化学工程与技术上

ChemicalEngineeringandTechnology,化学工程与技术,分离工程,反应工程,化学工艺学,化工技术专业实验,化学工程与技术核心内容的基本框架,化学工程基础,化学工程与技术的研究范畴发展历史化学与化工的关系化学工程学的分支常用的解决手段与相关学科的交叉现代化学工业的特点,第1章绪论,化学工业(chemicalindustry)化学工艺化学工程chemicaltechnologychemicalengineering,1.化学工程与技术的研究范畴,化学工艺个性研究具体过程从原料到产品,化学工程共性单元操作工程因素放大,两者相辅相承，密不可分,化学工艺即化工技术或化学生产技术，指将原料主要经过化学反应转变为产品的方法和过程,包括实现这一转变的全部措施。,化学工程研究化学工业生产中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。,20世纪初“单元操作”概念(虽然化工产品是多种多样的,但在它们完全不同的生产中的不少操作都具有共同的规律性,把这些操作称为“单元操作”。)此后20年左右产生化工传递过程理论(各不同单元操作具有传热、传质和动量传递共性)40年代开始了化学反应工程的研究(最典型的是石油化工)50年代形成“反应工程”,2.化学工程的发展历史,化学工程的核心是“化工传递过程”与“反应工程”,3.化学与化工的关系,4.化学工程学的分支,热力学与基础数据:相平衡、化学平衡、能量利用与转换规律。单元操作:过程工业中共性物理过程及设备。传递过程:动量、热量、质量传递规律及“三传”统一性。分离工程:气液、液液、气固、液固、固固分离原理及装备。反应工程:反应器内返混、相相传递、相内传递与化学反应的耦合等。系统工程:从整体目标出发,对系统分析、分解、综合、优化。控制工程:结合“动态”、“反馈”等特点,研究控制理论在化工中的应用。,5.常用的解决手段,反应合成新的物质(反应器)蒸发浓缩萃取与反萃不同相吸收与解吸不同态过滤离心精馏不同沸点干燥不同沸点吸附不同化学性质亲和色谱动量质量热量的传递（化工传递过程）,6.与相关学科的交叉,生物化学工程生物化学工程是将化学工程与生物化学、微生物学相结合,将化学工程的成果和经验用于生物技术,使生命科学上游技术的发展转化为实际的产品,是化学工程的主要研究前沿之一。材料化学工程材料化学工程将化学工程与高分子化学、高分子物理相结合的一个学科。其主要应用为树脂、纤维、功能材料、复合材料。精细化学工程精细化学工程是化学工程与有机化学、无机化学相结合产生的。其发展重点是涂料、助剂、表面活性剂、饲料添加剂、水处理剂等微电子化学工程微电子化学工程是将化学工程与物理、微电子学相结合的交叉科学。环境化学工程随着国家可持续发展战略的实施,对环境保护要求越来越高,目前正尽快开发洁净合成工艺以及环境无害化研究等。,食品用橡胶制品,食品用合成包装材料,食品用化学添加剂,食品工业与化学工业的交叉与应用,7现代化学工业的特点,原料、方法和产品的多样性与复杂性,大型化、综合化、精细化提高,多学科交叉、生产技术密集型,资金密集，投资回收速度快，利润高,安全和环境保护,第2章流体流动,一、流体概述二、流体静力学三、流体流动四、流体输送设备,1.流体的特性流体由大量分子组成，每个分子都在不停地作不规则的运动，相互间经常碰撞，在碰撞中交换着能量。因此流体的微观结构和运动，无论在时间或空间上都充满着不均匀性、离散性和随机性。另一方面人们用仪器测到的宏观结构和运动，却明显地呈现出均匀性、连续性和确定性，例如压强、温度和速率等。流体的微观和宏观性质截然不同，却和谐地统一在流体物质中，形成了流体运动的两个重要侧面。它是我们分析研究流体流动中的问题的依据。,液体和气体统称流体,一、流体概述,2.流体流动的规律,以上两种方法相辅相成全面地研究描述流体的运动。在研究流体宏观性质方面，则以连续介质假设为根本假设。,（1）从分子运动出发，采用统计平均的方法，建立宏观物理量满足的方程，即统计物理的方法。（2）以连续介质假设的模型去研究流体流动的规律。,3.流体的易流动性和粘性,流体力学中，切应力又叫做粘性力，是流体运动时，由于流体的粘性，一部分流体微团作用于另一部分流体微团切面上的力。,法应力又叫做正压力，是流体运动时，各流体微团层面上相互挤压而产生。由于流体不可承受拉应力，所以在流体力学中，法应力专指正压力。,易流动性：固体在静止时它的界面上可以承受切应力，固体沿界面切线方向发生微小的形变，而后达到平衡，界面承受着切应力。流体静止时只要持续施加切应力，都能使流体流动，发生任意大的形变，这种流体的宏观性质称为易流动性。它说明流体静止时，只有法应力没有切应力。,3.流体的易流动性和粘性,粘性：流体在静止时虽然能承受切应力，但在运动时却对两层流体间的相对运动，即相对滑动速率有抵抗。流体的这种抵抗两层流体相对滑动速率即抵抗形变的性质称作粘性，也称内摩擦力。当流体的粘性很小时比如空气和水在运动速率不大时，所产生的粘性应力比起惯性力等可忽略不计时，我们可近似地把它看成是无粘性的，称作理想流体。对粘性应力不可忽略的称为粘性流体。理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实际流体在某种条件下的近似模型。,二、流体静力学,流体静力学是研究流体在外力作用下达平衡，处于静止状态的规律。