1、第章吸收与蒸馏第章吸收与蒸馏名称名称符号符号定义定义单位单位质量浓度质量浓度AmA/Vkg/m3物质量浓度物质量浓度cAnA/Vkmol/m3质量分率质量分率AmA/(mA+mB)无因次无因次摩尔分率摩尔分率 气气yA、液液xAnA/(nA+nB)无因次无因次摩尔比摩尔比 气气YA、液液XAnA/nB无因次无因次非均相物系的分离：非均相物系的分离：利用多相物质在物理性质上的差异来实现利用多相物质在物理性质上的差异来实现均相物系的分离：均相物系的分离：造成一个两相物系利用各组分在两相中性造成一个两相物系利用各组分在两相中性质的差异，使其中某组分或某一些质的差异，使其中某组分或某一些组分从组分从一
2、相向另一相转移一相向另一相转移，实现分离目的。，实现分离目的。传质过程：传质过程：吸收、蒸馏、萃取、吸附、膜分离、干燥吸收、蒸馏、萃取、吸附、膜分离、干燥 在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将有自高浓度区在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将有自高浓度区向地浓度区移动的趋势，该移动过程称为向地浓度区移动的趋势，该移动过程称为传质过程传质过程。分离过程包括分离过程包括机械分离机械分离和和传质分离传质分离。机械分离：压榨、过滤、沉降等机械分离：压榨、过滤、沉降等界面界面气相气相主体主体组分组分组分组分液相液相主体
3、主体1）扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）；扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）；2）在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；3）进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩 散（单相中的扩散）；散（单相中的扩散）；物质在单相中的传递靠扩散，发生在流体中的扩物质在单相中的传递靠扩散，发生在流体中的扩散有散有分子扩散分子扩散和和涡流扩散涡流扩散两种。两种。分子扩散分子扩散：依靠分子的无规则热运动，主要发生依靠分子的无规则热运动，主要发生 在静止或层流流体中。在静止或层流流
4、体中。涡流扩散涡流扩散：依靠流体质点的湍动和旋涡而传递依靠流体质点的湍动和旋涡而传递 物质，主要发生在湍流流体中。物质，主要发生在湍流流体中。A BAB A BAB分子扩散分子扩散：在一相内部存在：在一相内部存在浓度差浓度差（或浓度梯度）的情（或浓度梯度）的情况下，由于况下，由于分子的无规则运动分子的无规则运动而导致的而导致的物质传递现象物质传递现象。分子扩散是物质分子微观运动的结果。分子扩散是物质分子微观运动的结果。扩散通量扩散通量(J)：单位时间内单位面积上扩散传递的物质量单位时间内单位面积上扩散传递的物质量，其单位为其单位为mol/(m2s)。AAABdcJDdz 式中式中 JA物质物质
5、A在在z方向上的分子扩散通量，方向上的分子扩散通量，kmol/(m2s)dCA/dz物质物质A的浓度梯度，的浓度梯度，kmol/m4 DAB物质物质A在在A、B混合物混合物中的分子扩散系数，中的分子扩散系数，m2/s 负号负号表示扩散是沿着物质表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。浓度降低的方向进行的。当物质当物质A在介质在介质B中发生扩散时，任一点处物质中发生扩散时，任一点处物质A的扩散通的扩散通量与该位置上量与该位置上A的浓度梯度成正比，即：的浓度梯度成正比，即：同理：同理：BBBAdcJDdz AAdpDJRTdz 式中式中 pA物质物质A组分分压，组分分压，Pa T气体温度，气体温
6、度，K R气体常数，气体常数，8.314J/（kmolKK）负号负号表示扩散是沿着物质表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。浓度降低的方向进行的。AAAnpcVRT假定：假定：pA1 pA2 pB11，漂流因子的大小直接反映了整体移动在传质中所占分，漂流因子的大小直接反映了整体移动在传质中所占分量的大小，即漂流因子体现了整体移动对传质速率的影响。量的大小，即漂流因子体现了整体移动对传质速率的影响。单向扩散的传质速率单向扩散的传质速率在液相中以单向扩散多见，仿气相中的扩散速率关系，则有在液相中以单向扩散多见，仿气相中的扩散速率关系，则有 连续等价离子交换和理想溶液精馏时的扩散过程属于等分连续
