化工原理第五章精选PPT.ppt

化工原理第五章第1页，此课件共49页哦5.1概述化工过程中步骤很多化工过程中步骤很多,这些步骤可分为两类这些步骤可分为两类:v以进行化学反应为主以进行化学反应为主,通常在反应器中进行通常在反应器中进行.v物理性操作物理性操作 单元操作单元操作第2页，此课件共49页哦单元操作单元操作 流体力学：沉降、过滤、离心分离等流体力学：沉降、过滤、离心分离等分离非均相混合物分离非均相混合物传热：传热：传质：吸收、脱吸、精馏、萃取、干燥、传质：吸收、脱吸、精馏、萃取、干燥、吸附、结晶等吸附、结晶等分离操作分离操作非均相混合物非均相混合物均相混合物均相混合物传质设备传质设备第3页，此课件共49页哦 一、化工生产中的传质过程一、化工生产中的传质过程 均相混合物的分离过程均相混合物的分离过程1.均相物系的分离均相物系的分离混合物可分为非均相物系和均相物系混合物可分为非均相物系和均相物系。非均相物系的分离前面已经讲过；非均相物系的分离前面已经讲过；均均相相物物系系的的分分离离条条件件是是必必须须造造成成一一个个两两相相物物系系，然然后后依依据据物物系系中中不不同同组组分分间间某某种种物物性性的的差差异异，使使其其中中某某个个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目的。组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目的。第4页，此课件共49页哦均相物系分离的特点均相物系分离的特点v引入第二个相，并使两组分在第二个相引入第二个相，并使两组分在第二个相中存在不均匀分配。中存在不均匀分配。v相际传质（物质从一相通过相界面进相际传质（物质从一相通过相界面进入另一相）入另一相）第5页，此课件共49页哦分离的目的：分离的目的：v 浓缩：除去溶剂；浓缩：除去溶剂；v 纯化：除去杂质；纯化：除去杂质；v分离：将混合物分成两种或多种目的产物；分离：将混合物分成两种或多种目的产物；v反应促进：把化学反应或生化反应的产物连反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，以提高反应速率。续取出，以提高反应速率。第6页，此课件共49页哦以相际传质为特征的单元操作以相际传质为特征的单元操作常见的有：常见的有：v吸收吸收气体混合物的分离。气体混合物的分离。物质由气相转入液相物质由气相转入液相气相气相B+A液相液相S+AAA脱吸脱吸吸收吸收逆过程逆过程脱吸脱吸第7页，此课件共49页哦v气体的减湿气体的减湿吸收的一种特殊情况。吸收的一种特殊情况。为水蒸气所饱和的气体与冷水接触，水蒸为水蒸气所饱和的气体与冷水接触，水蒸气则从气相转入液相，传质只在气相中进行。气则从气相转入液相，传质只在气相中进行。逆过程逆过程气相气相B+A液相（水相）液相（水相）A（水）（水）A减湿减湿增湿增湿A增湿增湿第8页，此课件共49页哦v液液萃取（萃取）液液萃取（萃取）混合液的分离，混合液的分离，物质从一液相转入另一液相物质从一液相转入另一液相液相液相B+A液相液相S+AA萃取萃取A萃取萃取逆过程逆过程萃取萃取第9页，此课件共49页哦v固液萃取（浸沥或浸取）固液萃取（浸沥或浸取）属多相系的分离属多相系的分离 物质固相表面或内部转入液相。物质固相表面或内部转入液相。固相固相B+A液相液相S+A浸沥浸沥A第10页，此课件共49页哦v结晶结晶溶质从液相趋附于溶质晶体的表面转溶质从液相趋附于溶质晶体的表面转为固相，使晶体长大。为固相，使晶体长大。溶解溶解液相液相S+A固相固相AA结晶结晶溶解溶解A逆过程逆过程第11页，此课件共49页哦v吸附吸附物质从气相或液相趋附于固体表面物质从气相或液相趋附于固体表面（多为多空性固体的内表面）（多为多空性固体的内表面）脱附脱附气相或液相气相或液相 B+A固相固相CA吸附吸附脱附脱附A逆过程逆过程第12页，此课件共49页哦v干燥干燥液体（水）经过汽化，从固体表面或液体（水）经过汽化，从固体表面或内部转入气相，属多相系分离内部转入气相，属多相系分离。