,1.流体的密度：流体的密度为单位体积流体的质量，法定单位为kg/m3由于流体具有压缩性，一定质量流体的体积要随温度、压力的变化而变化，即流体密度要随温度、压力变化。,2.流体的静压强,压力是法向表面力，单位面积上所受的压力称为压强。在静止流体内，过任一点取任意界面其面积为A，垂直作用于该面积上的压力为F，单位面积上所受的压力称为流体的静压强。,3.流体静力学基本方程,流体静力学基本方程式是用于描述静止流体内部的压力随位置高低而变化的数学表达式。,例1,容器中盛有密度为的静止液体。现以刚化法从液体内部任意划出一底面积为A的垂直液柱。若以容器底部为基准水平面，液柱的上、下底面与基准水平面垂直距离分别Z1和Z2，以P1和P2分别表示高度为Z1和Z2处的压力，液面上方的压力为P0。,在垂直方向上作用于此液柱的力有：,（1）向上作用于液柱下底的总压力P2A；（2）向下作用于液柱上底的总压力P1A；（3）向下作用的液柱之重力GgA(Z1-Z2)。,静止液体中的三力之合应为零故,（1）,（2）,若液柱上表面取在液面上，液柱高度Z1-Z2h，则,以上各式均称为流体静力学基本方程式。它说明了在重力作用下，静止液体内部压力的变化规律。,（3）,（4）,三、流体流动,1.流体的流动属性,流量：单位时间内流经某一规定表面(管道截面)的流体量称为经过该表面的流量。流量可以用体积或质量来计量。,平均流速：单位时间内流体在流动方向上所流经的距离称为流速。工程上为计算简便起见，一般以流体体积流量与管道截面积之比表示流体流速。管道中的平均流速，简称流速。,质量流速：当压力、温度变化时，流体的体积流量必将随之而变，但其质量不变。此时采用单位时间内流体流经截面积的质量表示比较方便，即质量流速。,2.流体的运动状态,定态流动：流体在管道中流动时在空间任一点上的流速、压力等有关物理且都不随时间而改变的流动称为定态流动。,非定态流动：若流体流动时，其在管道内部流动的大小和方向随时间变化而变化的流动称为非定态流动。,化工生产过程中，流体的流动情况多为定态流动。,四、流体输送设备,用来输送流体并向流体提供能量的机械设备称为流体输送设备。,其中用于输送液体的设备多称为泵。输送气体的设备则称为鼓风机或压缩机。化工厂常用的流体输送设备依其工作原理的不同，可分为4类。,离心式流体输送设备：离心泵,首先在启动前将泵内灌满液体，开动电机，高速运转的叶轮将其中的液体沿叶片抛向周边，使液体的静压能增高，流速增大。液体离开叶轮进入蜗状泵壳，流道逐渐扩大，部分动能转化为静压能。于是具有较高压强的液体从泵的排出口进入排出管路，被输送到所需管路系统。,往复式流体输送设备：往复压缩机,曲轴连杆将电动机的圆周运动变为活塞在气缸内的往复运动。,真空泵流体输送设备：喷射泵,喷射泵是利用高速流体射流时静压能转换为动能形成的真空将流体吸入泵体，在泵内与喷射流体混合，一并排出泵体。,旋转式流体输送设备：齿轮泵,泵壳内有两个齿轮，一个主动轮，一个是从动轮。两齿轮与泵壳间形成吸入和排出两个空间，当齿轮按图中所示的箭头方向转动时，吸入空间内两轮的齿互相拨开，然后分两路将液体沿泵内壁被齿轮嵌住，并随齿轮转动而达到排出空间，吸入空间则形成低压将液体吸入，排出空间内两轮的齿互相合拢，挤压液体，于是形成高压而将液体排出。,第3章传热过程,一、传热概述传热的基本方式传热中冷、热流体的接触方式载热体及其选择二、换热器间壁式换热器加热技术,一、传热概述,在化工生产中，热量传递是常见的单元操作过程。如蒸发、蒸馏、干燥等，均需根据具体的工艺要求、对物料进行加热或冷却；对于化学反应器，更需有效地供给或移走反应热，使反应在一定的温度下进行；此外，化工生产中设备保温、热能利用及废热回收等，也都涉及到传热问题。,例子,传热是由于温度差而引起的能量转移。在一种介质内部或两种介质之间，只要存在温度差，就必然会出现传热过程。只要存在温度差就必然导致热量自发地从高温处向低温处传递，这一过程称为热量传递过程，简称为传热过程。,1.传热的基本方式,图1传导、对流和辐射传热方式,（a）通过一个固体壁面或静止流体的热传导,（b）由表面至运动流体的对流传热,（c）两表面之间的静辐射传热,热传导又称导热，当物体内部或两个紧密接触的物体之间存在温度差异时，则能量就会由高温区向低温区转移。原理：在流体中，由于分子之间经常不断地发生碰撞，故当相邻分子相撞时，能量大的分子就必然把能量传递给能量较小的分子，从而在沿温度降低的方向上产生热传导。特点：是物体各部分之间不发生宏现的相对位移。,对流对流又称热对流或对流传热。多指当流体与固体表面之间有相对运动时的热交换现象。对流可以分成两类：一类是由泵、风机或其他外部动力作用所引起的流动称为“强制对流”；另一类是由于冷热流体各部分的密度不同而引起的流动叫做“自然对流”。在自然对流情况下，热表面四周的流体不可能形成一个方向的整体运动，总是靠近表面的热流体向上运动，而远离表面的冷流体向下沉。这是自然对流区别于强制对流的地方。,热辐射热辐射是因为物体本身的温度而发射出的一种电磁辐射。其热能不依靠任何介质而以电磁波的形式在空间传播，当被另一种物体部分或全部接受后，又重新转变为热能。热辐射也是自然环境中所固有的组成部分。通常，在物体温度大于400时，才有因热辐射而明显传递的热量，故热交换器的器壁在一般情况下因辐射而损失的热量可以忽略不计。,实际的化工生产过程中上述三种传热方式很少单独存在。