传质原理及应用.ppt

第三章第三章 传质机理及应用传质机理及应用1主要内容主要内容o3.1 传质基本概念传质基本概念o3.2 蒸馏蒸馏o3.3 吸收吸收o3.5 传质设备传质设备2（1）二元物系的气液相平衡关系（包括：拉乌尔定律，）二元物系的气液相平衡关系（包括：拉乌尔定律，温度组成图，气液相平衡图，挥发度及相对挥发度），温度组成图，气液相平衡图，挥发度及相对挥发度），气体的溶解度和亨利定律，吸收速率方程式；气体的溶解度和亨利定律，吸收速率方程式；（2）双组分连续精馏的工艺计算（包括：物料衡算与双组分连续精馏的工艺计算（包括：物料衡算与操作线方程，进料状态的影响、理论板数的确定、回流操作线方程，进料状态的影响、理论板数的确定、回流比的讨论及热量衡算）；比的讨论及热量衡算）；（3）吸收塔的工艺计算（包括：物料衡算与操作线方）吸收塔的工艺计算（包括：物料衡算与操作线方程、吸收剂用量的讨论、填料层高度的计算）；程、吸收剂用量的讨论、填料层高度的计算）；（4）塔设备的基本结构，填料塔附件、填料的主要类）塔设备的基本结构，填料塔附件、填料的主要类型及性能、填料塔与板式塔的比较。型及性能、填料塔与板式塔的比较。1本章重点本章重点32本章难点本章难点传质机理；传质机理；非理想体系的气液平衡关系；非理想体系的气液平衡关系；特殊情况下精馏过程理论板数的确定；特殊情况下精馏过程理论板数的确定；板式塔的塔板结构及流体力学性能。板式塔的塔板结构及流体力学性能。4前言前言分离：根据混合物性质的不同采用不同的方法分离：根据混合物性质的不同采用不同的方法 混合物混合物分离基本特征分离基本特征：物质由一相转移到另一：物质由一相转移到另一相或生成新相，过程取决于两相之间的相或生成新相，过程取决于两相之间的平衡关系，称为平衡关系，称为相际传质过程相际传质过程均相混合物均相混合物非均相混合物非均相混合物 过程工业中，经常需将混合物加以过程工业中，经常需将混合物加以分离分离。采用适当的采用适当的分离方法与设备分离方法与设备，并消耗一定的物料，并消耗一定的物料和能量。和能量。不属于同一相的两种或两种以上的不属于同一相的两种或两种以上的物质混合得到的混合物物质混合得到的混合物 5 主要介绍主要介绍气液传质原理，蒸馏操作和吸收操作的气液传质原理，蒸馏操作和吸收操作的主要工艺计算，以及板式塔和填料塔的设备特点及流主要工艺计算，以及板式塔和填料塔的设备特点及流体力学特性。体力学特性。在相界面利用平衡关系进行分离操作时，从技术角度来说：在相界面利用平衡关系进行分离操作时，从技术角度来说：（1）尽可能经济地增大两相界面的表面积，以及怎样在界面上）尽可能经济地增大两相界面的表面积，以及怎样在界面上充分利用平衡关系；充分利用平衡关系；（2）平衡状态为过程的极限，分离不能持续进行，还必须研究）平衡状态为过程的极限，分离不能持续进行，还必须研究如何既偏离平衡状态，又进行所期望的分离。如何既偏离平衡状态，又进行所期望的分离。63.1 传质基本概念传质基本概念质量传递现象质量传递现象 蒸馏、吸收、干燥及萃取等单元操作蒸馏、吸收、干燥及萃取等单元操作单相内物质单相内物质传递的原理传递的原理分子扩散传质分子扩散传质 涡流扩散传质涡流扩散传质涡流扩散时也伴有分涡流扩散时也伴有分子扩散，对流传质子扩散，对流传质 物质由一相转移到另一相，或者在一个均相中，其物质由一相转移到另一相，或者在一个均相中，其基本机理都相同。基本机理都相同。71、分子扩散概述与费克定律、分子扩散概述与费克定律一、分子扩散一、分子扩散89分子扩散：分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因浓度差，则因分子无规则的热运动分子无规则的热运动使该组分由浓度较使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。分子运动论：随机运动分子运动论：随机运动,道路曲折道路曲折,碰撞频繁碰撞频繁 扩散速扩散速率很慢率很慢(1)费克定律费克定律a.扩散通量：扩散通量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，扩散的物质量，J表示，表示，kmol/(m2s)。10JA组分组分A扩散速率扩散速率(扩散通量扩散通量)，kmol/(m2s)；组分组分A在扩散方向在扩散方向z上的浓度梯度上的浓度梯度,kmol/m4 DAB组分组分A在在B组分中的扩散系数，组分中的扩散系数，m2/s。