传质过程及塔设备

传质过程及塔设备第1页，课件共160页，创作于2023年2月5.1传质过程及塔设备简介5.2气体吸收5.3液体的精馏5.4新型传质分离技术与特殊分离过程简介第2页，课件共160页，创作于2023年2月本章学习目的及要求本章主要学习传质过程基本规律，包括气体的吸收和液体的精馏。气体的吸收1．熟练掌握吸收相平衡基本规律；2．掌握吸收双膜理论，吸收速率方程；3．掌握填料吸收塔的有关计算；4．了解主要吸收设备的性能。第3页，课件共160页，创作于2023年2月本章重点及难点气体的吸收1.双膜理论—吸收速率方程2.亨利定律、物料衡算和吸收速率方程—填料塔的计算（1）吸收剂用量的计算（2）填料层高度的计算第4页，课件共160页，创作于2023年2月5.1传质过程及塔设备简介物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程，为传质过程。单相传质：仅在一相中发生的物质传递。相间传质：通过相界面的物质传递。传质常伴随有化学反应过程，广泛应用于混合物的分离操作。第5页，课件共160页，创作于2023年2月1.传质过程类型一、流体相间的传质过程气相—液相：气体的吸收，液体的精馏等。液相—液相：液—液萃取。二、流—固相间的传质气相—固相：固体干燥，气体吸附等。液相—固相：液体结晶，液体吸附，固体浸取等。第6页，课件共160页，创作于2023年2月2、传质过程的共性（1）传质的方式与历程扩散方式分子扩散：物质靠分子运动转移扩散，静止或滞流流体中的扩散。涡流扩散：流体的湍动和旋涡产生质点位移。历程：一相主体扩散—该侧相界面—另一侧相界面—另一侧主体高浓度低浓度第7页，课件共160页，创作于2023年2月（2）传质过程的方向与极限极限：一定条件下，处于非平衡状态的两相体系内组分会自发进行质量传递，最终达平衡状态—极限。条件的变化可破坏原有的平衡状态。一定条件下，两相体系必然存在一个平衡关系。第8页，课件共160页，创作于2023年2月方向：物质在A相的实际浓度大于其在B相实际浓度所对应的平衡浓度时，由A相向B相传递。反之由B相向A相传递。相等时，体系处于动态平衡。第9页，课件共160页，创作于2023年2月传质的方向：以氨气吸收为例相平衡的方向密闭容器水（溶剂）氨气(浓度高)＋空气(惰性气体)(溶质，被吸收组分)氨气（浓度低）＋空气

传质的极限：相平衡推动力：在两相分配中，偏离平衡的程度第10页，课件共160页，创作于2023年2月总压溶质（A）分压与溶液中A的浓度成平衡的气相分压亦可用浓度差表示动力密闭容器水（溶剂）氨气(浓度高)＋空气(惰性气体)(溶质，被吸收组分)氨气（浓度低）＋空气

吸收解吸

平衡吸收推动力第11页，课件共160页，创作于2023年2月传质过程推动力与速率两组分在两相分配偏离平衡状态的程度便是传质过程推动力。推动力形式可以是压力差、浓度差等。推动力形式不同，传质系数不同，速率方程形式不同第12页，课件共160页，创作于2023年2月3.塔设备简介

填料塔第13页，课件共160页，创作于2023年2月1.结构:液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上。气体从塔底送入，经气体分布装置分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。气液传质设备气相为连续相液相为分散相第14页，课件共160页，创作于2023年2月液体由上往下流动时，由于塔壁处阻力较小而向塔壁偏流，使填料不能全部润湿，导致气液接触不良，影响传质效果，称之为塔壁效应。塔壁效应第15页，课件共160页，创作于2023年2月2.填料不锈钢波纹填料

阶梯环

共轭环拉西环第16页，课件共160页，创作于2023年2月波纹填料

鲍尔环塑料波纹填料第17页，课件共160页，创作于2023年2月3.填料塔内的流体力学状况

持液量

气体通过填料层的压降

液泛气速

气液分布

第18页，课件共160页，创作于2023年2月填料层的持液量：是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积。填料层的压降：空塔气速：是指按空塔计算得到的气体速度。在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。

第19页，课件共160页，创作于2023年2月压降的影响因素：1.填料层压降与液体喷淋量L及气速u有关。2.在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降Δp/H与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸上，称为填料操作压降线。第20页，课件共160页，创作于2023年2月

L=0，即气体通过干填料层时Δp／H～u呈直线关系，直线的斜率为1.8—2.0。表明Δp／H与u的1.8～2次方呈正比，气流状态为湍流。第21页，课件共160页，创作于2023年2月

气速增大至某值时，液体流动受到两相流体间摩擦力的阻碍，填料层的持液量随气速的增加而增加，此现象称拦液现象。将开始拦液的转折点称载点，载点对应的空塔气速称载点气速，图中A点。

与干填料相同载点第22页，课件共160页，创作于2023年2月斜率加大，两相湍动程度加剧，塔内持液量不断增多，液体充满整个塔空间，导致压降急剧升高。液体由分散相变为连续相，气体由连续相变为分散相，以鼓泡状通过液层,把液体带出塔顶，塔操作不稳定，此现象称液泛。开始发生液泛的转折点为泛点，相应的空塔气速称泛点气速，图中B点。泛点第23页，课件共160页，创作于2023年2月

