汽液相平衡系统的分类课件

精馏章节相平衡的出发点是热力学中的相平衡准则，即：汽液相平衡系统的分类 液相汽相理想溶液实际溶液理想气体实际气体理想溶液实际气体实际不存在一、泡点计算一、泡点计算1、泡点计算与有关方程、泡点计算与有关方程已知已知 求求 相平衡关系相平衡关系：浓度总和式浓度总和式：相平衡常数关联式相平衡常数关联式：2 2、计算方法、计算方法平衡常数与组成无关的泡点计算平衡常数与组成无关的泡点计算 平衡常数与组成无关的泡点计算平衡常数与组成无关的泡点计算a.PTK列线图；列线图；b.手算手算 设设思路：思路：调整调整T（P）N 1 1、混合物的相混合物的相态 判断混合物在指定温度和压力下是否处于两相判断混合物在指定温度和压力下是否处于两相区区=1=1 进料处于进料处于泡点泡点 1 1 可能为汽液两相区可能为汽液两相区 1 1 1 可能为汽液两相区可能为汽液两相区 11，塔顶达到平衡，气体溶质完全被提取若A10，四种混合状态提取系数区域一致（吸收剂用量很大或不可逆反应m=0）无液泛、动力消耗的并流更合理3.8.2中试组织1、富端挟点操作（、富端挟点操作（richendpinch)目的：寻找最小液流速率操作方式：在一定的蒸汽流率下，不断减少液流速率，直至塔底流出的富液与进料气的组成相平衡（操作线与平衡线在塔底相交产生挟点）2、贫端挟点操作（LEP）目的：寻找最小蒸汽流率操作方式：在最适宜液流速率下，不断减少蒸汽流率，直到塔顶进口吸收液与出塔尾气气相平衡3、无挟点操作、无挟点操作(UP)目的：获得可靠的气液传质数据获得可靠的气液传质数据1.REPLEP产生挟点，无法计算填料高度2.UP操作采用吸收塔内1m的填料段进行吸收操作，过程无挟点产生，获得传质数据2、三角形相图中辅助线的作法及应用、三角形相图中辅助线的作法及应用:R1E1、R2E2、R3E3连连 线线都都有有一一定定斜斜率率，故故K点点一一般不是溶解度曲线顶点。般不是溶解度曲线顶点。S临界混溶点或褶点临界混溶点或褶点ABPQR1R2R3E1E2E3KB%ERS%A%C1C2C3C图图4-5辅助线的作法及应用辅助线的作法及应用萃取章节萃取章节结论：结论：萃取分离效果取决于两相区大小和联结线斜率，而这两萃取分离效果取决于两相区大小和联结线斜率，而这两因素又为所选择萃取溶剂和操作温度决定。因素又为所选择萃取溶剂和操作温度决定。ABSRRFEEMEmEm联结线斜率越大，联结线斜率越大，萃余液浓度越小。萃余液浓度越小。相切时萃取液浓度最高相切时萃取液浓度最高温度越高，溶解度温度越高，溶解度大，两相区缩小大，两相区缩小萃取章节萃取章节Em已知某混合物已知某混合物组成成XF，萃余液，萃余液组成成XR，拟用用纯溶溶剂S进行行单级萃取，溶解度曲萃取，溶解度曲线如如图示。在操作范示。在操作范围内溶内溶质A的分配系数的分配系数kA=1，试说明用作明用作图法求法求加入萃取加入萃取剂量量？