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文档简介
一、传质过程导论
ntroductionofmasstransferrocess
物质在相际间的转移属于物质传质过程
Substancetransferbetween
phasesbelongstothemasstransfer
process
这类单元操作在化工生产中应用甚广
Thiskindofunitoperationiswidely
usedinchemicalproduction
Inthispartwemainlylearn
(一)相组成的表示方法representingmethodof
phasecomposition
对于混合物,一个相的组成可以用多种方
法表示/
Forthemixture,aphasecomposition
canbeexpressedinavarietyofways,
1.质量分数与摩尔分数Themassfractionand
themolefraction
i
refersthefractionthatacomponent
massaccountforo>\totalmass
massfraction:WA
a
a
[WA-massfractionofcomponent
A】
molefraction:XA
gas
a
phase:
a
liquidphase:
a
a
relationshipWA-XA:
a
a
—>
a
[MA-molarmass,kg/kmol]
2.质量比与摩尔比massratio、molarratio
a
massratio:
a
molarratio:X
gas
phase:
a
liquidphase:
a
a
relationshipw-
a
a
relationshipx-X:
a
a
3、concentration:
Massconcentration:CA
a
molarconcentration:CA
a
relationshipCA-WA:
a
relationshipcA-xA:
a
4.气体总压与理想气体中组分的分压
Totalpressureandpartialpressureofcomponentinideal
gas:
a
MoleratioY-partialpressure:
a
massratio-partialpressure:
a
molarconcentrationCA-PA:
a
massconcentrationCA-PA:
a
(二)、扩散原理principleofdiffusion
1、Ficklaw:温度、总压一定,组分A在扩散方向上任一
点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。
Underacertaintemperature,total
pressure,diffusionfluxofcomponentA
onthedirectionofdiffusionis
proportionaltoconcentrationgradient
a
[dcA/dz-concentrationgradient;
DAB-DiffusioncoefficientofAinB,m2/s]
PS:1、负号表示方向相反minussignmeansJAandgradientare
intheoppositedirection
2、Ficklawdescribestherule
ofdiffusionrate
分子扩散两种形式Moleculardiffusionintwo
forms:
二、吸收Absorption
(一)、吸收的基本理论Thebasictheoryof
absorption
L利用不同气体组分在液体溶剂中的溶解度差异,对其进行选择
性溶解,从而将气体混合物进行组分分离的传质过程称为吸收
UsetheSolubilitydifferenceofdifferentgas
componentsinliquidsolvents,
dissolvethecomponentselectivelyzThemass
transferprocessofgasmixtureseparation
iscalledtheabsorption
在工业上的应用有:原料气的净化、某些
产品的制取、废气的治理等
theindustryapplicationispurificationof
feedgas,preparationofsomeproducts,
improvementofexhaustgas.
2、气液相平衡gas-liquidequilibrium
在溶质A与溶剂接触、进行溶解度的过程中,随着浓度cA
的逐渐增大,传质速率将逐渐减慢,最后降到零,cA达到一最大限
度cA*.这时称气液达到了相平衡,
intheprocessofAcontactingwithsolutesolubilityin
solvent,withtheincreasingofconcentration,themass
transferratewillgraduallyslowdown,finallyreducedtozero,
cAreachedamaximumcA*oThenitiscalled
gas-liquidphaseequilibrium.
亨利定律henry'slaw:
总压不高时,在一定温度下,稀溶液上方气相中溶质的平衡
分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比。
Whenthetotalpressureisnothigh,atacertain
temperature,equilibriumpartialpressureofthe
solute\ntheqasphaseabovethedilute
solutionisproportionaltotheMole
Fractionofsoluteintheliquidphase.
a
[E-Henry'sconstant,kpaE=C/H;
C-液相总浓度theliquidphasetotal
concentration;
H-溶解度系数solubility
coefficient】
(二)、吸收传质速率masstransferrateofabsorption
①双膜模型doublemembrancemodel
1)气液两相存在一个稳定的相界面,界面两侧存在稳定的气膜和液
膜,膜内为分子扩散
wesuppose,Thereisastablegas-liquidinterface,stablegas
filmandliquidexistonbothsidesoftheinterface,inthefilm
thereismoleculardiffusion
2)相界面处两相达平衡Twophaseachievebalanceatphase
interface.