只不过在不同情况下，常以一种或两种方式为主。在温度不太高的情况下，化工生产中的传热主要以热传导和对流两种方式进行。,2.传热中冷、热流体的接触方式,多数情况下工艺上不允许冷、热流体直接接触。工业上应用最多的是间壁式传热过程。其典型设备为套管换热器，见图。在换热器中冷、热流体分别流过间壁两侧，热量自热流体传给冷流体，这种传热过程包括3个步骤：热流体将热传给管壁一侧。（对流传热）热量自管壁热侧传导至冷侧。（热传导）热量自管壁冷侧传给冷流体。（对流传热）冷、热流体之间的热量传递总过程通常称为传热(或换热)过程。流体与壁面之间的传热过程称为给热过程。,（1）直接接触式传热,（2）间壁式传热,（3）蓄热式传热,蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成，室内充填耐火砖等填料，它的传热方式是，首先将热流体通入蓄热室将填充物加热，之后再通入冷流体，使冷流体被已升温的蓄热室加热，达到冷、热流体之间的传热目的。一般这种传热方式只适用于气体，且允许少量物质参混的情况。,例子在真空蒸发操作中，将水蒸气流经混合冷凝器与冷却水直接接触而冷凝，冷水由液封管流走，只有不凝气由真空泵抽走，保证在恒定负压下的连续真空蒸发操作。,3.载热体及其选择,为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为载热体。在工艺流程设计中，首先要把生产过程中的热流体作为热源，冷流体作为冷源加以充分利用。当不能满足要求时，才采用专门的载热体。,常用的加热剂和冷却剂,热水和饱和水蒸气。热水适用于40100，饱和水蒸气适用于100180，其温度与压强一一对应，通过控制压强控制温度，使用方便，且相变过程传热速率快。烟道气。烟道气温度可达700以上，可将物料加热到较高的温度。缺点是传热速率慢，温度不易控制。高温载热体。如：矿物油适用于180250；联苯、二苯醚混合物适用于255380，熔盐适用于140530。,工业上常用的冷却剂有水、空气和冷冻盐水。水和空气可将物料冷至环境温度。若要冷至环境温度以下，无机盐(NaCl，CaCl2)水溶液可将物料冷至零下十几度至几十度。若要求冷却温度更低，常压下液态氨蒸发可达-33.4，液态乙烷蒸发可达-88.6。但低沸点液体的制备耗能极大。,烟道气是指煤等化石燃料燃烧时候所产生的对环境有污染的气态物质。因这些物资通常由烟道或烟囱排出。烟道气产生的过程大多是燃料不充分利用，不完全燃烧造成的。由于其温度较高，可用做高温反应（600700）的载热体。,二、换热器,1.间壁式换热器,蛇管换热器,（1）管式换热器,（2）板式换热器,（3）翅片式换热器,套管换热器,列管式换热器,夹套板式换热器,螺旋板式换热器,（4）热管,沉浸式蛇管换热器,喷淋式蛇管换热器,沉浸式蛇管换热器,多用金属管子弯成蛇管，沉浸在容器内的流体中。,喷淋式蛇管换热器,将蛇管固定在支架上并排列在同一垂直面上，热流体在管内流动，冷水由最上面的多孔分布管(淋水管)流下洒布在蛇管上，并沿管面两侧下降至下面的管子表面，最后流入水槽排出，冷水在各管表面上流过时，与管内流体进行热交换。,套管换热器,套管换热器的优点为：结构简单，能承受高压，传热面积可根据需要面增减。冷热流体可严格按逆流流动。缺点是接头多，容易发生泄漏，单位体积的换热面积也较小。,列管式换热器,列管式换热器是由外壳和其中固定于管板上的许多管束组成，两端接有封头。冷热流体分别由接管流入管束和壳内，经热交换再由接管流出。为提高壳内传热系数，其内设有档板，流体在管内只单向流过一次称单程，若流体在一半管束内流过后，于封头内再折回另一半管束流过称为双程。同理，还有多程列管换热器。,夹套板式换热器,夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，通常用钢板或铸铁板制成容器，在容器外壁上再用焊接或用螺钉固定一夹套，作为载热体(加热介质)或载冷体(冷却介质)的通道。通过容器间壁实现冷、热两流体间的换热。这种换热器的传热系数小，传热面积又受容器壁面的限制因此只适用于传热量不大的场合。,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器是由两张平行的薄钢板卷制而成，两板之间焊有定距柱以保持流道间距和增加螺旋板的刚度。流体在板间流动时，由于惯性力、离心力以及定距柱引起的干扰作用，容易形成湍流，而且在通道两侧可以保持完全逆流，传热温差较大；流体在螺旋通道中作螺旋运动时，可自行冲刷通道减少结垢。,（3）翅片式换热器,翅片管换热器的结构特点是在换热器的间壁上安装径向或轴向的翅片。既可增大传热面积，又可增加流体的湍动，从而达到强化传热的目的。,（4）热管,热管换热器是由热管束制成的。最普通的热管是在一根抽除了不凝性气体的金属管内，充以少量的工作液体后密封而成的。当加热段受热时工作液体受热拂腾，形成的蒸气流至冷却段放出潜热。冷凝液沿着有毛细结构的吸液芯在毛细管渗透力的作用下回流到加热段再次加热沸腾，热量则由加热段传至冷却段。由于热管是通过液体沸腾和蒸气冷凝来传递热量，而沸腾和冷凝的传热系数都很大，热管面还可加装翅片来强化传热，所以热管换热器特别适用于气气传热过程和气液传热过程。,2.加热技术,利用电能转化为热能加热物料的方法称为电加热。,（1）电加热,（2）微波加热,微波是指频率为3x1083x1011赫兹的电磁辐射线。