化工原理基本概念和原理-

化工原理基本概念和原理蒸馏––––基本概念和基本原理利用各组分挥发度不同将液体混合物部分汽化而使混合物得到分离的单元操作称为蒸馏。这种分离操作是通过液相和气相之间的质量传递过程来实现的。对于均相物系，必须造成一个两相物系才能将均相混合物分离。蒸馏操作采用改变状态参数的办法（如加热和冷却）使混合物系内部产生出第二个物相（气相）；吸收操作中则采用从外界引入另一相物质（吸收剂）的办法形成两相系统。一、两组分溶液的气液平衡1．拉乌尔定律理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律：pA=pA0xApB=pB0xB=pB0（1—xA）根据道尔顿分压定律：pA=PyA而P=pA+pB则两组分理想物系的气液相平衡关系：xA=（P—pB0）/（pA0—pB0）———泡点方程yA=pA0xA/P———露点方程对于任一理想溶液，利用一定温度下纯组分饱和蒸汽压数据可求得平衡的气液相组成；反之，已知一相组成，可求得与之平衡的另一相组成和温度（试差法）。2．用相对挥发度表示气液平衡关系溶液中各组分的挥发度v可用它在蒸汽中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分率来表示，即vA=pA/xAvB=pB/xB溶液中易挥发组分的挥发度对难挥发组分的挥发度之比为相对挥发度。其表达式有：α=vA/vB=（pA/xA）/（pB/xB）=yAxB/yBxA对于理想溶液：α=pA0/pB0气液平衡方程：y=αx/[1+（α—1）x]Α值的大小可用来判断蒸馏分离的难易程度。α愈大，挥发度差异愈大，分离愈易；α=1时不能用普通精馏方法分离。3．气液平衡相图（1）温度—组成（t-x-y）图该图由饱和蒸汽线（露点线）、饱和液体线（泡点线）组成，饱和液体线以下区域为液相区，饱和蒸汽线上方区域为过热蒸汽区，两曲线之间区域为气液共存区。气液两相呈平衡状态时，气液两相温度相同，但气相组成大于液相组成；若气液两相组成相同，则气相露点温度大于液相泡点温度。（2）x-y图x-y图表示液相组成x与之平衡的气相组成y之间的关系曲线图，平衡线位于对角线的上方。平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。总压对平衡曲线影响不大。二、精馏原理精馏过程是利用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理进行的，精馏操作的依据是混合物中各组分挥发度的差异，实现精馏操作的必要条件包括塔顶液相回流和塔底产生上升蒸汽。精馏塔中各级易挥发组分浓度由上至下逐级降低；精馏塔的塔顶温度总是低于塔底温度，原因之一是：塔顶易挥发组分浓度高于塔底，相应沸点较低；原因之二是：存在压降使塔底压力高于塔顶，塔底沸点较高。当塔板中离开的气相与液相之间达到相平衡时，该塔板称为理论板。精馏过程中，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顶液相产品及保证由适宜的液相回流。三、两组分连续精馏的计算1．全塔物料衡算总物料衡算：F=D+W易挥发组分：FxF=DxD+WxW塔顶易挥发组分回收率：ηD=（DxD/FxF）x100%塔底难挥发组分回收率：ηW=[W（1-xW）/F（1-xF）]x100%2．精馏段物料衡算和操作线方程总物料衡算：V=L+D易挥发组分：Vyn+1=Lxn+DxD操作线方程：yn+1=（L/V）xn+（D/V）xD=[R/（R+1）]xn+[1/（R+1）]xD其中：R=L/D——回流比上式表示在一定操作条件下，精馏段内自任意第n层板下降的液相组成xn与其相邻的下一层板（第n+1层板）上升蒸汽相组成yn+1之间的关系。在x—y坐标上为直线，斜率为R/R+1，截距为xD/R+1。3．提馏段物料衡算和操作线方程总物料衡算：L`=V`+W易挥发组分：L`xm`=V`ym+1`+WxW操作线方程：ym+1`=（L`/V`）xm`—（W/V`）xW上式表示在一定操作条件下，提馏段内自任意第m层板下降的液相组成xm`与其相邻的下一层板（第m+1层板）上升蒸汽相组成ym+1`之间的关系。