化工原理下册复习课件

1、化工原理任课教师：杨雪峰Prof. Dr. Yang XuefengPrinciples of Chemical Engineering复 习Review第九章 气 体 吸 收Gas Absorption亨利定律（Henrys law） 当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。式中： p* 溶质在气相中的平衡分压，kPa； x 溶质在液相中的摩尔分数； E 亨利系数，kPa。 亨利定律比摩尔分数在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的比摩尔分数 Y（ 或 X ）表示组成。 气相传质速率方程kg 气相传质系数，kmol/(sm2

2、kPa)；ky 气相传质系数，kmol/(sm2)；kY 气相传质系数，kmol/(sm2)；p、y、Y 溶质A在气相主体的分压(kPa)、摩尔分数和比摩尔分数；pi 、yi、Yi 溶质A在界面气相侧的分压(kPa)、摩尔分数和比摩尔分数。 液相传质速率方程kc 液相传质系数，m/s；kx 液相传质系数，kmol/(sm2)；kX 液相传质系数，kmol/(sm2)；c、x、X 溶质A在液相主体的摩尔浓度、摩尔分数和比摩尔分数；ci、xi、Xi 溶质A在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分数和比摩尔分数。 总传质速率方程 传递过程的阻力具有加和性。根据双膜理论(相界面无阻力)传质总阻力气相传质阻力液相

3、传质阻力相平衡关系为直线对稀溶液，相平衡关系服从亨利定律 y*=mx总传质速率方程 对易溶气体，平衡常数 m 值小，平衡线很平：传质阻力主要集中在气相，此类传质过程称为气相阻力控制过程，或称气膜控制过程。 优点：可避开难以确定的相界面组成 xi 和 yi。总传质速率方程 对难溶气体，平衡常数 m 值大，平衡线很陡： 传质阻力主要集中在液相，此类过程称为液相阻力控制过程，或液膜控制过程。 分析气、液两相中传质阻力所占的比例，对于强化传质过程，提高传质速率有重要的指导意义。例：以气相阻力为主的吸收操作，增加气体流速，可减薄界面处气膜层的厚度，从而降低气相传质阻力，有效地提高吸收速率；而增加液体流速

4、吸速率则不会有明显改变。 吸收塔的计算 化工单元设备的计算，按给定条件、任务和要求的不同，一般可分为设计型计算和操作型（校核型）计算两大类。设计型计算：按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任务要求的单元设备。操作型计算：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能完成的任务。以逆流操作的填料塔为例：对稳定过程，单位时间内气相在塔内释放出的溶质 A 必等于液相吸收的量。物料衡算与吸收操作线方程 物料衡算 目的：计算给定吸收任务下所需的吸收剂用量 L 或吸收剂出口浓度 X1。V, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, X物料衡算V, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, X操作线方程

5、与操作线V, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, XV, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, X最小液气比(L/V)minYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1,max=X1*(L/V)minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max两线在 Y1 处相交时，X1,max=X1*；两线在中间某个浓度处相切时， X1,maxX1* 。 低浓度气体吸收填料层高度的计算 特点：低浓度气体吸收（y110%）因吸收量小，由此引起的塔内温度和流动状况的改变相应也小，吸收过程可视为等温过程，传质系数 kY、kX 、KY、KX 沿塔高变化小，可取塔顶和塔底条

6、件下的平均值。传质单元数与传质单元高度对数平均推动力法NOG 的含意：低浓度气体吸收是以全塔的Ym 为度量单位，衡量完成分离任务（Y1-Y2）所需的传质单元高度的数目。若分离程度（Y1-Y2）大或平均推动力 Ym 小，NOG 值就大，所需的填料层就高。 吸收因子法相对吸收率 r = (Y1-Y2)/ (Y1-Y2*)第十章 蒸 馏Chapter 10 Distillation理想溶液的汽液平衡拉乌尔(Raoult)定律 汽、液两相物系分为理想物系与非理想物系。理想物系：理想溶液和理想气体组成的物系。实验表明，理想溶液服从拉乌尔（Raoult）定律，理想气体服从理想气体定律或道尔顿分压定律。两组