影响泛点气速的因素：

填料特性、流体物性、气液的流量等。实际操作气速常取泛点气速的50％～85％。出现液泛现象时，不管是板式塔还是填料塔，均应停止或减少进料量，稍减少蒸气，降低釜温，停止塔顶采出，进行全回流操作，使涌带到塔顶或上层的难挥发组分慢慢流回到塔釜或塔下的正常位置。第24页，课件共160页，创作于2023年2月5.2气体的吸收1概述2吸收的相平衡3吸收速率（重点）4填料吸收塔的计算（重点、难点）5填料塔6分离气均相系的新技术第25页，课件共160页，创作于2023年2月1、概述（Introduction）

利用混合气体中各组分(co在液体中溶解度的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或难溶组分仍留在气相(gasphase)，从而实现混合气体的分离。吸收剂（S）气体（A+B）吸收液填料吸收塔废气吸收的逆过程，即从溶液中脱出气相的过程称为解吸。第26页，课件共160页，创作于2023年2月吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体(inertgas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液(strongliquor)：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(dilutegas)：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。吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。吸收塔混合尾气(A+B)吸收液(A+S)吸收剂(S)吸收尾气(A+B)第27页，课件共160页，创作于2023年2月吸收操作的用途：(1)制取产品用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。(2)分离混合气体吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。(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；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境。第28页，课件共160页，创作于2023年2月吸收操作的分类物理吸收(physicalabsorption)：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。化学吸收(chemicalabsorption)：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。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。单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收。多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。溶解热：气体溶解于液体时所释放的热量。化学吸收时，还会有反应热。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。第29页，课件共160页，创作于2023年2月吸收剂的选择溶解度大

吸收剂的选择主要考虑的是溶解度；选择性好

吸收质在吸收剂中的溶解度大，对其它组分几乎不溶解；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。此外所选用的溶剂尽可能满足无腐蚀性，粘度小，无毒，不燃，价廉易得等条件。

第30页，课件共160页，创作于2023年2月(1)气体的溶解度气体吸收的平衡关系指气体在液体中的溶解度。相平衡或平衡。2吸收的相平衡在温度和压力一定的条件下，气液相一一对应关系。平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压，与之对应的液相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。在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加而增加。气体的溶解度与温度有关，温度降低，溶解度增加。第31页，课件共160页，创作于2023年2月气液两相的相平衡关系,即当时条件下吸收质在溶液中的浓度,决定吸收的极限。平衡时,液相中吸收质数量与温度、吸收质在气相中的分压或浓度、吸收质和吸收剂的性质有关.图中所示为SO2---H2O体系,温度对SO2

在水中溶解度的影响.可看出有什么影响吗？液相中吸收质的浓度/g•100g-1气相中二氧化硫分压KPa024681012300C100C200C300C400C500C第32页，课件共160页，创作于2023年2月(2)亨利定律（Henry’slaw）

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。——亨利定律亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，E值一般随温度的上升而增大；E值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小；E的单位与气相分压的压强单位一致。第33页，课件共160页，创作于2023年2月用吸收质在溶液中的物质的量浓度C(kmol•m-3)

表示:

H---溶解度系数,单位kmol•m-3•Pa-1,其值随温度升高而降低.

或第34页，课件共160页，创作于2023年2月用吸收质在两相中的摩尔分数表示

根据道尔顿分压定律y=p*/p,亨利定律也可用气.液相的摩尔分数表示:平衡条件下气体中吸收质摩尔分数;混合气的总压力

;Pa相平衡系数,无量刚.注意:严格地说,亨利定律只适用于稀溶液,如常压下难溶或少溶气体的吸收.当液相或气相中吸收质浓度较大时,亨利定律有偏差.第35页，课件共160页，创作于2023年2月

H与E的关系:Mr---溶液的摩尔质量,g•mol-1MA---吸收质的摩尔质量,g•mol-1Ms---溶剂的摩尔质量,g•mol-1C0---溶液的总浓度，kg•m-3第36页，课件共160页，创作于2023年2月亨利定律的三种表达方式:1.用吸收质在溶液中的摩尔分数x表示:2.用吸收质在溶液中的物质的量浓度C(kmol•m-3)表示:3.用吸收质在两相中的摩尔分数x.y表示:

E---亨利系数,Pa;其值随温度的升高而升高.

H---溶解度系数,单位kmol•m-3•Pa-1,其值随温度升高而降低.

m---相平衡系数,无量刚.E与H.m的关系:第37页，课件共160页，创作于2023年2月例1.空气在200c时,对水的E值为6.73×109Pa,试求常压下空气在水中的饱和溶解度.[分别以摩尔分数x和cm3（标准)·100g-1(水)表示,cm3(标准)是指标准状态下的体积].解:由亨利定律空气的摩尔分数100摩尔水中,0.00151摩尔空气在标态下的体积水中的空气含量=33.8÷18=1.88cm3(标准)·100g-1第38页，课件共160页，创作于2023年2月用摩尔比表示的相平衡关系为使计算简便,工程中采用在吸收过程中数量不变的气相中的惰性组分和液相中的纯溶剂为基准,用摩尔比来表示气相和液相中吸收质的含量.Y:

表示气相中吸收质的含量,指每摩尔惰性气体中所带有的吸收质的物质的量(mol).摩尔比.