负号负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着物质浓度降低的方向进行着物质浓度降低的方向进行 温度、总压一定，组分温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一点处在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。的浓度梯度成正比。b.费克定律费克定律11理想气体：理想气体：对于对于气体混合物气体混合物，费克定律采用，费克定律采用组分的分压组分的分压表示表示12费克定律与傅里叶定律费克定律与傅里叶定律形式上相似形式上相似，区别在于：，区别在于：A、热传导传递的是热传导传递的是能量能量，分子扩散传递的是，分子扩散传递的是物质物质。B、分子扩散，一个分子转移后，留下相应的空间，分子扩散，一个分子转移后，留下相应的空间，必由其他分子补充，即介质中的一个或多个组分是运必由其他分子补充，即介质中的一个或多个组分是运动的，因此，扩散通量存在一个动的，因此，扩散通量存在一个相对于什么截面的问相对于什么截面的问题；题；而在热传导中，介质通常是静止的而只有能量以而在热传导中，介质通常是静止的而只有能量以热能的方式进行传递。热能的方式进行传递。费克定律与傅里叶定律比较费克定律与傅里叶定律比较13（2）分子对称面）分子对称面 双组分混合物在总浓度双组分混合物在总浓度C（对气相是总压（对气相是总压P）各处）各处相等的情况下相等的情况下 组分组分A和组分和组分B等量反方向扩散通过的截面等量反方向扩散通过的截面叫分子对叫分子对称面。特征是，仅称面。特征是，仅对分子扩散而言，该截面上净通量等对分子扩散而言，该截面上净通量等于零，于零，且该截面既可以是且该截面既可以是固定固定的截面，也可以是的截面，也可以是运动运动的的截面。截面。14（1）单单相相扩扩散散吸收操作的分析吸收操作的分析2、一维稳态分子扩散、一维稳态分子扩散一维：只沿一个方向扩散，其他方向无扩散或扩散量可以一维：只沿一个方向扩散，其他方向无扩散或扩散量可以忽略。稳态：扩散速率的大小与时间无关，只随空间位置忽略。稳态：扩散速率的大小与时间无关，只随空间位置而变化。而变化。假设：假设：只有气相溶质只有气相溶质A不断由气相主不断由气相主体通过两相界面进入液相中，而惰性体通过两相界面进入液相中，而惰性组分组分B不溶解且吸收剂不溶解且吸收剂S不气化。不气化。11FF22zJANNBNAJBpA1pA2NA因溶质扩散到界面溶解于溶剂中，因溶质扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混造成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处移动，即产生了宏观上合物向界面处移动，即产生了宏观上的相对运动，叫做的相对运动，叫做总体流动总体流动。也叫摩。也叫摩尔扩散，摩尔扩散指分子群。尔扩散，摩尔扩散指分子群。15总体流动的特点：总体流动的特点：1）由分子扩散引起的宏观流动，不是外力驱动；由分子扩散引起的宏观流动，不是外力驱动；2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率；尔分率；3）总体流动与溶质的扩散方向一致，有利于传质总体流动与溶质的扩散方向一致，有利于传质 取一固定截面取一固定截面F，则该截面不仅有分子扩散，还有，则该截面不仅有分子扩散，还有总体流动。根据分子对称面的特点，截面总体流动。根据分子对称面的特点，截面F不是分子对不是分子对称面。若将分子扩散相对应的分子对称面看成一个与称面。若将分子扩散相对应的分子对称面看成一个与总体流动速度相同的运动截面，则一系列运动的分子总体流动速度相同的运动截面，则一系列运动的分子对称面与固定的截面对称面与固定的截面F重合。重合。F上的上的净物流通量净物流通量N为为N=N+JA+JB=N16固定截面上包括运动的分子对称面，则有：固定截面上包括运动的分子对称面，则有：JA=-JBN总体流动通量总体流动通量，由两部分组成，由两部分组成 总体流动中携总体流动中携带的组分带的组分A总体流动中携总体流动中携带的组分带的组分B17在截面在截面F与两相界面间做物料衡算与两相界面间做物料衡算对组分对组分B：上两式相加得：上两式相加得：NA：组分：组分A通过两相界面的通量，通过两相界面的通量，kmol/(m2s)对组分对组分A：11FF22zJANNBNAJBpA1pA2NA18 组分组分B由两相界面向气相主体的由两相界面向气相主体的分子扩散分子扩散与由气相与由气相主体向两相界面的总体流动所带的组分主体向两相界面的总体流动所带的组分B数值相等，方数值相等，方向相反，因此向相反，因此宏观上看宏观上看，组分组分B是不动的或停滞的。