7、等价离子交换和理想溶液精馏时的扩散过程属于等分子反向扩散模型，连续结晶、吸附、浸提、吸收等扩散过程属子反向扩散模型，连续结晶、吸附、浸提、吸收等扩散过程属于单向扩散模型。于单向扩散模型。)(21AABmACCzCCDN式中式中 NA溶质溶质A在液相中的传递速率，在液相中的传递速率，kmol/m2s D溶质溶质A在溶剂中的扩散系数，在溶剂中的扩散系数，m2/s C溶液的总浓度，溶液的总浓度，C=CA+CS，kmol/m3 CBm扩散初、终截面上溶剂扩散初、终截面上溶剂S的对数平均浓度，的对数平均浓度，kmol/m3液相中的稳定分子扩散液相中的稳定分子扩散分子扩散系数是物质的特征系数之一，表示分子
8、扩散系数是物质的特征系数之一，表示物质在介质中物质在介质中的扩散能力的扩散能力；扩散系数取决于扩散系数取决于对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；对于液体中的扩散，浓度的影响不可以忽略，而压强的影对于液体中的扩散，浓度的影响不可以忽略，而压强的影响不显著。响不显著。物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借助于物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借助于经验或半经验公式进行计算。经验或半经验公式进行计算。分子扩散系数分子扩散系数介质的种类、温度、浓度及压强。介质的种类、温度、浓度及压强。1.5000pTDDpT式中式中 D0温度温度T0，压强压强
9、p0下的下的扩散系数，扩散系数，m2/s；P总压强，总压强，kPa；气相中的扩散系数气相中的扩散系数液相中的扩散系数液相中的扩散系数(非电解质非电解质)000TDDT式中式中 D0温度温度T0，粘度粘度0下的下的扩散系数，扩散系数，m2/s；分析：此题属非稳定单向扩散问题分析：此题属非稳定单向扩散问题.解决非稳解决非稳定问题是在对扩散至某一时刻定问题是在对扩散至某一时刻(液面将高度液面将高度Z处处)的瞬间，利用单向扩散传质速率方程，然的瞬间，利用单向扩散传质速率方程，然后利用质量衡算建立微分式，最后划定边界条后利用质量衡算建立微分式，最后划定边界条件积分得所需时间件积分得所需时间.物质在湍流的
10、流体中传质，主要凭藉湍流流体质点的湍动和物质在湍流的流体中传质，主要凭藉湍流流体质点的湍动和旋涡引起流体各部分之间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件旋涡引起流体各部分之间的剧烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质朝着浓度降低的方向进行传递，这种现象称为下，物质朝着浓度降低的方向进行传递，这种现象称为涡流扩涡流扩散散（eddy diffusion）。）。对流传质对流传质是指发生在是指发生在运动着的流体运动着的流体与与相截面相截面之间的传质之间的传质过程。在实际生产中，传质操作多发生在流体湍流的情况下，过程。在实际生产中，传质操作多发生在流体湍流的情况下，此时的此时的对流传质对流传质是湍流主体与相界面
11、之间的涡流扩散与分子扩是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和。散两种传质作用的总和。(对流传质对流传质)（1）对流传质）对流传质 在湍流流体中同时存在涡流扩散在湍流流体中同时存在涡流扩散 和分子扩散（涡流扩散占和分子扩散（涡流扩散占主导地位主导地位），其总扩散通量为），其总扩散通量为dZdCDDJAEA)(式中式中 D分子扩散系数，分子扩散系数，m2/s；DE涡流扩散系数，涡流扩散系数，m2/s；dCA/dZ沿沿z方向的浓度梯度，方向的浓度梯度，kmol/m4；J总扩散通量总扩散通量kmol/(m2s)注：涡流扩散系数注：涡流扩散系数DE不是物性常数，它与湍动有关，且随位
12、置不是物性常数，它与湍动有关，且随位置而不同。由于其难以测定，常将分子扩散和涡流扩散结合在一而不同。由于其难以测定，常将分子扩散和涡流扩散结合在一起考虑。起考虑。以吸收为例：以吸收为例：吸收剂沿壁吸收剂沿壁面自上而下面自上而下流动，混合流动，混合气体自下而气体自下而上流过液体上流过液体表面。考察表面。考察稳定操作状稳定操作状况下吸收塔况下吸收塔设备任一截设备任一截面面m-n处相处相界面的气相界面的气相一侧溶质一侧溶质A浓度分布情浓度分布情况。况。单相内对流扩散的有效膜模型单相内对流扩散的有效膜模型 流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即湍流主体、流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即湍流主