,微波加热优点：加热速度快；加热均匀，产品质量好；因为热量发自物料内部，故热损失少，工作环境好；热惯性小，便于自控。缺点：一次投资费用较高和电功率消耗较大。若制造精度不够，还会有漏波现象。,（3）红外线加热,红外线加热技术是将红外线辐射器(发生器)发出来的红外线，照射到被加热物体上，除被反射和透射外，其余则被物体吸收并转化为物质分子的热运动，从而使物体受热。,红外线是介于可见光和微波之间，波长为0.721000m的电磁波，通常将波长为0.725.6m的红外线称为近红外线，而将波长为5.61000m的红外线称为远红外线。,第4章传质过程,一、传质分离过程概述传质分离操作在化工生产中的作用传质分离操作的种类二、传质过程机理单相中的传质相际间传质,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由高浓度区向低浓度区移动，该移动过程称为传质过程。,一、传质分离过程概述,传质分离操作在化工生产中的作用,传质过程可以在一相中进行，也可以在两相间进行，两相间的传质是分离过程的基础。,例子石油化学工业：用于物料分离的设备投资往往占总投资额的5090，而且用于分离的操作费用在生产成本中也占有相当大的比重。由此可见，分离操作是化工生产中重要的单元操作。,分离过程可分为机械分离和传质分离两类。机械分离：是对两相混合物料的简单分离(如过滤、沉降等)，不发生相间的物质传递。传质分离：是质量传递过程(简称传质过程)，它又可分为两种形式，一种是在两相中进行的物质分离。另一种传质分离形式是物质传递发生在一相中，如热扩散、膜分离等。,传质分离操作在化工生产中的作用,（1）分离过程分类,当组成不同的两相互相接触，其中一个或几个组分可从一相转移到另一相。通常是对均相混合物提供热量或加入某种溶剂，使之形成两相，并利用混合物中各组分在两相中的溶解性或挥发性等物理性质的差异来实现某个或某些组分在相间的转移（如吸收、蒸馏、萃取）等，以达到对混合物分离提纯的目的。,2.传质分离操作的种类,（1）蒸馏蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发性的差异来进行分离的，在操作时加热混合液使之部分汽化，同时使产生的蒸气部分冷凝变为液体，通过蒸气和液体的充分接触，使气、液两相进行物质交换，由此达到将混合物分离的目的。工业上将粗苯分离成苯、甲苯、二甲苯，就是采用蒸馏操作的。,（2）吸收对于气体混合物，可选择合适的液体溶剂（吸收剂）在专用设备中使之与气体充分接触，此时气体中的一个或几个组分由气相转入液相，从而实现对混合气体的分离。这种操作称之为气体的吸收。工业上从焦炉气中分离出苯，就是利用苯与洗油的互溶性好，让洗油与焦炉气接触，使混合气体中的苯溶于洗油，从而将苯从焦炉气中分离出来。此外伴有化学反应的吸收操作称为化学吸收。对工业废气处理时采用碱液吸收废气中的二氧化硫就是典型的化学吸收操作。,2.传质分离操作的种类,（3）解吸解吸是将被吸收的气体组分从吸收剂中脱除的过程。吸收了苯的洗油吹入水蒸气，可将苯从洗油中脱除回收，而洗油也得以再生，能反复使用。,（4）液液萃取液液萃取是利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶解度的差异来分离液体混合物的方法，若向液体混合物中加入另一种液体溶剂(萃取剂)，使之形成液液两相。混合液中某一或某些组分可从混合液相转移到萃取剂相。由于萃取剂中易溶组分与难溶组分的浓度比远大于它们在原混合物中的浓度比，使易溶组分得以从混合液中分离出来。由于液液萃取能够分离各组分沸点接近的混合液、恒沸溶液以及热敏性混合液，也能处理低浓度的物料，且回收率较高，有利于原料的综合利用。这种分离方法在石油化工、轻工、医药、原子能燃料的生产和后处理，以及有色金属的冶炼和废水处理中一直受到人们的普通重视，并被广泛应用于工业生产中。,2.传质分离操作的种类,（5）吸附当某些固体与液体或气体混合物接触时气体或液体中的某一或某些组分能以扩散的方式从气相或液相进入固相，这个过程称为吸附。吸附分离操作是根据气体或液体混合物中不同组分在固体上被吸附的程度不同而进行分离的过程。常用于吸附气体或液体中的微量杂质和毒物，也用于对物料脱色、除臭、回收溶剂以及干燥等生产过程；在石油化学工业中，吸附已被大规模地用于分离那些性质非常相近的组分，如从混合二甲苯中分离出邻、间、对二甲苯等。,吸收：物质从一种介质相进入另一种介质相的现象。吸附：物质在两相界面上浓集的现象。,（7）膜分离膜分离是以天然人工合成的高分子薄膜为分离介质，当膜的两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差)时，混合物中的某一或某些组分可选择性地透过膜而与混合物中的其他组分分离。应用于化工、石油化工、食品、医药、电子、轻工等工业的废水处理和产品分离等重要生产环节。与常规分离手段相比，膜分离技术具有能耗低、单级分离效率高、过程简单、无污染等优点。,（8）热扩散热扩散是由温度梯度而引起的物质扩散。对于某些液体或气体混合物。若创造一个温度梯度，即可在其中形成浓度差，使得混合物组分得以分离。,（6）干燥干燥是对湿物料(通常含水分)加热，使物料中所含的湿分(如水)气化，并不断排除湿蒸气而得到干燥固体的操作。在干燥过程中传热和传质同时进行，且伴有相变。