是不动的或停滞的。所所以以由气相主体到两相界面，只有组分由气相主体到两相界面，只有组分A在扩散，称为单在扩散，称为单向扩散或组分向扩散或组分A通过静止组分通过静止组分B的扩散。的扩散。由（由（1）可导出）可导出单向扩散速率单向扩散速率计算式：计算式：1、2截面上组分截面上组分B分压的对数平均值分压的对数平均值组分组分A的分压与扩散距离的分压与扩散距离z为对数关系为对数关系 19 对于对于液体液体的分子运动规律远不及气体研究得充分，的分子运动规律远不及气体研究得充分，仿照气相中的扩散速率方程，写出液相中的相应关系仿照气相中的扩散速率方程，写出液相中的相应关系式：式：溶质溶质A在液相中的传质速率，在液相中的传质速率，kmol/(m2s)溶质溶质A在溶剂在溶剂S中的扩散系数，中的扩散系数，m2/s1、2两截面上的溶质浓度，两截面上的溶质浓度，kmol/m320（2）等分子反向）等分子反向扩扩散散理想精理想精馏馏操作操作JAJBT PpA2pB2T PpA1pB112等分子反向扩散：等分子反向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大小任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。无总体流动现象，分子对称面是一个相等，方向相反。无总体流动现象，分子对称面是一个固定的截面。固定的截面。JA=NAJB=NB等分子反向扩散速率计算式等分子反向扩散速率计算式pA1pB2pB1pA2z1 1z2 2P21讨论：讨论：1）2）组分的分压与扩散距离）组分的分压与扩散距离Z成直线关系。成直线关系。ppB1pA1pA2pB2扩散距离扩散距离z0zp22漂流因子漂流因子，无因次无因次 漂流因子意义漂流因子意义：其大小反映了总体流动对传质速率的影：其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。大的倍数。漂流因子的影响因素：漂流因子的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。，总体流动的影响小。等分子反向扩散速率计算式等分子反向扩散速率计算式单向扩散速率计算式单向扩散速率计算式233、分子扩散系数、分子扩散系数D（1）D扩散系数，表征单位浓度梯度下的扩散通量，扩散系数，表征单位浓度梯度下的扩散通量，反映了某一组分在介质中分子扩散的快慢程度，是物反映了某一组分在介质中分子扩散的快慢程度，是物质的一种质的一种传递属性传递属性。（2）D是温度、压力、物质的种类、浓度等因素的函是温度、压力、物质的种类、浓度等因素的函数。数。（3）D的来源：查手册；半经验公式；实验测定的来源：查手册；半经验公式；实验测定24（1）气相中的）气相中的D范围：范围：10-510-4m2/s 半经验公式：半经验公式：Fuller等等（2）液相中的）液相中的D范围：范围：10-1010-9m2/s 很稀的电解质溶液：很稀的电解质溶液：Wilke等等25二、对流传质二、对流传质1 1涡流扩散涡流扩散层流与湍流的层流与湍流的本质区别本质区别：层流层流，质点仅沿着主流方向运动；，质点仅沿着主流方向运动；湍流湍流，除沿主流方向运动外，在其他方向上还存在脉，除沿主流方向运动外，在其他方向上还存在脉动（或出现涡流、漩涡）动（或出现涡流、漩涡）涡流扩散涡流扩散：由于涡流产生的质量传递过程。：由于涡流产生的质量传递过程。涡流扩散速率比分子扩散速率大得多，强化了相内涡流扩散速率比分子扩散速率大得多，强化了相内的物质传递。对流传热同时存在热传导类似，涡流扩散的物质传递。对流传热同时存在热传导类似，涡流扩散的同时也伴随分子扩散。的同时也伴随分子扩散。