传质原理及应用课件.ppt

1、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

2、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

3、。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

4、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

5、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，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。其基本机理都相同。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

6、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)。10zcDJddAABAJA组分组分A扩散速率扩散速率(扩散通量扩散

7、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/m4zcddA 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：RTpcAAAd1=dAcdpzRT dzzpRTDJddAABA对于对于气体混合

8、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

9、有能量以热能的方式进行传递。热能的方式进行传递。=-dtdQSnzcDJddAABA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ABCCC常数ABdCdCdZdZ ABBADDDABJJ 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

10、是运动运动的的截面。截面。14（1）单相扩散）单相扩散 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

11、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

12、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=N 16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

13、成 ABCCNNNCC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BBCNJC 对组分对组分B：上两式相加得：上两式相加得：ANNNNA：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)AAACJNNC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

14、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：12()mAAABDPNppRTZ P2121lnmBBBBBppPppmBP1、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

15、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：12()mAAASD CNCCZ CAN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)D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/s12,AACC1、2两截面上的溶质浓度，两截面上的溶质浓度，kmol/m320（2）等分子反向扩散）等分子反向扩散 理想精馏操作理想精馏操作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

16、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=NBAA1A2()ZDNppRT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）A12AANpp（）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z0zp22mmBS pcpc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

17、率较单纯分子扩散增大的倍数。大的倍数。mmBS1 1pcpc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。AA1A2()ZDNppRT等分子反向扩散速率计算式等分子反向扩散速率计算式12()mAAABDPNppRTZ P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

18、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D pDTpTDpTfD )(75.1，（2）液相中的）液相中的D范围：范围：10-1010-9m2/s D DTTDTfD )(，171.75211233111.00 10()()()ABABTMMDPvv1280.67.4 10SASSAaM

19、TDv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，涡流内的物质传递。对流传热同时存在热传导类似，涡流扩散

20、的同时也伴随分子扩散。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

21、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，对流传质的作用就对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距离的分子距离的分子扩散过程，扩散过程，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。FCA1CA2GH0czdEed2812GmAAAGBDPNppRTpd对于气相对于气相对于液相对于液相12mLAAALBD CNccCdkL：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GmGGBDPkRTpdmLLLBDCkcd令：令：（2）对流传

22、质速率方程）对流传质速率方程12()AGAANkpp12()ALAANkCC29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(,)kf Du d T P 由量纲分析得特征数关联式：由量纲分析得特征数关联式：(Re,)ShfSc30Sc-施密特数，物性的影响施密特数，物性的影响=DScD1lklDShDkSh-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

23、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(Re,)ShfSc31（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

24、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2LLDk渗透

25、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

26、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

27、，全部液体达到均匀一致的浓度。35SLLkD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

28、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

29、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

30、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。2FC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

31、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

32、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ABPpp0AAApp x00A1BBBBpp xpx44 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0B00ABP-Apxpp0lgBbpatc泡点方程，泡点方程，即在一定的总压即在一定的总压P下，对下，对于某一指定的平衡温度于某一指定的平衡温度t，可求得饱和，可求得饱和蒸汽压蒸汽压pA0=f(t)和和pB0=f(t)，由此式可计由此式可计算气液相平衡时的算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

33、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AApyP00AB00ABP-AppyP pp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：01211lg6.906220.8Apt01345lg6.955219.5Bpt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

34、衡气液相组成。时的平衡气液相组成。47解：解：由于由于01211lg6.906220.8Apt01345lg6.955219.5Bptt=105,p=850mmHg0B00ABP-850645.90.227-1545645.9Apxpp0A1545 0.2270.413850AApyxP001545645.9ABpmmHgpmmHg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

35、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

36、温度升高点B时，时，溶液开始沸腾，该温度即为溶液开始沸腾，该温度即为泡点温泡点温度度。继续升温点。继续升温点C时，汽液两相共时，汽液两相共存，两相互成平衡。同样，若将温存，两相互成平衡。同样，若将温度为度为t5、组成为组成为y1的点的点E过热蒸汽冷过热蒸汽冷却，当温度降到点却，当温度降到点D时，过热蒸汽时，过热蒸汽开始冷凝，此时该温度即为开始冷凝，此时该温度即为露点温露点温度。度。说明：说明：11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。22混合液的沸点随组成不断变化。在同样组

37、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相图可由相图可由t-x（y）相图中若相图中若干平衡数据点而对应得到。干平衡数据点而对应得到。如右图所示，如右图所示，图中的曲线代表图中的曲线代表液相组成和与之平衡的气相组成间液相组成和与之平衡的气相组成间的关系，称为的关系，称为平衡曲线。平衡曲线。若已知液若已知液相组成相组成x1，可由平衡曲线得出与之可由平衡曲线得出与之平衡的平衡的气气相组成相组成y1，反之亦然。图反之亦然。图中的直线为对角线，该线作为参考中的直线为对角线，该线作为参考线供计算时使用。线供计算时使用。y x 理

