【化工课件】蒸馏过程概述.doc

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1、一、 蒸馏过程概述1. 蒸馏过程在化工中的应用在化工生产过程中，常常需要将原料、中间产物或粗产物进行分离，以获得符合工艺要求的化工产品或中间产品。化工上常见的分离过程包括蒸馏、吸收、萃取、干燥及结晶等，其中蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作，应用最为广泛。例如将原油蒸馏可得到汽油、煤油、柴油及重油等；将混合芳烃蒸馏可得到苯、甲苯及二甲苯等；将液态空气蒸馏可得到纯态的液氧和液氮等。蒸馏是分离均相液体混合物的一种方法。蒸馏分离的依据是，根据溶液中各组分挥发度（或沸点）的差异，使各组分得以分离。其中较易挥发的称为易挥发组分（或轻组分）；较难挥发的称为难挥发组分（或重组分）。例如在容器中将苯和甲苯的溶

2、液加热使之部分汽化，形成汽液两相。当汽液两相趋于平衡时，由于苯的挥发性能比甲苯强（即苯的沸点较甲苯低），汽相中苯的含量必然较原来溶液高，将蒸汽引出并冷凝后，即可得到含苯较高的液体。而残留在容器中的液体，苯的含量比原来溶液的低，也即甲苯的含量比原来溶液的高。这样，溶液就得到了初步的分离。若多次进行上述分离过程，即可获得较纯的苯和甲苯。2. 蒸馏分离的特点蒸馏是目前应用最广的一类液体混合物分离方法，其具有如下特点：(1) 通过蒸馏分离可以直接获得所需要的产品，而吸收、萃取等分离方法，由于有外加的溶剂，需进一步使所提取的组分与外加组分再行分离，因而蒸馏操作流程通常较为简单。(2) 蒸馏分离的适用范围

3、广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分离。例如，可将空气加压液化，再用精馏方法获得氧、氮等产品；再如，脂肪酸的混合物，可用加热使其熔化，并在减压下建立汽液两相系统，用蒸馏方法进行分离。(3) 蒸馏过程适用于各种浓度混合物的分离，而吸收、萃取等操作，只有当被提取组分浓度较低时才比较经济。(4) 蒸馏操作是通过对混合液加热建立汽液两相体系的，所得到的汽相还需要再冷凝液化。因此，蒸馏操作耗能较大。蒸馏过程中的节能是个值得重视的问题。3. 蒸馏过程的分类工业上，蒸馏操作可按以下方法分类：（1）蒸馏操作方式 可分为简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸），精馏和特殊精馏等。简单蒸馏和平衡蒸馏为单

4、级蒸馏过程，常用于混合物中各组分的挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合；精馏为多级蒸馏过程，适用于难分离物系或对分离要求较高的场合；特殊精馏适用于某些普通精馏难以分离或无法分离的物系。工业生产中以精馏的应用最为广泛。 （2）蒸馏操作流程 可分为间歇蒸馏和连续蒸馏。间歇蒸馏具有操作灵活、适应性强等优点，主要应用于小规模、多品种或某些有特殊要求的场合；连续蒸馏具有生产能力大、产品质量稳定、操作方便等优点，主要应用于生产规模大、产品质量要求高等场合。间歇蒸馏为非稳态操作，连续蒸馏为稳态操作。（3）物系中组分的数目 可分为两组分精馏和多组分精馏。工业生产中，绝大多数为多组分精馏，但两组分精馏的原理及

5、计算原则同样适用于多组分精馏，只是在处理多组分精馏过程时更为复杂些，因此常以两组分精馏为基础。（4）操作压力 可分为加压、常压和减压蒸馏。常压下为气态（如空气、石油气）或常压下泡点为室温的混合物，常采用加压蒸馏；常压下，泡点为室温至150左右的混合液，一般采用常压蒸馏；对于常压下泡点较高或热敏性混合物（高温下易发生分解，聚合等变质现象），宜采用减压蒸馏，以降低操作温度。本章重点讨论两组分物系连续精馏的原理及计算方法。二、蒸馏过程的汽液平衡关系蒸馏操作是汽液两相间的传质过程，汽液两相达到平衡状态是传质过程的极限。因此，汽液平衡关系是分析精馏原理、解决精馏计算的基础。（一） 两组分理想物系的汽液平