没有严格的理论描述没有严格的理论描述 262 2对流传质对流传质对流传质模型对流传质模型涡流扩散与分子扩散同时发生的过程称为对流传质涡流扩散与分子扩散同时发生的过程称为对流传质膜模型膜模型 溶质渗透理论溶质渗透理论表面更新理论表面更新理论27（1）膜模型）膜模型三个区三个区层流内层层流内层：分子扩散，浓度分：分子扩散，浓度分布是直线或近似直线布是直线或近似直线过渡区过渡区：涡流扩散和分子扩散，：涡流扩散和分子扩散，曲线曲线湍流区湍流区：涡流扩散，近似为一：涡流扩散，近似为一条水平线条水平线 将流体主体与固体壁面之间的传质阻力折合为与其阻将流体主体与固体壁面之间的传质阻力折合为与其阻力相当的力相当的d de厚的厚的层流膜层流膜(虚拟膜、当量膜、有效膜虚拟膜、当量膜、有效膜)内，内，对对流传质的作用就流传质的作用就折合成了相当于物质通过折合成了相当于物质通过d de距离的分子扩距离的分子扩散过程，散过程，这种简化处理的理论称为这种简化处理的理论称为膜模型。膜模型。FCA1CA2GH0czE28对于气相对于气相对于液相对于液相kL：液相对流传质系数：液相对流传质系数kG：气相对流传质系数：气相对流传质系数令：令：（2）对流传质速率方程）对流传质速率方程29影响对流传质系数的因素：影响对流传质系数的因素：物性参数，包括分子扩散系数、黏度、密度；物性参数，包括分子扩散系数、黏度、密度；操作参数，包括流速、温度、压力；操作参数，包括流速、温度、压力；传质设备特性参数，几何定性尺寸传质设备特性参数，几何定性尺寸d由量纲分析得特征数关联式：由量纲分析得特征数关联式：30Sc-施密特数，物性的影响施密特数，物性的影响Sh-施伍德数，分子扩散阻力施伍德数，分子扩散阻力/对流扩散阻力对流扩散阻力Re-雷诺数，流动状态的影响，雷诺数，流动状态的影响，d当量直径当量直径31（3）其他传质理论简介）其他传质理论简介 膜模型膜模型适用于有固定相界面的系统或相界面无适用于有固定相界面的系统或相界面无明显扰动的相间传质过程，明显扰动的相间传质过程，如湿壁塔的吸收操作。如湿壁塔的吸收操作。有自由界面有自由界面的系统，尤其是剧烈湍动的相间传的系统，尤其是剧烈湍动的相间传质过程，如填料塔的吸收操作，膜模型与实际不符。质过程，如填料塔的吸收操作，膜模型与实际不符。溶质渗透理论溶质渗透理论表面更新理论表面更新理论32溶质渗透理论溶质渗透理论-希格比（希格比（Higbie）1935 在很多过程工业的传质设备中，例如填料塔内的气液在很多过程工业的传质设备中，例如填料塔内的气液接触，由于接触时间短且湍动剧烈，所以在任意一个微元接触，由于接触时间短且湍动剧烈，所以在任意一个微元液体与气体的界面上，所溶解的气体中的组分向微元液体液体与气体的界面上，所溶解的气体中的组分向微元液体内部进行非定态分子扩散，经过一个很短暂的接触时间后，内部进行非定态分子扩散，经过一个很短暂的接触时间后，这个微元液体又与液体主体混合。假设这个微元液体又与液体主体混合。假设所有液体微元在界所有液体微元在界面上和气体相接触的时间都是相同的，导出液膜传质系数面上和气体相接触的时间都是相同的，导出液膜传质系数为为渗透模型参数，是气液相每次接触的时间渗透模型参数，是气液相每次接触的时间33 溶质渗透理论比膜模型理论更符合实际，指明溶质渗透理论比膜模型理论更符合实际，指明缩短缩短可提高液膜传质系数可提高液膜传质系数。故，。故，增加液相的湍动程增加液相的湍动程度、增加液相的表面积度、增加液相的表面积均为强化传质的途径。均为强化传质的途径。34表面更新理论表面更新理论-丹克沃茨丹克沃茨（Danckwerts）1951 理论认为溶质渗透理论所假定的每个液体微元在表理论认为溶质渗透理论所假定的每个液体微元在表面和气体相接触的时间都保持相同是不可能的。实际情面和气体相接触的时间都保持相同是不可能的。实际情况是各个液体微元在相界面上的停留时间不同，而是况是各个液体微元在相界面上的停留时间不同，而是符符合随机的寿命分布规律合随机的寿命分布规律，且不同寿命的表面液体微元被，且不同寿命的表面液体微元被新鲜的液体微元置换的概率是相同的。该理论将液相分新鲜的液体微元置换的概率是相同的。该理论将液相分为为界面和主体界面和主体两个区域，在两个区域，在界面区里界面区里，质量传递是按照，质量传递是按照渗透模型进行，不同的是这里的微元不是固定的，而是渗透模型进行，不同的是这里的微元不是固定的，而是不断地与主体内的微元发生交换进行表面的更新不断地与主体内的微元发生交换进行表面的更新；在；在主主体内，全部液体达到均匀一致的浓度。体内，全部液体达到均匀一致的浓度。35表面更新理论推导出的液膜传质系数为表面更新理论推导出的液膜传质系数为kL，按整个液面的平均值计的液相传质系数；，按整个液面的平均值计的液相传质系数；S，表面更新频率，即单位时间内液体表面被更新的，表面更新频率，即单位时间内液体表面被更新的百分率，百分率，s-136 三个传质模型都有可接受的物理概念，但都包三个传质模型都有可接受的物理概念，但都包含一个难以测定的模型参数。