化工原理(下册)ppt第二版天津大学出版社

返回武汉理工大学化工原理电子课件第五章蒸馏Distillation返回武汉理工大学化工原理电子课件5.1概述化工过程中步骤很多,这些步骤可分为两类:以进行化学反应为主,通常在反应器中进行.物理性操作单元操作返回武汉理工大学化工原理电子课件单元操作流体力学：沉降、过滤、离心分离等分离非均相混合物传热：传质：吸收、脱吸、精馏、萃取、干燥、吸附、结晶等分离操作非均相混合物均相混合物传质设备返回武汉理工大学化工原理电子课件一、化工生产中的传质过程均相混合物的分离过程1.均相物系的分离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；均相物系的分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某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。返回武汉理工大学化工原理电子课件均相物系分离的特点引入第二个相，并使两组分在第二个相中存在不均匀分配。相际传质（物质从一相通过相界面进入另一相）返回武汉理工大学化工原理电子课件分离的目的：浓缩：除去溶剂；纯化：除去杂质；分离：将混合物分成两种或多种目的产物；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。返回武汉理工大学化工原理电子课件２．以相际传质为特征的单元操作常见的有：吸收气体混合物的分离。物质由气相转入液相气相B+A液相S+AAA脱吸吸收逆过程脱吸返回武汉理工大学化工原理电子课件气体的减湿吸收的一种特殊情况。为水蒸气所饱和的气体与冷水接触，水蒸气则从气相转入液相，传质只在气相中进行。逆过程气相B+A液相（水相）A（水）A减湿增湿A增湿返回武汉理工大学化工原理电子课件液－液萃取（萃取）混合液的分离，物质从一液相转入另一液相液相B+A液相S+AA萃取A萃取逆过程萃取返回武汉理工大学化工原理电子课件固－液萃取（浸沥或浸取）属多相系的分离物质固相表面或内部转入液相。固相B+A液相S+A浸沥－－－－－A返回武汉理工大学化工原理电子课件结晶溶质从液相趋附于溶质晶体的表面转为固相，使晶体长大。溶解液相S+A固相AA结晶溶解A逆过程返回武汉理工大学化工原理电子课件吸附物质从气相或液相趋附于固体表面（多为多孔性固体的内表面）脱附气相或液相B+A固相CA吸附脱附A逆过程返回武汉理工大学化工原理电子课件干燥液体（水）经过汽化，从固体表面或内部转入气相，属多相系分离。固相B+A气相C+A干燥－－－－－A返回武汉理工大学化工原理电子课件精馏液体混合物的分离不同物质在汽液两相间相互转移。液相A+B汽相A+BAB精馏返回武汉理工大学化工原理电子课件3.相际传质与传热的相似和区别相似：区别：传递量极限（最终的平衡状态）推动力传热热量Q热平衡T=t⊿t=T-t传质质量m相平衡⊿C返回武汉理工大学化工原理电子课件二、相组成的表示法１.质量分率和摩尔分率质量分率ai：均相混合物中某组分质量占总质量的分率或百分率。∑ai＝１摩尔分率xi、yi：某组分摩尔数占总摩尔数的分率或百分率。∑xi＝１∑yi＝１返回武汉理工大学化工原理电子课件2.质量比和摩尔比：常用于双组分物系质量比：a=mA/mB摩尔比：X=nA/nBY=nA/nB换算a=a1-aa=a1+aX=x1-xX=X1+X返回武汉理工大学化工原理电子课件3.浓度：单位体积中的物质量质量浓度：cA=摩尔浓度：CA=(体积浓度）质量摩尔量mAVnAVkg/m3kmol/m3返回武汉理工大学化工原理电子课件质量浓度与质量分率的关系：AAac摩尔浓度与摩尔分率的关系：CxCAAC—混合物在液相中的总摩尔浓度，kmol/m3；—混合物液相的密度，kg/m3。返回武汉理工大学化工原理电子课件4．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:摩尔比与分压之间的关系:AAAYppp摩尔浓度与分压之间的关系:RTpVncAAApA=PyA返回武汉理工大学化工原理电子课件三、传质设备简介1.