7、分物系 pA、pB 液相上方A、B两组分的蒸汽压，Pa； xA、xB 液相中A、B两组分的摩尔分数；poA、poB 在溶液温度 t 下纯组分A、B的饱和蒸汽压，为温度的函数，Pa。 理想溶液的汽液平衡拉乌尔(Raoult)定律沸腾时，溶液上方总压应等于各组分的分压之和泡点方程(bubble-point equation)poA、poB 取决于溶液沸腾时的（泡点）温度，上式实际表达的是一定总压下液相组成与溶液泡点温度关系。理想溶液的汽液平衡拉乌尔(Raoult)定律当汽相为理想气体时露点(dew-point)方程一定总压下汽相组成与温度的关系式。对非理想物系不能简单地使用上述定律。汽液相平衡数据

8、可以通过分子模拟计算，或依靠实验测定。 相对挥发度（Relative volatility）对双组分物系有 yB=1-yA，xB=1-xA，代入并略去下标 A 可得 相平衡方程若已知两组分的相对挥发度，则可由上式确定平衡时汽液两相的组成。 理论板和板效率（Ideal plate and plate efficiency） (1) 汽、液两相在板上充分接触混合，塔板上不存在温度差和浓度差；(2) 离开塔板的汽、液两相达平衡，即离开理论板的两相温度相等，组成互成平衡。理论板的概念（Concept of ideal plate） 表达理论板上传递过程特征的温度和汽、液组成可直接由相平衡关系描述，如

9、t-x(y) 相图、泡点方程或露点方程。 板效率（Plate efficiency） n-1 tn-1ntnn+1tn+1yn+2yn+1ynyn-1xn-2xn-1xnxn+1物料衡算与操作线方程 全塔物料衡算 （Overall material balance）总物料衡算 易挥发组分物料衡算 操作线方程（Operating line） 对控制体作物料衡算：1 2 3 n n+1 V, y1D, xDL, xDV, yn+1L, xn 精馏段操作线方程 回流比：R=L/D泡点回流：V=L+D=(R+1)D 提馏段操作线方程 操作线方程 （Operating line） 对控制体作物料衡算：V

10、, yWW, xWL, xWn n+1 L, xnV, yn+1加料热状态对操作线交点的影响提馏段操作线与加料热状态有关，两操作线交点的坐标也与加料热状态（q值）有关。应用两操作线方程可导出以 q 值为参变量的交点轨迹方程。q 线的作法eacbdq0q=00q101.0 xWxy1.0 xDzF不同加料热状态下的 q 线最小回流比 (Minimum reflux ratio)最小回流比(Rmin)：R，两操作线交点 d 落在平衡线上，所需的理论板数为无穷多。d 点称为挟点，其附近称为恒浓区或挟紧区。 qadydxWxdxFxD1.001.0理论板数的求法 逐板计算法y1y1x1x2y212yN

11、-2xN-2xN-1yNN-1NmN-2W, xWF, zFD, xDQ图解法y1y1x1x2y212yN-2xN-2xN-1yNN-1NmN-2W, xWF, zFD, xDQyy1xW12345678910axq 线de01.01.0y2y3y6yqxqzFx2x1xD第十二章 干 燥 Drying绝对湿度(湿度) H（Humidity）对于空气-水系统：Mw=18.02，Mg=28.96湿气体中湿份蒸汽的质量与绝干气体的质量之比。若湿份蒸汽和绝干气体的摩尔数 (nw, ng) 和摩尔质量 (Mw , Mg) 总压一定时，气体的湿度只与湿份蒸汽的分压有关。 kg湿份蒸汽/kg绝干气体相对湿