38、想物系的理想物系的 y-x 相图相图 y yxy 51（1）图中曲线上任意点）图中曲线上任意点D表示组成为表示组成为x的液相与组成为的液相与组成为y的气相的气相互成平衡，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）当易挥发组分的气相组成）当易挥发组分的气相组成y 液相组成液相组成x时，平衡线肯定位时，平衡线肯定位于对角线上方，于对角线上方，平衡线离对角线越远平衡线离对角线越远，表示气相中易挥发组分含，表示气相中易挥发组分含量越高，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

39、%-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平衡线更平衡线更方便。方便。（4）总压）总压P变化较大时，平衡线易发生变化，若总压变化较大时，平衡线易发生变化，若总压P减小时，减小时，平衡线离对角线越远，则易于分离，若总压平衡线离对角线越远，则易于分离，若总压P增大时，平衡线离对增大时，平衡线离对角线越近，则难于分离。但工业上角线越近，则难于分离。但工业上减压蒸馏减压蒸馏的目的不在于易于分的目的不在于易于分离，而是离，而是为了降低操作温度，防止物料分解和聚合为了降低操作温度

40、，防止物料分解和聚合,即从分离的角即从分离的角度看，减压蒸馏有利，但工业上远不是从这一角度出发，还要考度看，减压蒸馏有利，但工业上远不是从这一角度出发，还要考虑经济性。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 ABABABppvvxx（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

41、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。00()AAAAAAApp xvpf txx0BBvp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。01AAAAApxvpx 53(1)=(1)AAAAABBAABpvxyxpvxyx（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）=v

42、A/vB，因，因vA、vB随温度沿同向变化，故随温度沿同向变化，故 值变化较小，值变化较小，可做常数处理。可做常数处理。（2）的大小可判断分离程度。当的大小可判断分离程度。当 1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，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=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。=1(1)AAAxyx546、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

43、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。BBAAABfff(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，容易出现现最低恒沸

44、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及图及图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，组点重合，组成为成为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，称为称为恒沸点，则该溶液称为恒沸液。因为该溶液的恒沸点温恒沸点，则该溶液称为恒沸液。因为该溶液的恒沸点温度最低，则称其为度最低，则称其为最低恒沸点溶液，最低恒沸点溶液，在在M点处无法用普点处无法用普通蒸馏方法继续分离。通蒸馏方法继续分离。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

45、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 由此可知，简单蒸馏，即将液体混合物进行一次部由此可知，简单蒸馏，即将液体混合物进行一次部分气化分气化(单级单级)的过程，只能起到部分分离的作用，只适的过程，只能起到部分分离的作用，只适用于要求粗分或初步加工的场合。用于要求粗分或初步加工的场合。如何使混合物中的如何使混合物中的组分得到高纯度（几乎完全）的分离？组分得到高纯度（几乎完全）的分离？从相图可以看出，用从相图可以看出，用一次部分气化一次部

46、分气化得到的气相产品得到的气相产品的组成不会大于的组成不会大于yD，而，而yD 是加热原料液是加热原料液xF产生第一个气产生第一个气泡时的平衡气相组成。同时，液相产品的组成不会低于泡时的平衡气相组成。同时，液相产品的组成不会低于xW，而，而xW是是将原料液全部气化剩下最后一滴液体时的平将原料液全部气化剩下最后一滴液体时的平衡液相组成。组成为衡液相组成。组成为xW的的液体量及组成为液体量及组成为yD的的气体量是气体量是极少的。将极少的。将xF的原料液加热到的原料液加热到t3时，液相量和气相量之时，液相量和气相量之间的关系，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

47、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 将图将图3-1所示的蒸馏单级分离加以组合所示的蒸馏单级分离加以组合,变成如图变成如图3-3所示的多级分离流程所示的多级分离流程(以以3级级为例为例)。若将第。若将第1级溶液部分气化所得气相级溶液部分气化所得气相产品在冷凝器中加以冷凝产品在冷凝器中加以冷凝,然后再将冷凝然后再将冷凝液在第液在第2级中部分气化级中部分气化,此时所得气相组成此时所得气相组成为为y2，y2y1,这种部分气化的次数这种部分气化的次数(级数级数)愈多愈多,所得到的蒸汽浓度也愈高所得到的蒸汽浓度也愈高,最后几乎最后几乎可得到纯态

48、的易挥发组分。同理可得到纯态的易挥发组分。同理,若将从若将从各分离器所得到的液相产品分别进行多次各分离器所得到的液相产品分别进行多次部分气化和分离部分气化和分离,那么这种级数愈多那么这种级数愈多,得到得到的液相浓度也愈低的液相浓度也愈低,最后可得到几乎纯态最后可得到几乎纯态的难挥发组分。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 上述的气液相浓度变化情况可以从图上述的气液相浓度变化情况可以从图3-43-4中清晰中清晰地看到。因此地看到。因此,同时多次地进行部分气化是使混合物得同时多次地进行部分气化是使混合物得以完全分离的以完全分离的必要条

49、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3333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以图以图3-3中的第中的第3级为例，由图级为例，由图3-4可知，可知，x

50、2y1x3，而而x2x310q1q=0q0zFxDxW不同进料热状态时的不同进料热状态时的q线和对线和对提馏段操作线的影响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 1VFVLIIkmolqII原料变成饱和蒸汽所需热量原料液的千摩尔汽化潜热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:+(-mmPsmrCt tqr）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