X:

表示液相中吸收质的含量,指每摩尔纯溶剂溶解的吸收质的物质的量(mol).摩尔比.第39页，课件共160页，创作于2023年2月摩尔比Y.X与摩尔分数y.x间的关系为:对气相:或对液相:或带入相平衡关系式对稀溶液X值较小,上式可简化为:得:第40页，课件共160页，创作于2023年2月例含氨为Φ(氨)=0.20的氨—空气混合气100m3,用水吸收至混合气中含氨为Φ(氨)=0.05.设吸收过程有中间冷却使前后温度不变,试求氨被吸收的体积数,并用摩尔比的计算作对比.解:吸收前后混合气体积有变化

,以吸收前气体体积为基准:吸收前总量100m3的混合气含氨20m3,含空气80m3.吸收后气体中含氨为Φ(氨)=0.05,是指体积已减少的混合气中含氨为Φ(氨)=0.05,含空气为Φ(空气)=0.95,空气在过程中不变,故残余气体积为:80/0.95=84.2m3第41页，课件共160页，创作于2023年2月2.以摩尔比计算(以惰性组分为基准):过程中被吸收的氨量:气体的体积与其物质的量成正比,故同一物系中,气体组分的摩尔比等于其体积比.过程中被吸收的氨量为20-4.2=15.8m3故残余气中含氨体积为:第42页，课件共160页，创作于2023年2月例.20℃常压下氨在水中溶解的相平衡关系:1.由溶解度计算摩尔分数x.y;液相/g·1000g-1203050100气相中氨分压/kPa1.602.434.239.28换算成以摩尔比表示的相平衡数据第43页，课件共160页，创作于2023年2月计算得以下结果:x0.02070.03080.05030.0958y0.01580.02400.04170.0916X0.02110.03180.05300.1060Y0.01610.02460.04350.10082.由摩尔分数x.y计算摩尔比X.Y.第44页，课件共160页，创作于2023年2月3.传质机理与吸收速率

相对于气相浓度y而言，液相浓度欠饱和(x<x*)，故液相有吸收溶质A的能力。相对于液相浓度x而言，气相浓度为过饱和(y>y*)，溶质A由气相向液相转移。传质过程的方向气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：yxoy*=f(x)Pyxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。x*释放溶质吸收溶质第45页，课件共160页，创作于2023年2月相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和(x>x*)，故液相有释放溶质A的能力。相对于液相浓度x而言气相浓度为欠饱和(y<y*)，溶质A由液相向气相转移。气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)：yxoy*=f(x)Qyxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。x*释放溶质吸收溶质第46页，课件共160页，创作于2023年2月相对于气相浓度而言液相浓度为平衡浓度(x=x*)，故液相不释放或吸收溶质A。相对于液相浓度x而言气相浓度为平衡浓度(y=y*)，溶质A不发生转移。气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)：yxoy*=f(x)Ryxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。x*第47页，课件共160页，创作于2023年2月传质过程的限度

对吸收而言：若保持液相浓度x不变，气相浓度y最低只能降到与之相平衡的浓度y*，即ymin=y*；若保持气相浓度y不变，则液相浓度x最高也只能升高到与气相浓度y相平衡的浓度x*，即xmax=x*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*第48页，课件共160页，创作于2023年2月吸收传质理论

吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤：气相主体液相主体相界面溶解气相扩散液相扩散(1)溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)；(2)溶质在界面上溶解(通过界面的传质)；(3)溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。第49页，课件共160页，创作于2023年2月(1)单相内的扩散：分子扩散：由分子热运动引起，静止流体和流体做层流流动时均为分子扩散。涡流扩散:

靠流体质点的湍动进行扩散。湍流时物质的传递主要是涡流扩散。涡流扩散速率远比分子扩散速率大得多。第50页，课件共160页，创作于2023年2月1）分子扩散速率---菲克(Fick)定律

分子扩散服从菲克（Fick）定律,扩散速率:式中：NA---A的扩散速率或传质速率，单位为mol•S-1；

z---扩散距离，即膜层厚度，单位为m；cA---吸收质浓度，单位为mol•m-3

；dc/dz----为扩散层中的浓度梯度；DAB---扩散系数，单位为m2•S-1。“-”

号表示扩散方向沿浓度降低的方向。第51页，课件共160页，创作于2023年2月扩散系数扩散系数是物理性质，表示物质扩散能力的大小，单位为

m2•S-1扩散系数的物理意义是指沿扩散方向,当物质的浓差为1mol•m-3,在1S时间内通过1m厚度的扩散层在1m2面积上所扩散的物质的量.扩散系数D值与体系中扩散质和扩散介质的种类、体系的温度、压力有关.体积越小,温度越高,压力越低,扩散系数越大.扩散系数D值用实验直接测定.可查阅.第52页，课件共160页，创作于2023年2月定态条件下，将上式积分，菲克公式成为：若扩散在气相中进行，菲克公式用扩散质分压表示：单相扩散第53页，课件共160页，创作于2023年2月当扩散质A通过静止惰气B稳定扩散时,用Stephan定律表示菲克定律适用于两组分A、B等分子逆向扩散的情况。液相气相c0---液相总浓度，cBM---液相层两侧组分浓度的对数平均值,p---气相总压，pBM---气体层两侧组分分压的对数平均值。第54页，课件共160页，创作于2023年2月2）对流扩散速率仿照费克定律将涡流扩散定律表示为DE---涡流扩散系数。对流扩散速率=涡流扩散+分子扩散湍流主体以涡流扩散为主，DE≥DAB；滞流底层为分子扩散，DAB≥DE；过渡层DE、DAB数量级相当。第55页，课件共160页，创作于2023年2月