含一个难以测定的模型参数。实际上，只有少数情况下可由理论推算传质系实际上，只有少数情况下可由理论推算传质系数。绝大多数情况下，采用数。绝大多数情况下，采用量纲分析结合实验测定量纲分析结合实验测定的方法，确定用无量纲数群表示的对流传质系数关的方法，确定用无量纲数群表示的对流传质系数关联式，应用到工程实际中。联式，应用到工程实际中。37小结小结单相内物质传递原理：单相内物质传递原理：o一、分子扩散一、分子扩散 1、分子扩散概述与费克定律、分子扩散概述与费克定律 2、一维稳态分子扩散、一维稳态分子扩散 3、分子扩散系数、分子扩散系数o二、对流传质二、对流传质 1、涡流扩散、涡流扩散 2、对流传质、对流传质38393.2蒸馏蒸馏蒸馏目的：蒸馏目的：分离液体混合物或液化了的气体混合物，提分离液体混合物或液化了的气体混合物，提纯或回收有用组分。纯或回收有用组分。蒸馏是应用最广的一类液体混合物的分离方法，特点：蒸馏是应用最广的一类液体混合物的分离方法，特点：直接获得所需要的产品；直接获得所需要的产品；适用范围广：液体、气态或固态混合物的分离；适用范围广：液体、气态或固态混合物的分离；适用于各种浓度混合物的分离；适用于各种浓度混合物的分离；对混合物加热建立气液两相体系，气相要冷凝液化。对混合物加热建立气液两相体系，气相要冷凝液化。耗能较大，需节能。耗能较大，需节能。403.2蒸馏蒸馏一、气液相平衡原理一、气液相平衡原理二、蒸馏方式二、蒸馏方式三、精馏原理三、精馏原理四、物料衡算与操作线方程四、物料衡算与操作线方程五、热量衡算五、热量衡算六、精馏设计计算六、精馏设计计算七、回流比的选择及影响七、回流比的选择及影响八、特殊精馏八、特殊精馏九、间歇精馏九、间歇精馏6 6个学时个学时41一、气液相平衡原理一、气液相平衡原理 蒸馏操作蒸馏操作是气液两相间的传质过程，气液两相达是气液两相间的传质过程，气液两相达到平衡状态是传质过程的极限。到平衡状态是传质过程的极限。气液平衡关系是分析精馏原理、解决精馏计算的气液平衡关系是分析精馏原理、解决精馏计算的基础。基础。421、自由度分析自由度分析相律相律表示平衡物系中的自由度表示平衡物系中的自由度F、相数、相数及独立组分数及独立组分数C之间的关系。之间的关系。外界只有温度和压力两个外界只有温度和压力两个条件影响物系平衡状态。条件影响物系平衡状态。双组分气液相平衡系统的自由度数为双组分气液相平衡系统的自由度数为2。四个变量。四个变量P、T、y(气相气相)和和x（液相）（液相）恒压操作，平衡关系可用恒压操作，平衡关系可用t-x(y)或或x-y的函数关系的函数关系及相图表示及相图表示432、相平衡组成的计算相平衡组成的计算拉乌尔拉乌尔(Raoult)定律：定律：在某一温度下，稀溶液的蒸气压在某一温度下，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。等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数。理想物系：理想物系：液相为理想溶液液相为理想溶液(符合拉乌尔定律符合拉乌尔定律)，气相为，气相为理想气体理想气体(符合理想气体和道尔顿分压定律符合理想气体和道尔顿分压定律)的体系。的体系。理想气体，理想气体，道尔顿分压定律道尔顿分压定律44 纯组分的饱和蒸汽压和温度的关系可用安托因纯组分的饱和蒸汽压和温度的关系可用安托因（Antoine）方程表示方程表示泡点方程，泡点方程，即在一定的总压即在一定的总压P下，对于下，对于某一指定的平衡温度某一指定的平衡温度t，可求得饱和蒸，可求得饱和蒸汽压汽压pA0=f(t)和和pB0=f(t)，由此式可计算由此式可计算气液相平衡时的气液相平衡时的液相组成液相组成xA。a、b、c组分的安托因系数，可查手册。组分的安托因系数，可查手册。45据道尔顿分压定律据道尔顿分压定律露点方程，露点方程，即在一定的总压即在一定的总压P下，对于某一指定的平下，对于某一指定的平衡温度衡温度t，由此式可计算气液相平衡时的，由此式可计算气液相平衡时的气相组成气相组成yA46例例3-1苯（苯（A）-甲苯（甲苯（B）理想物系，二者的安托因方）理想物系，二者的安托因方程分别为：程分别为：式中，式中，p0的单位是的单位是mmHg，t的单位是的单位是。求：。求：t=105,p=850mmHg时的平衡气液相组成。时的平衡气液相组成。