13、体、过渡层和滞流层。过渡层和滞流层。过渡层过渡层 同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐变小，曲线逐渐平缓。变小，曲线逐渐平缓。层流层层流层 溶质的传递主要依靠分子扩散作用，由于溶质的传递主要依靠分子扩散作用，由于D值值较小，在该区域内分压梯度较大，曲线陡峭。较小，在该区域内分压梯度较大，曲线陡峭。湍流主体湍流主体 主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合作主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合作用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。相界面气相主体G 停滞膜模型 延长层流内层的分压延长层流内层的分
14、压线和气相主体线和气相主体 的分压线交的分压线交于于H点，此点与相界面的距点，此点与相界面的距离为离为G ，在在G 以内的流以内的流动为层流，其物质传递纯属动为层流，其物质传递纯属分子扩散，此虚拟的膜层称分子扩散，此虚拟的膜层称为为有效滞流膜有效滞流膜。由气相主体至相界面的对流传质速率为（按有效滞流膜层由气相主体至相界面的对流传质速率为（按有效滞流膜层内的分子扩散速率计算）内的分子扩散速率计算）()()GAAAiGAiGBmD pNppkppRTp式中式中 NA溶质溶质A 的对流传质速率，的对流传质速率，kmol/(m2s)；G气相有效滞流膜层厚度气相有效滞流膜层厚度,m；kG气膜吸收系数；气
15、膜吸收系数；pA气相主体中溶质气相主体中溶质A的分压的分压,kPa；pAi相界面处溶质相界面处溶质A的分压的分压,kPa；pBM惰性组分惰性组分B在气相主体中与相界面处的分压的对数平均在气相主体中与相界面处的分压的对数平均 值值,kPa；在液相中的传质速率为在液相中的传质速率为)()(cckccczCDNiLiSmLA式中式中 zL液相有效滞流膜层厚度，液相有效滞流膜层厚度，m；C液相主体中的溶质液相主体中的溶质A浓度，浓度，kmol/m3；ci相界面处的溶质相界面处的溶质A浓度，浓度，kmol/m3；cSm溶剂溶剂S在液相主题与相界面处的浓度的对数均在液相主题与相界面处的浓度的对数均 值，值
16、，kmol/m3；kL液膜吸收系数或液膜传质系数液膜吸收系数或液膜传质系数当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧分别存在着呈层流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必分别存在着呈层流流动的稳定膜层（有效层流膜层）。溶质必须以分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度主要须以分子扩散的形式连续的通过这两个膜层，膜层的厚度主要随流速而变，流速愈大厚度愈小。随流速而变，流速愈大厚度愈小。在相界面上气液两相相互成平衡。在相界面上气液两相相互成平衡。在膜层以外的主体内，由于流体的充分湍动，溶质的浓度分在膜层以外的主体内，由于流体的充分
17、湍动，溶质的浓度分布均匀，可认为两相主体中的浓度梯度为零，即浓度梯度全部布均匀，可认为两相主体中的浓度梯度为零，即浓度梯度全部集中在两个有效膜层中。集中在两个有效膜层中。用双膜理论解释具有固定相界面的系统及速度不高的两流体用双膜理论解释具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质过程（如湿壁塔），与实际情况是大致相符合的。间的传质过程（如湿壁塔），与实际情况是大致相符合的。（2）双膜理论）双膜理论pAcA pA,i cA,i气气膜膜液液膜膜相界面相界面气相主体气相主体液相主体液相主体传质方向传质方向图图 双膜理论双膜理论示意图示意图溶溶质质A在在气气相相中中的的分分压压溶溶质质A在在液液相相
18、中中的的摩摩尔尔浓浓度度n板式塔降液管填料层气体液体气体液体塔板气体液体气体液体传质设备简介传质设备简介板式塔板式塔 1 定义定义解吸气 废气 稀溶液 冷却水进 预热后的饱和溶液 净化CO2 烟道气 6 5 3 4 1 2 1-吸收塔 2-泵 3-换热器 4-冷却器 5-解吸塔 6-冷凝器(1)按吸收过程是否发生化学反应分类：物理吸收、化学吸收按吸收过程是否发生化学反应分类：物理吸收、化学吸收(2)按吸收过程中体系的温度变化分类：等温吸收、非等温吸收按吸收过程中体系的温度变化分类：等温吸收、非等温吸收(3)按被吸收组分的数目分类：单组分吸收、多组分吸收按被吸收组分的数目分类：单组分吸收、多组分
19、吸收本节主要讨论低浓度气体混合物的单组分等温物理吸收。本节主要讨论低浓度气体混合物的单组分等温物理吸收。2 气气液相平衡关系液相平衡关系吸收过程进行的方向与限度取决于溶质在吸收过程进行的方向与限度取决于溶质在气液两相中的平衡气液两相中的平衡关系关系。相平衡：也称相际动平衡，即任何瞬间内进入液相的相平衡：也称相际动平衡，即任何瞬间内进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相抵。溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相抵。在在宏观过程就像停止了传质过程。宏观过程就像停止了传质过程。平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压平衡分压或或饱和分压饱和分压。液相液相气相