L`除与L有关外，还受进料量和进料热状况的影响。四、进料热状况参数实际操作中，加入精馏塔的原料液可能有五种热状况：（1）温度低于泡点的冷液体；（2）泡点下的饱和液体；（3）温度介于泡点和露点的气液混合物；（4）露点下的饱和蒸汽；（5）温度高于露点的过热蒸汽。不同进料热状况下的q值进料热状况冷液体饱和液体气液混合物饱和蒸汽过热蒸汽q值110~100对于饱和液体、气液混合物和饱和蒸汽进料而言，q值等于进料中的液相分率。L`=L+qFV=V`—（q—1）Fq线方程（进料方程）为：y=[q/（q—1）]x—xF/（q—1）上式表示两操作线交点的轨迹方程。塔底再沸器相当于一层理论板（气液两相平衡），塔顶采用分凝器时，分凝器相当于一层理论板。由于冷液进料时提馏段内循环量增大，分离程度提高，冷液进料较气液混合物进料所需理论板数为少。五、回流比及其选择（1）全回流R=L/D=∞，操作线与对角线重合，操作线方程yn=xn-1，达到给定分离程度所需理论板层数最少为Nmin。（2）最小回流比当回流比逐渐减小时，精馏段操作线截距随之逐渐增大，两操作线位置将向平衡线靠近，为达到相同分离程度所需理论板层数亦逐渐增多。达到恒浓区（夹紧区）回流比最小，所需理论板无穷多。I．正常平衡线Rmin=（xD—yq）/（yq—xq）饱和液体进料时：xq=xF饱和蒸汽进料时：yq=yFII．不正常平衡线由a（xD，yD）或c（xW，yW）点向平衡线作切线，由切线斜率或截距求Rmin。（3）适宜回流比R=（1.1~2）Rmin精馏设计中，当回流比增大时所需理论板数减少，同时蒸馏釜中所需加热蒸汽消耗量增加，塔顶冷凝器中冷却介质消耗量增加，操作费用相应增加，所需塔径增大。精馏操作时，若F、D、xF、q、R、加料板位置都不变，将塔顶泡点回流改为冷回流，则塔顶产品组成xD变大。精馏设计中，回流比愈大，操作能耗愈大，随着回流比逐渐增大，操作费和设备费的总和将呈现先减小后增大的过程。六、板效率和实际塔板数1．单板效率（默弗里效率）EmV=（yn—yn+1）/（yn*—yn+1）EmL=（xn-1—xn）/（xn-1—xn*）2．全塔效率E=（NT/NP）x100%精馏塔中第n-1,n,n+1块理论板，yn+1yn，tn-1tn，ynxn-1。精馏塔中第n-1,n,n+1块实际板，xn*xn，yn*yn。如板式塔设计不合理或操作不当，可能产生液泛、漏液、及雾沫夹带等不正常现象，使塔无法正常工作。负荷性能图有五条线，分别是雾沫夹带、液泛、漏液、液相负荷上限和液相负荷下限。吸收––––基本概念和基本原理利用各组分溶解度不同而分离气体混合物的单元操作称为吸收。混合气体中能够溶解的组分称为吸收质或溶质（A）；不被吸收的组分称为惰性组分或载体（B）；吸收操作所用的溶剂称为吸收剂（S）；吸收所得溶液为吸收液（S+A）；吸收塔排出的气体为吸收尾气。当气相中溶质的的实际分压高于与液相成平衡的溶质分压时，溶质从气相向液相转移，发生吸收过程；反之当气相中溶质的的实际分压低于与液相成平衡的溶质分压时，溶质从液相向气相转移，发生脱吸（解吸）过程。一、气–液相平衡–––––––传质方向与传质极限平衡状态下气相中溶质分压称为平衡分压或饱和分压，液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度––––––溶解度。对于同一种溶质，溶解度随温度的升高而减小，加压和降温对吸收操作有利，升温和减压有利于脱吸操作。亨利定律：p*=Ex––––E为亨利系数，单位为压强单位，随温度升高而增大，难溶气体（稀溶液）E很大，易溶气体E很小。对理想溶液E为吸收质的饱和蒸气压。p*=c/H–––H为溶解度系数，单位：kmol/(kN·m)，H=ρ/(EMs)，随温度升高而减小，难溶气体H很小，易溶气体H很大。y*=mx––––m相平衡常数，无因次，m=E/P，m值愈大，气体溶解度愈小；m随温度升高而增加，随压力增加而减小。Y*=mX–––当溶液浓度很低时大多采用该式计算。