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第 七 章. 吸 收 与 蒸 馏. 本章学习的目的与要求. 了解扩散系数的影响因素;. 掌握稳定分子扩散的基本计算与应用;. 掌握等温条件下低浓度逆流吸收塔的计算与应用;. 掌握两组份连续精馏塔的计算;. 掌握逐板计算法及图解法求解理论板数的方法。. 名称. 符号. 定义. 单位. 质量浓度. ρ A. m A /V. kg/m 3. 物质量浓度. c A. n A /V. kmol/m 3. 质量分率. a A. m A /(m A +m B ). 无因次. 摩尔分率. 气 —y A 、 液 —x A.

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第 七 章

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Presentation Transcript


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第七章

  • 收与


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本章学习的目的与要求

  • 了解扩散系数的影响因素;

  • 掌握稳定分子扩散的基本计算与应用;

  • 掌握等温条件下低浓度逆流吸收塔的计算与应用;

  • 掌握两组份连续精馏塔的计算;

  • 掌握逐板计算法及图解法求解理论板数的方法。


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名称

符号

定义

单位

质量浓度

ρA

mA/V

kg/m3

物质量浓度

cA

nA/V

kmol/m3

质量分率

aA

mA/(mA+mB)

无因次

摩尔分率

气—yA、

液—xA

nA/(nA+nB)

无因次

摩尔比

气—YA、

液—XA

nA/nB

无因次

7-1 传质学基础

  • 混合物组成的表示方法


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扩散现象与分子扩散速率

  • Fick 定律

式中JA——A组分在z方向上的扩散通量kmol/m2·s;

cA­——A组分的摩尔浓度kmol/m3;

DAB——A组分在A、B的混合物中扩散时的扩散系数m2/s

“—”——表示散沿着浓度降低方向进行。


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扩散现象与分子扩散速率


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扩散速率

在任一固定的空间位置垂直于扩散方向的截面上,单位时间内通过单位截面积的A的净物质量,称为A的传递速率,以NA表示。在等摩尔逆向扩散中,物质A的传递速率应等于它的扩散通量.


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等摩尔扩散速率

  • 对于气体

  • 对于液体


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气液相 界面

单向扩散

  • 气体

气相主体

JA pB2

pB

气相A+B NA pB1

NM pA1

A

pA

液相S+A JA pA2

z

(a) (b) (c)

  • 液体


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单向扩散

单方向扩散的传质速率NA比等摩尔逆向扩散时的传质速率JA大。这是因为在单方向扩散时除了有分子扩散,还有混合物的整体移动所致。p/pBm值越大,表明整体移动在传质中所占分量就越大。当气相中组分A的浓度很小时,各处pB都接近于p即p/pBm接近于1,此时整体移动便可忽略不计,可看作等摩尔逆向扩散。p/pBm称为“漂流因子”或“移动因子”。


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物质

D/m2·s-1

物质

D/m2·s-l

物质

D/m2·s-1

乳糖

麦芽糖

葡萄糖

棉子糖

蔗糖

4.3×10-10

4.3×10-10

6.0×10-10

3.7×10-10

4.5×10-10

甘露醇

甘油

氨基甲酸酯

醋酸

氯化钠

5.8×10-10

7.2×10-10

9.2×10-10

1.92×10-9

1.35×10-9

二氧化碳

1.77×10-9

1.22×U-9

1.80×10 -9

1.76×10-9

1.64×10-9

扩散系数

一些组分在水中的扩散系数值(20℃)


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例题

  • 有一10cm高的烧杯内装满乙醇,问在1atm及25℃的室温下全部蒸干约需多少天?假设量筒口上方空气中乙醇蒸气分压为0。若室温升高至35℃,问全部蒸干约需多少天? 已知25℃和35℃下乙醇的饱和蒸气压分别为60mmHg和100 mmHg。

分析:此题属非稳定单向扩散问题.解决非稳定问题是在对扩散至某一时刻τ(液面将高度Z处)的瞬间,利用单向扩散传质速率方程,然后利用质量衡算建立微分式,最后划定边界条件积分得所需时间τ.


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气液界面

对流传质

气体

层流层 缓冲层 湍流主体

液体

传质方向


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传质系数


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相间传质的双膜理论

  • 相际传质是物质由一相转移到另一相的传质过程。相际传质需要解决的问题有:传质的方向、推动力,传质限度,相际传质速率,因传质过程涉及到两相,上述问题都与相平衡有关,故具体介绍将在后面相关章节介绍。


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双膜模型的理论要点

  • 气、液两相在相界面上呈平衡状态,即相界面上不存在传质阻力。如以低浓度气体溶解为例,平衡关系服从Henry定律,即有:ci=Hpi或yi=mxi,其中H为平衡溶解度系数(m为相平衡系数);

  • 膜层以外的气液相主体,由于流体的充分湍动,分压或浓度均匀化,无分压或浓度梯度。


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气液相界面

气相主体

液相主体

传质方向

气膜边界

液膜边界

  • 在气、液两相接触面附近,分别存在着呈滞流流动的稳态气膜与液膜。在此滞膜层内传质严格按分子扩散方式进行,膜的厚度随流体流动状态而变化;


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传质设备简介

气体

气体

  • 填料塔

液体

液体

降液管

塔板

填料层

降液管

降液管

气体

气体

液体

液体

  • 板式塔


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7-2 吸收与解吸

  • 吸收(absorption)是依据不同组分在溶剂中溶解度不同,让混合气体与适当的液体溶剂相接触,使气体中的一个或几个组分溶解于溶剂中形成溶液,难以溶解的组分保留在气相中,从而达到混合气体初步分离的操作。所用液体称为吸收剂(或溶剂)。气体中能被溶解的组分称为溶质或吸收质。不被溶解的组分称为惰性气体或载体。