,二、传质过程机理,物质在两相间从一相转移到另一相的传质过程一般要经过三个步骤(如图),（1）扩散物质从一相的主体扩散到两相界面。（2）在界面上的扩散物质从一相进入另一相。（3）进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散。,例子,用水来吸收空气与氨混合气中的氨，首先是氨从气相主体扩散到气、液两相的交界面，并在界面上溶解进入液相，然后再从界面扩散到水中。,第一：相似相容原理，NH3和H2O极性接近溶解度大。第二：氨分子和水分子间可以形成氢键，大大增强溶解能力。第三：部分氨气与水反应，使溶解量增大。,凡相间传质过程其物质从一相主体到相界面和从相界面到另一相主体的扩散，属于单相中的传质；而在界面上从一相至另一相的转移则属于相际传质。,单相中的传质,在单相流体内，物质的传递有分子扩散和对流扩散两种方式。,（1）分子扩散如果在流体内部存在某一组分的浓度差时，由于物质分子的无规则运动，该组分将从较高浓度处向较低浓度处转移，直至流体内部达到浓度均匀为止，这种物质传递现象称为分子扩散。分子扩散是物质分子微观运动的结果。在静止流体内的传质属于分子扩散。分子扩散行为与传热中类似。,在一杯清水中滴入一滴蓝墨水，蓝墨水扩散很慢。若用玻璃棒搅拌，便可见到清水迅速变蓝。,（2）对流扩散,如前所述，物质在静止流体内部的传递是依靠分子扩散。所以分子扩散的速率很小。用玻璃棒搅拌后，由于水的质点运动促进了蓝墨水的扩散。这种依靠流体质点的湍动和旋涡而引起的物质扩散称为对流扩散。,2.相际间传质,上述讨论是针对一相中进行的传质，而实际传质过程往往发生在相际之间。如气体的吸收是在气相与液相之间进行的传质。气体先从气相主体扩散到气液相界面，然后，再从相界面扩散到液相主体。这种相际间传质过程的机理是很复杂的。为了从理论上说明这一过程的机理，科学家们先后提出了多种不同的理论(如双膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论等等)。但这些理论在解释相际传质机理的实际应用中均存在一定的局限性。目前应用较多的还是在本世纪20年代提出的“双膜理论”。,1923年由美国麻省理工学院教授W.K.刘易斯和W.惠特曼提出的一种描述气液两相相际传质的模型。（1）气液两相接触时存在一个稳定的相界面，在界面两侧各存在一层膜，气相一侧称为气膜，液相一侧称为液膜，不管两相主体内湍流程度如何剧烈，两层膜始终保持层流状态。溶质以分子扩散的形式连续通过这两个膜层。膜层的厚度随流体的流动状态而变化。（2）在两相界面上，被传递的组分达到相平衡（即组分在两相界面处的化学位相等），界面上不存在传质阻力。（3）在层流膜内，通过分子扩散实现质量传递，传递的阻力完全集中于两层膜内。（4）质量传递过程是定态的。,双膜理论：,双膜理论示意图,双膜理论实际上是一个简化模型，它将复杂的相际传递机理简化为溶质通过两个有效膜层的分子扩散。这两个膜层构成了传质过程的主要阻力，溶质以一定的分压差或浓度差克服两膜层的阻力，进行物质传送，膜层以外几乎不存在传质阻力。这一简化为求取吸收速率提供了方便。用双膜理论解释具有固定相界面及气速不高的气、液面流体间的传质过程(如湿壁塔、低气逆境料塔等)，基本上能够得到符合实际情况的结果。,第5章吸收,一、概述吸收在化工生产中的应用吸收剂的选择吸收操作与吸收设备二、吸收过程的相平衡关系气体在液体中的溶解度亨利定律三、吸收过程机理,引子吸收是化工生产过程中分离气体混合物的重要方法之一，是化工单元操作中的一种典型扩散传质过程。它是根据气体混合物各组分在所选的液体中溶解度的不同而达到分离的目的。在吸收操作中，所用的液体称为吸收剂(溶剂)，能溶于吸收剂的气体组分称为吸收质(溶质)，不能溶解的气体组分称为惰性气体；吸收后得到的溶液称为吸收液，经吸收后的气体称为吸收尾气或净化气。,吸收在化工生产中的应用,在化工生产中，无论是原料气的净制或气相产品的分离，或者是对生产过程有害气体的去除以及工业放出尾气的净化，防止大气污染等，都广泛地应用吸收操作。工业生产部门应用吸收的目的主要有三个方面：,对于气体混合物的分离，气体的净化和有价值组分的回收，除了使用吸收方法外，还可以采用吸附、深度冷冻、膜分离等方法。但从经济技术观点权衡可知，当气体处理量较大、提取的组分不要求很完全时，吸收是最好的方法。,回收或捕获气体混合物中的有用成分，以制得液相成品或中间产品。分离气体混合物，以得到一种或几种有用组分。除去有害杂质，以达到气体净化的目的并获得精制气体。,2.吸收剂的选择,（1）选择对被分离组分有较大溶解度的液体，以加速吸收过程、减少吸收剂用量。（2）选择在操作温度下挥发性小(蒸气压低)的吸收剂，以减少吸收剂在操作中的挥发损失。（3）选择具有较好选择性的吸收剂，即它只对吸收质有较好的吸收能力，而对混合气体中的其他组分基本上不吸收或甚少吸收，以实现有效分离。（4）选择无毒、不易燃、无腐蚀性的吸收剂。（5）选择粘度低、具有良好气液接触性能及气液分离能力的吸收剂。（6）选择价格低廉、来源充足、易再生回收利用且不污染环境的吸收剂。,选择的基本依据,3.吸收操作与吸收设备,（1）按吸收过程是否发生化学反应分类物理吸收吸收时溶质与溶剂不发生明显的化学反应。如用液态烃吸收气态烃等。化学吸收吸收时溶质与吸收剂发生较明显的化学反应。如用硫酸吸收氨、用苛性钠溶液脱除气体中的H2S等。