a
为吸收速率的计算提供了依据Providethebasisforthe
calculationofabsorptionrate
②相际传质速率方程masstransferingrateequation
1、Gasmembraneabsorptionrateequations:
NA=RG(pc-pi)
【I<G-气膜吸收系数Gasmembraneabsorption
coefficient;]
当气相的组成以摩尔分率表示时
Whenthegasphasecompositionusethemolefractionto
express:
a
[ky-表示以摩尔分数差为推动力的气膜吸收系数
Gasmembraneabsorptioncoefficientthat
usedifferenceofmolefraction8Sdrivingforce]
2、liquidmembraneabsorptionrate
equations:
NA=RL(G-CL)
[ki-liquidmembraneabsorption
coefficient;]
当液相的组成以摩尔分率表示时
Whentheliquidphasecompositionusethe
molefractiontoexpress:
a
【kx-表示以摩尔分数差为推动力的液膜吸收系数
liquidmembraneabsorptioncoefficient
thatusedifferenceofmolefraction8Sdrivingforce]
3、总吸收系数及相应的吸收速率方程式
①气相总分压差为推动力的传质速率方程
equationthatusedifferenceofgasphaseoverallpartial
pressureasdrivingforce.
NA=KG(pG-pL*)
【KG一气相总传质系数Thegas
phaseoverallmasstransfercoefficient
PL*-与液相主体浓度成平衡的气相分
压,Pa
gasphasepartial
pressurethatisinbalance
withconcentration
ofliquidphase;
PG-gasphasepartial
pressure]
以摩尔分率表示时usethemolefractiontoexpress:
a
[Ky—以,为推动力的气相总传质系数
gasphaseoverallmass
transfercoefficientthatuseAyasdriving
force
y*-与液相组成成平衡的气相组
成,摩尔分数
Gascompositionthatisin
balancewithliquidcomposition,mole
fraction]
②以液相总浓度差为推动力的传质速率方程
equationthatusedifferenceofliquidphase
overallconcentrationasdrivingforce.
NA=KL(CG*-CL)
【CG*-与气相分压PG呈平衡的液相浓度,
liquidconcentrationthatisin
balancewithgasphasepartialpressure]
3
ps:总系数与分系数的关系Theoverallcoefficientandpartial
coefficient
a
a
Respectivelyaretotalresistanceandgasfilmresistanceand
liquidfilmresistance
a
3
气膜控制:gasfilmcontrol:
溶解度很大时的易溶气体,传质阻力主要集中在气相。称为气膜控制
物系。
Asforthesolublegaswithlargesolubility,meansH(溶解度
系数
solubilitycoefficient)islarge,sothemasstransferresistance
ismainlyconcentratedinthegasphase.Knownasthegas
filmcontrolsystem.
a
a
a
a
(三)、吸收(或脱吸)塔的计算Thecalculationofabsorption
tower
1、物料衡算与操作线方程materialbalance、operatingline
equation
a
Ga、Gb——气体组分(A+B)出塔、入塔的流率,kmol/
m2s
exit、enterflowrateofgas
component
La、Lb——液体组分(A+B)出塔、入塔的流率
G、L——通过塔此截面的气、液流率,
Thegasandliquidflowrateof
acrosssectionofthetower
ya、yb——出塔、入塔气体的摩尔分数,
exit、entermolefractionofgas
component
x、y——塔一截面处气、液的摩尔分数
gas,liquidmolefractionof
across-sectionofthetower
全塔物料衡算Overallmaterial
balance:
GB=G(1-y),Ls=L(l-x)
Y=y/l-y,X=x/l-x
GB(Yb-Ya)=Ls(Xb-Xa)
(解释:气体溶质被吸收,y、G不断减小,以不变的量
作为基准,即惰性气体B的流率和溶剂S的流率
Thegassoluteisabsorbed,y,G
decreasecontinuously,
useinvariantasthebenchmark,
theinertgasBflowrateGBandthe
solventSflowrateLs]
蓝色的通常是已知的,如果再知道Ls、Xb
之一,就可求出另一个量
GB、Yb、Ya、Xaareusually
known,ifweknowoneofLSZ
Xbzandthenwecanfindanother
quantity.