20、气相（1）气体在液体中的溶解度）气体在液体中的溶解度1)在一定温度下，在一定温度下，气体组分的溶解度随该组分在气相中的平衡气体组分的溶解度随该组分在气相中的平衡分压的增大而增大分压的增大而增大；而在相同平衡分压条件下，气体组分的溶；而在相同平衡分压条件下，气体组分的溶解度则随温度的升高而减小。解度则随温度的升高而减小。2)在同一温度下，对于不同种类的气体组分，欲得到相同浓度在同一温度下，对于不同种类的气体组分，欲得到相同浓度的溶液，的溶液，易溶气体仅需控制较低的分压，而难溶气体则需较高易溶气体仅需控制较低的分压，而难溶气体则需较高分压分压。3)加压和降温对吸收操作有利；反之，升温和减压有利于解
21、吸。加压和降温对吸收操作有利；反之，升温和减压有利于解吸。当总压不高（当总压不高（5105Pa）时，在一定温度下，稀溶液上方）时，在一定温度下，稀溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：上式表示溶液的浓度低于一定数值时溶质的平衡分压与它在上式表示溶液的浓度低于一定数值时溶质的平衡分压与它在溶液中的摩尔分率成正比。亨利系数溶液中的摩尔分率成正比。亨利系数E值较大表示溶解度较小。值较大表示溶解度较小。一般一般E值随温度的升高而增大。值随温度的升高而增大。PA*=Ex 式中式中:PA*-溶质在气相中的平衡分压溶质在气相中的平
22、衡分压,kPa；x-溶质在液相中的摩尔分数溶质在液相中的摩尔分数 E-享利系数，享利系数，kPammEMH 溶液的密度溶液的密度,kg/m3；M溶液的平均分子量溶液的平均分子量,kg/kmol PA*=cA/H式中：式中：c液相中溶质的摩尔浓度液相中溶质的摩尔浓度,kmol/m3;H溶解度系数溶解度系数,kmol/m3Pa;在亨利定律适用的范围内在亨利定律适用的范围内,H是温度的函数是温度的函数,而与而与P*或或c无关。无关。对于一定的溶质和溶剂，对于一定的溶质和溶剂，H值一般随温度升高减小。易溶气体值一般随温度升高减小。易溶气体H值较大，难溶气体值较大，难溶气体H值较小。值较小。y*=mx
23、式中：式中：x溶质在液相中的摩尔分率；溶质在液相中的摩尔分率；y*与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率；与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率；m相平衡常数相平衡常数,无因次。无因次。m=E/P 上式中上式中P为系统总压，为系统总压，值越大，表示溶解度越小。值越大，表示溶解度越小。1AAAXxX*1(1)AAAmXYm X当溶液浓度很低时当溶液浓度很低时,上式右端分母约等于上式右端分母约等于1,于是上式可简化为于是上式可简化为:Y*=mX 1AAAYyY对稀溶液，溶液的浓度接近纯溶济的MsMm，MMmCEHHMmPE PHMmssssHME吸收解吸xPpApApxAx1xApA1Qx2pA2(a
24、)（b）(c)不平衡的气液两相接触后所发生的传质过程，是吸收不平衡的气液两相接触后所发生的传质过程，是吸收还是解吸，要视溶质在气相中的分压与其液相的平衡还是解吸，要视溶质在气相中的分压与其液相的平衡分压间的关系而定。分压间的关系而定。p*A当当气相中溶质的实际分压气相中溶质的实际分压高于高于与液相成平衡与液相成平衡的溶质分压的溶质分压时，溶质便由气相向液相转移，时，溶质便由气相向液相转移，即发生即发生吸收过程吸收过程。当气相中溶质的实际分压当气相中溶质的实际分压低于低于与液相成平衡与液相成平衡的溶质分压时，溶质便由气相向液相转移，的溶质分压时，溶质便由气相向液相转移，即发生即发生解析过程解析过
25、程。1判断过程进行的方向*AAppA由气相向液相传质，吸收过程*AApp 平衡状态*AApp A由液相向气相传质，解吸过程1）逆流吸收，塔高无限，吸收剂用量极小。EpxxA1*11x2x12）逆流吸收，塔高无限，吸收剂用量无限。222ExppAA3确定过程的推动力吸收过程推动力的表达式*AApp y-y*或x*-x或A*Acc2相平衡是过程的极限气、液相间达平衡态，相组成点落在平衡线上，净传质速率为零，yA=y*A。此时的xA、yA便为过程极限。pA2pA1【例】在总压101.3kPa，温度30的条件下,SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问：（1）SO