X=x/(1-x);Y=y/(1-y);x,y––––摩尔分率，X,Y––––摩尔比浓度二、传质理论––––传质速率分子扩散–––凭借流体分子无规则热运动传递物质的现象。推动力为浓度差，由菲克定律描述：JA=–DAB(dCA)/(dz)JA––扩散通量，kmol/(m2·s)DAB––扩散系数涡流扩散–––凭借流体质点的湍动和旋涡传递物质的现象。等分子反向扩散传质速率：气相内NA=D(pA1–pA2)/RTz液相内NA=D’(cA1–cA2)/z单相扩散传质速率：气相内NA=JA+NcA/C=D(pA–pAi)/RTz·(P/pBm)=kG(pA–pAi)液相内NA=D’(cAi–cA)/z·(C/cSm)=kL(cAi–cA)其中P/pBm1为漂流因数，反映总体流动对传质速率的影响。pBm=(pB2–pB1)/ln(pB2/pB1)一般而言，双组分等分子反向扩散体现在精馏单元操作中，而一组分通过另一组分的单相扩散体现在吸收单元操作中。气相中，温度升高物质的扩散系数增大，压强升高则扩散系数降低；液相中粘度增加扩散系数降低。在传质理论中有代表性的三个模型分别为双膜理论、溶质渗透理论和表面更新理论。传质速率方程––––传质速率=传质推动力/传质阻力N=kG(p–pi)=kL(ci–c)=ky(y-yi)=kx(xi–x)N=KG(p–p*)=KL(c*–c)=KY(Y-Y*)=KX(X*–X)注意传质系数与推动力相对应，即传质系数与推动力的范围一致，传质系数的单位与推动力的单位一致。吸收系数之间的关系：1/KG=1/kG+1/HkL1/KL=1/kL+H/kG1/KY=1/ky+m/kx1/KX=1/kx+1/mkyky=PkGkx=CkLKY≈PKGKX≈CKL气膜控制与液膜控制的概念对于易溶气体，H很大，传质阻力绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略，此时KG≈kG，这种情况称为“气膜控制”；反之，对于难溶气体，H很小，传质阻力绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略，此时KL≈kL，这种情况称为“液膜控制”。三、物料衡算––––操作线方程与液气比全塔物料衡算：V(Y1–Y2)=L(X1–X2)逆流操作吸收操作线方程：Y=LX/V+(Y1–LX1/V)1––塔底，2––塔顶吸收操作时塔内任一截面上溶质在气相中的实际分压总是高于与其接触的液相平衡分压，所以吸收操作线总是位于平衡线的上方。最小液气比：（L/V）min=(Y1–Y2)/(X1*–X2)液气比即操作线的斜率若平衡关系符合亨利定律，则（L/V）min=(Y1–Y2)/(Y1/m–X2)溶剂改性改变平衡关系降低温度增加传质推动力提高压力提高吸收效率的途径增加液气比减小传质阻力采用新型填料改变操作条件增加吸收剂用量，操作线斜率增大，操作线向远离平衡线的方向偏移，吸收过程推动力增大，设备费用减少。四、填料层高度计算气液相平衡、传质速率和物料衡算相结合取微元物料衡算求得填料层高度。填料层高度=传质单元高度×传质单元数即z=HOG×NOG=HOL×NOL=HG×NG=HL×NLNOG–––气相总传质单元数（气体流经一段填料后其组成变化等于该段填料的总的平均推动力则为一个传质单元）HOG–––气相总传质单元高度（一个传质单元所对应的填料高度）1．平均推动力法（适合平衡线为直线）：z=HOG×NOG=(V/KyaΩ)·(Y1–Y2)/ΔYm=(L/KxaΩ)·(X1–X2)/ΔXm对数平均推动力ΔYm=(ΔY1–ΔY2)/ln(ΔY1/ΔY2)当ΔY1/ΔY22时，可用算术平均推动力ΔYm=(ΔY1+ΔY2)/22．脱吸因数法（平衡线为直线）：NOG=(1/S)·ln[(1–S)·(Y1–Y2*)/(Y2–Y2*)+S]S––––脱吸因数，平衡线与操作线斜率之比（mV/L），反映吸收推动力的大小。S增大，液气比减小，吸收推动力变小，NOG增大气体吸收中，表示设备（填料）效能高低的一个量是传质单元高度，表示传质任务难易程度的一个量是传质单元数。干燥––––基本概念和基本原理同一物料，如恒速段的干燥速率增加，则临界含水量增大，物料平衡水分随温度升