4.3.1单级萃取单级萃取SABRFEM单级萃取的最小与最大萃取剂用量单级萃取的最小与最大萃取剂用量DG单级萃取的最小与最大萃取剂用量单级萃取的最小与最大萃取剂用量令令b1=mS1/B,则则X1=XF/(b1+1)平衡线Y=mXY1Y2Y3Y4X4X3X2X1XFXYE1E2E3E4E04.3.2多级错流萃取多级错流萃取（2）解析法）解析法萃取因数萃取因数同理同理错流，萃取剂与原溶剂不互溶错流，萃取剂与原溶剂不互溶（2）解析法）解析法若平衡线为若平衡线为Y=mX，则依，则依据据第九章第九章式（式（9-75）同样方法）同样方法可推导得到：可推导得到：YEP1S0X4.3.3多级逆流萃取多级逆流萃取b=mS/B（12-15）（4-15a）4.3.3多级逆流萃取多级逆流萃取3、多级逆流萃取的最小萃取剂用量、多级逆流萃取的最小萃取剂用量SN设备投资费用设备投资费用SN设备投资费用设备投资费用萃取剂回收费用萃取剂回收费用（1）原溶剂与萃取剂不互溶的体系）原溶剂与萃取剂不互溶的体系YXX30SXFPD点为点为F与与E1、R1与与E2、R2与与E3RN与与S的差点的差点已知溶解度曲线，已知溶解度曲线，F,S的量的量,RN的量。求理论级数的量。求理论级数4.3.3多级逆流萃取多级逆流萃取操作点操作点ABSR1FEDME1E2E3R2R3R图图12-18溶剂部分互溶时多级逆流萃取图解溶剂部分互溶时多级逆流萃取图解（4-18）相际传质在界面无传质阻力的情况下，运动的液滴与连续相流体之间的传质过程包括滴内和滴外传质。液滴的内部是液体，由于受与之相对运动的外部流体的剪切力的影响，液滴的内部流体可能会产生循环流动和湍动，使传质速率大大提高。液滴也会产生形状的变化，产生摆动和振动等，这些都会影响萃取过程的传质行为。液液滴滴的的传传质质过过程程贯贯串串液液滴滴的的形形成成阶阶段段、自自由由运运动动阶阶段段和聚并阶段和聚并阶段，但通常主要考虑自由运动阶段的传质。滴内传质停滞液滴（刚性液滴）：滴内层流内循环:（Krong-Brink）滴内湍流内循环:（Handlos-Baron）滴内层流内循环时，kD较刚性液滴提高了2.7倍。而湍流循环下，kD与扩散无关。kD介于刚性液滴和湍流内循环之间。介于刚性液滴和湍流内循环之间。（理论解）液滴凝聚阶段界面张力密度差粘度液滴直径其它因素，温度等 发生液泛的情况有两种：1.流量过大；2.搅拌强度过高1、确定流比、确定流比2、求出液泛时分散相滞留率、求出液泛时分散相滞留率3、根据关联式求、根据关联式求uk，求的两相的液泛速度，求的两相的液泛速度4、选择液泛速度的、选择液泛速度的50-70%如何选择合适的操作速度？转盘塔的操作区域（1）等温降压等温降压过程是应用最方便得一种流程。流体经升压后达到超临界状态，到达状态点1，流体经换热后进入萃取器与物料接触，溶解溶质，此过程压力保持不变，在状态点2。然后萃取物料通过减压进入分离器，到达状态点3，此时由于减压而使流体的溶解能力下降，溶质析出，减压后的流体经压缩后回到状态点1，进行下一个循环。（2）等压情况下，通过改变过程的温度也能实现溶质的萃取和分离。但温度对溶质溶解度的变化比较复杂，a.等压升温，密度下降，溶解度下降等压升温，密度下降，溶解度下降b.溶质的蒸汽压升高，溶解度增加溶质的蒸汽压升高，溶解度增加较高压力段，温度升高，溶解度增加较高压力段，温度升高，溶解度增加降低压力段，温度升高，溶解度降低降低压力段，温度升高，溶解度降低3萃取循环过程及其能耗萃取循环过程及其能耗(1)流体循环方式流体循环方式超临界流体的循环有两种方式，即：压压缩缩机机循循环环和和高高压压泵泵循循环环。前者流体在循环过程无相的变化，而后者循环过程流体发生相的变化。泵循环过程泵循环过程：压缩机循环过程压缩机循环过程：9、反胶束的含水量最常见的AOT反胶束的一个重要参数是它的含水量(“水池”中溶入的水与表面活性剂的摩尔比Wo)，它决定反胶束的尺寸。