26、2的传质方向；（101.3kPa，30时SO2的亨利系数为4850kPa）（2）其它条件不变，温度降到0时SO2的传质方向；（101.3kPa，0时SO2的亨利系数为1670kPa）（3）其它条件不变，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。（202.6kPa，30时SO2的亨利系数为4850kPa）3 吸收剂的选择吸收剂的选择1、溶解度、溶解度2、选择性、选择性3、挥发度、挥发度4、粘性、粘性5、其他、其他 总传质速率方程总传质速率方程 总传质速率（总传质速率（NA）即相间传质速率。）即相间传质速率。气膜边界液膜边界 气液相界面气相
27、主体液相主体传质方向ppicicyiiyiBmGAkyyyykyypRTzDPN1)()(xiixiSmLAkxxxxkxxczCDN1)()(iimxy 吸收过程的总推动力可采用任何一相的主体浓度与其平衡吸收过程的总推动力可采用任何一相的主体浓度与其平衡浓度的差值来表示。浓度的差值来表示。1)以（以（y-y*）表示总推动力）表示总推动力 液相吸收速率方程液相吸收速率方程气相吸收速率方程气相吸收速率方程*1()AxyyyNmkkmxy*yiAkyyN1xiAkxxN1令令yxykkmK11式中式中 Ky以以气相浓度差气相浓度差(y-y*)为推动力的为推动力的总吸收系数，总吸收系数，kmol/(
28、m2s)NA=Ky(y-y*)（a）同理，同理，以（以（x*-x）表示总推动力）表示总推动力 时时，*11()AxyxxNkmk令令yxxmkkK111NA=Kx(x*-x)（b）式中式中 Kx以以液相浓度差液相浓度差(x*-x)为推动力的为推动力的总吸收系数，总吸收系数，kmol/(m2s)yxmKK 比较比较a、b两式：两式：2)以（以（p-p*）表示总推动力）表示总推动力 双膜理论：双膜理论：pi=ci/H 亨利定律：亨利定律：p*=c/H 液相吸收速率方程液相吸收速率方程NA=kL(ci-c)NA=kLH(pi-p*)气相吸收速率方程气相吸收速率方程 NA=kG(p-pi)*)11(p
29、pkHkNGLA代入代入GLGkHkK111NA=KG(p-p*)3)以（以（C*-C）表示总推动力）表示总推动力*)11(ppkHkNgLAHcHckHkNgLA*)11(cckHkNgLA*)1(gLLkHkK11令令代入代入NA=KL(c*-c)KL液相总吸收系数，液相总吸收系数，m/s 、为推动为推动力力 、为推动力为推动力 、为推动力为推动力 气气 膜膜 NA=Kg(p-pi)NA=kY(Y-Yi)kY=Pkg/(1+Y)(1+Yi)NA=ky(y-yi)ky=Pkg 液液 膜膜 NA=kL(Ci-C)NA=kX(Xi-X)kX=kLC/(1+Xi)(1+X)NA=kX(xi-X)k
30、X=CkL 气气 相相 NA=Kg(P-P*)Kg=1/(1/kg+1/HkL)气膜控制气膜控制 Kg=kg NA=KY(Y-Ye)KY=PKG/(1+Y)(1+Ye)KY=1/(1/kY+m/kX)气膜控制时气膜控制时KY=kY NA=Ky(y-y*)Ky=PKg Ky=1/(1/ky+m/kX)气膜控制时气膜控制时Ky=ky 液相液相 NA=KL(C*-C)KL=1/(H/kg+1/kg)液膜控制时液膜控制时KL=kL NA=KX(X*-X)KX=KL./(1+X*)(1+X)KX=1/(1/mky+1/kx)液膜控制时液膜控制时 KX=kX NA=Kx(x*-x)Kx=CKL Kx=1/
31、(1/mky+1/kx)液膜控制时液膜控制时Kx=kx 总阻力总推动力yyAKyyyyKN1*1/Ky即为传质总阻力，即yxykkmK11液相阻力气相阻力 对于易溶气体，对于易溶气体，m值很小，则有：值很小，则有：m/kx1时，表示组分时，表示组分A较较B容易挥发，容易挥发，愈大，挥发度差异愈大，挥发度差异愈大，分离愈容易。愈大，分离愈容易。当当=1时，气相组成与液相组成相同，不能用普通精馏方法时，气相组成与液相组成相同，不能用普通精馏方法加以分离。加以分离。对于理想溶液，相对挥发度对于理想溶液，相对挥发度 变化不大，可取一平均值变化不大，可取一平均值 作为常数处理，相平衡关系简单。作为常数处
32、理，相平衡关系简单。NN112或压力对相平衡的影响P，t ，对分离不利不利，P，t ，对分离有利有利。故蒸馏压力的选择，优先考虑采用常压操作，只在特殊情况下故蒸馏压力的选择，优先考虑采用常压操作，只在特殊情况下采用加压（处理量增加，塔径不够）或减压（热敏性物料）。采用加压（处理量增加，塔径不够）或减压（热敏性物料）。的影响可忽略不计，其对变化小于当%30p与理想溶液发生正偏差的溶液：如乙醇与理想溶液发生正偏差的溶液：如乙醇水、正丙醇水、正丙醇水等水等物系。对于乙醇物系。对于乙醇水体系，其恒沸组成为水体系，其恒沸组成为x=y=0.894x=y=0.894，恒沸点，恒沸点t=78.15(t=78.