,吸收操作的类型,H2SO4+2NH3=(NH4)2SO4,NaOH+H2SNaHS+H2O2NaOH+H2SNa2S+2H2O,（3）按被吸收组分的数目分类单组分吸收只有一个组分被吸收的过程。多组分吸收有两个或两个以上的组分被吸收的过程。,吸收操作的类型,（2）按吸收过程中体系的温度变化分类等温吸收吸收过程中气、液两相温度无明显变化。只有当混合气体中被吸收组分的含量极低，或吸收剂用量较大而没有显著的热效应时，吸收过程才被视为等温吸收。非等温吸收吸收过程中气、液两相的温度发生明显变化。如用水吸收HCl生产盐酸、用H2SO4溶液吸收SO3生产浓硫酸。在吸收过程中都会释放大量的反应热而使溶液的温度明显上升。,实现气液接触传质的设备最常用的是塔。按气、液两相接触方式的不同，塔可分为级式接触式和连续接触式两大类。,吸收设备,图1为级式接触形式的板式塔，塔中气、液两相为逐级逆流接触。溶剂由塔顶加入，逐级向下流动并在每层塔板上保持一定液层厚度；气体从塔底进入，自下而上穿过塔板上的小孔及板上液层，在每一层塔板上与溶剂接触，其中可溶组分被部分吸收，致使气体中的可溶组分浓度自下而上逐级下降；而液相中的可溶组分浓度则自上而下逐级升高。这样的吸收过程通常都是定态连续操作的。,吸收设备,图1级式接触板式塔,图2为一连续接触形式的填料塔。塔内填充特定形状和结构的填料，塔顶喷淋吸收剂，沿填料表面下流；气体从塔底引入，通过填料间的空隙上升，在填料表面与液体作连续的逆流接触，溶质不断地被溶剂吸收，致使气体中可溶组分浓度自下而上逐渐降低，而液体中的可溶组分浓度则自上而下连续增大。,吸收设备,图2连续接触填料塔,为了使分离气体混合物的吸收操作做到效率高、成本低，在工业生产中，必须解决以下问题：（1）选择合适的吸收剂。（2）提供适宜的传质设备，使气、液两相充分接触，以实现溶质从气相向液相的有效转移。（3）吸收剂的再生。,二、吸收过程的相平衡关系1.气体在液体中的溶解度,在一定的湿度和压力下，气体混合物与一定量的吸收剂接触时，气相中的吸收质会溶解于吸收剂中，液相浓度逐渐增加，直至气液两相达到平衡。平衡时，吸收质在气相中的分压称饱和分压或平衡分压，吸收质在液相中的浓度称为饱和浓度或平衡浓度。所谓气体在液体中的溶解度，就是气体在液相中的饱和浓度，亦称平衡溶解度。它表示在一定的温度和压力下，气液相达平衡时，一定量吸收剂所能溶解的吸收质的最大数量。实际上。对于多数体系，当系统的总压不很高时(5.07105Pa)，总压的变化并不影响吸收质平衡分压与溶解度之间的对应关系，而温度对溶解度的影响很大。,2.亨利定律,在一定的温度下，当总压不大(5.07105Pa)的情况时，吸收质在溶液中的溶解度与它在气相中的平衡分压成正比。这一关系称为亨利（Henry）定律，其数学表达式如下：,P*=Ex,式中P*吸收质在气相中的平衡分压，kPa；x吸收质在液相中的摩尔分数；E亨利系数。,亨利系数的单位与压强单位一致，其值取决于物系的特性及体系的湿度。吸收质或吸收剂的不同、体系不同，则E值就不相同。E值越大，表示该气体的溶解度越小，即越难溶。由于气体在液体中的溶解度随温度的升高而下降，故一般E值随温度的升高而增大。,三、吸收过程机理,吸收过程是吸收质借扩散作用从气相转移到液相的传质过程。该过程的进行包括如下三个阶段：（1）吸收质由气相主体扩散到气、液两相界面的气相一侧；（2）吸收质在界面上溶解，并由气相转移到液相；（3）吸收质由相界面的液相一侧扩散到液相主体。从传质角度考虑，上述三个阶段可以概括为吸收质在单相中扩散和在相际间扩散。,第6章精馏,一、概述二、精馏基本原理三、间歇精馏四、多组分精馏和其他精馏方法恒沸精馏萃取精馏,引子蒸馏是分离均相液体混合物以达到提纯或回收有用组分目的的典型化工单元操作。其历史悠久，在化学工业中应用十分广泛，例如一些无机物的提纯，像液态空气制氧、氮；单晶硅的制备等；在石油炼制中的原油精炼最初阶段，将混合物分为汽油、煤油、柴油和润滑油等；在合成材料工业中，从乙苯生产纯苯乙烯单体等，均需要使用蒸馏方法。,蒸馏的实质是气、液相之间的质量传递和热量传递。为使分离彻底，以获取纯度较高的产品，工业生产中常采用多次部分气化、多次部分冷凝的方法精馏。精馏与蒸馏的本质区别在“回流”，包括塔顶的液相回流和塔釜部分汽化所造成的气相回流。回流是造成气液两相直接接触而实现热质传递的必要条件。,蒸馏的基本原理是借助液体具有挥发而成为蒸气的能力，将液体混合物部分气化、部分冷凝，利用其中各组分挥发性的差异，即在同一温度下各组分的蒸气压不同这一性质，而将液体混合物分离开来。,1理想溶液所谓理想溶液，指溶液中不同组分分子之间的吸引力和相同分子之间的吸引力完全相等的溶液。根据“相似相溶”的原则，一般说来，两种结构很相似的化合物，例如：苯甲苯、氯苯溴苯、正己烷正庚烷及邻二氯苯对二氯苯等，都能以任意比例混合形成理想溶液。实践证明，理想溶液的气液相平衡服从拉乌尔定律，即：一定温度下，气相中任一组分的分压等于此温度下该纯组分的饱和蒸气压乘以它在溶液中的摩尔分数。,2非理想溶液工业生产中处理的实际混合液绝大多数是非理想溶液。它们的行为与拉乌尔定律有一定的偏差。对于双组分体系，根据正、负偏差的大小，通常可分为三种类型。（1）正常类型的正偏差或负偏差这类溶液的蒸气压实验值与按照拉乌尔定律的计算值有偏差。但是，偏差不大。所以，不同浓度溶液的蒸气压介于两纯组分的饱和蒸气压之间。