（2）两相间传质—双膜理论(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为1和2）的流体膜层。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。(2)相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。(3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。气相主体液相主体相界面pi=ci/Hp12pi

ci

c气膜液膜第56页，课件共160页，创作于2023年2月双膜理论的传质过程气相主体液相主体虚拟液膜，δ’LpApAicAicAºº

扩散方向实际虚拟气膜，δ’G气膜、液膜吸收速率第57页，课件共160页，创作于2023年2月两相相内传质速率可用下面的形式表达为：DG、DL——溶质组分在气膜与液膜中的分子扩散系数；P/pBm——气相扩散漂流因子；cm/cBm——液相扩散漂流因子；1、2——界面两侧气液相等效膜层厚度，待定参数。对吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。第58页，课件共160页，创作于2023年2月小结：1.气液界面上存在气膜和液膜,吸收质以分子扩散通过气膜和液膜.2.气相主体和液相主体因系湍流,扩散以涡流扩散方式进行，主体中各点的吸收质浓度基本均匀,无所谓传质的阻力.但吸收质通过膜层的扩散以分子扩散进行,是传质的主要阻力.3.界面上吸收质的溶解能较快进行,吸收质在两相界面间处于平衡状态,但两相主体中的吸收质相互间不存在特定的依赖关系.4.若气相主体中吸收质的分压为p,界面气膜的吸收质分压为pi;(p-pi)为吸收过程的推动力.同理,若液相主体中吸收质的浓度为c,两相界面的液膜中的浓度为ci,(ci–c)也是吸收过程的推动力的一种表达方式.第59页，课件共160页，创作于2023年2月（3）吸收速率方程：从扩散定律中推导得来。1）单相膜层分吸收速率方程:

对气膜层:若气相主体中吸收质的分压为pA,相界面上吸收质的分压为pAi,则为：上式也可简化为:kG

称为气相分吸收系数，单位：mol·m-2·s-1

·Pa-1；受流体流动形态等因素的影响。用关联式或经验式求算.第60页，课件共160页，创作于2023年2月对液膜层:吸收质从气液界面向液相主体传递，液相主体吸收质的浓度为c，在液膜界面处吸收质的浓度为ci，上式成为：kL称为液相分吸收系数或液膜吸收系数，单位为m·s-1;（ci-c）为推动力，单位kmol·m-3;kL由实验测定或关联式求算.第61页，课件共160页，创作于2023年2月kG,kL的特征关联式Sh——舍伍德数（Sherwood）Sc——施密特数(Schmit)第62页，课件共160页，创作于2023年2月实际中两相界面吸收质的分压pi或浓度ci难于测定,计算时只能选取气液相主体的分压p或浓度c.

（1）气相总吸收速率方程：若体系溶液的吸收质浓度为c,溶液的吸收质平衡分压为p*，气相中吸收质的分压为p，只要p>p*，吸收就能进行。p-p*是吸收推动力.气相总吸收速率方程可写为:式中:KG---气相总吸收系数；其倒数1/KG为气相总吸收阻力.2）总吸收速率方程：

第63页，课件共160页，创作于2023年2月按亨利定律:液膜分吸收速率方程:气膜分吸收速率方程:两式相加合并，得：KG与kG和kL的关系第64页，课件共160页，创作于2023年2月与气相总吸收速率方程N=KG（p-p*）相比较得:总吸收阻力液膜吸收阻力气膜吸收阻力当吸收质在溶液中有很大的溶解度时(如氨—水),溶解度系数H较大，得:KG=kG即吸收过程的总阻力主要是气膜阻力,过程为气膜控制.第65页，课件共160页，创作于2023年2月气相主体吸收质分压为p时,对应的平衡溶液的吸收质浓度为c*，而溶液的浓度为c，因c*>c，吸收就能继续进行。c*

–c为过程推动力.(2)液相总吸收速率方程式中：KL---液相总吸收系数,单位：m2·s-11/KL为液相总吸收阻力

液相总吸收速率方程为：第66页，课件共160页，创作于2023年2月两式相加合并:与分吸收速率方程比较:同理,与液相总吸收速率方程:比较可得：第67页，课件共160页，创作于2023年2月对溶剂中溶解度很小的和较小的气体(H很小),得：综合以上气相.液相总吸收阻力关系式：可得：即吸收过程的总阻力主要是液膜阻力,过程为液膜控制。第68页，课件共160页，创作于2023年2月（1）物料衡算与操作线方程操作线方程的根据是吸收塔中的物料衡算.逆流吸收中,因吸收剂和惰性气体量在吸收过程中基本上没有变化,如图,对吸收质作物料衡算。4.填料吸收塔的计算VLY1X1XLY2X2连续逆流吸收塔的物料衡算X+dX第69页，课件共160页，创作于2023年2月VLY1X1VYXLY2X2连续逆流吸收塔的物料衡算设:塔任一截面气相中吸收质的摩尔比为Y;塔任一截面液相中吸收质的摩尔比为X;dY,dX为通过该截面的增量.

