例气－固分离：沉降液－固分离：过滤均相物系的分离方法均相物系某种过程两相物系根据不同组分在各相中物性的差异，使某组分从一相向另一相转移：相际传质过程实现均相物系的分离相际传质过程均相物系分离二、相际传质过程与分离空气＋氨水空气氨水示例：空气和氨分离吸收塔二、相际传质过程与分离三、传质分离方法1.平衡分离过程（1）气液传质过程气液传质过程是指物质在气、液两相间的转移，它主要包括气体的吸收（或脱吸）、气体的增湿（或减湿）等单元操作过程。吸收（脱吸）增湿（减湿）（2）汽液传质过程汽液传质过程是指物质在汽、液两相间的转移，该汽相是由液相经过汽化而得，它主要包括蒸馏（或精馏）单元操作过程。蒸馏（精馏）三、传质分离方法（3）液液传质过程液液传质过程是指物质在两个不互溶的液相间的转移，它主要包括液体的萃取等单元操作过程。萃取三、传质分离方法（4）液固传质过程液固传质过程是指物质在液、固两相间的转移，它主要包括结晶（或溶解）、液体吸附（或脱附）、浸取等单元操作过程。结晶（溶解）吸附（脱附）浸取三、传质分离方法（5）气固传质过程气固传质过程是指物质在气、固两相间的转移，它主要包括气体吸附（或脱附）、固体干燥等单元操作过程。干燥吸附（脱附）三、传质分离方法平衡常数（分配系数）iiixyK/分配因子jiijKK/通常将K值大的当作分子，故一般大于1。当偏离1时，便可采用平衡分离过程使均相混合物得以分离，越大越容易分离。xi、yi分别表示组分在两相中的组成三、传质分离方法2.速率分离过程（1）膜分离膜分离是指在选择性透过膜中，利用各组分扩散速度的差异，而实现混合物分离的单元操作过程。膜分离超滤反渗透渗析点渗析三、传质分离方法（2）场分离场分离是指在外场（电场、磁场等）作用下，利用各组分扩散速度的差异，而实现混合物分离的单元操作过程。场分离电泳热扩散高梯度磁场分离三、传质分离方法三、传质分离方法磁化精馏实验装置钕铁硼永磁场3.分离方法的选择分离方法选择的原则三、传质分离方法被分离物系的相态被分离物系的特性产品的质量要求经济程度7.1概述7.1.1传质分离过程第七章传质与分离过程概论7.1.2相组成的表示方法一、质量浓度与物质的量浓度1.质量浓度质量浓度定义式VAmA混合物的总质量浓度Nii1总kg/m3密度2.物质的量浓度混合物的总物质的量浓度Niicc1总VnAAckmol/m3一、质量浓度与物质的量浓度物质的量浓度定义式质量浓度与物质的量浓度的关系AAAMcMc总总iiMxM平均摩尔质量一、质量浓度与物质的量浓度1.质量分数质量分数定义式mmAAw混合物的总质量分数Niiw11二、质量分数与摩尔分数2.摩尔分数nnxAA混合物的总摩尔分数11iNixnnyAA11iNiy液相气相二、质量分数与摩尔分数摩尔分数定义式质量分数与摩尔分数的关系iiNiAAAMwMwx//1iiNiAAAMxMxw1由质量分数求摩尔分数由摩尔分数求质量分数二、质量分数与摩尔分数1.质量比质量比的定义式AAAmmmX质量比与质量分数的关系AAAwwX1三、质量比与摩尔比AAAXXw1摩尔比的定义式AAAnnnXAAAnnnY摩尔比与摩尔分数的关系AAAxxX1AAAXXx1液相气相三、质量比与摩尔比2.摩尔比练习题目思考题作业题:1、21.传质分离过程有哪些类型?2.何为相平衡常数和分离因子?3.选择分离方法应主要考虑哪些因素?4.相组成有哪些表示方法，引出质量比和摩尔比有何意义?7.1概述第七章传质与分离过程概论7.2.1分子传质（扩散）7.2质量传递的方式与描述一、分子扩散现象与费克定律1.分子扩散现象由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象—分子传质。分子传质又称为分子扩散，简称为扩散分子传质在气相、液相和固相中均能发生播放动画31：分子扩散现象描述分子扩散过程的基本定律—费克第一定律。dzdcDJAABAkmol/(m2·s)费克第一定律DAB—组分A在组分B中的扩散系数，m2/s一、分子扩散现象与费克定律2.费克(Fick)定律dzdcDJBBAB及DBA—组分B在组分A中的扩散系数，m2/s0dzdcdzdcBA常数总BAccc对于两组分扩散系统BAABDD一、分子扩散现象与费克定律微分得故此得0BAJJJ3.总体流动现象示例：用水吸收空气中的氨一、分子扩散现象与费克定律设由A、B组成的二元气体混合物，其中A为溶质，可溶解于液体中，而B不能在液体中溶解。这样，组分A可以通过气液相界面进入液相，而组分B不能进入液相。由于A分子不断通过相界面进入液相，在相界面的气相一侧会留下“空穴”。根据流体连续性原则，混合气体会自动地向界面递补，这样就发生了A、B两种分子并行向相界面递补的运动，这种递补运动就形成了混合物的总体流动。相界面气相（A＋B）液相SANAJBJ主体流动0BNANyBNymuAAANyJN0BBNyJNBBBNyJ一、分子扩散现象与费克定律二、气体中的稳态分子扩散设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A、B进行反方向扩散，若二者扩散的通量相等，则称为等分子反方向扩散。