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文檔簡介
一、傳質(zhì)過程導(dǎo)論
ntroductionofmasstransferrocess
物質(zhì)在相際間的轉(zhuǎn)移屬于物質(zhì)傳質(zhì)過程
Substancetransferbetween
phasesbelongstothemasstransfer
process
這類單元操作在化工生產(chǎn)中應(yīng)用甚廣
Thiskindofunitoperationiswidely
usedinchemicalproduction
Inthispartwemainlylearn
(一)相組成的表示方法representingmethodof
phasecomposition
對于混合物,一個相的組成可以用多種方
法表示/
Forthemixture,aphasecomposition
canbeexpressedinavarietyofways,
1.質(zhì)量分數(shù)與摩爾分數(shù)Themassfractionand
themolefraction
i
refersthefractionthatacomponent
massaccountforo>\totalmass
massfraction:WA
a
a
[WA-massfractionofcomponent
A】
molefraction:XA
gas
a
phase:
a
liquidphase:
a
a
relationshipWA-XA:
a
a
—>
a
[MA-molarmass,kg/kmol]
2.質(zhì)量比與摩爾比massratio、molarratio
a
massratio:
a
molarratio:X
gas
phase:
a
liquidphase:
a
a
relationshipw-
a
a
relationshipx-X:
a
a
3、concentration:
Massconcentration:CA
a
molarconcentration:CA
a
relationshipCA-WA:
a
relationshipcA-xA:
a
4.氣體總壓與理想氣體中組分的分壓
Totalpressureandpartialpressureofcomponentinideal
gas:
a
MoleratioY-partialpressure:
a
massratio-partialpressure:
a
molarconcentrationCA-PA:
a
massconcentrationCA-PA:
a
(二)、擴散原理principleofdiffusion
1、Ficklaw:溫度、總壓一定,組分A在擴散方向上任一
點處的擴散通量與該處A的濃度梯度成正比。
Underacertaintemperature,total
pressure,diffusionfluxofcomponentA
onthedirectionofdiffusionis
proportionaltoconcentrationgradient
a
[dcA/dz-concentrationgradient;
DAB-DiffusioncoefficientofAinB,m2/s]
PS:1、負號表示方向相反minussignmeansJAandgradientare
intheoppositedirection
2、Ficklawdescribestherule
ofdiffusionrate
分子擴散兩種形式Moleculardiffusionintwo
forms:
二、吸收Absorption
(一)、吸收的基本理論Thebasictheoryof
absorption
L利用不同氣體組分在液體溶劑中的溶解度差異,對其進行選擇
性溶解,從而將氣體混合物進行組分分離的傳質(zhì)過程稱為吸收
UsetheSolubilitydifferenceofdifferentgas
componentsinliquidsolvents,
dissolvethecomponentselectivelyzThemass
transferprocessofgasmixtureseparation
iscalledtheabsorption
在工業(yè)上的應(yīng)用有:原料氣的凈化、某些
產(chǎn)品的制取、廢氣的治理等
theindustryapplicationispurificationof
feedgas,preparationofsomeproducts,
improvementofexhaustgas.
2、氣液相平衡gas-liquidequilibrium
在溶質(zhì)A與溶劑接觸、進行溶解度的過程中,隨著濃度cA
的逐漸增大,傳質(zhì)速率將逐漸減慢,最后降到零,cA達到一最大限
度cA*.這時稱氣液達到了相平衡,
intheprocessofAcontactingwithsolutesolubilityin
solvent,withtheincreasingofconcentration,themass
transferratewillgraduallyslowdown,finallyreducedtozero,
cAreachedamaximumcA*oThenitiscalled
gas-liquidphaseequilibrium.
亨利定律henry'slaw:
總壓不高時,在一定溫度下,稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平衡
分壓與溶質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比。
Whenthetotalpressureisnothigh,atacertain
temperature,equilibriumpartialpressureofthe
solute\ntheqasphaseabovethedilute
solutionisproportionaltotheMole
Fractionofsoluteintheliquidphase.
a
[E-Henry'sconstant,kpaE=C/H;
C-液相總濃度theliquidphasetotal
concentration;
H-溶解度系數(shù)solubility
coefficient】
(二)、吸收傳質(zhì)速率masstransferrateofabsorption
①雙膜模型doublemembrancemodel
1)氣液兩相存在一個穩(wěn)定的相界面,界面兩側(cè)存在穩(wěn)定的氣膜和液
膜,膜內(nèi)為分子擴散
wesuppose,Thereisastablegas-liquidinterface,stablegas
filmandliquidexistonbothsidesoftheinterface,inthefilm
thereismoleculardiffusion
2)相界面處兩相達平衡Twophaseachievebalanceatphase
interface.