Y1

,Y2分别为进塔和出塔的气相中吸收质A的含量,;

X2,X1分别为进塔和出塔的液相中吸收质A的含量,

见图可得:进入物系的A量=离开物系的A量qn(V)(Y+dY)+qn(L)X=qn(V)Y+qn(L)(X+dX)化简,得:qn(V)dY=qn(L)dXY+dYX+dX第70页，课件共160页，创作于2023年2月VLY1X1VYXLY2X2连续逆流吸收塔的物料衡算从塔填料底层1至任一截面物料衡算为:qn,V(Y1-Y)=qn,L(X1-X)对全塔,从塔填料底层1至填料层顶2的总物料衡算为:qn,V(Y1-Y2)=qn,L(X1-X2)吸收的操作线方程Y=(qn,L/qn,V)X+[Y1-(qn,L/qn,V)X1]第71页，课件共160页，创作于2023年2月VLY1X1VYXLY2X2连续逆流吸收塔的物料衡算吸收的操作线方程操作线在X-Y坐标图上为一直线1.通过(X1,Y1)和(X2,,Y2)两点2.斜率=qn,L/qn,V

.3.操作线上的任一点,表示相应于吸收塔某一截面上气液两相的Y与X的关系.4.操作线与平衡线间的距离是吸收的推动力

Y-Y*(两线在纵轴间的距离).或X-X*(两线在横轴间的距离).Y=(qn,L/qn,V)X+[Y1-(qn,L/qn,V)X1]第72页，课件共160页，创作于2023年2月(2)液气比:不同液气比时吸收的推动力和吸收所得的溶液的浓度（SO2-水体系）（吸收质）Y0.030.250.200.150.100.0500.0020.0040.0060.0080.010X(吸收质)X1

In(L)/n(V)=8平衡线X1’

I’n(L)/n(V)=4Y-Y*X2

Y1IIn(L)/n(V)=∞Y-Y*

200C液气比：qn,L/qn,V，每摩尔惰性气体与所用吸收剂的物质的量之比,等于操作线的斜率.Y2

平衡线n(L)/n(V)=4平衡线n(L)/n(V)=8n(L)/n(V)=4平衡线n(L)/n(V)=∞n(L)/n(V)=8n(L)/n(V)=4平衡线

200Cn(L)/n(V)=∞n(L)/n(V)=8n(L)/n(V)=4平衡线X1’

200Cn(L)/n(V)=∞n(L)/n(V)=8n(L)/n(V)=4平衡线qn,V(Y1-Y2)=qn,L(X1-X2)吸收率：气体经过吸收塔被吸收的吸收质的量与进入吸收塔的吸收质的量之比。第73页，课件共160页，创作于2023年2月不同液气比对吸收推动力的影响和吸收所得溶液浓度的影响如右图：不同液气比时吸收的推动力和吸收所得的溶液的浓度（SO2-水体系）（吸收质）Y0.030.250.200.150.100.0500.0020.0040.0060.0080.010X(吸收质)X1

In(L)/n(V)=8平衡线X1’

I’n(L)/n(V)=4Y-Y*X2

Y1IIn(L)/n(V)=∞Y-Y*

200CY1,Y2,qn,V,X2常由工艺条件所决定,此时:吸收的液气比越大,液相中吸收质的浓度X1越小,吸收的推动力越大.反之,液气比降低,X1提高,推动力下降.Y2

平衡线n(L)/n(V)=4平衡线n(L)/n(V)=8n(L)/n(V)=4平衡线n(L)/n(V)=∞n(L)/n(V)=8n(L)/n(V)=4平衡线

200Cn(L)/n(V)=∞n(L)/n(V)=8n(L)/n(V)=4平衡线X1’

200Cn(L)/n(V)=∞n(L)/n(V)=8n(L)/n(V)=4平衡线第74页，课件共160页，创作于2023年2月例在0.1013MPa和一定温度下，用水吸收含SO212%的混合气体以制备SO2水溶液。吸收塔处理的混合气体流量为360m3h-1，吸收率η=96%。若在操作条件下SO2的溶解度系数为11.45kmolm-3MPa，水的用量为最小用量的1.5倍，求实际水的用量及所得水溶液的浓度。吸收率：被吸收的吸收质占进塔吸收质总量的分率解：如图qn(V),Y1,y1=12%，Q=360标m3h-1X2=0,L=?X1=?Y2,G(1).求惰性气体流量qn(V)、组成Y1、Y2第75页，课件共160页，创作于2023年2月(2).求出塔溶液浓度X1最大，X1最大与Y1平衡第76页，课件共160页，创作于2023年2月（3）求水的最小用量L最小和实际用量L实际(4)溶液浓度X1第77页，课件共160页，创作于2023年2月1.以气相推动力表示的计算式:吸收塔中的传质速率接触面传质量dN浓度变化dYVY1Y2dA该截面间气相中吸收质含量的变化为dY，则：dG=NdA=KY（Y-Y*）dA吸收速率方程：dG=-qn（V）dY若：dN---单位时间内吸收质传递的量，单位为mol·s-1；qn(V)---单位时间通过吸收塔的惰气量，单位为mol·s-1；(2)填料层高度的计算式Y---塔任一截面处气相中吸收质的摩尔比,单位mol(吸收质)·mol-1(惰气);.(负号表示含量降低)X2X1第78页，课件共160页，创作于2023年2月综合以上两式,得:整理得：在连续定态的操作条件下，并设KY在过程中为定值，积分得：若填料塔的填料层高度为H，空塔截面积为A0,则,填放填料的体积为HA0,单位体积填料的有效表面积为am2•m-3，得传质面为:第79页，课件共160页，创作于2023年2月综合以下几式:第80页，课件共160页，创作于2023年2月综合得出：传质单元数（NOG）传质单元高度（HOG）*传质单元与传质单元高度传质单元：过程中的推动力过程中吸收质的浓度变化当吸收塔两截面间吸收质的浓度变化等于该范围内的吸收推动力时,该区域就称为一个传质单元,整个填料层就由这些传质单元组成）第81页，课件共160页，创作于2023年2月由上可知：（1）吸收质浓度变化由气体组成和吸收率等工艺要求决定，推动力则与体系的平衡性质和操作条件有关。（2）吸收剂用量越大，吸收液中吸收质浓度越低，对应的气相中吸收质平衡浓度也越低，推动力增大，传质单元数减少。第82页，课件共160页，创作于2023年2月传质单元高度是指在填料比表面和塔径一定的条件下，与一个传质单元所需的传质面积相当的填料层的高度。传质单元高度：传质单元高度=(1).总传质系数KY值越大,传质越易进行,相应传质高度H较小.(2).填料有效比表面积a越大,传质单元高度H也越小.(3).qn(v)/A0相当于气体的流速,流速越大,气液接触时间越短,传质单元高度越大.第83页，课件共160页，创作于2023年2月2.以液相推动力表示的计算式：式中：qn（L）---单位时间内通过吸收塔的吸收剂的量,单位为mol•s-1;