固相固相B+A气相气相C+A干燥干燥A第13页，此课件共49页哦v精馏精馏液体混合物的分离液体混合物的分离不同物质在汽液两相间相互转移。不同物质在汽液两相间相互转移。液相液相A+B汽相汽相A+BAB精馏精馏第14页，此课件共49页哦3.相际传质与传热的相似和区别相际传质与传热的相似和区别相似：相似：区别：区别：传递量传递量极限极限（最终的平衡状态）（最终的平衡状态）推动力推动力传热传热热量热量Q热平衡热平衡 T=tt=T-t传质传质质量质量m相平衡相平衡C第15页，此课件共49页哦二、相组成的表示法二、相组成的表示法.质量分率和摩尔分率质量分率和摩尔分率质量分率质量分率ai：均相混合物中某组分质量占总质：均相混合物中某组分质量占总质量的分率或百分率。量的分率或百分率。ai 摩尔分率摩尔分率xi、yi：某组分摩尔数占总摩尔数的分：某组分摩尔数占总摩尔数的分率或百分率。率或百分率。xi yi 第16页，此课件共49页哦2.质量比和摩尔比：常用于双组分物系质量比和摩尔比：常用于双组分物系质量比质量比：a=m A/mB摩尔比摩尔比：X=n A/nB Y=n A/nB换算换算 a=a1-aa=a1+aX=x1-xX=X1+X第17页，此课件共49页哦3.浓度：单位体积中的物质量浓度：单位体积中的物质量质量浓度：质量浓度：cA=摩尔浓度：摩尔浓度：CA=(体积浓度）体积浓度）质量质量摩尔量摩尔量mAVnAVKg/m3Kmol/m3第18页，此课件共49页哦质量浓度与质量分率的关系：质量浓度与质量分率的关系：摩尔浓度与摩尔分率的关系：摩尔浓度与摩尔分率的关系：C混合物在液相中的总摩尔浓度，混合物在液相中的总摩尔浓度，kmol/m3；混合物液相的密度，混合物液相的密度，kg/m3。第19页，此课件共49页哦4 4气体总压与理想气体中组分的分压气体总压与理想气体中组分的分压总压与某组分的分压之间的关系总压与某组分的分压之间的关系:摩尔比与分压之间的关系摩尔比与分压之间的关系:摩尔浓度与分压之间的关系摩尔浓度与分压之间的关系:pA=PyA第20页，此课件共49页哦三、传质设备简介三、传质设备简介1.对传质设备的要求（设计原则）：对传质设备的要求（设计原则）：v给传质的两相（或多相）提供良好的接触机给传质的两相（或多相）提供良好的接触机会，包括增大相界面积和增强湍动程度。会，包括增大相界面积和增强湍动程度。v两相在接触后能分离完全。两相在接触后能分离完全。v结构简单、紧凑，操作便利，稳定，运转可结构简单、紧凑，操作便利，稳定，运转可靠，周期长，能量消耗小等。靠，周期长，能量消耗小等。第21页，此课件共49页哦2.填料塔和板式塔：填料塔和板式塔：v填料塔：填料塔：在填料塔内气液两相沿着塔高连续接触、传质，因而两在填料塔内气液两相沿着塔高连续接触、传质，因而两相的浓度也沿塔高连续变化。相的浓度也沿塔高连续变化。连续接触式传质设备连续接触式传质设备v板式塔：板式塔：在板式塔内气流与液流依次在各层塔板上接触、传质，在板式塔内气流与液流依次在各层塔板上接触、传质，其浓度沿塔高呈阶跃式变化。其浓度沿塔高呈阶跃式变化。逐级接触式传质设备逐级接触式传质设备第22页，此课件共49页哦第23页，此课件共49页哦5.2 蒸馏概述蒸馏概述1.蒸馏原理：蒸馏原理：蒸馏是蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度利用液体混合物中各组分挥发度的不同实现分离的单元操作的不同实现分离的单元操作.沸点低的组分称为易挥发组分，高的为沸点低的组分称为易挥发组分，高的为难挥发组分难挥发组分第24页，此课件共49页哦第25页，此课件共49页哦 2.