33、15(常压下常压下)。称为具有最低恒沸点的溶液。称为具有最低恒沸点的溶液。与理想溶液发生负偏差的溶液：如硝酸与理想溶液发生负偏差的溶液：如硝酸水、氯仿水、氯仿丙酮等丙酮等物系。对于硝酸物系。对于硝酸水体系，其恒沸组成为水体系，其恒沸组成为x=y=0.383x=y=0.383，恒沸点，恒沸点t=121.9(t=121.9(常压下常压下)。称为具有最高恒沸点的溶液。称为具有最高恒沸点的溶液。在恒沸点处在恒沸点处,=1，故一般蒸馏方法不能使两组分分离。，故一般蒸馏方法不能使两组分分离。同一种溶液的恒沸组成随压强而变。同一种溶液的恒沸组成随压强而变。在理论上可采用改变压强的方法来分离恒沸溶液。在理论上
34、可采用改变压强的方法来分离恒沸溶液。但在实际使用时，则应该考虑经济性和操作可能性。但在实际使用时，则应该考虑经济性和操作可能性。非理想溶液未必都有恒沸点。非理想溶液未必都有恒沸点。将一定组分的液体加热至泡点以上，使其部分气将一定组分的液体加热至泡点以上，使其部分气化，或者将一定组分的蒸汽冷却至露点以下，使其部化，或者将一定组分的蒸汽冷却至露点以下，使其部分冷凝，两相达到平衡，然后将两相分离。此过程的分冷凝，两相达到平衡，然后将两相分离。此过程的结果是易挥发组分在气相中富集，难挥发组分在液相结果是易挥发组分在气相中富集，难挥发组分在液相中富集。中富集。平衡蒸馏原理平衡蒸馏原理加热器加热器减压减压
35、阀阀分离器分离器原料原料底部产品底部产品冷凝器冷凝器塔顶产品塔顶产品F,xFD,yD,tbW,xW,tbt0A.物料衡算物料衡算B.热量衡算热量衡算C.相平衡关系相平衡关系TQ=Fcp(T-t0)Fcp(T-tb)=fFrT=tb+fr/cpyD=xw(f-1)/f+xF/f特点特点 连续操作；组成和温度恒定不变；气、液两相平衡。温度和压力对平衡蒸馏的影响t/t-xt-yp=101.3kPatFFGtGECxCDyDtEIJtItJx001.01001108090苯-甲苯温度-组成图REVIEW溶液中各组分的挥发度溶液中各组分的挥发度定义为定义为该组分在蒸气中的分压和与该组分在蒸气中的分压和与
36、之相平衡的液相中的摩尔分率之比之相平衡的液相中的摩尔分率之比，即，即vA=PA/xA vB=PB/xB 挥发度挥发度相对挥发度相对挥发度（Relative Volatility）是指溶液中两组分挥发度）是指溶液中两组分挥发度之比，常以易挥发组分的挥发度为分子。之比，常以易挥发组分的挥发度为分子。=vA/vB=（PA/XA）/（PB/XB）xxy)1(1相平衡方程相平衡方程历史上最早应用的蒸馏方法；历史上最早应用的蒸馏方法；一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行；一种单级蒸馏操作，常以间歇方式进行；简单蒸馏多用于混合液的初步分离。简单蒸馏多用于混合液的初步分离。将料液加热至泡点，溶液汽化，产生的蒸汽
37、随即进入冷凝器，将料液加热至泡点，溶液汽化，产生的蒸汽随即进入冷凝器，冷凝成馏出液；冷凝成馏出液；随着过程的进行，釜中液相组成不断下降，使得与之相平衡随着过程的进行，釜中液相组成不断下降，使得与之相平衡的气相组成（馏出液组成）亦随时降低，而釜内液体的沸点逐的气相组成（馏出液组成）亦随时降低，而釜内液体的沸点逐渐升高；渐升高；当馏出液的平均组成或釜残液组成降至某规定值后，即可停当馏出液的平均组成或釜残液组成降至某规定值后，即可停止蒸馏操作；止蒸馏操作；在同一批操作中，馏出液分批收集，可得到不同组成的馏出在同一批操作中，馏出液分批收集，可得到不同组成的馏出液。液。简简 单单 蒸蒸 馏馏 特点特点
38、间歇操作过程是一动态过程；易挥发组分更多地传递到气相中去，釜液温度不断升高；产品与釜液组成随时间而改变(降低）；瞬时蒸气与釜中液体处于平衡状态。F,xF312W2,x2(3)简单蒸馏的计算简单蒸馏的计算 W釜内液相量，kmol；x 任一时刻液相组成；y 任一时刻气相组成；dW d时间内蒸发的釜液量,kmol；易挥发组分的物料衡算易挥发组分的物料衡算整理得：积分：ydWdxxdWWWxWdxdWxy)(FxxxydxWFln若低压下，液相为理想溶液的双组分蒸馏，则有：说明说明:如果如果 x,y 之间的平衡关系不能用以上方程表达时，之间的平衡关系不能用以上方程表达时，则需采用数值积分或图解法积分求