为求得任意截面上的气液组成关系,可以对塔顶
与此截面间作物料衡算,
Inordertoobtaingasandliquid
compositionrelationshiponanysection,
wecanmakematerialbalancebetween
thetopofthetowerandthecross
section
GB(Y-Ya)=Ls
(X-Xa)
operatinglineequation
or,Y=LS/GB-X+(Ya-LS/GB
.Xa)
a
accordingtoit,wecanalsodrawathemoleratioof
coordinatesystem,AB-operatingline,slopeofline
平衡线
ABisLS/GB,OE-lineofbalanceo
AnypiontPontheoperatingline,
PQ-以气相摩尔比之差表示的推动力driving
forceexpressedbydifferenceofgasphase
moleratio(Y-Y*),PR-driving
forceexpressedbydifferenceofliquid
phasemoleratio(X*-X).
whenLsdecreases
,slopedecreasesaswellz
LimitoperationisBmeetingOEatC,soC
-drivingforceis0zandmasstransferrateis
also0.
liquid-gasratiointhissituationis
calledminimumliquidgasratio,
a
应用啥的:关于溶剂的用量,希望流率要小来
降低消耗,但限于溶解度,不能太小,所以实际
采用液气比常在最小值的L1至2倍内选.
Abouttheamountofsolvent,wewantflow
ratecanbesmallertoreducethe
consumption,butduetothelimited
solubility,itcannotbetoosmall,sothe
liquidgasratioisalwayschoosed1.1to2
timesoftheminimumvalue
(四)、填料层高度的计算heightoffillinglayer
它应保证其中有效气液接触面积能满足传质的需求
Itshouldensuretheeffectivegas-liquidcontact
areacanmeetthedemandofmasstransfer
A=aV=a(nD2/4)h
L对数平均推动力法logarithmicaveragedriving
force
a
【Kya-气相总体积吸收系数gasphase
overallvolumeabsorptioncoefficient;
A
①findym:
a
△ya=ya-mxaallwillbe
giveno
2、吸收因数法AbsorptionNumberMethod
①液气比liquid-gasratio:
L/G=(yb-ya)/(xb-xa)
②吸收因素absorptionfactorA:
A=L/mG
S。脱吸因素Desorptionfactor:
S=l/A
③吸U攵要求Absorptionrequirements:
(yb-mxa)/(ya-mxa)=?
(4)useS、?lookatgraph,getNOG
h=NOG*HOG
传质单元TransferUnit
气相总传质单元数gasphaseoverall
transferunit:NOG
为了便于分析,把整个填料层分为若干段,
Inordertofacilitatetheanalysis,thefiller
layerisdividedintoseveralsegments,
传质单元高度heightoftransferunitHOG:
a
同理还有液相总传质单元数Similarly,NOLHOL
(五)、塔板数platenumber
板式塔和填料塔的区别在于,气液两相
的接触是在塔板上进行的,故组成沿塔高呈阶跃
式变化而不是连续式变化。所以得求塔板数。
thedifferencebetweenplate
columnandpackedcolumnisthatthe
gas-liquidcontactisoncolumnplate,so
thecompositionalongthetowerhigh
issteptypechangeinsteadofcontinuous
change.Soweshouldfindplatenumber.
a
a
N-理论板数numberoftheoreticalplates
总板效率overallplateefficiencyEO:
E0=N/Ne
Ne-实际板数actualnumberplate
三、蒸储distillation
利用混合物在一定压力下各组分相对挥发度(沸点)的不同进
行分离的一种单元操作。Usethedifferenceofrelative
volatility(BP)
betweencomponentsofmixtureundercertain
pressure,toseparatemixedliquids0
第一节二元物系的汽液相平衡
显然,气液两相呈平衡时的组成差别越大,越有利于蒸播
分离。因此这里需研究相平衡关系。
Obviously,themorebiggerthedifference
ofcompositionofagas-liquid(whichisin
equilibrium)is,theeasierthedistillationis.Soheretostudy
phaseequilibrium.