蒸馏分离的特点蒸馏分离的特点蒸馏操作需要消耗大量的能量，流程简单蒸馏操作需要消耗大量的能量，流程简单 蒸蒸馏馏操操作作既既可可用用于于气气体体混混合合物物的的分分离离，也也可可用用于于液液体体混混合合物物甚甚至至是是固体混合物的分离固体混合物的分离蒸馏操作有时需要高压、高真空、高温或低温条件蒸馏操作有时需要高压、高真空、高温或低温条件第26页，此课件共49页哦 3.蒸馏过程的分类蒸馏过程的分类按生产方式分为间歇蒸馏和连续蒸馏按生产方式分为间歇蒸馏和连续蒸馏按蒸馏方式分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏按蒸馏方式分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏 和特殊精馏等和特殊精馏等按操作压强分为常压、减压、加压蒸馏按操作压强分为常压、减压、加压蒸馏按待分离混合物中组分数不同分为双组分按待分离混合物中组分数不同分为双组分 和多组分蒸馏和多组分蒸馏第27页，此课件共49页哦5.1双组分溶液的气液相平衡双组分溶液的气液相平衡 5.1.1 双组分理想物系的气液平衡双组分理想物系的气液平衡5.1.2 双组分非理想物系的气液平衡双组分非理想物系的气液平衡第28页，此课件共49页哦5.1 双组分溶液的气液平衡双组分溶液的气液平衡5.1.1 双组分理想物系的气液平衡双组分理想物系的气液平衡一、相律一、相律 在物理化学中，我们学习过相律，即：在物理化学中，我们学习过相律，即：式中式中F自由度数；自由度数；C 独立独立组组分数；分数；相数。相数。对双组分的气液相平衡，由相律知其自由度数为对双组分的气液相平衡，由相律知其自由度数为2。第29页，此课件共49页哦二、双组分理想物系的气液平衡函数关系二、双组分理想物系的气液平衡函数关系 所所谓谓理理想想物物系系，即即指指液液相相为为理理想想溶溶液液，遵遵循循拉拉乌乌尔尔定定律律；气气相相为为理理想想气气体体，遵遵循循道尔顿分压定律道尔顿分压定律。拉乌尔定律：拉乌尔定律：pA0、pB0为溶液温度下纯组分为溶液温度下纯组分A和和B的饱和蒸气压的饱和蒸气压可查有关手册或由下面安托因方程求得：可查有关手册或由下面安托因方程求得：第30页，此课件共49页哦 当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和：当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和：由式由式5-2和和5-4得：得：第31页，此课件共49页哦 相平衡常数相平衡常数 当总压不变时，相平衡常数当总压不变时，相平衡常数K并非常数，随温度变化并非常数，随温度变化第32页，此课件共49页哦三、双组分理想溶液的气液平衡相图三、双组分理想溶液的气液平衡相图 温度温度-组成（组成（t-x-y)图图 图图5-1 苯苯甲甲苯苯混混合合液液的的t-x-y图图第33页，此课件共49页哦1）t-x-y相图的说明相图的说明2）液体的加热过程）液体的加热过程 泡点泡点3）过热蒸汽的冷凝过程）过热蒸汽的冷凝过程 露点露点4）液体混合物的分离条件：）液体混合物的分离条件：部分汽化或部分冷凝部分汽化或部分冷凝5）二元理想溶液与纯液体的不同：）二元理想溶液与纯液体的不同：第34页，此课件共49页哦 x-y图图 图图5-2 苯苯甲甲苯苯混混合合液液的的x-y图图第35页，此课件共49页哦注意注意：上述的平衡曲线是在恒定的压强（总压为上述的平衡曲线是在恒定的压强（总压为1atm）下测得的。对同一物系而言，混合液的平衡温度愈高下测得的。对同一物系而言，混合液的平衡温度愈高，各组分间挥发度差异愈小，即相对挥发度，各组分间挥发度差异愈小，即相对挥发度愈小，愈小，因此蒸馏压强愈高，平衡温度随之升高，因此蒸馏压强愈高，平衡温度随之升高，减小，分减小，分离变得愈难，反之亦然。但实验也表明，在总压变化离变得愈难，反之亦然。但实验也表明，在总压变化范围为范围为20-30%20-30%下，下，x-yx-y平衡曲线变动不超过平衡曲线变动不超过2%2%，因此在，因此在总压变化不大时，外压对平衡曲线的影响可以忽略。