在在Wo1。T气相中分子密度降低气相中分子密度降低液相中分子距离液相中分子距离（有例外）（有例外）界界面面现现象象压力及其它因素对表面张力的的影响：压力及其它因素对表面张力的的影响：压力增加，使气相密度增加，减小表面分子受力不对称压力增加，使气相密度增加，减小表面分子受力不对称程度；也使气体分子更多溶于液体，改变液相成分，这些程度；也使气体分子更多溶于液体，改变液相成分，这些因素都使表面张力下降。因素都使表面张力下降。pa表面分子受力不对称的程度表面分子受力不对称的程度 b气体分子可被表面吸附，改变气体分子可被表面吸附，改变,c气体分子溶于液相气体分子溶于液相通常每增加通常每增加1MPa（约（约10大气压）的压力，表面张力大气压）的压力，表面张力约降低约降低1mNm-1。组成1、非表面活性物质无机盐、不挥发酸碱负吸附负吸附2、表面活性物质 短链脂肪酸、醇、醛正吸附正吸附3、表面活性剂明显降低水的表面张力的两亲性质的有机化合物 正吸附正吸附c20123表面活性剂：浓度越大，表面张力随时间下降越多，达到平衡的时间越短浓度越大，表面张力随时间下降越多，达到平衡的时间越短。表面活性剂：浓度越大，表面张力随时间下降越多，浓度越大，表面张力随时间下降越多，达到平衡的时间越短达到平衡的时间越短。3、界面现象四个基本定律拉普拉斯(Laplace)公式弯曲界面附加压力开尔文(Kelvin)公式液面曲率与蒸汽压的关系吉布斯(Gibbs)吸附等温式溶液的表面吸附杨(Young)润湿方程固体表面的浸润与铺展问题溶度测定法（快速）加入水后的性质HLB范围 不分散不分散14分散性不好分散性不好36激烈震荡后成为乳色分散体激烈震荡后成为乳色分散体68稳定乳色分散体稳定乳色分散体810半透明到透明分散体半透明到透明分散体1013透明溶液透明溶液13以上吸附等温线的类型吸附等温线的类型()在2.5nm以下微孔吸附剂上的吸附等温线属于这种类型。例如78K时N2在活性炭上的吸附及水和苯蒸汽在分子筛上的吸附。qpT1T2T3吸附等温线的类型吸附等温线的类型()常称为常称为S S型等温线。型等温线。在低压时为单分子层吸在低压时为单分子层吸附，但随着压力增加，附，但随着压力增加，形成多分子层吸附。形成多分子层吸附。吸附等温线的类型吸附等温线的类型()()这种类型较少见。这种类型较少见。在低压时就是多分子层在低压时就是多分子层吸附。当吸附剂和吸附吸附。当吸附剂和吸附质相互作用很弱时会出质相互作用很弱时会出现这种等温线，如现这种等温线，如352K352K时，时，BrBr2 2在硅胶在硅胶上的吸附。上的吸附。吸附等温线的类型吸附等温线的类型()()多孔吸附剂发生多多孔吸附剂发生多分子层吸附时会有这种分子层吸附时会有这种等温线。在比压较高时，等温线。在比压较高时，有毛细凝聚现象。例如有毛细凝聚现象。例如在在323K323K时，苯在氧化铁时，苯在氧化铁凝胶上的吸附属于这种凝胶上的吸附属于这种类型。类型。吸附等温线的类型吸附等温线的类型()()发生多分子层吸发生多分子层吸附，有毛细凝聚现象。附，有毛细凝聚现象。例如例如373K373K时，水汽在时，水汽在活性炭上的吸附属于活性炭上的吸附属于这种类型。这种类型。