若蒸气压的实验值大于计算值，称为正偏差；小于计算位，称为负偏差。,产生正偏差的原因是溶液中不同分子之间的吸引力小于相同分子间的吸引力。故有较多的A分子和B分子自液相中逸出，使蒸气压增大，由两纯组分生成具有正偏差的溶液时，通常体积增大，并发生吸热现象。甲醇与水二元混合液就属正常类型的正偏差。产生负偏差的原因是溶液中不同分子之间的吸引力大于相同分子间的吸引力，故A分子和B分子自液相中逸出较少，使蒸气压减小，由两纯组分生成具有负偏差的溶液时，通常体积缩小，并伴随放热现象发生。二硫化碳与四氯化碳混合液属于正常类型的负偏差。,（2）具有最高蒸气压类型的正偏差若正偏差很大，即两组分的排斥倾向较大，pA、pB偏离拉乌尔定律都很大。蒸气压大，沸点就低，乙醇水二元混合液就是这一类。,（3）具有最低蒸气压类型的负偏差若两组分分子间的吸引力很强，形成很大的负偏差，此时溶液的蒸气压会出现极小值，沸点则出现极大值，此时相应的混合液称为具有最高恒沸点的恒沸物。硝酸水系统即属这种情况。,（1）在精馏塔中，由下一塔板上升蒸气温度必须高于上一板液体温度，方能通过热量传递(冷凝)导致质量传递(气化)；（2）进入理论塔板的液相中易挥发组分的浓度要高于与该板上升气相达到平衡的液相浓度，以保证易挥发组分由液相能够移到气相；（3）只有保持各板上液相组成恒定，才可能有恒定的气相组成，塔顶出来的馏分才会是纯的或接近于纯的，因此，控制一定的塔顶回流液量是个关键；（4）塔板上要有气液两相充分接触的机会以获得热、质传递的高效率。,精馏过程的实现，必须具备以下条件：,间歇精馏亦称为分批精馏。它是化工生产中处理小批量物料，或将多组分混合物初步分离成几个馏分，为方便操作和简化设备而进行的一种操作。它与连续精馏的不同点在于：间歇精馏在操作前，原料一次加入蒸馏釜中，其浓度随着操作的进行而不断降低，当釜液浓度达到规定值时，停止加热，排出残液，故间歇精馏实质上是一个非定态过程。,三、间歇精馏,四、多组分精馏和其他精馏方法,在一般精馏分离过程中是以液体混合物中各组分的挥发度不同为依据的，但不少需要分离的混合液其相对挥发度很小或者是恒沸物。例子乙醇水溶液，当其组成是含乙醇89.4%(摩尔百分数)，沸点78.15时，气、液两相的组成相同，称为恒沸物。由于相对挥发度等于1，用普通的精馏方法无法使两个组分得到分离。有些相对挥发度接近于1的物系，例如苯和环己烷，在常压下它们的相对挥发度等于0.98，采用一般精馏方法需很多理论塔板数，而且所需回流比亦很大，使设备费用和操作费用过大不经济。上述两种情况就需采用特殊或其它的分离方法。,通常，当混合液的分离采用普通精馏操作不能达到较好的分离时，工业上就采用特殊精馏的方法进行分离。采用特殊精馏时，应当满足下列条件之一：欲分离的混合液各组分之间的沸点差相差很小，一般小于3；组分间的相对挥发度1.05；形成恒沸混合物；精馏操作中容易发生分解或聚合；精馏过程中同时伴有反应产物的分离。特殊精馏的基本原理是在二元混合液中加入第三组分，以改变原二元系的非理想性或提高其相对挥发度。根据第三组分所起作用的不同，又可分为恒沸精馏和萃取精馏。,反应精馏：为提高分离效率而将反应与精馏相结合的一种分离操作；也是为了提高反应转化率而借助于精馏分离手段的一种反应过程。反应精馏的优点：反应产物不断移出反应区，有利于反应正向进行，使反应转化率和选择性提高。由于反应产物不断离开反应区，反应区内反应物浓度较高，增加了反应速度，提高了生产能力。充分利用了反应热，节约能量。,恒沸精馏在最低恒沸物、最高恒沸物或沸点相近的物系中加入第三组分后，若第三组分与二元混合液某一组分形成一组新的二元最低恒沸物，或与原来的两个组分形成三元最低恒沸物，其沸点比原二元恒沸物中任何一个组分的沸点都低，故精馏时可由塔顶排出，此时所加的第三组分称为挟带剂或分离剂。这种特殊精馏的方法就叫做恒沸精馏。,如果双组分溶液A、B的相对挥发度很小，或具有均相恒沸物，此时可加入某种添加剂C（又称挟带剂）进行精馏。此挟带剂C与原溶液中的一个或两个组分形成新的恒沸物（AC或ABC），该恒沸物与纯组分B（或A）之间的沸点差较大，从而可较容易地通过精馏获得纯B（或A）。,以乙醇水二元恒沸液制取无水酒精为例，以苯作挟带剂。苯、乙醇和水形成三元非均相恒沸物。此恒沸物的恒沸点为64.9，其组成摩尔分数为：苯0.539，乙醇0.228，水0.223，故当苯足量，在恒沸精馏塔中部加入接近恒沸组成的乙醇-水溶液，塔顶加入苯。精馏时，沸点最低的三组分恒沸物由塔顶蒸出，经冷凝并冷却至较低的温度后在分层器中分层。,在20时两层液体的组成（摩尔分数）分别为:上层苯相：苯0.745，乙醇0.217及少量水，下层水相：苯0.0428,乙醇0.35，其余为水。其中苯相回流入塔作回流，苯作为挟带剂循环使用。塔釜液为高纯度乙醇。水相进入塔以回收其中的苯。塔塔顶所得的恒沸物并入分层器，塔底为稀乙醇-水溶液，可用普通精馏塔回收其中的乙醇，塔釜废水弃去。,恒沸精馏操作中，挟带剂的选择条件如下：挟带剂与被分离的组分中一种或两种形成最低恒沸物，其沸点比纯组分沸点要低，一般要求不低于10；,新形成的恒沸物要便于分离，最好形成非均相恒沸物，以便分层分离；恒沸物中挟带剂的相对含量少，即每份挟带剂能带走较多的原组分，这样挟带剂用量少，热量消耗低，操作较为经济；应满足一般工业要求：热稳定性好、无毒、无腐蚀、不易燃、不易爆、来源充足、价格低廉。