a
為吸收速率的計算提供了依據(jù)Providethebasisforthe
calculationofabsorptionrate
②相際傳質(zhì)速率方程masstransferingrateequation
1、Gasmembraneabsorptionrateequations:
NA=RG(pc-pi)
【I<G-氣膜吸收系數(shù)Gasmembraneabsorption
coefficient;]
當氣相的組成以摩爾分率表示時
Whenthegasphasecompositionusethemolefractionto
express:
a
[ky-表示以摩爾分數(shù)差為推動力的氣膜吸收系數(shù)
Gasmembraneabsorptioncoefficientthat
usedifferenceofmolefraction8Sdrivingforce]
2、liquidmembraneabsorptionrate
equations:
NA=RL(G-CL)
[ki-liquidmembraneabsorption
coefficient;]
當液相的組成以摩爾分率表示時
Whentheliquidphasecompositionusethe
molefractiontoexpress:
a
【kx-表示以摩爾分數(shù)差為推動力的液膜吸收系數(shù)
liquidmembraneabsorptioncoefficient
thatusedifferenceofmolefraction8Sdrivingforce]
3、總吸收系數(shù)及相應(yīng)的吸收速率方程式
①氣相總分壓差為推動力的傳質(zhì)速率方程
equationthatusedifferenceofgasphaseoverallpartial
pressureasdrivingforce.
NA=KG(pG-pL*)
【KG一氣相總傳質(zhì)系數(shù)Thegas
phaseoverallmasstransfercoefficient
PL*-與液相主體濃度成平衡的氣相分
壓,Pa
gasphasepartial
pressurethatisinbalance
withconcentration
ofliquidphase;
PG-gasphasepartial
pressure]
以摩爾分率表示時usethemolefractiontoexpress:
a
[Ky—以,為推動力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)
gasphaseoverallmass
transfercoefficientthatuseAyasdriving
force
y*-與液相組成成平衡的氣相組
成,摩爾分數(shù)
Gascompositionthatisin
balancewithliquidcomposition,mole
fraction]
②以液相總濃度差為推動力的傳質(zhì)速率方程
equationthatusedifferenceofliquidphase
overallconcentrationasdrivingforce.
NA=KL(CG*-CL)
【CG*-與氣相分壓PG呈平衡的液相濃度,
liquidconcentrationthatisin
balancewithgasphasepartialpressure]
3
ps:總系數(shù)與分系數(shù)的關(guān)系Theoverallcoefficientandpartial
coefficient
a
a
Respectivelyaretotalresistanceandgasfilmresistanceand
liquidfilmresistance
a
3
氣膜控制:gasfilmcontrol:
溶解度很大時的易溶氣體,傳質(zhì)阻力主要集中在氣相。稱為氣膜控制
物系。
Asforthesolublegaswithlargesolubility,meansH(溶解度
系數(shù)
solubilitycoefficient)islarge,sothemasstransferresistance
ismainlyconcentratedinthegasphase.Knownasthegas
filmcontrolsystem.
a
a
a
a
(三)、吸收(或脫吸)塔的計算Thecalculationofabsorption
tower
1、物料衡算與操作線方程materialbalance、operatingline
equation
a
Ga、Gb——氣體組分(A+B)出塔、入塔的流率,kmol/
m2s
exit、enterflowrateofgas
component
La、Lb——液體組分(A+B)出塔、入塔的流率
G、L——通過塔此截面的氣、液流率,
Thegasandliquidflowrateof
acrosssectionofthetower
ya、yb——出塔、入塔氣體的摩爾分數(shù),
exit、entermolefractionofgas
component
x、y——塔一截面處氣、液的摩爾分數(shù)
gas,liquidmolefractionof
across-sectionofthetower
全塔物料衡算Overallmaterial
balance:
GB=G(1-y),Ls=L(l-x)
Y=y/l-y,X=x/l-x
GB(Yb-Ya)=Ls(Xb-Xa)
(解釋:氣體溶質(zhì)被吸收,y、G不斷減小,以不變的量
作為基準,即惰性氣體B的流率和溶劑S的流率
Thegassoluteisabsorbed,y,G
decreasecontinuously,
useinvariantasthebenchmark,
theinertgasBflowrateGBandthe
solventSflowrateLs]
藍色的通常是已知的,如果再知道Ls、Xb
之一,就可求出另一個量
GB、Yb、Ya、Xaareusually
known,ifweknowoneofLSZ
Xbzandthenwecanfindanother
quantity.