对传质设备的要求（设计原则）：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。两相在接触后能分离完全。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。返回武汉理工大学化工原理电子课件2.填料塔和板式塔：填料塔：在填料塔内气液两相沿着塔高连续接触、传质，因而两相的浓度也沿塔高连续变化。连续接触式传质设备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，其浓度沿塔高呈阶跃式变化。逐级接触式传质设备返回武汉理工大学化工原理电子课件返回武汉理工大学化工原理电子课件板式塔返回武汉理工大学化工原理电子课件拉西环鲍尔环阶梯环环填料塔返回武汉理工大学化工原理电子课件5.2蒸馏概述1.蒸馏原理：蒸馏是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.沸点低的组分称为易挥发组分或轻组分，高的为难挥发组分或重组分。返回武汉理工大学化工原理电子课件返回武汉理工大学化工原理电子课件2.蒸馏分离的特点蒸馏操作需要消耗大量的能量，流程简单蒸馏操作既可用于气体混合物的分离，也可用于液体混合物甚至是固体混合物的分离蒸馏操作有时需要高压、高真空、高温或低温条件返回武汉理工大学化工原理电子课件根据被蒸馏的混合物的组分数，可分为：多元蒸馏二元蒸馏根据操作过程是否连续，可分为：间歇蒸馏连续蒸馏根据操作压力，可分为减压蒸馏加压蒸馏常压蒸馏根据操作方式，可分为：精馏平衡蒸馏简单蒸馏3.蒸馏过程的分类返回武汉理工大学化工原理电子课件5.1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5.1.2双组分非理想物系的气液平衡返回武汉理工大学化工原理电子课件5.1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一、相律在物理化学中，我们学习过相律，即：152CF式中F――自由度数；C――独立组分数；Φ――相数。对双组分的气液相平衡，由相律知其自由度数为2。返回武汉理工大学化工原理电子课件二、双组分理想物系的气液平衡函数关系所谓理想物系，即指液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律；气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。返回武汉理工大学化工原理电子课件BBBxpp·0理想溶液理想溶液是指溶液中不同组分的分子间作用力和相同分子间的作用力完全相等的溶液。拉乌尔（Raoult）定律：理想溶液各分子之间的牵制力相等，各组分的挥发性不受其他组分存在的影响，它们在平衡气相中的分压仅由纯组分的饱和蒸气压及其在溶液中的摩尔分率决定。p=pA+pB设A-B是一对理想溶液体系，若在纯液体A中逐渐加入较难挥发的液体B形成A、B溶液，A的平衡分压（蒸汽压）pA仅仅由于被B的稀释而降低，则：AAAxpp·0同理：拉乌尔（Raoult）定律返回武汉理工大学化工原理电子课件拉乌尔定律：251000ABBBBAAAxpxppxpppA0、pB0为溶液温度下纯组分A和B的饱和蒸气压,可查有关手册或由下面安托因方程求得：35lg0TCBAp返回武汉理工大学化工原理电子课件当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和：由式5-2和5-4得：45BAppP55000BABApppPx6500000BABAAAAApppPPpPxpPpy返回武汉理工大学化工原理电子课件相平衡常数7500PpKPpKBBAA当总压不变时，相平衡常数K并非常数，随温度变化85BBBAAAxKyxKy返回武汉理工大学化工原理电子课件三、双组分理想溶液的气液平衡相图1、温度----组成（t-x-y)图将不同温度下的xA、yA绘在直角坐标系中得到T-x-y图图中各点和线的物理意义：1）两端点分别代表纯组分A、B的沸点。2）t—x线——称为泡点线（也就是饱和液体线）。