X---塔任一截面处液相中吸收质的摩尔比，单位为mol•mol-1;

NL---液相传质单元数；

HOL--液相传质单元高度，单位为m.液相传质单元高度液相传质单元数第84页，课件共160页，创作于2023年2月3.对数平均推动法求传质单元数式中：ΔYm--气相传质推动力ΔYm的对数平均值。以液相推动力表示的计算式：式中：第85页，课件共160页，创作于2023年2月

小结

相平衡方程-—亨利定律的三种表达方式:1.用吸收质在溶液中的摩尔分数x表示:2.用吸收质在溶液中的物质的量浓度C(kmol•m-3)表示:3.用吸收质在两相中的摩尔分数x.y表示:

E---亨利系数,Pa;其值随温度的升高而升高.H---溶解度系数,单位kmol•m-3•Pa-1,其值随温度升高而降低.m---相平衡系数,无量刚.第86页，课件共160页，创作于2023年2月E与H.m的关系:稀溶液2.相平衡常数m与亨利系数E、溶解度系数H1.溶解度系数H与亨利系数E第87页，课件共160页，创作于2023年2月摩尔比Y.X与摩尔分数y.x间的关系为:对气相:或对液相:或带入相平衡关系式对稀溶液X值较小,上式可简化为:得:或:第88页，课件共160页，创作于2023年2月以摩尔比、气相分压差、液相浓度差表示的吸收速率方程各系数间的换算关系：对稀溶液：吸收速率方程第89页，课件共160页，创作于2023年2月1.吸收操作线方程2.最小液气比确定吸收剂用量3.推动力的计算用液相浓度差表示的推动力填料吸收塔的计算用气相浓度差表示的推动力第90页，课件共160页，创作于2023年2月分离气体混合物采用什么操作？分离液体混合物采用什么操作？引言第91页，课件共160页，创作于2023年2月蒸馏(distillation)是利用物系在发生相变过程中组分间挥发性的差异，将液体混合物中各组分分离的操作。蒸馏的方式：蒸馏是统称，包括简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏等。根据分离程度的不同，蒸馏所得的产物具有一定沸点范围的馏分(distillationcut)纯（接近于纯）的单独组分第92页，课件共160页，创作于2023年2月5.3液体的精馏(rectification,rectify)液—液均相体系分离技术之一。精馏：是在同一设备中，使液相进行多次部分气化，气相进行多次部分冷凝以分离液体混合物的操作。按照操作压力可分为：常压精馏、减压精馏和加压精馏。按照操作是否连续可分为：连续精馏、间歇精馏。按照原料中所含组分的多少可分为：双组分精馏、多组分精馏。第93页，课件共160页，创作于2023年2月一、精馏原理

（两组分互溶体系的气液平衡关系）精馏的依据：组分间挥发性的差异用气液平衡关系表达★理想的两组分互溶体系理想溶液：当互溶物质的化学结构及其性质都非常相近时，由它们组成的溶液可以看作理想溶液。拉乌尔(Raoult)定律:在一定的温度下,理想溶液上方各组分的分压p与溶液中各组分的摩尔分数x成正比：pi*——当时温度下该纯组分的饱和蒸气压。（气液平衡关系）第94页，课件共160页，创作于2023年2月理想的两组分互溶体系理想的两组分互溶体系易挥发组分A难挥发组分

B(t~xA)根据道尔顿分压定律:(t~

yA)第95页，课件共160页，创作于2023年2月易挥发组分的含量（mol%）x，yA(纯易挥发组分)（纯难挥发组分）

B0t—x—y相图表示的相平衡关系1.0气相曲线t～y液相曲线t～x第96页，课件共160页，创作于2023年2月tt5t4t3t2t1ABCDE液相线（泡点线）气相线（露点线）