為求得任意截面上的氣液組成關(guān)系,可以對塔頂
與此截面間作物料衡算,
Inordertoobtaingasandliquid
compositionrelationshiponanysection,
wecanmakematerialbalancebetween
thetopofthetowerandthecross
section
GB(Y-Ya)=Ls
(X-Xa)
operatinglineequation
or,Y=LS/GB-X+(Ya-LS/GB
.Xa)
a
accordingtoit,wecanalsodrawathemoleratioof
coordinatesystem,AB-operatingline,slopeofline
平衡線
ABisLS/GB,OE-lineofbalanceo
AnypiontPontheoperatingline,
PQ-以氣相摩爾比之差表示的推動力driving
forceexpressedbydifferenceofgasphase
moleratio(Y-Y*),PR-driving
forceexpressedbydifferenceofliquid
phasemoleratio(X*-X).
whenLsdecreases
,slopedecreasesaswellz
LimitoperationisBmeetingOEatC,soC
-drivingforceis0zandmasstransferrateis
also0.
liquid-gasratiointhissituationis
calledminimumliquidgasratio,
a
應(yīng)用啥的:關(guān)于溶劑的用量,希望流率要小來
降低消耗,但限于溶解度,不能太小,所以實際
采用液氣比常在最小值的L1至2倍內(nèi)選.
Abouttheamountofsolvent,wewantflow
ratecanbesmallertoreducethe
consumption,butduetothelimited
solubility,itcannotbetoosmall,sothe
liquidgasratioisalwayschoosed1.1to2
timesoftheminimumvalue
(四)、填料層高度的計算heightoffillinglayer
它應(yīng)保證其中有效氣液接觸面積能滿足傳質(zhì)的需求
Itshouldensuretheeffectivegas-liquidcontact
areacanmeetthedemandofmasstransfer
A=aV=a(nD2/4)h
L對數(shù)平均推動力法logarithmicaveragedriving
force
a
【Kya-氣相總體積吸收系數(shù)gasphase
overallvolumeabsorptioncoefficient;
A
①findym:
a
△ya=ya-mxaallwillbe
giveno
2、吸收因數(shù)法AbsorptionNumberMethod
①液氣比liquid-gasratio:
L/G=(yb-ya)/(xb-xa)
②吸收因素absorptionfactorA:
A=L/mG
S。脫吸因素Desorptionfactor:
S=l/A
③吸U攵要求Absorptionrequirements:
(yb-mxa)/(ya-mxa)=?
(4)useS、?lookatgraph,getNOG
h=NOG*HOG
傳質(zhì)單元TransferUnit
氣相總傳質(zhì)單元數(shù)gasphaseoverall
transferunit:NOG
為了便于分析,把整個填料層分為若干段,
Inordertofacilitatetheanalysis,thefiller
layerisdividedintoseveralsegments,
傳質(zhì)單元高度heightoftransferunitHOG:
a
同理還有液相總傳質(zhì)單元數(shù)Similarly,NOLHOL
(五)、塔板數(shù)platenumber
板式塔和填料塔的區(qū)別在于,氣液兩相
的接觸是在塔板上進行的,故組成沿塔高呈階躍
式變化而不是連續(xù)式變化。所以得求塔板數(shù)。
thedifferencebetweenplate
columnandpackedcolumnisthatthe
gas-liquidcontactisoncolumnplate,so
thecompositionalongthetowerhigh
issteptypechangeinsteadofcontinuous
change.Soweshouldfindplatenumber.
a
a
N-理論板數(shù)numberoftheoreticalplates
總板效率overallplateefficiencyEO:
E0=N/Ne
Ne-實際板數(shù)actualnumberplate
三、蒸儲distillation
利用混合物在一定壓力下各組分相對揮發(fā)度(沸點)的不同進
行分離的一種單元操作。Usethedifferenceofrelative
volatility(BP)
betweencomponentsofmixtureundercertain
pressure,toseparatemixedliquids0
第一節(jié)二元物系的汽液相平衡
顯然,氣液兩相呈平衡時的組成差別越大,越有利于蒸播
分離。因此這里需研究相平衡關(guān)系。
Obviously,themorebiggerthedifference
ofcompositionofagas-liquid(whichisin
equilibrium)is,theeasierthedistillationis.Soheretostudy
phaseequilibrium.