t—x线以下，代表过冷液体（温度未达到沸点）。3）t—y——称为露点线（也就是饱和蒸气线）4）图中分为三个区：t—x以下，液相区t—x线和T—y线之间，气液共存区t—y线以上，气相区图5-1苯—甲苯混合液的t-x-y图返回武汉理工大学化工原理电子课件1）t-x-y相图的说明2）液体的加热过程泡点3）过热蒸汽的冷凝过程露点4）液体混合物的分离条件：部分汽化或部分冷凝5）二元理想溶液与纯液体的不同：返回武汉理工大学化工原理电子课件1）温度t上升tE时,单一液相此时位于液相区2）温度t上升tF时,开始沸腾产生气泡，此时位于t—x线称为泡点线3）温度t上升tG时,有部分气化此时位于气液共存区4）温度t上升tH时,全部液体变成饱和蒸气5）温度t上升tI时,过热蒸气此时位于气相区分析：含40%A和B的混合液体逐渐升温时各点、线的意义反过来，温度由tI降至tH时，蒸气冷凝开始有液滴出现，t—y线称为露点线。20406080t（℃）8090100110x(y)（%）IFEBGHT-xAT-y返回武汉理工大学化工原理电子课件图5-2苯—甲苯混合液的x-y图1、平衡线偏离对角线越远，溶液采用精馏法分离越容易。2、若平衡线与对角线相交或相切，则溶液达到平衡时交点或切点处的两相组成完全相同，表示该溶液不能采用普通精馏的方法来同时获得两个纯净组分。气液平衡线上的任一点均表示平衡时气相、液相的组成，但是不同的点对应的温度不同，其组成也各不相同。2、气液平衡图（x—y图）返回武汉理工大学化工原理电子课件注意：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，各组分间挥发度差异愈小，即相对挥发度α愈小，因此蒸馏压强愈高，平衡温度随之升高，α减小，分离变得愈难，反之亦然。但实验也表明，在总压变化范围为20-30%下，x-y平衡曲线变动不超过2%，因此在总压变化不大时，外压对平衡曲线的影响可以忽略。返回武汉理工大学化工原理电子课件四、挥发度和相对挥发度1、挥发度：对于纯液体：用其蒸气压表示挥发度。对于二元溶液：对于理想溶液：vA=pAovB=pBo对于非理想溶液：vi≠pioAAAxpv95BBBxpv返回武汉理工大学化工原理电子课件105BBAABBAAxyxyxpxpBAvv对双组分溶液，气相遵循道尔顿分压定律，则：11511xxy2.相对挥发度：上式称为气液相平衡方程。α越大，分离越容易。返回武汉理工大学化工原理电子课件5.1.2双组分非理想物系的气液平衡一、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；液相为理想溶液，气相为非理想气体；液相为非理想溶液，气相为非理想气体。非理想物系可能有以下几种情况：返回武汉理工大学化工原理电子课件1、具有正偏差的非理想溶液产生正偏差的原因：不同分子间的吸引力aAB小于相同分子间的吸引力aAA和aBB。当不同分子间的排斥倾向达到一定的程度时，就会出现最高蒸气压和相应的最低恒沸点，这就是所谓的“共沸”现象“共沸”现象：如：乙醇水溶液在P=1atm下，当x=0.894时，点M为最低恒沸点78.15℃返回武汉理工大学化工原理电子课件2、具有负偏差的非理想溶液产生负偏差的原因：不同分子间的吸引力aAB大于相同分子间的吸引力aAA和aBB。当负偏差达到一定程度时，也会出现“共沸”现象，就会出现最低蒸气压和相应的最高恒沸点如：硝酸水溶液在P=1atm下，当x=0.383时，点M为最高恒沸点121.9℃共沸：返回武汉理工大学化工原理电子课件返回武汉理工大学化工原理电子课件气液平衡数据来源1、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3、根据少量实验数据，由经验的或理论的公式估算返回武汉理工大学化工原理电子课件例1－1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101.33kPa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。返回武汉理工大学化工原理电子课件（1）利用拉乌尔定律000101.3