化工原理--其他化工单元操作过程..ppt

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1、 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系第八章第八章 其它化工单元操作过程其它化工单元操作过程 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系本章主要内容本章主要内容8.1 蒸发蒸发8.2 液液萃取液液萃取8.3 超临界萃取和液膜萃取超临界萃取和液膜萃取8.4 膜分离膜分离 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系 8.1 蒸发蒸发8.1.1 基本概念基本概念一、定义一、定义二、加热蒸气和二次蒸汽二、加热蒸气和二次蒸汽 加热蒸气加热蒸气:蒸发需要不断地供给热能蒸发需要不断地供给热能,工业工业上采用的热源通常为水蒸气上采用的热源通常为水蒸气。二次蒸气二次蒸气:蒸发的溶液大多是

2、水溶液，蒸发蒸发的溶液大多是水溶液，蒸发所产生的蒸气也是水蒸气称为所产生的蒸气也是水蒸气称为二次蒸气二次蒸气。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系三、分类三、分类1.按操作室压力分按操作室压力分 常压、加压、减压（真空）蒸发常压、加压、减压（真空）蒸发2.按二次蒸气的利用情况分按二次蒸气的利用情况分单效蒸发单效蒸发：将二次蒸气直接冷凝，而不利用其冷凝：将二次蒸气直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作热的操作多效蒸发多效蒸发：将二次蒸气引到下一蒸发器作为加热蒸：将二次蒸气引到下一蒸发器作为加热蒸气，以利用其冷凝热，这种串联蒸发操作称为多气，以利用其冷凝热，这种串联蒸发操作称为多效蒸发效蒸发

3、 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系四、蒸发操作的特点四、蒸发操作的特点 1.传热性质传热性质 2.溶液性质溶液性质 3.溶液沸点的改变溶液沸点的改变 4.泡沫夹带泡沫夹带 5.能源利用能源利用 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.1.2 单效蒸发一、溶液的沸点升高和温度差损失 溶液的沸点升高：溶液中含有不挥发的溶质，在相同条件下，其蒸气压比纯水的低，所以溶液的沸点就比纯水的要高，两者之差称为因溶液蒸气压下降而引起的沸点升高。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系当缺乏实验数据时，可以用下式先估算出沸点升高值：=fa a常压下由于溶液蒸气压下降而引起的沸

4、点升高（即温度差损失）()；操作压强下由于溶液蒸气压下降而引起的沸点升高()；f校正系数，无因次。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系校正系数经验计算式 T 操作压强下二次蒸气的温度（）；r 操作压强下二次蒸气的汽化热（kJ/kg）。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系 溶液的沸点也可用杜林规则（溶液的沸点也可用杜林规则（Dubrings rule）计算）计算 ：k杜林直线的斜率，无因次；杜林直线的斜率，无因次；tA，tw 分别为压强分别为压强pM下溶液的下溶液的 沸点与纯水的沸点沸点与纯水的沸点()；tA，tw分别为压强分别为压强pN下溶液下溶液的沸点与纯水的沸点的沸

5、点与纯水的沸点()。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系当某压强下水的沸点tw=0时，上式变为tA=tAktw=ym ym杜林线的截距()。不同浓度的杜林直线是不平行的，斜率k与截距 ym都是溶液质量浓度x的函数。对NaOH水溶液，k、ym与x的经验关系为 k=1+0.142x ym=150.75x22.71x x溶液的质量浓度。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系二、单效蒸发的计算 单效蒸发的计算内容：（1）蒸发量W；（2）加热蒸气的消耗量D；（3）传热面积S。单效蒸发示意图单效蒸发示意图加热室加热室蒸发室蒸发室F,x0,t0,h0D,T,HW,T,HD,T,hw(F

6、-W),x1t1,h1QL加热室加热室蒸发室蒸发室F,x0,t0,h0D,T,HW,T,HD,T,hw(F-W),x1t1,h1QL 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系1.蒸发量W 对单效蒸发器作溶质衡算，得Fx0=（FW）x1 F原料液的流量（kg/h）；W单位时间内蒸发的水分量，即蒸发量（kg/h）；x0原料液的质量组成；x1完成液的质量组成。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系2.加热蒸发量D蒸发操作中，加热蒸气的热量一般用于将溶液加热至沸点，将水分蒸发为蒸气以及向周围散失的热量。对某些溶液，如CaCl2、NaOH等水溶液，稀释时放出热量，因此蒸发这些溶液时应考

7、虑要供给和稀释热量相当的浓缩热。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系（1）溶液稀释热不可忽略 围绕蒸发器列物料的焓衡算，得DH+Fh0=WH+（F-W）h1+Dhw+QL D加热蒸气的消耗量（kg/h）；h1完成液的焓（kJ/kg）；H加热蒸气的焓（kJ/kg）；hw冷凝水的焓（kJ/kg）；h0原料液的焓（kJ/kg）；QL热损失（kJ/h）。H二次蒸气的焓（kJ/kg）；化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系若加热蒸气的冷凝液在蒸气的饱和温度下排除，则H-hw=r 则上式变为 r加热蒸气的汽化热（kJ/kg）。稀释热不可忽略时溶液的焓由专用的焓浓图查得。化化化化 学学