47解：解：由于由于 t=105,p=850mmHg作业题作业题P208：2483、t-x(y)相图相图 当压力一定时，在相平衡状态下，分别以泡点方程当压力一定时，在相平衡状态下，分别以泡点方程和露点方程作图，称为温度组成图。和露点方程作图，称为温度组成图。上方曲线代表上方曲线代表饱和蒸汽线饱和蒸汽线，也称，也称为为露点线，露点线，该线上方的区域代表过热该线上方的区域代表过热蒸汽区；下方曲线代表蒸汽区；下方曲线代表饱和液体线，饱和液体线，也称为泡点线，也称为泡点线，该线下方的区域代表该线下方的区域代表过冷液体区。两条曲线之间的区域为过冷液体区。两条曲线之间的区域为气液共存区气液共存区，平衡关系用两曲线间的，平衡关系用两曲线间的水平线段表示，显然，只有在气液共水平线段表示，显然，只有在气液共存区，才能起到一定的分离作用。存区，才能起到一定的分离作用。49 如图所示，在恒定的压力下，如图所示，在恒定的压力下，若将温度为若将温度为t1、组成为、组成为x1（图中点（图中点A）的混合液加热，当温度升高点）的混合液加热，当温度升高点B时，溶液开始沸腾，该温度即为时，溶液开始沸腾，该温度即为泡泡点温度点温度。继续升温点。继续升温点C时，汽液两时，汽液两相共存，两相互成平衡。同样，若相共存，两相互成平衡。同样，若将温度为将温度为t5、组成为、组成为y1的点的点E过热蒸过热蒸汽冷却，当温度降到点汽冷却，当温度降到点D时，过热时，过热蒸汽开始冷凝，此时该温度即为蒸汽开始冷凝，此时该温度即为露露点温度。点温度。说明：说明：(1)(1)曲线两端点分别代表纯组份的沸点，右端点代表纯轻曲线两端点分别代表纯组份的沸点，右端点代表纯轻组份沸点，左端点代表纯重组份沸点。组份沸点，左端点代表纯重组份沸点。(2)(2)混合液的沸点随组成不断变化。在同样组成下，泡点混合液的沸点随组成不断变化。在同样组成下，泡点与露点并不相等。与露点并不相等。504、x-y相图相图 x-y相相图图可可由由t-x（y）相相图图中中若若干平衡数据点而对应得到。干平衡数据点而对应得到。如如右右图图所所示示，图图中中的的曲曲线线代代表表液液相相组组成成和和与与之之平平衡衡的的气气相相组组成成间间的的关关系系，称称为为平平衡衡曲曲线线。若若已已知知液液相相组组成成x1，可可由由平平衡衡曲曲线线得得出出与与之之平平衡衡的的气气相相组组成成y1，反反之之亦亦然然。图图中中的的直直线线为为对对角角线线，该该线线作作为为参参考考线供计算时使用。线供计算时使用。51（1）图图中中曲曲线线上上任任意意点点D表表示示组组成成为为x的的液液相相与与组组成成为为y的的气气相相互成平衡，且表示点互成平衡，且表示点D有一确定的状态，该曲线称为有一确定的状态，该曲线称为平衡曲线平衡曲线。（2）当当易易挥挥发发组组分分的的气气相相组组成成y液液相相组组成成x时时，平平衡衡线线肯肯定定位位于于对对角角线线上上方方，平平衡衡线线离离对对角角线线越越远远，表表示示气气相相中中易易挥挥发发组组分分含含量越高，表示量越高，表示该溶液越容易分离该溶液越容易分离。（3 3）在总压）在总压P P变化不大时变化不大时(20%-30%)范围，外压对范围，外压对x-yx-y平衡线的平衡线的影响可忽略，但影响可忽略，但t-x-yt-x-y线线随压力变化较大，所以使用随压力变化较大，所以使用x-y平衡线更方平衡线更方便。便。（4）总总压压P变变化化较较大大时时，平平衡衡线线易易发发生生变变化化，若若总总压压P减减小小时时，平平衡衡线线离离对对角角线线越越远远，则则易易于于分分离离，若若总总压压P增增大大时时，平平衡衡线线离离对对角角线线越越近近，则则难难于于分分离离。但但工工业业上上减减压压蒸蒸馏馏的的目目的的不不在在于于易易于于分分离离，而而是是为为了了降降低低操操作作温温度度，防防止止物物料料分分解解和和聚聚合合,即即从从分分离离的的角角度度看看，减减压压蒸蒸馏馏有有利利，但但工工业业上上远远不不是是从从这这一一角角度度出出发发，还还要要考考虑经济性。虑经济性。现对现对x x-y y相图简要说明如下：相图简要说明如下：525、挥发度和相对挥发度挥发度和相对挥发度（1）挥发度）挥发度v 溶液中各组分的挥发度可用它溶液中各组分的挥发度可用它在蒸气压中的分压和在蒸气压中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分数之比与之平衡的液相中的摩尔分数之比挥发度反映出挥发度反映出混合液中各组分挥发的难易程度，混合液中各组分挥发的难易程度，随温随温度而变化，使用不方便，故采用相对挥发度的概念。