总压变化不大时，外压对平衡曲线的影响可以忽略。第36页，此课件共49页哦四、挥发度和相对挥发度四、挥发度和相对挥发度1、挥发度：、挥发度：对于纯液体：用其蒸气压表示挥发度。对于纯液体：用其蒸气压表示挥发度。对于二元溶液：对于二元溶液：对于理想溶液：对于理想溶液：vA=pAo vB=pBo 对于非理想溶液对于非理想溶液：vi pio 第37页，此课件共49页哦 对双组分溶液，气相遵循道尔顿分压定律，则：对双组分溶液，气相遵循道尔顿分压定律，则：2.相对挥发度：相对挥发度：上式称为气液相平衡方程。上式称为气液相平衡方程。越大，分离越容易。越大，分离越容易。第38页，此课件共49页哦5.1.2 双组分非理想物系的气液平衡双组分非理想物系的气液平衡一、非理想物系一、非理想物系 化工生产中遇到的物系大多为非理想物系。化工生产中遇到的物系大多为非理想物系。液相为非理想溶液，气相为理想气体液相为非理想溶液，气相为理想气体；液相液相为为理想溶液，气相理想溶液，气相为为非理想气体；非理想气体；液相液相为为非理想溶液，气相非理想溶液，气相为为非理想气体。非理想气体。非理想物系可能有以下几种情况：非理想物系可能有以下几种情况：第39页，此课件共49页哦正偏差溶液，具有最低恒沸点溶液正偏差溶液，具有最低恒沸点溶液第40页，此课件共49页哦第41页，此课件共49页哦负偏差溶液，具有最高恒沸点溶液负偏差溶液，具有最高恒沸点溶液第42页，此课件共49页哦第43页，此课件共49页哦第44页，此课件共49页哦气液平衡数据来源气液平衡数据来源1、实验测定或从有关手册中查得、实验测定或从有关手册中查得2、由纯组分的某些物性按经验的或理论的公式估算、由纯组分的某些物性按经验的或理论的公式估算3、根据少量实验数据，由经验的或理论的公式估算、根据少量实验数据，由经验的或理论的公式估算第45页，此课件共49页哦例例11 苯与甲苯的饱和蒸汽压和温度的关系如本题附表所示。试利用拉苯与甲苯的饱和蒸汽压和温度的关系如本题附表所示。试利用拉乌尔定律和相对挥发度，分别计算苯甲苯混合液在总压为乌尔定律和相对挥发度，分别计算苯甲苯混合液在总压为101.33kPa下下的气液平衡数据，并做出温度组成图。该溶液可视为理想溶液。的气液平衡数据，并做出温度组成图。该溶液可视为理想溶液。第46页，此课件共49页哦（1）利用拉乌尔定律）利用拉乌尔定律第47页，此课件共49页哦（2）利用相对挥发度）利用相对挥发度第48页，此课件共49页哦第第1讲小结讲小结1、蒸馏是分离均相液体混合物最广泛采用的单元操作。蒸馏分离的依据、蒸馏是分离均相液体混合物最广泛采用的单元操作。蒸馏分离的依据是混合液中组分挥发度的差异。是混合液中组分挥发度的差异。2、在恒压下，气、在恒压下，气液相平衡关系是液相平衡关系是t-x-y及及x-y关系。表示这些定量关系关系。表示这些定量关系的方程是泡点方程、露点方程与相平衡方程。或者采用直观的的方程是泡点方程、露点方程与相平衡方程。或者采用直观的t-x-y图及图及x-y图。图。3、相对挥发度、相对挥发度数值大小可以说明物系采用蒸馏法进行分离的难易。数值大小可以说明物系采用蒸馏法进行分离的难易。越大，溶液越容易分离，反之则越难。而当越大，溶液越容易分离，反之则越难。而当l时，由于平衡气、液相浓时，由于平衡气、液相浓度相等，即度相等，即yx，则不能采用普通蒸馏法将此物系进行分离。则不能采用普通蒸馏法将此物系进行分离。4、非理想溶液起因于溶液中异种分子间与同种分子间的作用力不同，、非理想溶液起因于溶液中异种分子间与同种分子间的作用力不同，表现为平衡蒸汽压对表现为平衡蒸汽压对Raoult定律的偏差。其极端情况是具有最高或最定律的偏差。其极端情况是具有最高或最低恒沸点的溶液。在恒沸点组成下低恒沸点的溶液。在恒沸点组成下yx，即即1，普通蒸馏法不能越过普通蒸馏法不能越过此点。此点。第49页，此课件共49页哦