8、学学 工工工工 程程程程 系系系系（2）溶液的稀释热可以忽略溶液的焓可用比热容算出，即 h0=cp0（t00）=cp0t0 h1=cp1（t10）=cp1t1 hw=cpw（T0）=cpwT 整理得 DH+Fh0=WH+（FW）h1+Dhw+QL 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系计算溶液的比热容的经验公式 cp=cpw（1-x）+cpBx 当x20%时，上式可以简化为cp=cpw（1-x）式中 cp溶液的比热容（kJ/（kg）；cpw纯水的比热容（kJ/（kg）；cpB溶质的比热容（kJ/（kg）。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系原料液及完成液的比热容可分别写成

9、：cp0=cpw（1-x0）+cpBx0cpw-（cpw-cpB）x0 cp1=cpw（1-x1）+cpBx1 cpw-（cpw-cpB）x1 联立得(cp0-cpw)x1=(cp1-cpw)x0 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系(cp0 cpw)x1=(cp1 cpw)x0Fx0=(F W)x1（FW）cp1=Fcp0 Wcpw 代入焓衡算式，得代入焓衡算式，得D（HcpwT）=W（Hcpwt1）+Fcp0（t1t0）+QL 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系由 HcpwTr 加热蒸气的汽化热（kJ/kg）；Hcpwt1r 二次蒸气的汽化热（kJ/kg）。可简化

10、得 Dr=Wr+Fcp0（t1t0）+QL 或加热蒸气的热量用于将原料液加热到沸点、蒸 发水分以及向周围的热损失。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系 若原料液预热至沸点再进入蒸发器，且忽略热损失,则 或 e:衡量蒸发装置经济程度的指标 蒸发1kg水分时，加热蒸气的消耗量，称为单位蒸气耗量 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系3.传热面积S由传热速率公式 Q=SoKotm得 So蒸发器的传热外面积（m2）；Ko基于外面积的总传热系（W/（m2）；tm平均温度差（）；Q蒸发器的热负荷，即蒸发器的传热速（W）。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系（1）平均温差平

11、均温差tm 蒸发时，加热面两侧流体均处于恒温、变相状态下，故 tm=Tt（2）基于传热外面积的总传热系数基于传热外面积的总传热系数Ko（3）蒸发器的热负荷蒸发器的热负荷Q 若加热蒸气的冷凝水在饱和温度下排除，且忽略热损失，则 Q=Dr 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.1.3多效蒸发为了减少加热蒸气消耗量，可采用多效蒸发操作。多效蒸发时要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效的为低，因此可引入前效的二次蒸气作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸气的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸气。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.1.4蒸发器的选型一、选型考虑的主要因

12、素1.溶液的黏度；2.溶液的热稳定性；3.有晶体析出的溶液；4.易发泡的溶液；5.有腐蚀性的溶液；6.易结垢的溶液；7.溶液的处理量。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系二、各式蒸发器示意图 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系三、蒸发器的主要性能 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.2 液液萃取8.2.1 基本概念一、液液萃取过程1.液液萃取原理2.工业萃取过程3.萃取过程的经济性搅拌混合液混合液A+B萃取剂(溶剂S)萃取相(S+A+B)萃余相萃余相(B+A+S)化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系二、两相的接触方式1.微分接触2.级式接触

13、三、液液相平衡与萃取操作的关系1.萃取操作的自由度2.级式萃取过程3.溶液的选择性系数4.互溶度的影响 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.2.2 萃取过程的计算在分级式接触萃取过程计算中，无论是单级还是多级萃取操作，均假设各级为理论级，即离开每级的E相和R相互平衡。萃取操作中的理论级概念和蒸馏中的理论板相当。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系一、单级萃取的计算 FREMF+S=E+R=M 同理:化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系当组分B、S可视作完全不互溶时，则在一定温度下，三元混合液中若萃取剂S与稀释剂B互不相溶，则有y=Kx B原料液中稀释剂的

14、量(kg或kg/h)；S萃取剂的用量(kg或kg/h)；XF原料液中组分A的质量比组成(kgA/kgB)；X1单级萃取后萃余相中组分A的质量比组成(kgA/kgB)；Y1单级萃取后萃取相中组分A的质量比组成(kgA/kgS)；YS萃取剂中组分A的质量比组成(kgA/kgS)。y萃取相中溶质A的质量比组成；x萃余相中溶质A的质量比组成；K以质量比表示相组成的分配系数。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系二、多级错流接触萃取的计算多级错流接触流程示意图 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系1.三角坐标图解法（组分S,B部分互溶时）M1R1E1M2R2E2M3E3R3 化化化

15、化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系2.理论级数的计算（组分S,B不互溶时）(1)直角坐标法 OEY0XFL-B/S1E1X1Y1V-B/S2E2X2Y2-B/S3 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系(2)解析法分配曲线：设：萃取因子 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.2.3萃取设备的选择典型的单击混合澄清槽 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系萃取设备的选择 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.3超临界萃取和液膜萃取8.3.1超临界萃取一、基本概念 超临界流体萃取是用超过临界温