（2）朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温式）朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温式1916年，朗缪尔（年，朗缪尔（Langmuir）根据大量实验事实，从动）根据大量实验事实，从动力学观点出发，提出固体对气体的吸附理论，力学观点出发，提出固体对气体的吸附理论，单分子层吸附单分子层吸附理论理论，该理论的四个假设是：，该理论的四个假设是：.气体在固体表面上气体在固体表面上单分子层吸附单分子层吸附。因为，固体表面吸附力场作用范围只有分子直径大小因为，固体表面吸附力场作用范围只有分子直径大小(0.20.3nm)，只有气体分子碰到固体空白表面，进，只有气体分子碰到固体空白表面，进 入此力场，才可能被吸附。入此力场，才可能被吸附。.固体表面均匀，各个晶格位置的吸附能力相同，每个固体表面均匀，各个晶格位置的吸附能力相同，每个 位置吸附一个分子，吸附热为常数，与位置吸附一个分子，吸附热为常数，与覆盖率覆盖率 无关无关。.被吸附在固体表面的被吸附在固体表面的相邻分子间无作用力相邻分子间无作用力，在各晶格，在各晶格 位置上吸附与解吸难易程度，与周围有无被吸分子无关。位置上吸附与解吸难易程度，与周围有无被吸分子无关。.吸附和解吸（脱附）呈动态平衡。当吸附速率等于解吸吸附和解吸（脱附）呈动态平衡。当吸附速率等于解吸 速率时，从表观看，气体不再被吸附或解吸，实际上两速率时，从表观看，气体不再被吸附或解吸，实际上两 者仍不断地进行，这时达到了者仍不断地进行，这时达到了吸附平衡吸附平衡若设：若设：b为吸附作用平衡常数。为吸附作用平衡常数。可得：可得：BET理论与朗缪尔理论的相同、不同点的对照理论与朗缪尔理论的相同、不同点的对照:Langmuir理论理论BET理论理论1单单分分子子层层吸吸附附。只只有有碰碰撞撞到到固固体体空空白白表表面面上上，进进入入吸吸附附力力场场作作用用范范围围的的气气体体分分子子才才有有可可能被吸附。能被吸附。多多分分子子层层吸吸附附：被被吸吸附附的的分分子子可可以以吸吸附附碰碰撞撞在在它它上上面面的的气气体体分分子子；也也不不一一定定等等待待第第一一层层吸吸附附满满了了再再吸吸附附第第二二层层，而而是是从从一开始就表现为多层吸附。一开始就表现为多层吸附。2固固体体表表面面是是均均匀匀的的，各各晶晶格格位位置置处处吸吸附附能能力力相相同同，每每个个位位置置吸吸附附一一个个分分子子。吸吸附附热热是常数是常数，与覆盖率无关。，与覆盖率无关。固固体体表表面面是是均均匀匀的的，各各晶晶格格位位置置处处吸吸附附能能力力相相同同。因因第第二二层层以以上上各各层层为为相相同同分分子子间间的的相相互互作作用用，所所以以除除第第一一层层外外，其其余余各各层层吸吸附附热热都都相相等等，为被吸附气体凝结热。为被吸附气体凝结热。3被被吸吸附附在在固固体体表表面面上上的的分分子子相互之间无作用力。相互之间无作用力。被被吸吸附附在在固固体体表表面面上上的的分分子子横向横向相互之间无作用力。相互之间无作用力。4吸吸附附平平衡衡是是动动态态平平衡衡，当当吸吸附附速速率率与与解解吸吸速速率率相相等等时时达达到吸附平衡。到吸附平衡。当当吸吸附附达达到到平平衡衡时时，每每一一层层上上的的吸吸附附速速率率与与解解吸吸速速率率都都相等。相等。BET的两参数公式可写成直线形式：的两参数公式可写成直线形式：在测定不同压力在测定不同压力p 下的吸附量下的吸附量V a后，若以后，若以对对p/p 作图，可得一直线，由其斜率及截距可求出作图，可得一直线，由其斜率及截距可求出c与与。