1.等分子反方向扩散气相相界面－－－－－－－－－－－液相易挥发组分NANB难挥发组分蒸馏操作对于等分子反方向扩散dzdcDJNAABAANA=－NB二、气体中的稳态分子扩散因此得N=NA+NB=0故此得等分子反方向扩散(1)z=z1边界条件cA=cA1(pA=pA1）(2)z=z2cA=cA2(pA=pA2）二、气体中的稳态分子扩散求解得)(21AAABAAcczDJN12zzz当扩散系统处于低压时，气相可按理想气体混合物处理，则RTAApc)(21AAABAAppzRTDJN二、气体中的稳态分子扩散据此得设由A、B两组分组成的二元混合物中，组分A为扩散组分，组分B为不扩散组分（称为停滞组分），组分A通过停滞组分B进行扩散。吸收操作液相相界面－－－－－－－－－－－－－气相溶质NANB＝0惰性组分B2.一组分通过另一停滞组分的扩散二、气体中的稳态分子扩散对于组分A通过停滞组B的扩散AAAABAAAABANccdzdcDNydzdcDN总NB=0整理得dzdccccDNAAABA总总二、气体中的稳态分子扩散N=NA+NB=NA(1)z=z1边界条件cA=cA1(pA=pA1）(2)z=z2cA=cA2(pA=pA2）二、气体中的稳态分子扩散一组分通过另一停滞组分的扩散二、气体中的稳态分子扩散求解可得12lnAAABAcccczcDN总总总12lnAAABAppppzRTpDN总总总或由于扩散过程中总压不变22ABppp总11ABppp总2112AABBpppp121221lnBBBBAAABAppppppzRTpDN总二、气体中的稳态分子扩散令1212lnBBBBBMppppp)(21AABMABAppzpRTpDN总据此得组分B的对数平均分压二、气体中的稳态分子扩散比较—反映了总体流动对传质速率的影响)(21AAABAppzRTDN)(21AABMABAppzpRTpDN总相差BMpp/总BMpp/总飘流因数二、气体中的稳态分子扩散1/BMpp总BMpp总因为故1/BMpp总AAJNBMpp/总～AN～总体流动影响无总体流动二、气体中的稳态分子扩散三、液体中的稳态分子扩散1.等分子反方向扩散)(21AAABAcczDN参照气体中的等分子反方向扩散过程，可写出12zzz—组分A在溶剂B中的扩散系数，m2/sABD三、液体中的稳态分子扩散)(21AABMABAcczccDN总参照气体中的一组分通过另一停滞组分的扩散过程，可写出2.一组分通过另一停滞组分的扩散或)(21AABMABAxxzxcDN总三、液体中的稳态分子扩散12ln12BBBMcccccBB其中12ln12BBBMxxxxxBB停滞组分B对数平均物质的量浓度停滞组分B对数平均摩尔分数四、扩散系数1.气体中的扩散系数通常，扩散系数与系统的温度、压力、浓度以及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关，只是温度及压力的函数。气体扩散系数可从有关资料中查得，某些双组分气体混合物的扩散系数列于附录一中。气体中的扩散系数，其值一般在m2/s范围内。54101~101四、扩散系数估算气体扩散系数经验公式23/13/12/175.15])()[()11(10013.1BABAABvvpMMTD总福勒公式BAMM、—组分A、B的摩尔质量，kg/kmol；BAvv、—组分A、B的分子扩散体积，cm3/mol。四、扩散系数简单分子的扩散体积物质v/（cm3/mol）物质v/（cm3/mol）H27.07CO18.90D26.70CO226.90He2.88N2O35.90N217.90NH314.90O216.60H2O12.70air20.10（CCl2F2）114.80Ar16.10(SF6)69.70四、扩散系数原子的扩散体积元素/（cm3/mol）元素/（cm3/mol）C16.50(Cl)19.5H1.98(S)17.0O5.48芳香环–20.2(N)5.69杂环–20.2四、扩散系数由福勒公式可知，气体扩散系数与成正比、与成反比。根据该关系，可得75.1T总p75.112211AB2AB))((TTPPDD总，总，1ABD—、下的扩散系数，m2/s；1T1总，p2ABD—、下的扩散系数，m2/s。2T2总，p四、扩散系数2.液体中的扩散系数液体中溶质的扩散系数不仅与物系的种类、温度有关，而且随溶质的浓度而变。液体中的扩散系数可从有关资料中查得，某些低浓度下的二组元液体混合物的扩散系数列于附录一中。液体中的扩散系数，其值一般在m2/s范围内。109101~101四、扩散系数估算液体扩散系数经验公式威尔基公式BM—溶剂B的摩尔质量，kg/kmol；bAV—溶质在正常沸点下的分子体积，cm3/mol。6.0152/1)(104.7bABBABVTMDB—溶剂B的黏度，