度而变化，使用不方便，故采用相对挥发度的概念。说明：说明：理想溶液：理想溶液：同理：同理：对于纯组分：对于纯组分：即对于纯液体而言，其挥发度指该液体在一定的温度即对于纯液体而言，其挥发度指该液体在一定的温度下的饱和蒸汽压。下的饱和蒸汽压。53（2）相对挥发度）相对挥发度 液体中易挥发组分液体中易挥发组分A的挥发度与难挥发组分的挥发度与难挥发组分B的挥的挥发度之比发度之比双组分理想溶液气液平衡关系式双组分理想溶液气液平衡关系式说明：说明：（1）a a=vA/vB，因，因vA、vB随温度沿同向变化，故随温度沿同向变化，故a a值变化较小，值变化较小，可做常数处理。可做常数处理。（2）a a的大小可判断分离程度。当的大小可判断分离程度。当a a1时，即时，即yx时，可采用蒸时，可采用蒸馏方法进行分离，而且，馏方法进行分离，而且，a a越大，平衡线偏离对角线越远，越容易越大，平衡线偏离对角线越远，越容易分离。分离。（3）当）当a a=1时，即时，即y=x时，不能用普通蒸馏方法加以分离，但可时，不能用普通蒸馏方法加以分离，但可采用特殊蒸馏方法处理。采用特殊蒸馏方法处理。546、非理想溶液非理想溶液 实际生产中所遇到的大多数物系为非理想物系，实际生产中所遇到的大多数物系为非理想物系，溶溶液的非理想性液的非理想性来源于异分子间的作用力与同分子间的作来源于异分子间的作用力与同分子间的作用力不等，表现在其平衡蒸汽压偏离拉乌尔定律，用力不等，表现在其平衡蒸汽压偏离拉乌尔定律，偏差偏差可正可负，其中尤以正偏差居多。可正可负，其中尤以正偏差居多。(1)正偏差系统正偏差系统 若异分子间作用力小于同分子间作用力，若异分子间作用力小于同分子间作用力，排斥力排斥力占主要地位，占主要地位，分子较易离开液面而进入气相，所以泡分子较易离开液面而进入气相，所以泡点较理想溶液低，混合时，体积变化点较理想溶液低，混合时，体积变化0，容易出现，容易出现最低恒沸点最低恒沸点。55 例如乙醇水系统为正偏差系统，其相图如图例如乙醇水系统为正偏差系统，其相图如图1-3及及图图1-4所示。由图可知，气相和液相在所示。由图可知，气相和液相在M点重合，组成为点重合，组成为0.894(摩尔分率摩尔分率)，称为恒沸组成；，称为恒沸组成；t=78.15，称为恒沸，称为恒沸点，则该溶液称为恒沸液。因为该溶液的恒沸点温度最点，则该溶液称为恒沸液。因为该溶液的恒沸点温度最低，则称其为低，则称其为最低恒沸点溶液，最低恒沸点溶液，在在M点处无法用普通蒸点处无法用普通蒸馏方法继续分离。馏方法继续分离。56(2)负偏差系统负偏差系统 当异分子间当异分子间吸引力占主导地位，吸引力占主导地位，即液体分子较即液体分子较难离开液相进入气相，所以泡点较理想溶液高，混难离开液相进入气相，所以泡点较理想溶液高，混合时，合时，xFx3。简单蒸馏的操作和结果简单蒸馏的操作和结果3 3663 367 由由此此可可知知，简简单单蒸蒸馏馏，即即将将液液体体混混合合物物进进行行一一次次部部分分气气化化(单单级级)的的过过程程，只只能能起起到到部部分分分分离离的的作作用用，只只适适用用于于要要求求粗粗分分或或初初步步加加工工的的场场合合。如如何何使使混混合合物物中中的的组组分得到高纯度（几乎完全）的分离？分得到高纯度（几乎完全）的分离？从从相相图图可可以以看看出出，用用一一次次部部分分气气化化得得到到的的气气相相产产品品的的组组成成不不会会大大于于yD，而而yD是是加加热热原原料料液液xF产产生生第第一一个个气气泡泡时时的的平平衡衡气气相相组组成成。同同时时，液液相相产产品品的的组组成成不不会会低低于于xW，而而xW是是将将原原料料液液全全部部气气化化剩剩下下最最后后一一滴滴液液体体时时的的平平衡衡液液相相组组成成。组组成成为为xW的的液液体体量量及及组组成成为为yD的的气气体体量量是是极极少少的的。将将xF的的原原料料液液加加热热到到t3时时，液液相相量量和和气气相相量量之之间的关系，可由杠杆规则来确定。间的关系，可由杠杆规则来确定。必须进行多次部分气必须进行多次部分气化和部分冷凝的过程化和部分冷凝的过程68多次部分气化和部分冷凝多次部分气化和部分冷凝 将将图图3-1所所示示的的蒸蒸馏馏单单级级分分离离加加以以组组合合,变变成成如如图图3-3所所示示的的多多级级分分离离流流程程(以以3级级为为例例)。