16、度、临界压力状态下的气体作为溶剂，萃取待分离混合物中的溶质，然后采用等温变压或等压变温等方法，将溶剂与溶质分离的单元操作。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系二、超临界萃取的流程 根据溶剂再生方法的不同，超临界萃取的流程可分为四类：等温变压法；等压变温法；化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系吸附吸收法，即用吸附剂或吸收剂脱除溶剂中的溶质；添加惰性气体的等压法，即在超临界流体中加入N2、Ar等惰性气体，可使溶质的溶解度发生变化而将溶剂再生。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.3.2液膜萃取一、基本原理 液液膜膜分分离离乳状液型膜萃取支撑体型液膜萃取 化化化

17、化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系二、实施方法乳状液的准备乳状液的准备乳状液与待乳状液与待分离液接触分离液接触萃余液的分离萃余液的分离 乳状液的分层乳状液的分层 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.4 膜分离 膜是指在一个流体相内或两个流体相之间以特定的形式限制和传递组分，从而把流体相分隔成两部分的一薄层物质，膜可以呈固相、液相或气相状态存在。目前常用的膜多为固相膜。什么是膜？化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.4.1 各种膜分离过程简介选择性透膜选择性透膜 膜上游 透膜 膜下游 原理原理：利用天然或人工合成的具有：利用天然或人工合成的具有选择透过性选择

18、透过性的薄的薄膜，以膜，以外界能量或化学位差为推动力外界能量或化学位差为推动力，对双组分或，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的过程。多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的过程。通常，膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。通常，膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系几种常见的膜分离过程一、反渗透二、超滤三、微滤四、气体膜分离五、渗透蒸发六、膜蒸馏七、膜萃取八、电渗析三者组成了可分三者组成了可分离固态微粒到离离固态微粒到离子的三级膜分离子的三级膜分离过程。过程。具有高选择性具有高选择性+-极水极水 盐水盐水 淡水淡水广泛用于苦咸水脱盐广

19、泛用于苦咸水脱盐 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.4.2 膜分离过程的主要传递机理一、溶解扩散模型二、孔模型三、筛分模型四、优先吸附毛细管流动模型 化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.4.3 分离膜分分离离膜膜聚合物膜聚合物膜无机膜无机膜聚合物无机杂合膜聚合物无机杂合膜（按材质分类）致密膜或均质膜致密膜或均质膜微孔膜微孔膜非对称膜非对称膜复合膜复合膜离子交换膜或荷电膜离子交换膜或荷电膜特点特点:热、机械和化学稳定性好，热、机械和化学稳定性好，使用寿命长，污染少且易于清洗，使用寿命长，污染少且易于清洗，易实现电催化和电化学活化，孔易实现电催化和电化学活化，孔径

20、均匀等。径均匀等。缺点缺点:易破损、成型性差、价格易破损、成型性差、价格昂贵。昂贵。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系8.4.4 膜组件 一、膜组件性能对膜能够提供足够的机械支撑并可使高压原料侧和低压透过侧严格分开；在能耗最小的条件下，使原料在膜表面上的流动状况均匀合理，以减少浓差极化；具有尽可能高的装填密度并使膜的安装和更换方便；装置牢固、安全可靠、价格低廉、易于维修。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系二、工业上常用的膜组件形式1.板框式 1)系紧螺栓式 2)耐压容器式 板框式膜组件由于装填密度相对较低，在工业上已较少使但某板框式膜组件由于装填密度相对较低，在工业

21、上已较少使但某些板框式膜组件，由于结构设计巧妙，迄今仍在使用。些板框式膜组件，由于结构设计巧妙，迄今仍在使用。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系2.圆管式 1)内压型单管式 2)内压型管束式优点优点：流动状态好，流速易控：流动状态好，流速易控制；安装、拆卸、换膜和维修制；安装、拆卸、换膜和维修均较方便；能够处理含有悬浮均较方便；能够处理含有悬浮固体的溶液；机械清除杂质容固体的溶液；机械清除杂质容易；此外，合适的流动状态可易；此外，合适的流动状态可防止浓差极化和污染。防止浓差极化和污染。缺点缺点:管膜的制备条件较难控制，单位体积内有效膜面管膜的制备条件较难控制，单位体积内有效膜面积

22、较低，管口密封困难。积较低，管口密封困难。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系3.螺旋卷式优点优点：结构紧凑、单位体积内的有效膜面积大。：结构紧凑、单位体积内的有效膜面积大。缺点缺点：当原料液中含有悬浮固体时使用有困难；此：当原料液中含有悬浮固体时使用有困难；此外，透过侧的支撑材料较难满足要求，不易密封；外，透过侧的支撑材料较难满足要求，不易密封；同时膜组件的制作工艺复杂，要求高，尤其用于同时膜组件的制作工艺复杂，要求高，尤其用于高压操作时难度更大。高压操作时难度更大。化化化化 学学学学 工工工工 程程程程 系系系系4.中空纤维管式优点优点:不需要支撑材料、结构紧凑不需要支撑材料、结构紧凑缺点缺点:是压降大、清洗困难、制作复杂是压降大、清洗困难、制作复杂