,萃取精馏与恒沸精馏类似，也是向被分离的混合物中加入第三组分。加入的第三组分与原二元混合液中A，B两组分的分子作用力不同，故能有选择地改变A，B的蒸气压，以增大原混合液中两组分的相对挥发度，从而使混合液的分离变得容易。所加入的第三组分称为萃取剂(或溶剂)，其沸点较原两组分都高得多，且不形成恒沸物，在精馏过程中从塔底排出而不消耗汽化热，且易与A，B分离完全。,2.萃取精馏,选择萃取剂的主要条件是：选择性强，即加入少量溶剂就可以使原混合液组分间的相对挥发度显著增大；溶解度大，能与任何浓度下的原混合液互溶，以充分发挥每块板上液相中萃取剂的作用；挥发性小，即具有比被分离组分高得多的沸点，且不与原混合液中各组分形成恒沸物以便于分离回收；应满足一般工业要求（同挟带剂）。,第7章萃取,一、液-液萃取概述二、萃取过程的适用性与经济性三、萃取技术在工业上的应用四、萃取剂的选择与发展五、萃取基本流程六、液-液萃取设备及其选择,一、液-液萃取概述,液-液萃取,亦称溶剂萃取。它是分离均相液体混合物的一种单元操作。在萃取过程中，利用液体混合物各组分在某溶剂中溶解度的不同，以达到分离液体混合物的目的。实际上，萃取过程并未直接完成分离任务，而是将一种难以分离的液体混合物转变成两个容易分离的混合物。,通常，混合液中被萃取的物质称为溶质，其余部分称为原溶剂或称稀释剂，而加入的第三组分即溶剂或称萃取剂。将萃取剂加入混合液中，搅拌使其混合，因溶质在两相中呈不平衡，它在一相中的浓度高于其实际浓度，则溶质便从混合液向萃取剂中扩散，形成以萃取剂为主的萃取相；另一相以原溶剂为主，含有少量溶剂的称为萃余相。萃取相是混合物，需要用精馏或反萃取等方法进行分离，得到含溶质的产品和萃取剂，萃取剂供循环使用。萃余相亦需用适当的方法分离回收少量萃取剂后排放。,从上述流程可知，萃取过程在经济上是否优越当取决于后继两个分离过程是否较原混合液直接分离更容易实现。此外，萃取过程的经济性在很大程度上还取决于萃取剂的性质。萃取操作中选择适宜的新溶剂是一个关键问题。选择萃取剂应具备以下条件：一是溶剂与分离混合液只能部分互溶，不能完全互溶，达到平衡时仍然保持两个不同的液相；二是各组分在溶剂中具有不同的溶解度。,（1）混合液中各组分的沸点非常接近或各级分间的相对挥发度接近于1。此时若采用精馏方法，则所需理论塔板数很多，设备费用很高；或采用很高的回流比，则操作费用又必然增加，这时可采用萃取操作。例如常压下苯的沸点为353.25K，环己烷的沸点为354.15K，其蒸气压几乎相同，沸点非常接近。则加入萃取剂糠醛，溶液的相对挥发度显著增加，故萃取操作可进行有效分离。,二、萃取过程的适用性与经济性,在分离液体混合物的操作中，当精馏和萃取方法均可应用时，选择的依据主要取决于成本核算。采用萃取分离操作的情况：,（2）混合液中欲回收的组分是热敏性物质，受热易于分解、聚合或发生其他变化。若采用一般真空精馏或蒸发等分离方法，不但设备和技术等方面要求较高，而且也不经济。例如从植物油中分离长链脂肪酸时，可采用液体丙烷为溶剂的萃取操作在经济上较为优越。,（3）稀溶液，特别是稀的沸点较高有机物的水溶液，若采用精馏方法回收其中的溶质，需要蒸发大量的水，能耗过大。若采用萃取方法，在后继过程中气化有机溶剂的能耗远低于前者。例如以乙酸乙酯为萃取剂从稀醋酸水溶液中回收醋酸。,（4）当混合液的组分形成恒沸物时，用一般精馏不能得到所需的纯度。采用萃取方法进行分离，在技术上和经济上将比恒沸精馏和萃取精馏更为合理可取。例如分离丁酮水形成的恒沸物，可选用三氯乙烷为溶剂的萃取操作。,三、萃取技术在工业上的应用,（1）在无机化合物的制备与纯化中的应用以磷矿石生产磷酸，用丁醇或戊醇为溶剂进行萃取，可制得95的磷酸。以钾碱为原料生产KNO3的工艺中，以异戊醇为溶剂进行萃取，分离盐酸与硝酸钾。,溶剂萃取法在510C，氯化钾溶于浓度60%70%硝酸中，用有机溶剂萃取，分离得硝酸钾和盐酸。,（2）在湿法冶金中的应用近年来，由于有色金属的使用量剧增，而开采的矿石品位又逐年降低，促使萃取法在这一领域迅速发展起来，几乎完全替代了传统的化学沉淀法。从铀矿石、铜矿石等的浸出液中提取、富集铀、铜等金属。目前一般认为分离化学性质相近的金属离子，如分离铌钽、分离锆铪、分离钴镍以及分离稀土金属，都应该优先考虑用溶剂萃取法进行提取。,（3）在有机化合物分离中的应用液-液萃取被广泛地用于有机物的分离，应用规模最大的领域当属石油化工中芳烃与非芳烃混合物的分离，所采用的溶剂主要有二乙二醇醚(二甘醇)、环丁砜、N-甲基毗咯烷酮；二甲基亚砜和糠醛等。此外，其他有机物的萃取过程包括以丙烷、二氯甲烷或二氧乙烷为溶剂从机器油中脱石蜡；以醋酸戊酯从发酵液中提取青霉素、四环素等；用乙酸乙酯、醇、醚、酮和胺类作萃取剂提取醋酸等。化工厂如炼油厂、染料厂、焦化厂等排出的含酚废水，通常用苯、二甲苯、醋酸丁酯以及二烷基乙酰胺等为溶剂处理之。,以上工业应用表明，液-液萃取法与其他分离方法如沉淀法、离于交换法相比，具有提取与分离效率高、生产能力大、分离效果好、回收率高、溶剂消耗量少、设备简单且生产过程宜于实现连续化与自动化等优点。与精馏法及火法冶炼相比，由于萃取过程一般均在常温常压下进行，除设备简单外，能耗也低很多，因此，液-液萃取具有广阔的工业应用前景。,四、萃取剂的选择与发展,在萃取操作中，能否选择一种性能优良且价格低廉的萃取剂，对萃取的得率与经济效果均有很大的影响，故在选择