化工分离工程讲稿.docx

第1章 绪 论 教学目的与要求： 分离过程的发展及趋势；传质分离过程的分类和特征。 重点：分离过程的特征；平衡分离和速率分离的原理。 了解：本课程的任务和内容；与其它课程的相互关系。 分离工程是研究化学工业和其他化学类型工业生产中混合物的分离与提纯的一门工程学科。 图 1-1 生产过程中的分离操作 分离过程可分为机械分离和传质分离两大类: 机械分离过程的分离对象是由两相以上所组成的混合物，其目的只是简单地将各相加以分离，例如，过滤、沉降、离心分离、旋风分离和静电除尘等。 传质分离过程用于各种均相混合物的分离，其特点是有质量传递现象发生。 本课程要讨论的是传质分离过程。 1.1 传质分离过程的分类 按所依据的物理化学原理不同，工业上常用的传质分离过程可分为平衡分离过程和速率分离过程。 一、平衡分离过程 定义：借助分离媒介(如热能、溶剂或吸附剂)，使均相混合物系统变成两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。 分离媒介：能量媒介(ESA)或物质媒介(MSA)，有时两种同时应用。ESA 是指传入或传出系统的热，还有输入或输出的功。MSA 可以只与混合物中的一个或几个组分部分互溶，常是某一相中浓度最高的组分。 举例：闪蒸和部分冷凝、普通精馏、萃取精馏、共沸精馏、吸收、解吸(含带回流的解吸和再沸解吸)、结晶、凝聚、浸取、吸附、离子交换、泡沫分离、区域熔炼等。 二、速率分离过程 定义：在某种推动力(浓度差、压力差、温度差、电位差等)的作用下，有时在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异实现组分的分离。 举例：微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗析、电渗析、渗透汽化、蒸汽渗透、渗透蒸馏等。 1.2 分离过程的集成化： 1．反应过程与分离过程的耦合：化学吸收、化学萃取、催化精镏、膜反应器 2．分离过程与分离过程的耦合：萃取结晶、吸附蒸馏、电泳萃取 3．过程的集成：传统分离过程的集成（共沸精镏—萃取、共沸精镏—萃取精镏） 传统分离过程与膜分离的集成（渗透蒸发—吸附、渗透蒸发—吸收、渗透蒸发—催化??镏） 膜过程集成（微滤—超滤—纳滤—反渗透） 第2章 单级平衡分离过程 教学目的与要求： 相平衡基本理论；多组分物系的泡点和露点计算；闪蒸过程的计算。 重点：相平衡分离的基本理论；活度系数法计算汽液平衡常数的简化形式；多组分物系的泡点方程、露点方程；计算方法；混合物相态的判别和等温闪蒸过程的计算。 了解：相平衡常数的计算；绝热闪蒸过程。 难点：多组分非理想体系平衡常数计算；多组分物系的泡点温度和泡点压力、露点温度和露点压力的计算；等温闪蒸过程的计算。 2.1 相平衡基础 相平衡是指混合物所形成的若干相保持物理平衡而共存的状态；从热力学看，是整个物系的自由能处于最小的状态；从动力学看，相间表观传递速率为零。 相平衡的准则：各相的温度、压力相同，各组分的逸度也相等，即 相平衡常数: (2-4) 对于平衡分离过程，常采用分离因子来表示平衡关系： (2-5) 分离因子在精馏过程中又称为相对挥发度，它相对于汽液平衡常数而言，随温度和压力的变化不敏感，其值与1的偏离程度表示组分i和j之间分离的难易程度。 2.1.1  HYPERLINK /hgfl/jxnr.php?chapter=2.1.1 汽液平衡 2.1.2  HYPERLINK /hgfl/jxnr.php?chapter=2.1.2 液液平衡 2.1.1 汽液平衡 汽液平衡时，组分 i 在汽、液两相的逸度相等： (2-6) 汽相中组分 i 的逸度用逸度系数表示： (2-7) 液相中组分i的逸度用逸度系数表示： (2-8) 液相中组分i的逸度还可用活度系数表示： (2-9) 将式(2-7)，(2-8)代入式(2-6)，得： (2-10) 将式(2-7)，(2-9)代入式(2-6)，得: (2-11) 式(2-10)、(2-11)对应着计算相平衡常数的两种途径：状态方程法和活度系数法。 一、状态方程法 根据式(2-4)和式(2-10)，汽液平衡的相平衡常数可表示为： (2-12) 逸度系数通过状态方程计算： (2-13) 关键: 选择一个既适用于汽相、又适用于液相的状态方程。  HYPERLINK /hgfl/jxnr/liti/example.2.1.php \t _blank [例2-1] 二、活度系数法 根据式(2-4)和式(2-11)，汽液平衡常数可表示为: (2-15) （1）基准态逸度 1) 可凝性组分的基准态逸度 基准态是与系统具有相同 T 、 p 和同一相态的纯 i 组分。 (2-19) 2) 不凝性组分的基准态逸度 对于不凝性组分，当组分 i 的摩尔分