X(Y)第97页，课件共160页，创作于2023年2月x—y相图表示的相平衡关系x/（mol）%011辅助线y=x气液平衡线y/（mol）%两组分相对挥发度越大，平衡线离对角线越远。理想溶液气液平衡关系：or第98页，课件共160页，创作于2023年2月挥发度、相对挥发度挥发度：相对挥发度：pA*和pB*随温度升高而显著增大，但对理想体系，两者的比值变化不大，即相对挥发度可认为接近于一常数。根据道尔顿分压定律：∵同温度下，pA*>pB*，即>1>第99页，课件共160页，创作于2023年2月非理想的两组分互溶体系※对拉乌尔定律有正偏差：溶液中相异分子的排斥力大于相同分子的排斥力，使真实溶液比相同组成的理想溶液在同条件下有较高的蒸气压。在特殊条件下出现最低恒沸点。第100页，课件共160页，创作于2023年2月非理想的两组分互溶体系※对拉乌尔定律有负偏差：溶液中相异分子的吸引力大于相同分子的吸引力，使真实溶液比相同组成的理想溶液在同一条件下有较低的蒸气压。在特殊条件下出现最高恒沸点。第101页，课件共160页，创作于2023年2月压力对气液平衡的影响◆压力降低，体系的相对挥发度增大。◆物质的相对分子质量越大，相同的减压下所引起的沸点降低的值越大。第102页，课件共160页，创作于2023年2月简单蒸馏的操作馏出液进料馏残液蒸馏釜简单蒸馏的特点：1、在蒸气引出的瞬间，蒸气—液体间存在平衡关系；2、过程进行中，蒸气—液体组成及温度都随时间而变化——非定态操作；3、简单蒸馏是间歇的分批操作；4、馏出液的平均组成与原始溶液和馏残液间只存在物料衡算关系，不存在直接的相平衡间的联系。5、简单蒸馏不能将混合物作彻底的分离。第103页，课件共160页，创作于2023年2月3、连续精馏分析连续精馏流程第104页，课件共160页，创作于2023年2月t-x-y相图表示多次部分气化。。•

x0t1x1y1t/

℃BA01.0y2x2x3y3溶液经过一次部分气化,溶液中富集难挥发组分B多次部分气化可以得到接近于纯的难挥发组分(微量的)第105页，课件共160页，创作于2023年2月。y1t/

℃BA01.0y2y3t-x-y相图表示多次部分冷凝y0蒸气经过一次部分冷凝,蒸气中富集易挥发组分A。多次部分冷凝可以得到接近于纯的易挥发组分(微量的)第106页，课件共160页，创作于2023年2月第107页，课件共160页，创作于2023年2月精馏塔的精馏过程塔顶馏出液—产品回馏液全凝器部分冷凝器再沸器加料板精馏段提馏段

第108页，课件共160页，创作于2023年2月精馏的依据※相图分析指出，进行多次部分气化和多次部分冷凝，可以将混合物分离成为纯的或接近于纯的组分。在同一设备中使部分气化和部分冷凝同时发生，则可以更有效地将混合物分离并得到高的分离效率。第109页，课件共160页，创作于2023年2月※

t-x-y相图中：除纯组分外，气相线高于液相线。。x，yt/

℃BA01.0。10090。。因此，饱和蒸气与其组成相同或接近的溶液相接触，在蒸气—液体间直接发生热量交换的同时，蒸气有部分冷凝而同时液体有部分气化，进行了质量交换。第110页，课件共160页，创作于2023年2月※精馏所处理的常是由沸点相差不多的组分所组成的溶液，各组分的摩尔气化热相差不大。当有1mol含难挥发组分较多的蒸气冷凝时，将有接近1mol含易挥发组分较多的溶液被气化。在每次传热和传质后，蒸气和溶液的组分明显富集，但数量并没有显著的变化，也就为多次进行这样的部分气化和部分冷凝创造热量充分利用的有利条件。物质沸点/℃气化热/kJ.mol-1物质沸点/℃气化热/kJ.mol-1己烷庚烷68.798.428.8731.71苯甲苯80.1110.830.7737.74水甲醇乙醇10064.778.340.6935.2838.96乙醛乙醚20.234.625.2727.00第111页，课件共160页，创作于2023年2月精馏塔中物相组成的变化①每层塔板上都发生部分气化和部分冷凝，各层塔板提供一定的的接触时间，使蒸气—液体两相发生传热和传质过程。凡蒸气—液体两相接触后，能达到平衡的一次相分离称为一个理论级。②向上往塔顶方向，蒸气中易挥发组分越来越富集；向下往塔底方向，液体中难挥发组分越来越富集。第112页，课件共160页，创作于2023年2月精馏塔中物相组成的变化全凝器馏出液再沸器馏残液进料精馏段提馏段③塔顶必须有回流(reflux)。没有回流，塔内部分气化和部分冷凝不能稳定持续进行，精馏目的无从实现。④应在塔底安装加热器（再沸器）使馏残液部分气化。⑤进料的组成与进料板上液体的组成相近。进料板以上的区域称为精馏段;进料板以下的区域称为提馏段.第113页，课件共160页，创作于2023年2月回流比(refluxratio)全凝器馏出液再沸器馏残液进料第114页，课件共160页，创作于2023年2月回流比对精馏的影响＆在塔中蒸气量一定的条件下，回流比越大，回流量相应地越多，但相应得到馏出液的量越少。x，y01.0t/

℃AB＆回流量越大，气化生成的蒸气含易挥发组分也较多，相应地可以用较少的塔板数达到要求的分离纯度。第115页，课件共160页，创作于2023年2月连续精馏(continuousrectification)