39、解。则需采用数值积分或图解法积分求解。蒸馏产品的平均组成蒸馏产品的平均组成 设W为任一时刻的釜液量，kmolxxy)1(1FFxxxxWF11lnln11ln22WxFxxDWFDFDDWxFxxFD2例、在常压下将某原料液组成为0.55（易挥发组分的摩尔分数）的两组分溶液进行平衡蒸馏和简单蒸馏，若汽化率为1/3，试求两种情况下的釜液和馏出液组成。假设在操作范围内体系的相对挥发度=2.0。精馏原理精馏原理精馏是将由挥发度精馏是将由挥发度不同的组分所组成的混合不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中同时多次液，在精馏塔中同时多次地进行部分气化和部分冷地进行部分气化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态凝，使
40、其分离成几乎纯态组分的过程。组分的过程。A、精馏过程、精馏过程 进料板以上称为进料板以上称为精馏段精馏段 精制汽相中的易挥发组分。精制汽相中的易挥发组分。进料板以下（包括进料板）称为进料板以下（包括进料板）称为提馏段提馏段 提浓液相中难挥发组分。提浓液相中难挥发组分。塔顶产品称为馏出液馏出液 富含易挥发组分。富含易挥发组分。塔底产品称为釜液釜液 富含难挥发组分。富含难挥发组分。板式塔釜液馏出液进料B、板式精馏塔塔板上的传质、板式精馏塔塔板上的传质热量传递过程热量传递过程 液体汽化所需热量由蒸汽冷凝提供。液体汽化所需热量由蒸汽冷凝提供。易挥发组分：液相易挥发组分：液相汽相；汽相；难挥发组分：汽相
41、难挥发组分：汽相液相。液相。传质方向传质方向易挥发组分沿塔高方向增加，而温度沿塔高方向易挥发组分沿塔高方向增加，而温度沿塔高方向降低。降低。如图所示，考察筛板塔中任如图所示，考察筛板塔中任意第意第n层板的操作情况。层板的操作情况。理论塔板理论塔板(Ideal plate)：若：若 yn和和xn满足气液平衡方程，则此满足气液平衡方程，则此层塔板称为理论层塔板称为理论 塔板。塔板。yn-1 yn yn+1 xn-1 xn xn+1 塔内气液的流动 注：注：x*n+1 表示与表示与yn+1 成相平衡的成相平衡的 液相的组成。液相的组成。Tn+1Tn-1 xn-1x*n+1 在任一塔板上易挥发组分由在
42、任一塔板上易挥发组分由液相转移到气相，而难挥发组液相转移到气相，而难挥发组分从气相转移到液相，即分从气相转移到液相，即 xn-1 xn yn yn+1 l回流：升到塔顶的汽流组成在冷凝器中冷凝后，只放出一部回流：升到塔顶的汽流组成在冷凝器中冷凝后，只放出一部份作为塔顶产品，另一部分返回塔顶作为液流，这部份液流份作为塔顶产品，另一部分返回塔顶作为液流，这部份液流称为回流。称为回流。l再沸器：提供一定量上升的蒸气流。再沸器：提供一定量上升的蒸气流。确定确定产品的流量产品的流量；确定合适的确定合适的操作条件操作条件:操作压强、回流比和加料状态等；操作压强、回流比和加料状态等；确定精馏塔所需的确定精馏
43、塔所需的理论塔板数和加料位置理论塔板数和加料位置；选择选择精馏塔的类型、精馏塔的类型、确定塔径、塔高及塔的其它参数；确定塔径、塔高及塔的其它参数；冷凝器和再沸器的设计冷凝器和再沸器的设计计算。计算。7.5 两组分连续精馏塔的计算两组分连续精馏塔的计算两组分连续精馏工艺计算的主要内容两组分连续精馏工艺计算的主要内容 nnnxxy)1(1理论板是指离开该塔板的蒸汽和液体呈平衡状态的塔板。理论板是指离开该塔板的蒸汽和液体呈平衡状态的塔板。理论板不存在的原因：气液间接触面积和接触时间是有限理论板不存在的原因：气液间接触面积和接触时间是有限的，难以达到平衡状态。的，难以达到平衡状态。理论板可作为衡量实际
44、板分离效率的依据和标准。理论板可作为衡量实际板分离效率的依据和标准。恒摩尔汽化恒摩尔汽化：每层塔板上升的蒸汽的摩尔流量相等。：每层塔板上升的蒸汽的摩尔流量相等。精馏段精馏段:L1=L2=L3=Ln=L=定值定值 提馏段提馏段:L1=L2=L3=Lm=L=定值定值 但但L与与L不一定相等不一定相等.精馏段精馏段:V1=V2=V3=Vn=V=定值定值 提馏段提馏段:V1=V2=V3=Vm=V=定值定值 但但V与与V不一定相等不一定相等.恒摩尔溢流恒摩尔溢流：每层塔板溢流的液体的摩尔流量相等。每层塔板溢流的液体的摩尔流量相等。恒摩尔流恒摩尔流 满足恒摩尔流的条件满足恒摩尔流的条件 （1 1）各组分的