由由及公式及公式:可求吸附剂比表可求吸附剂比表面积。面积。一、吸附机理吸附质在吸附剂的多孔表面上的 吸附过程分四步：1.吸附质由流体主体通过分子扩散与对流扩散穿过薄膜或边界层传递到吸附剂外表面，称为外扩散过程。2.吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的 内表面，称微内扩散过程。3.吸附质沿孔表面的表面扩散。4.吸附质被吸附在孔表面上。对于化学吸附：吸附质与吸附剂之间有健的 形成，第四步可能较慢，甚至是控制步骤。对于物理吸附：由于吸附速率仅取决于吸附质分子与孔表面的碰撞频率和定向作用，几乎是瞬间完成的，吸附速率由前三步控制。统称为扩散控制。（内外扩散控制）吸附势能曲线(H2在Ni上）H2(g)H2(表面)2H(表面）Ed:解吸活化能解吸活化能Ea:化学吸附活化能化学吸附活化能aH:物理吸附热物理吸附热rH:化学吸附化学吸附(反应反应)热热DHH:H2的离解能的离解能rHmEdEaaHrEpH2(g)HDHH物理吸附向化学吸附的转变H2分子在分子在Ni表面的吸附是在物表面的吸附是在物理吸附过程中，提供一点活化能，理吸附过程中，提供一点活化能，就可以转变成化学吸附。就可以转变成化学吸附。H2分子从分子从P到达到达a点是物理吸附，点是物理吸附，放出物理吸附热放出物理吸附热Qp，这时提供活，这时提供活化能化能Ea，使氢分子到达，使氢分子到达P点，就解点，就解离为氢原子，接下来发生化学吸附。离为氢原子，接下来发生化学吸附。这活化能这活化能Ea远小于远小于H2分子的解分子的解离能，这就是离能，这就是Ni为什么是一个好的为什么是一个好的加氢脱氢催化剂的原因加氢脱氢催化剂的原因。吸附设备固定床固定床移动床移动床模拟移动床模拟移动床参数泵吸附（固定床）参数泵吸附（固定床）1、浮选机理浮选机理浮选过程可用浮选过程可用吸附或粘附吸附或粘附两种机理解释两种机理解释。泡沫分离主要靠泡沫分离主要靠泡沫泡沫，精馏主要靠，精馏主要靠热分离热分离泡沫分离时，泡沫分离时，CMC以上，可获得稳定泡沫层，但效率低。以上，可获得稳定泡沫层，但效率低。2、液膜是分隔两个液相的第三液相,它与被分隔液体的互溶度极小。膜相液通常由膜溶剂、载体、表面活性剂、稳定剂所组成。3.液膜分离的传质机理液膜分离的传质机理7.1其他分离方法其他分离方法液膜分离的传质机理液膜分离的传质机理 液液膜膜分分离离过过程程可可分分为为从从原原料料液液到到膜膜相相液液和和从从膜膜相相液液到到接接受受液液两两步步萃萃取取过过程程。而萃取过程又可分为物理萃取和化学萃取。因此,液膜分离的传质机理有下列四种类型:2、液膜分离流程、液膜分离流程 液膜分离装置根据液膜类型的不同而分为支撑液膜设备和乳液膜设备两类。乳液膜分离的操作过程分为四个阶段:制备液膜、液膜萃取、澄清分离、破乳。制备液膜、液膜萃取、澄清分离、破乳。