(一)、理想溶液idealsolution
若溶液中的各个组分在全部浓度范围内都服从拉乌尔定
律,称为理想溶液。
ifeachcomponentinthesolutioninthe
wholeconcentrationrangeobeysRaoul's
law,knownastheidealsolution
a
3
a
-纯液体的蒸气压Thepure
liquidvaporpressure
x-易挥发组分A的摩尔分数The
molarfractionofvolatilecomponents
a
a
so,液相组成liquidcomposition:
a
泡点方程bubble-point
equation0
a
(解释:
Dependsonthetemperaturesolutionbegantoboil)
means一定总压下液相组成与泡点的关系
Underacertaintotalpressure
relationshipbetweenliquidphasecomposition
andthebubblepoint。
a
露点方程
Dew-pointequationo
means一定总压下气相组成与开始冷凝时的温度的关
系
Underacertaintotalpressurethe
relationshipbetweengasphasecompositionand
temperaturegasbegantocondensate
气液相平衡图Gasliquidequilibriumgraph
a
ADB-dew-pointline,t-y;ACB-bubble-pointline,
t-x;
whent=100,drawalinemeett-yatD,meett-xatC,
CDmeansGas-liquidtwophasecompositionx=,
y=
drawAvertical,F-bubble-point(whenx=),
E-dew-point
onlyinthe2phaseregion,
componentcanbeseparated
(二)挥发度和相对挥发度Volatilityand
relativevolatility
1、Volatility:对纯液体,挥发度指该液体在
定温度下的饱和蒸汽压
Forthepureliquid,volatilityrefersto
thesaturatedvapourpressureofsaturatedunderacertain
temperature
a
对混合液,挥发度为组分在蒸气中分压和与之平衡的液相中的摩尔分
率之比
Forthepureliquid,volatilityreferstotheratiobetween
Componentpartialpressureinthevapourandmole
fractionintheliquidphase
a
2.relativevolatility:溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的
挥发度之比,用a表示。Theratioofvolatility
betweenvolatilecomponentsandICSSVolatile
componentsinthesolution,
a
a
道尔顿分Dalton'sLawofPartialPressure
a
a
a
3
_______________________________________Gas
liquidequilibriumequation,
canbeusedtofindGas-liquidCompositiononceweare
givena
第二节蒸储方式
—、简单蒸储Simpledistillation
流程图如下flowchart:
a
混合液在蒸储釜中逐渐汽化,产生的蒸汽进入冷凝器,储出液进入
容器中。
Themixtureinthedistillationkettlegraduallyvaporized,
thegenerated
vaporenteringthecondenser,
thedistillateintothecontainer.
Afteradifferentialtimedt,Residual
liquiddecreasedbydW,Liquidphase
compositiondecreasedbydx,
对易挥发组分,出前后的微分进行物料衡算为:
tovolatilecomponents,carriedouta
materialbalance,
a
[W——某一瞬间釜内
的液量,Theamountofliquidinkettleata
moment,kmol]
a
a
将上式积分integrateit,
a
[Wl.W2——釜内的料液量和残液量Amol
Theamountofmaterial
liquidandresidualliquidinsidethekettle
xl、x2——料液和残液中易挥发组分组成
volatilecomponents
ofmaterialliquidandresidualliquid]
Foridealsolution
a
可由WLX1,加上W2X2之一,求W2X2,
accordingtoWi、Xi,addW2orX2,canfindX2orW2
fortotalmaterial:WD=WI-W2
forvolatilecomponents:WDXD=WIXI-W2X2
二、平衡蒸储Equilibriumdistillation
分离效果不好,只能作为原料的初步分离Separationeffectisnot
good,canonlybeusedaspreliminaryseparationofraw
materials
a
使混合液体部分气化,并使气液两相处于平衡状态,然后将气液
两相分开,分别从顶部和底部排出。
partgasifythemixedliquid,enablethe
gas-liquidintheequilibriumstate,
thenseparategas-liquidtwo-phase,they
aredischargedrespectivelyfromthetop