12、度（Relative humidity）一定的系统总压和温度下，气体中湿份蒸汽的分压 p 与系统温度下湿份的饱和蒸汽压 ps 之比。 值越低，气体越偏离饱和，吸湿潜力越大； =100% 时，p=ps，气体被湿份蒸汽所饱和，不能再吸湿。对于空气-水系统：湿比容H 或干基湿比容 (m3/kg绝干气体)1kg 绝干气体及所含湿份蒸汽所具有的体积常压下(P=1013.25kN/m2) ：湿气体的密度湿比热cH 或干基湿比热J/(kg绝干气体 )1kg 绝干气体及所含湿份蒸汽温度升高1所需要的热量式中：cg 绝干气体的比热，J/(kg绝干气体)； cv 湿份蒸汽的比热，J/(kg湿份蒸汽) 。对于空气-

13、水系统：cg=1.005 kJ/(kg)，cv=1.884 kJ/(kg) 湿焓iH (Total enthalpy) 或干基湿焓 (kJ/kg绝干气体)1kg 绝干气体及所含湿份蒸汽所具有焓的总和焓是相对值，计算时须规定基准状态和基准温度，若取0下的绝干气体和液态湿份的焓为零对于空气-水系统：显热项汽化潜热项露点温度干燥系统中气体的极限温度对于空气-水系统当气体的 P、H 不变，则湿分分压 p 不变。 ps = p, ts=td各温度间的关系不饱和空气：t tas (tw) td 饱和空气：t = tas (tw) = td 物料湿分的表示方法湿物料是绝干固体与液态湿分的混合物。湿基湿含量

14、w：干基湿含量 X：换算关系： 结合水分：与物料存在某种形式的结合，汽化能力比独立存在的水低，蒸汽压或汽化能力与水分和物料结合力的强弱有关。结合水分与非结合水分 非结合水分：与物料没有任何形式的结合，具有和独立存在的水相同的蒸汽压和汽化能力。湿含量 XXh相对湿度 非结合水分结合水分01.00.5结合水分按结合方式可分为：吸附水分、毛细管水分、溶涨水分(物料细胞壁内的水分)和化学结合水分(结晶水)。平衡水分和自由水分 平衡水分：低于平衡湿含量 X* 的水分。是不可除水分。自由水分：高于平衡湿含量 X* 的水分。是可除水分。湿含量 XXh相对湿度 非结合水分结合水分自由水分平衡水分X*01.00

15、.5干燥速率的定义干燥速率 ：干燥器单位时间内在物料单位表面积上汽化的湿分量（kg湿分/(m2s)）。微分形式为式中：N 干燥器的干燥速度，kg/(m2s)； A 物料表面积，即干燥面积，m2。 以临界湿含量 Xc 为界，干燥过程分为恒速干燥和降速干燥段。干燥速率曲线：干燥速率 U 或干燥速度 N 与湿含量 X 的关系曲线。干燥过程的特征在干燥速率曲线上更为直观。干燥速率曲线ABCD干燥速率 U 或 NABCD物料温度twXcX*湿含量 XIIIC物料衡算（Mass balance）G1 湿物料进口的质量流率，kg/s；G2 产品出口的质量流率，kg/s； Gc 绝干物料的质量流率，kg/s；

16、 w1 物料的初始湿含量； w2 产品湿含量； L 绝干气体的质量流率，kg/s； H1 气体进干燥器时的湿度； H2 气体离开干燥器时的湿度； W 单位时间内汽化的水分量，kg/s。 湿物料G1 , w1干燥产品G2 , w2热空气L , H1湿废气体L , H2绝干气体消耗量绝干气体比消耗热量衡算（Heat balance）Qp 预热器向气体提供的热量，kW；Qd 向干燥器补充的热量，kW；Ql 干燥器的散热损失，kW。 湿物料G1 , w1 , 1, cm1干燥产品G2 , w2 , 2, cm2热气体L, H1, t1, i1湿废气体L, H2, t2, i2湿气体L, H0, t0, i0QpQdQl预热器干燥器整个干燥系统的热量衡算 干燥器干燥器的热量衡算 热气体在干燥器中冷