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7-2 吸收与解吸

  • 在食品工业生产中,有时需要将吸收得到的溶质气体从液体中取出来,如天然油类的脱臭,液体食品的脱气等,这种使溶质从溶液里脱除的过程称为解吸或脱吸。它是吸收操作的逆过程,常常是一个工业吸收操作不可分割的步骤。


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烟道气二氧化碳的气体 吸收工艺流程示意图

废气

解吸气

预热后的饱和溶液

稀溶液

冷却水进

净化CO2

1

3

4

2

6

5

1-吸收塔2-泵3-换热器4-冷却器5-解吸塔6-冷凝器


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气液相平衡

  • 几种物质在水中的溶解度。


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—— 溶质A在气相中的平衡分压,kPa;

x——液相中溶质的摩尔分数;

E——比例系数,称为亨利系数,kPa。

亨利定律

  • 当总压不高(一般约小于500kPa)时,在一定温度下,稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的摩尔分数成正比,


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亨利定律

  • 气相组成用溶质A的分压,液相组成用溶质的浓度cA表示时,亨利定律可表示为

cA——液相中溶质的浓度kmol/m3;

H——溶解度系数,kmol/(m3﹒kPa)。

溶解度系数H可视为在一定温度下溶质气体分压为lkPa的平衡浓度。易溶气体H值很大,难溶气体H值很小。H值一般随温度升高而减小。


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亨利定律

  • 气、液两相组成分别用溶质A的摩尔分数y与x表示,则亨利定律可表示为

y﹡=mx

式中 y﹡——溶质在气相中的平衡摩尔分率;

m——相平衡常数。m值大,则表示溶解度小。


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亨利定律

  • 在吸收过程中常可认为惰性气体不进入液相,溶剂也没有显著的气化现象,因而在吸收塔的任一截面上惰性气体与溶剂的摩尔流量均不发生变化,故以惰性气体和溶剂的量为基准分别表示溶质在气、液两相的浓度,对吸收的计算较为简便。为此,常用摩尔比表示气相(X)和液相(Y)的组成。

XA——溶液中溶质的比摩尔分率;

——溶质在气相中的平衡比摩尔分率。


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亨利定律各系数之间的关系

对稀溶液,溶液的浓度接近纯溶济的Ms≈Mm,


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例题

  • 总压为101.3kPa、温度为20℃时,l000kg水中溶解15kgNH3,此时溶液上方气相中NH3的平衡分压为2.266kPa。试求此时之溶解度系数E、亨利系数H、相平衡常数m。若总压增倍,维持溶液上方气相分率不变,则问此时NH3的溶解度及各系数的值。


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pA2

x2

吸收

P

pA

Δx

解吸

pA

Δp

Q

xA

xA*

pA1

x1

(b)

(a)

(c)

相平衡与吸收过程的关系

不平衡的气液两相接触后所发生的传质过程,是吸收还是解吸,要视溶质在气相中的分压与其液相的平衡分压间的关系而定。若溶质在气相中的分压大于其液相的平衡分压(如图中P点所示),就会发生吸收过程,直至达到平衡状态为止。反之,若气相溶质的分压小于其液相的平衡分压(Q点所示),溶液中的溶质就会解吸出来,重又返回到气相中,直至气液达到平衡状态。


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吸收剂的选择

  • 对需吸收的组分要有较大的溶解度。

  • 对所处理的气体要有较好的选择性。即对溶质的溶解度甚大而对惰性气体几乎不溶解。

  • 要有较低的蒸汽压,以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。要有较好的化学稳定性,以免使用过程中变质。

  • 吸收后的溶剂应易于再生。

  • 在操作温度下,具有较低的粘度,以利于气、液良好接触及便于输送。


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总传质速率方程

NA=Ky(y-y*)


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吸收塔的计算——以连续接触的填料塔为例

  • 设计计算任务:

  • 确定合适的吸收剂用量;

  • 或者液气比;

  • 计算塔径;

  • 计算塔高。


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物料衡算与操作线方程


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物料衡算与操作线方程


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7-4 蒸馏

  • 相律和拉乌尔定律;

  • 双组分溶液的气液相平衡;


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非理想溶液的气液相平衡

  • 乙醇—水体系


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非理想溶液的气液相平衡

  • 硝酸—水体系


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平衡蒸馏


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简单蒸馏


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精馏


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精馏原理


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7-5 双组分连续精馏塔的计算

  • 衡算


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操作线方程

  • 精馏段


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  • 提馏段


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操作方程的图示与q线


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q线

  • 不同进料状态对q线及对提馏段操作线的影响


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理论板的确定


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最小回流比的图示


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  • 适宜回流比的确定


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分子蒸馏原理

根据分子运动理论,液体分子受热从液面逸出,不同种类的分子,其平均自由程不同;

液体混合物为达到分离的目的,首先进行加热,能量足够的分子逸出液面。 轻分子的平均自由程大,重分子的平均自由程小,若在离液面小于轻分子平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一冷凝面,使得轻分子落在冷凝面上被冷凝,从而破坏了轻分子的动态平衡,使得轻分子继续不断逸出。而重分子因达不到冷凝面,很快趋于动态平衡。这样就将混合物分离了。

由于轻分子只走很短的距离即被冷凝,所以分子蒸馏亦叫短程蒸馏。(Short—Path Distillation)


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分子蒸馏

  • 装置示意图


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分子蒸馏车间


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思考题

  • 试叙述分子扩散中主体流动产生的原因及其对扩散过程的影响,在什么情况下可不考虑主体流动的影响,为什么?


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