45、摩尔气化焓相等；）各组分的摩尔气化焓相等；恒摩尔汽化和恒摩尔液流的总称。恒摩尔汽化和恒摩尔液流的总称。（2 2）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略；）气液接触时因温度不同而交换的显热可以忽略；（3 3）塔设备保温良好，热损失可以忽略。）塔设备保温良好，热损失可以忽略。原料液原料液釜残液釜残液馏出液馏出液QBLD,XD,ILDF,XF,IFQcW,XW,ILW全塔物料衡算全塔物料衡算(Mass BalanceMass Balance)总物料总物料 F=D+W 式中式中 F原料液流量，原料液流量，kmol/h；D馏出液流量，馏出液流量，kmol/h；W釜残液流量，釜残液流量，kmol/h；x
46、F原料液中易挥发组分的摩尔分率；原料液中易挥发组分的摩尔分率；xD馏出液中易挥发组分的摩尔分率；馏出液中易挥发组分的摩尔分率；xW釜残液中易挥发组分的摩尔分率；釜残液中易挥发组分的摩尔分率；塔顶易挥发组分回收率塔顶易挥发组分回收率 =DxDxD D/Fx/FxF F100%100%易挥发组分易挥发组分 FxF=DxD+WxW%100)1()1(FWxFxW塔底难挥发组分回收率塔底难挥发组分回收率 =如图所示，对进料板作总物料衡如图所示，对进料板作总物料衡算和热量衡算算和热量衡算式中：式中：IF 原料液的焓，原料液的焓，kJ/kmol；H 分别为饱和蒸气的的摩尔焓，分别为饱和蒸气的的摩尔焓，kJ
47、/kmol；h 分别饱和液体的摩尔焓，分别饱和液体的摩尔焓，kJ/kmol；V,HL,hV,H L,h F,IF加料板加料板物料衡算物料衡算：FIF+Lh+VH=VH+Lh 热量衡算热量衡算：F+L+V=L+VFHILLHhF整理得：整理得：将物料衡算式代入将物料衡算式代入（V-V）H=FIF-（L-L）hF-（L-L）H=FIF-（L-L）h令令1FHILLqHhFkmolkmol将进料变为饱和蒸气所需的热量原料液的气化潜热 q称为进料热状况参数。称为进料热状况参数。将上式整理可得到：将上式整理可得到：L=L+qF V=V+(q-1)Fq的意义：以的意义：以1kmol/h进料为基准时，提馏段
48、的液体流量较精进料为基准时，提馏段的液体流量较精馏段液体流量增大的馏段液体流量增大的kmol数。数。对于饱和液体、气液混合物及饱和蒸气而言，对于饱和液体、气液混合物及饱和蒸气而言，q 值等于进值等于进料中的液相分率。料中的液相分率。五种进料热状态五种进料热状态a）过冷液体）过冷液体b）饱和液体）饱和液体VVLLFq1VVFLLqrIHhIFF1VVLLFq=1VVFLLqrIHhIFF1c）气、液混合物）气、液混合物d）饱和蒸气）饱和蒸气VVLLF0q 1VVLLFq=0VVLLqrIHhIHFF10FVVLLqHIF0e）过热蒸气）过热蒸气说明：说明：过冷液体进料时，提馏段的气液相流量比其余
49、几种进料过冷液体进料时，提馏段的气液相流量比其余几种进料时相对较大；过热蒸汽进料，情况正好相反。时相对较大；过热蒸汽进料，情况正好相反。q 值在数值上约等于进料中液相所占的分率值在数值上约等于进料中液相所占的分率（广义）。（广义）。VVLLFq 0FVVLLqIHHIFF00进料热状态对塔内气、液流量的影响进料热状态对塔内气、液流量的影响D,XDL,XDV,y1F,xFx1x2xn yn+1 yn y212nn+1 以精馏段的第以精馏段的第n+1n+1层塔板以上塔段及冷凝器作为衡算范围，层塔板以上塔段及冷凝器作为衡算范围，以单位时间为基准，则有以单位时间为基准，则有总物料衡算：总物料衡算：V=
50、L+D 易挥发组分：易挥发组分：Vyn+1=Lxn+DxD 式中式中 V V 精馏段每块塔板上升的蒸汽流量，精馏段每块塔板上升的蒸汽流量，kmol/hkmol/h；L L 精馏段每块塔板溢流的液体流量，精馏段每块塔板溢流的液体流量，kmol/hkmol/h；D D 馏出液流量，馏出液流量，kmol/hkmol/h；y yn+1n+1 精馏段第精馏段第n+1n+1板上升蒸汽中易挥发组分的板上升蒸汽中易挥发组分的molmol分率；分率；x xn n 精馏段第精馏段第n n板下降的液体中易挥发组分的板下降的液体中易挥发组分的molmol分率；分率；由上两物料恒算式得由上两物料恒算式得DnDnnxDL