若若将将第第1级级溶溶液液部部分分气气化化所所得得气气相相产产品品在在冷冷凝凝器器中中加加以以冷冷凝凝,然然后后再再将将冷冷凝凝液液在在第第2级级中中部部分分气气化化,此此时时所所得得气气相相组组成成为为y2，y2y1,这这种种部部分分气气化化的的次次数数(级级数数)愈愈多多,所所得得到到的的蒸蒸汽汽浓浓度度也也愈愈高高,最最后后几几乎乎可可得得到到纯纯态态的的易易挥挥发发组组分分。同同理理,若若将将从从各各分分离离器器所所得得到到的的液液相相产产品品分分别别进进行行多多次次部部分分气气化化和和分分离离,那那么么这这种种级级数数愈愈多多,得得到到的的液液相相浓浓度度也也愈愈低低,最最后后可可得得到到几几乎乎纯态的难挥发组分。纯态的难挥发组分。图图3-3多次部分气化的分离示多次部分气化的分离示意图意图1.过程分析过程分析69 上上述述的的气气液液相相浓浓度度变变化化情情况况可可以以从从图图3-43-4中中清清晰晰地地看看到到。因因此此,同同时时多多次次地地进进行行部部分分气气化化是是使使混混合合物物得得以完全分离的以完全分离的必要条件。必要条件。图图3-4多次部分气化的多次部分气化的 t-x-y图图70 虽然上述过程能使产品达到要求的纯度虽然上述过程能使产品达到要求的纯度,但是图但是图3-33-3所示的流程在工业上是不合理的所示的流程在工业上是不合理的,因其存在以下因其存在以下两个问两个问题：题：（1 1）分离过程得到许多中间馏分，如图中的组成为）分离过程得到许多中间馏分，如图中的组成为x x1 1、x x2 2 等液相产品，因此最后纯产品的收率就很低；等液相产品，因此最后纯产品的收率就很低；（2 2）设备庞杂，能量消耗大。）设备庞杂，能量消耗大。71 以以图图3-3中中的的第第3级级为为例例，由由图图3-4可可知知，x2y1x3，而而x2x310q1q=0q0zFxDxW不同进料热状态时的不同进料热状态时的q线和对提馏段操作线的影响线和对提馏段操作线的影响109q值可通过定义式计算值可通过定义式计算 计算计算过冷液体进料过冷液体进料的热状况参数时，也可采用下式的热状况参数时，也可采用下式:ts进料液的泡点温度进料液的泡点温度,t-进料液的实际温度进料液的实际温度,；rm-泡点下混合液的平均气化潜热，泡点下混合液的平均气化潜热，kJ/molCPm-定性温度下混合液的平均定压比热容定性温度下混合液的平均定压比热容kJ/(kg)110五、五、热量衡算热量衡算 可求得冷凝器和再沸器的热负荷以及冷却介质和加可求得冷凝器和再沸器的热负荷以及冷却介质和加热介质的消耗量，为设计这些设备提供基本数据。热介质的消耗量，为设计这些设备提供基本数据。1、全凝器热量衡算全凝器热量衡算 对全凝器作热量衡算，以单位对全凝器作热量衡算，以单位时间为基准，并忽略热损失。时间为基准，并忽略热损失。111冷却介质消耗量冷却介质消耗量 常用的冷却剂为冷却水，常用的冷却剂为冷却水，t1为当时当地自来水的为当时当地自来水的温度，温度，t2由设计者给定，通常要求由设计者给定，通常要求t2-t1=10左右。左右。1122、再沸器热量衡算再沸器热量衡算精馏的精馏的加热方式加热方式直接蒸汽加热直接蒸汽加热间接蒸汽加热间接蒸汽加热加热蒸汽的消耗量加热蒸汽的消耗量可通过可通过精馏塔的物精馏塔的物料衡算料衡算求得求得加热蒸汽的消耗量加热蒸汽的消耗量可通过可通过全塔或再沸全塔或再沸器的热量衡算器的热量衡算求得求得113 对间接蒸汽加热的再沸器作对间接蒸汽加热的再沸器作热量衡算，以单位时间为基准热量衡算，以单位时间为基准设：设：则：则：加热介质消耗量加热介质消耗量114例例3-4 用一常压连续精馏塔分离含苯用一常压连续精馏塔分离含苯0.4（质量分数）（质量分数）的苯的苯-甲苯溶液，进料流量为甲苯溶液，进料流量为15000kg/h，进料温度为，进料温度为25，回流比为，回流比为3.5，得到馏出液与釜残液组成分别为，得到馏出液与釜残液组成分别为0.97和和0.02（均为质量分数）。已知再沸器加热蒸汽压（均为质量分数）。已知再沸器加热蒸汽压力为力为137kPa(表压表压)，塔顶回流液为饱和液体，塔的热损，塔顶回流液为饱和液体，塔的热损失可以不计，求失可以不计，求：（1）再沸器的热负荷及加热蒸汽消耗量；）再沸器的热负荷及加热蒸汽消耗量；（2）冷却水进出冷凝器的温度分别为）冷却水进出冷凝器的温度分别为27和和37时，时，冷凝器的热负荷及冷却水的用量。冷凝器的热负荷及冷却水的用量。QB=V(IVW-ILW)V?V=V-(1-q)F q?QC=(R+1)D(IVD-ILD)D?115解：质量分数换算成摩尔分数解：质量分数换算成摩尔