化工原理基础知识讲解

化工过程常用的

单元操作

贺辉2015.8.72023/1/311西安思瑞迪目录一、吸收和解析二、精馏三、萃取2023/1/312西安思瑞迪第一章吸收分离的物系：气体混合物吸收的概念：利用混合气体中各组分在同一种溶剂中溶解度的不同，用液体吸收剂分离气体混合物的单元操作称为吸收。形成两相体系的方法：引入液相（吸收剂）传质原理：根据各组分在溶剂中的溶解度不同2023/1/313西安思瑞迪概念吸收质或溶质——混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体或载体

——不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂——吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液

——吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。吸收尾气——吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。吸收塔混合气体(A+B)吸收液(A+S)吸收剂(S)吸收尾气(A+B)吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图2023/1/314西安思瑞迪一个完整的吸收分离过程包括：吸收与解吸变换气净化气甲醇H2S/CO2水过热蒸汽加热器冷却器典型工业吸收操作流程（低温甲醇洗工艺）吸收塔解吸塔2023/1/315西安思瑞迪吸收操作的用途：(1)制取液体产品用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，用水吸收氯化氢制盐酸等。(2)分离混合气体用水吸收含氨气的混合气体。(3)气体净化一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等。(4)保护环境尾气处理和废气净化以保护环境，如用碱液吸收废气中的SO2、H2S、NO、HF等2023/1/316西安思瑞迪吸收操作的分类物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。溶液解吸再生容易。化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率,但溶液解吸再生较难。单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。(吸收放热）等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程（绝热吸收）2023/1/317西安思瑞迪一、气-液相平衡关系两相平衡：在一定温度和压力下，气体和液体接触，气体中的溶质组分便开始在液体中溶解，当吸收进行到一定程度时，溶解和解吸（溶解的气体又返回到气相）的速度相当等，气液相组成不再变化，此时气液两相达到动态平衡。溶解度：平衡时，溶质气体在液相中的浓度称为平衡浓度或溶解度表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。吸收过程并不是无止境的吸收的基本原理2023/1/318西安思瑞迪溶解度的表达方式：一般以1000g溶剂中溶解溶质的克数表示，单位：g/1000g溶剂平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压。影响溶解度的因素：气、液体种类、温度、压力温度溶解度压力溶解度2023/1/319西安思瑞迪溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100120pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC120溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]250200020406080100pSO2/kPa1501005012050oC40oC30oC20oC10oC0oC吸收：高压、低温利于吸收；解析：低压、高温利于解析溶解度曲线2023/1/3110西安思瑞迪

吸收剂的选择吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果是否良好的关键。如果吸收的目的是制取某种溶液作成品，例如用HCl气生产盐酸，吸收剂只能用水，自然没有选择的余地，但如果目的在于把一部分气体从混合物中分离出来，便应考虑选择合用的吸收剂问题。溶解度大吸收剂的选择主要考虑的是溶解度，溶解度大则吸收剂用量少，吸收速率也大，设备的尺寸便小；选择性好很显然，吸收剂对溶质气体的溶解度既要大，对混合气体中其他组分的溶解度却要小或基本上不溶，这样才能进行有效的分离，满足这一要求称为选择性好；挥发度要小吸收剂的挥发度要小，即在操作温度下它的蒸汽压要低，经过吸收后的气体在排出时，往往为吸收剂蒸汽所饱和，吸收剂的挥发度高，其损失量便大。此外所选用的吸收剂尽可能满足无腐蚀性，粘度小，无毒，不燃，价廉易得等条件。

2023/1/3111西安思瑞迪吸收过程气液两相的接触方式连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变化。如板式塔。散装填料塑料鲍尔环填料规整填料塑料丝网波纹填料

2023/1/3112西安思瑞迪吸收塔的气体入口条件是由前一工序决定的，不能随意改变。因此，吸收塔在操作时的调节手段只能是改变吸收剂的入口条件。（1）增大吸收剂的用量；（2）降低吸收剂的温度；（3）降低吸收剂中溶解物质的含量。

吸收塔的操作调节手段2023/1/3113西安思瑞迪第二章蒸馏第一节概述（1）石油炼制工业（原油－汽油、煤油、柴油）

（2）石油化工行业（基本有机原料）

（3）空气分离（氧气、氮气制备）

（4）食品加工及医药生产（酿酒行业）一、蒸馏在工业上的应用2023/1/3114西安思瑞迪概念：液体都具有挥发成气体的能力，但挥发性不同，利用混合液体中各组分挥发度的差异而分离液体混合物的操作。目的：均相液体混合物的分离。依据：利用液体混合物中各组分在一定温度下挥发能力的差异。方法：将液体混合物部分气化。二、蒸馏的概念2023/1/3115西安思瑞迪混合物中较易挥发的组分－易挥发组分A混合物中较难挥发的组分－难挥发组分BA+B（C...）液体混合物2023/1/3116西安思瑞迪三、蒸馏的分类蒸馏过程通常以如下方法进行分类：１、根据被蒸馏的混合物的组分数，可分为二元蒸馏和多元蒸馏。２、根据操作过程是否连续，可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。３、根据操作压力，可分为常压蒸馏、加压蒸馏和减压蒸馏。４、根据操作方式，可分为简单蒸馏、平衡蒸馏和精馏。根据被分离物系的一些特殊要求，精馏还包括水蒸气精馏、恒沸精馏、萃取精馏、反应精馏等等。2023/1/3117西安思瑞迪第二节蒸馏的方式一、简单精馏