液膜分离的传质机理：液膜分离的传质机理：选择性渗透选择性渗透滴内相有化学反应滴内相有化学反应膜相化学反应膜相化学反应吸附和萃取吸附和萃取液膜分离工艺对分离效果的影响液膜分离工艺对分离效果的影响1、混合强度、混合强度搅拌速度（制备液膜、液膜萃取）搅拌速度（制备液膜、液膜萃取）2、操作时间、操作时间制乳时间，乳液放置时间制乳时间，乳液放置时间接触分离时间接触分离时间3、料液的浓度，酸度、料液的浓度，酸度适合于低浓度的提取适合于低浓度的提取pH影响影响(3个方面个方面)4、操作温度 温度升高，提高传质；降低了液膜的稳定性和分离效率分配比减少；粘度降低；增到了膜相的挥发；表面活性剂的水解浓差极化对过程的不利影响：浓差极化对过程的不利影响：1）使）使2）使截留率下降）使截留率下降（未通过膜的分数）（未通过膜的分数）3）XAi高于溶解度时，会出现沉淀，使膜阻力增高于溶解度时，会出现沉淀，使膜阻力增加。加。减轻浓差极化的有效途径：提高传质系数减轻浓差极化的有效途径：提高传质系数方法：方法：增加料液流速；增加湍流速度；提高温度；清洗增加料液流速；增加湍流速度；提高温度；清洗膜面。膜面。浓差极化对过程的不利影响：浓差极化对过程的不利影响：1）使）使2）使截留率下降）使截留率下降（未通过膜的分数）（未通过膜的分数）3）XAi高于溶解度时，会出现沉淀，使膜阻力增高于溶解度时，会出现沉淀，使膜阻力增加。加。减轻浓差极化的有效途径：提高传质系数方法：减轻浓差极化的有效途径：提高传质系数方法：增加料液流速；增加湍流速度；提高温度；清洗增加料液流速；增加湍流速度；提高温度；清洗膜面。膜面。固膜分离技术固膜分离技术反渗透：溶解扩散模型反渗透：溶解扩散模型（无孔学说）（无孔学说）溶剂通量：溶剂通量：J1AV(p)溶质通量：溶质通量：式中：式中：p压差；压差；渗透压；渗透压；C2膜两侧溶膜两侧溶质的浓度差；质的浓度差；A、B与膜材料和性质有关的常与膜材料和性质有关的常数。数。认为膜是均匀的，无孔，水和溶质分两步通过膜：认为膜是均匀的，无孔，水和溶质分两步通过膜：第一步：首先吸附溶解到膜材质表面上；第一步：首先吸附溶解到膜材质表面上；第二步：在膜中扩散传递第二步：在膜中扩散传递(推动力为化学位梯度推动力为化学位梯度)，扩散是控制步，扩散是控制步骤，服从骤，服从Fick定律，推导出溶剂和溶质透过膜的速度公式定律，推导出溶剂和溶质透过膜的速度公式：.海水脱盐海水脱盐.牛奶组分的调整牛奶组分的调整.果汁的调味果汁的调味电极的排列，电渗析的作用电极的排列，电渗析的作用不同吸附剂的脱水性能一般：脱气体中微量水份分子筛脱气体中大量水份硅胶、活性氧化铝返回返回7.2.4吸附分离工艺介绍ti吸附质首先出现在床层出口端时间；吸附质首先出现在床层出口端时间；tb对应馏出物最大允许浓度时间，称破点时间；对应馏出物最大允许浓度时间，称破点时间；te床层饱和时间。床层饱和时间。（te-ti）对应床层吸附区或传质区长度对应床层吸附区或传质区长度一、固定床吸附饱和区-吸附传质区 三种典型的穿透曲线1.优惠型 吸附质分子与吸附剂之间的作用随流体相中吸附质浓度的增大而减小。（1）Cq，传质区变短 （2）传质阻力使传质区变长2、直线型 吸附质分子与吸附剂之间的作用随流体相中吸附质浓度的大小无关。传质阻力使传质区变长3.非优惠型 吸附质分子与吸附剂之间的作用随流体相中吸附质浓度的增大而增大。（1）传质区变长 （2）传质阻力使传质区变长整个传质不利新型层析技术：1、亲和色谱 基本流程：a.亲和吸附剂固定相制备 b.亲和吸附 c.解吸 d.柱再生 2、凝胶排阻色谱 以凝胶为固定相，混合物中各组分按其分子大小不同而被凝胶所阻拦分离 有机凝胶，无机凝胶 渗透极限 分离范围 固流相比（？/？）热扩散简介基本原理极其机理 温度场浓度场图7-63热扩散装置原理示意图