(一)、理想溶液idealsolution
若溶液中的各個組分在全部濃度范圍內(nèi)都服從拉烏爾定
律,稱為理想溶液。
ifeachcomponentinthesolutioninthe
wholeconcentrationrangeobeysRaoul's
law,knownastheidealsolution
a
3
a
-純液體的蒸氣壓Thepure
liquidvaporpressure
x-易揮發(fā)組分A的摩爾分數(shù)The
molarfractionofvolatilecomponents
a
a
so,液相組成liquidcomposition:
a
泡點方程bubble-point
equation0
a
(解釋:
Dependsonthetemperaturesolutionbegantoboil)
means一定總壓下液相組成與泡點的關(guān)系
Underacertaintotalpressure
relationshipbetweenliquidphasecomposition
andthebubblepoint。
a
露點方程
Dew-pointequationo
means一定總壓下氣相組成與開始冷凝時的溫度的關(guān)
系
Underacertaintotalpressurethe
relationshipbetweengasphasecompositionand
temperaturegasbegantocondensate
氣液相平衡圖Gasliquidequilibriumgraph
a
ADB-dew-pointline,t-y;ACB-bubble-pointline,
t-x;
whent=100,drawalinemeett-yatD,meett-xatC,
CDmeansGas-liquidtwophasecompositionx=,
y=
drawAvertical,F-bubble-point(whenx=),
E-dew-point
onlyinthe2phaseregion,
componentcanbeseparated
(二)揮發(fā)度和相對揮發(fā)度Volatilityand
relativevolatility
1、Volatility:對純液體,揮發(fā)度指該液體在
定溫度下的飽和蒸汽壓
Forthepureliquid,volatilityrefersto
thesaturatedvapourpressureofsaturatedunderacertain
temperature
a
對混合液,揮發(fā)度為組分在蒸氣中分壓和與之平衡的液相中的摩爾分
率之比
Forthepureliquid,volatilityreferstotheratiobetween
Componentpartialpressureinthevapourandmole
fractionintheliquidphase
a
2.relativevolatility:溶液中易揮發(fā)組分的揮發(fā)度與難揮發(fā)組分的
揮發(fā)度之比,用a表示。Theratioofvolatility
betweenvolatilecomponentsandICSSVolatile
componentsinthesolution,
a
a
道爾頓分Dalton'sLawofPartialPressure
a
a
a
3
_______________________________________Gas
liquidequilibriumequation,
canbeusedtofindGas-liquidCompositiononceweare
givena
第二節(jié)蒸儲方式
—、簡單蒸儲Simpledistillation
流程圖如下flowchart:
a
混合液在蒸儲釜中逐漸汽化,產(chǎn)生的蒸汽進入冷凝器,儲出液進入
容器中。
Themixtureinthedistillationkettlegraduallyvaporized,
thegenerated
vaporenteringthecondenser,
thedistillateintothecontainer.
Afteradifferentialtimedt,Residual
liquiddecreasedbydW,Liquidphase
compositiondecreasedbydx,
對易揮發(fā)組分,出前后的微分進行物料衡算為:
tovolatilecomponents,carriedouta
materialbalance,
a
[W——某一瞬間釜內(nèi)
的液量,Theamountofliquidinkettleata
moment,kmol]
a
a
將上式積分integrateit,
a
[Wl.W2——釜內(nèi)的料液量和殘液量Amol
Theamountofmaterial
liquidandresidualliquidinsidethekettle
xl、x2——料液和殘液中易揮發(fā)組分組成
volatilecomponents
ofmaterialliquidandresidualliquid]
Foridealsolution
a
可由WLX1,加上W2X2之一,求W2X2,
accordingtoWi、Xi,addW2orX2,canfindX2orW2
fortotalmaterial:WD=WI-W2
forvolatilecomponents:WDXD=WIXI-W2X2
二、平衡蒸儲Equilibriumdistillation
分離效果不好,只能作為原料的初步分離Separationeffectisnot
good,canonlybeusedaspreliminaryseparationofraw
materials
a
使混合液體部分氣化,并使氣液兩相處于平衡狀態(tài),然后將氣液
兩相分開,分別從頂部和底部排出。
partgasifythemixedliquid,enablethe
gas-liquidintheequilibriumstate,
thenseparategas-liquidtwo-phase,they
aredischargedrespectivelyfromthetop
andbottomo
materialbalance:
fortotalmaterial:V+L=F
forvolatilecomponents:
VyD+Lxw=FxF
vy
XW=FX
D+(F-V)F
令液相分率supposeliquidfractionL/F=q,
sogasfractionV/F=l-q
a
—汽液相平衡組成的物料
衡算關(guān)系
materialbalance
relationshipofvaporliquidequilibrium
YD、XwcanbecomputedbymixedGasliquid
equilibriumequationandbalancedequations
第三節(jié)二元連續(xù)精微的分析和計算
(一)、精儲原理principleofrectification
a
將原料液進入的那層板稱為加料板,加料板以上稱為精微段,作用是
使上升氣流中易揮發(fā)組分的濃度逐板增加,從而在塔頂?shù)玫胶细竦囊?/p>
揮發(fā)產(chǎn)品;
Theplatethatrawmaterialliquidenterintois
calledfeedboard,Thefeedboardaboveiscalled
therectifyingsection,theroleisincreaseingconcentration
ofvolatile['valntl]componentsintherisingairstepby
step,togetaqualifiedvolatileproductsat
thetopofthetower;
加料板以下稱為提儲段,作用是使下流液體中易
揮發(fā)組分逐板減少,從而在塔底得到合格的難揮
發(fā)產(chǎn)品
Thefeedboardbelowiscalledthe
strippingsection,theroleis
reduceingvolatilecomponentsin
defluentliquidstepbystep,togeta
qualifiedlessvolatileproductsin
bottomofthetower
(二)、計算
1、全塔物料衡算Overallmaterialbalance
a
fortotal
a
material:
a
forvolatilecomponents:_________________
【F-料液流率flowrateofMaterial
liquid,kmol/h;
D-塔頂產(chǎn)品流率flowrateoftop
product;
W-塔底產(chǎn)品流率....bttomproduct;
xF-易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)mole
fractionofvolatilecomponent]
一般是給出F、xFDW,求D,W
generallyF,xFDWwillbegiventofindD,W
(不講!塔頂易揮發(fā)組分回收率recoveryrateofvolatile
componentsattoptower:
a
)
2、精微段操作線方程operatinglineequationofRectifying
section
a
(這個圖不是很懂談。。。。畫的時候不寫yl,直接上y(n+1)
fortotal
a
material:
forvolatile
3
components:
【V-離開的汽流量removedvapourflow;L-回流液
量theamountofrefluxliquid;
D-儲出液量Distillateamount;
a
a
精福段操
作線方程
a
回流比refluxratio
3、提微段操作線方程
a
fortotal
a
material:
forvolatile
a
components:
[L'-becauseofinputatfeedborad,與L不同
a
提微段操作線方程
4、進料熱狀態(tài)feedthermalcondition
q-進料液相分率Feedliquidfraction
a
L'=L+qF
V'=V-(1-q)F
熱量衡算heatbalance
FiF=(qF)iL+(1-q)Fiv
ip---進料的烙enthalpyoffeedstock
3
a
1)過冷液體subcooledliquid
a
q>i
2)對于泡點進料bubblepointfeed(飽和液體
saturatedliquid)
a
,q=i
3)汽液混合物進料liquid-vapormixture
a
q
a
4)對于飽和蒸汽進料saturatedvapor
a
q=0
5)過熱蒸汽進料superheatedvapor
a
a
a
a
5、理論塔板層數(shù)的求法Theoreticalplate
layers【甩】
Stage-by-stagecalculation、graphic
method
1)操作線:
a
c)q線方程Qlineequation
a
a
第四節(jié)其它蒸儲方式
甩甩甩
四、萃取extraction
(一)、基本概念concept
分離液體混合物的工業(yè)過程除蒸儲外,應(yīng)用較廣的還有萃取。
Inadditiontothedistillation,extractioniswidelyused
toseparateliquidmixturesinindustrialprocess.
利用混合液中各組分在溶劑中溶解度的差異而實現(xiàn)分離的一
種單元操作。
it'saunitoperationbyusingthedifferenceof
solubilitybetweeneachcompositioninsolventstoachieve
separation.
a
SshouldhasabigdissolvingcapacitytoA,doesnotdissolve
B
使液相分成兩層Maketheliquidphaseisdividedintotwo
layerSo
onelayerisE,includesAS
theotherisraffinate,B
(二)、組成在三角形相圖上的表示方法triangularphase
diagram
A-溶質(zhì)soluteB-original
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