简单蒸馏的基本流程如图所示。一定量的原料液投入蒸馏釜中，在恒定压力下加热气化，陆续产生的蒸汽进入冷凝器，经冷凝后的液体（又称馏出液）根据不同要求放入不同的产品罐中。因上述流程很简单，故称其为简单蒸馏，也是间歇精馏它是较早的一种蒸馏方式。2023/1/3118西安思瑞迪二、平衡蒸馏

平衡蒸馏流程如图所示，平衡蒸馏又称闪蒸，物料在换热器内换热到一定温度，然后经节流阀减压至预定压力。由于压力的突然降低，过热液体会自然蒸发，液体部分气化。气、液两相在分离器中分开，气相为顶部产物，其中易挥发组分较为富集，液相为底部产物，其中难挥发组分获得了增浓。2023/1/3119西安思瑞迪三、精馏

精馏是利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流、经过多次平衡级过程，使物系实现高纯度分离的操作。精馏段——上升蒸汽中轻组分的精制（除去重组分）提馏段——下降液相中重组分的提浓(除去轻组分）回流——实现精馏操作的必要条件2023/1/3120西安思瑞迪蒸馏与吸收操作对比

蒸馏改变状态参数产生第二相，吸收从外界引入另一相形成两相系统；蒸馏直接获得轻、重组分，吸收混合液经脱吸才能得到较纯组分；蒸馏中气相中重组分向液相传递，液相中轻组分向气相传递，是双相传递；吸收中溶质分子由气相向液相单相传递，惰性组分及溶剂组分处于“停滞”状态。2023/1/3121西安思瑞迪第三章萃取第一节概述一、液-液萃取的基本原理在液体混合物中加入与其不完全混溶的液体溶剂（萃取剂），形成液-液两相，利用液体混合物中各组分在两液相中溶解度的差异而达到分离的目的。称溶剂萃取，简称萃取。溶质：混合液中被分离出的物质，以A表示；稀释剂（原溶剂）：混合液中的其余部分，以B表示；萃取剂：萃取过程中加入的溶剂，以S表示。萃取剂对溶质应有较大的溶解能力，对于稀释剂则不互溶或仅部分互溶。2023/1/3122西安思瑞迪二、液-液萃取过程的分类按性质可分为物理萃取和化学萃取；按萃取对象可分为有机物萃取和无机物萃取。三、液-液萃取操作的基本流程分级接触式单级多级错流多级逆流按溶液与萃取剂的接触方式微分接触式（连续接触式）2023/1/3123西安思瑞迪单级萃取单级萃取最多为一次平衡，故分离程度不高，只适用于溶质在萃取剂中的溶解度很大或溶质萃取率要求不高的场合。萃取相Extract萃余相Raffinate料液A+BFeed萃取剂Solvent混合澄清槽Mixer-settler2023/1/3124西安思瑞迪单级接触式萃取设备：混合澄清槽2023/1/3125西安思瑞迪多级错流萃取萃取剂Solvent原料液依次通过各级，新鲜溶剂则分别加入各级的混合槽中，萃取相和最后一级的萃余相分别进入溶剂回收设备，回收溶剂后的萃取相称为萃取液（用E’表示），回收溶剂后的萃余相称为萃余液（用R’表示）。特点：萃取率比较高，但萃取剂用量较大，溶剂回收处理量大，能耗较大，水平排列的设备占地面积大，并且设备费用高。料液Feed萃取相Extract萃余相Raffinate123N2023/1/3126西安思瑞迪微分接触式（连续接触式）萃取一般为塔式设备（喷淋塔、填料塔、转盘塔、振动筛板塔等）。一液相为连续相，另一液相为分散相，分散相和连续相呈逆流流动；两相在流动过程中进行质量传递，其浓度沿塔高呈连续微分变化；两相的分离在塔的上下两端进行。轻液出口LightLiquidoutlet轻液进口Lightliquidinlet重液出口Heavyliquidoutlet重液进口Heavyliquidinlet2023/1/3127西安思瑞迪1.筛板塔如果轻液为分散相，如图所示，分散相穿过各层筛板自下而上流动，而作为连续相的重液则沿筛板横向流动，由降液管流入下层筛板。轻液通过板上筛孔分散为液滴，与板上横向流动的连续相接触传质。轻液在每层筛板上层空间形成一清液层，在两相密度差作用下，经上层筛板再次被分散成液滴而浮升，传质效率较高。筛孔板降液管相界面相界面轻相出口重相出口重相入口轻相入口2023/1/3128西安思瑞迪2.喷洒塔分层界面重相轻相重相出口轻相出口如图所示，喷洒塔是结构最简单的传质设备，但传质效果差。操作时，轻重两液体分别由塔底和塔顶加入，在密度差作用下呈逆流流动。两液体中一个为连续相(图示为重液)充满塔内主要空间，而另一液体以液滴形式分散于连续相，使两相传质。塔内两端各有一澄清室，供两相分离。两相分层界面位置可由阀门和Π形管的高度控制。2023/1/3129西安思瑞迪四、萃取操作适用范围