andbottomo
materialbalance:
fortotalmaterial:V+L=F
forvolatilecomponents:
VyD+Lxw=FxF
vy
XW=FX
D+(F-V)F
令液相分率supposeliquidfractionL/F=q,
sogasfractionV/F=l-q
a
—汽液相平衡组成的物料
衡算关系
materialbalance
relationshipofvaporliquidequilibrium
YD、XwcanbecomputedbymixedGasliquid
equilibriumequationandbalancedequations
第三节二元连续精微的分析和计算
(一)、精储原理principleofrectification
a
将原料液进入的那层板称为加料板,加料板以上称为精微段,作用是
使上升气流中易挥发组分的浓度逐板增加,从而在塔顶得到合格的易
挥发产品;
Theplatethatrawmaterialliquidenterintois
calledfeedboard,Thefeedboardaboveiscalled
therectifyingsection,theroleisincreaseingconcentration
ofvolatile['valntl]componentsintherisingairstepby
step,togetaqualifiedvolatileproductsat
thetopofthetower;
加料板以下称为提储段,作用是使下流液体中易
挥发组分逐板减少,从而在塔底得到合格的难挥
发产品
Thefeedboardbelowiscalledthe
strippingsection,theroleis
reduceingvolatilecomponentsin
defluentliquidstepbystep,togeta
qualifiedlessvolatileproductsin
bottomofthetower
(二)、计算
1、全塔物料衡算Overallmaterialbalance
a
fortotal
a
material:
a
forvolatilecomponents:_________________
【F-料液流率flowrateofMaterial
liquid,kmol/h;
D-塔顶产品流率flowrateoftop
product;
W-塔底产品流率....bttomproduct;
xF-易挥发组分的摩尔分数mole
fractionofvolatilecomponent]
一般是给出F、xFDW,求D,W
generallyF,xFDWwillbegiventofindD,W
(不讲!塔顶易挥发组分回收率recoveryrateofvolatile
componentsattoptower:
a
)
2、精微段操作线方程operatinglineequationofRectifying
section
a
(这个图不是很懂谈。。。。画的时候不写yl,直接上y(n+1)
fortotal
a
material:
forvolatile
3
components:
【V-离开的汽流量removedvapourflow;L-回流液
量theamountofrefluxliquid;
D-储出液量Distillateamount;
a
a
精福段操
作线方程
a
回流比refluxratio
3、提微段操作线方程
a
fortotal
a
material:
forvolatile
a
components:
[L'-becauseofinputatfeedborad,与L不同
a
提微段操作线方程
4、进料热状态feedthermalcondition
q-进料液相分率Feedliquidfraction
a
L'=L+qF
V'=V-(1-q)F
热量衡算heatbalance
FiF=(qF)iL+(1-q)Fiv
ip---进料的烙enthalpyoffeedstock
3
a
1)过冷液体subcooledliquid
a
q>i
2)对于泡点进料bubblepointfeed(饱和液体
saturatedliquid)
a
,q=i
3)汽液混合物进料liquid-vapormixture
a
q
a
4)对于饱和蒸汽进料saturatedvapor
a
q=0
5)过热蒸汽进料superheatedvapor
a
a
a
a
5、理论塔板层数的求法Theoreticalplate
layers【甩】
Stage-by-stagecalculation、graphic
method
1)操作线:
a
c)q线方程Qlineequation
a
a
第四节其它蒸储方式
甩甩甩
四、萃取extraction
(一)、基本概念concept
分离液体混合物的工业过程除蒸储外,应用较广的还有萃取。
Inadditiontothedistillation,extractioniswidelyused
toseparateliquidmixturesinindustrialprocess.
利用混合液中各组分在溶剂中溶解度的差异而实现分离的一
种单元操作。
it'saunitoperationbyusingthedifferenceof
solubilitybetweeneachcompositioninsolventstoachieve
separation.
a
SshouldhasabigdissolvingcapacitytoA,doesnotdissolve
B
使液相分成两层Maketheliquidphaseisdividedintotwo
layerSo
onelayerisE,includesAS
theotherisraffinate,B
(二)、组成在三角形相图上的表示方法triangularphase
diagram
A-溶质soluteB-original
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