流程NOTE：

在再沸器中，液体发生部分气化，所以再沸器算作一块理论塔板。第116页，课件共160页，创作于2023年2月全凝器再沸器进料馏出液馏残液。。x0y0x，yt/

℃BA01.0每一块塔板上，蒸气和液体直接发生热量交换的同时，进行了质量交换。NOTE：连续精馏

(continuousrectification)。。x1y1第117页，课件共160页，创作于2023年2月

4.连续精馏的物料衡算计算的前提（1）回流液的温度为泡点温度；（2）塔身是绝热的，没有热损失；（3）根据各组分的摩尔气化热相等的设定，各层塔板上气化和冷凝的物质的量相等；（4）塔内各块塔板为理论板。

第118页，课件共160页，创作于2023年2月全凝器再沸器进料馏出液馏残液nyn~xn平衡关系yn+1~xn操作关系第119页，课件共160页，创作于2023年2月全凝器再沸器进料馏出液馏残液全塔操作线方程

（equationofoperatingline）总物料衡算：易挥发组分衡算：第120页，课件共160页，创作于2023年2月塔顶易挥发组分回收率：——为馏出液的采出率

塔底难挥发组分回收率：——为馏残液的采出率

第121页，课件共160页，创作于2023年2月全塔物料衡算全塔物料衡算:F=D+W全塔轻组分物料衡算（易挥发组分）FxF=DxD+WxW塔顶易挥发组分回收率η=DxD/FxF塔釜难挥发组分回收率

第122页，课件共160页，创作于2023年2月

将5000kg/h含正戊烷0.4(摩尔分率)的正戊烷正己烷混合液在连续精馏塔内分离,馏出液含正戊烷0.98,釜液含正戊烷不高于0.03,求馏出液、釜液的流量及塔顶易挥发组分的回收率。解：正戊烷M=72

正己烷M=86MF=0.4×72+0.6×86=80.4F=5000/80.4=62.2kmol/h

D=24.62kmol/hW=37.62kmol/h第123页，课件共160页，创作于2023年2月全凝器再沸器进料馏出液馏残液精馏段操作线方程总物料衡算：易挥发组分衡算：精馏段操作线表示精馏段任何两层塔板间蒸气和回流这两股物流的组成之间的相互关系。第124页，课件共160页，创作于2023年2月

**精馏段操作线方程的意义：在一定的操作条件下，从任一塔板（n）往下流的液体组成xn与相邻的下一块塔板（n+1）上升蒸汽组成yn+1之间的关系。

L=RDV=L+D=（R+1）D第125页，课件共160页，创作于2023年2月例：氯仿和四氯化碳的混合液在连续精馏塔内分离，要求馏出液氯仿浓度为0.95(摩尔分率)，流量为50kg/h，顶为全凝器，平均相对挥发度为1.6，回流比为2。求:(1)由上向下数第一块塔板下降的液体组成;(2)第二块塔板上升蒸气组成。

(3)精馏段各板上升蒸气量及下降的液体量;第126页，课件共160页，创作于2023年2月解：(1)

y1=xD=0.95(2)第127页，课件共160页，创作于2023年2月

（3）

V（质）=(R+1)D=(2+1)×50=150

kg/h

M氯访=119.35

kg/kmolM四氯化碳

=153.8kg/kmolMm=0.95×119.35+0.05×153.8=121.1kg/kmolV=150/121.1=1.24

kmol/hL（质）=R﹒D=2×50=100

kg/hL=100/121.1=0.826

kmol/h

第128页，课件共160页，创作于2023年2月全凝器再沸器进料馏出液馏残液提馏段操作线方程总物料衡算：易挥发组分衡算：提馏段操作线:表示提馏段任何两层塔板间蒸气和回流这两股物流的组成之间的相互关系。第129页，课件共160页，创作于2023年2月提馏段操作线方程

L’=V’+WV’=L’-W

L’xm

=V’ym+1+WxW第130页，课件共160页，创作于2023年2月x/（mol）%0y/（mol）%气液平衡线精馏段操作线提馏段操作线。。气液平衡线第131页，课件共160页，创作于2023年2月进料热状况e、温度高于露点的过热蒸汽。在实际生产中，加入精馏塔中的原料液可能有一下五种不同的热状况：a、温度低于泡点的过冷液体；b、温度等于泡点的饱和液体；c、温度介于泡点和露点之间的汽、液混合物；d、温度等于露点的饱和蒸汽；第132页，课件共160页，创作于2023年2月进料热状况参数对加料板作物料衡算：加料板对加料板作热量衡算：注意：在热量衡算式中已经应用了恒摩尔流假设，即认为不同的温度和组成下的饱和液体焓及气化潜热均相等：第133页，课件共160页，创作于2023年2月进料热状况参数：提馏段操作线方程：第134页，课件共160页，创作于2023年2月a、冷液体进料：b、饱和液体进料：c、气液混合物进料：d、饱和蒸气进料e、过热蒸气进料第135页，课件共160页，创作于2023年2月进料操作线方程精馏段物料衡算：提馏段物料衡算：进料操作线方程(q线方程)：q线方程是精馏段、提馏段操作线交点的轨迹方程第136页，课件共160页，创作于2023年2月a、冷液体进料：b、饱和液体进料：c、气液混合物进料：d、饱和蒸气进料：e、过热蒸气进料：第137页，课件共160页，创作于2023年2月三条