6、衡所谓理想物系是指液相和汽相应符合以下条件：(1) 液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律。(2) 汽相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。当总压不太高（一般不高于104kPa）时汽相可视为理想气体。理想物系的相平衡是相平衡关系中最简单的模型。严格地讲，理想溶液并不存在，但对于化学结构相似、性质极相近的组分组成的物系，如苯甲苯、甲醇乙醇、常压及150以下的各种轻烃的混合物，可近似按理想物系处理。1. 汽液平衡相图用相图来表达汽液平衡关系较为直观，尤其对两组分蒸馏的汽液平衡关系的表达更为方便，影响蒸馏的因素可在相图上直接反映出来。蒸馏中常用的相图为恒压下的温度组成图及汽相液相组成图。（1）温度组成 图在恒定

7、的总压下，溶液的平衡温度随组成而变，将平衡温度与液（汽）相的组成关系标绘成曲线图，该曲线图即为温度一组成图或 图。【图片1-1】苯甲苯混合液的 图。图片1-1所示为总压101.3kPa下，苯甲苯混合液的平衡温度组成图。图中以x（或y）为横坐标，以t为纵坐标。图中有两条曲线，上方的曲线为ty线，表示混合物的平衡温度t与汽相组成y之间的关系，称为饱和蒸汽线或露点线；下方的曲线为tx线，表示混合物的平衡温度t与液相组成x之间的关系，称为饱和液体线或泡点线。上述的两条曲线将txy图分成三个区域。饱和液体线以下的区域代表未沸腾的液体，称为液相区；饱和蒸汽线上方的区域代表过热蒸汽，称为过热蒸汽区；两曲线包

8、围的区域表示汽液两相同时存在，称为汽液共存区。在恒定的压力下，若将温度为t1 、组成为x1（图中点A）的混合液加热，当温度升高到t2（点B）时，溶液开始沸腾，此时产生第一个汽泡，该温度即为泡点温度 。继续升温到t3（点C）时，汽液两相共存，其汽相组成为y、液相组成为x，两相互成平衡。同样，若将温度为t5 、组成为y1（点E）的过热蒸汽冷却，当温度降到t4（点D）时，过热蒸汽开始冷凝，此时产生第一个液滴，该温度即为露点温度 。继续降温到t3（点C）时，汽液两相共存。由图片1-1可见，汽液两相呈平衡时，汽液两相的温度相同，但汽相组成（易挥发组分）大于液相组成；若汽液两相组成相同时，则露点温度总是大

9、于泡点温度。（2）汽液相组成图(xy图) xy图直观地表达了在一定压力下，处于平衡状态的汽液两相组成的关系，在蒸馏计算中应用最为普遍。【图片1-2】苯甲苯混合液的 xy 图。图片1-2所示为总压101 kPa下，苯甲苯混合物系的xy图。图中以x为横坐标，y为纵坐标。图中的曲线代表液相组成和与之平衡的汽相组成间的关系，称为平衡曲线。若已知液相组成x1，可由平衡曲线得出与之平衡的汽相组成y1，反之亦然。图中的直线为对角线（1，表示组分A较B容易挥发， 值偏离1的程度愈大，挥发度差异愈大，分离愈容易。若 =1，由式1-13可知 ，此时不能用普通蒸馏方法加以分离，需要采用特殊精馏或其它分离方法。（二）

10、两组分非理想物系的汽液平衡实际生产中所遇到的大多数物系为非理想物系。非理想物系可能有如下三种情况：(1) 液相为非理想溶液，汽相为理想气体；(2) 液相为理想溶液，汽相为非理想气体；(3) 液相为非理想溶液，汽相为非理想气体。精馏过程一般在较低的压力下进行，此时汽相通常可视为理想气体，故多数非理想物系可视为第一种情况。本知识点简要介绍第一种情况的汽液平衡关系，后两种情况的汽液平衡关系可参考其它书籍。1. 汽液平衡相图各种实际溶液与理想溶液的偏差程度各不相同，例如乙醇水、苯乙醇等物系是具有很大正偏差的例子，表现为溶液在某一组成时其两组分的饱和蒸汽压之和出现最大值。与此对应的溶液泡点比两纯组分的沸

11、点都低，为具最低恒沸点的溶液。图片1-3和图片1-4分别为乙醇水物系的txy图及xy图。图中点M代表汽液两相组成相等。常压下恒沸组成为0.894，最低恒沸点为78.15，在该点溶液的相对挥发度 。与之相反，氯仿丙酮溶液和硝酸水物系为具有很大负偏差的例子。图片1-5和图片分别为硝酸水混合液的txy图和xy图，常压下其最高恒沸点为121.9，对应的恒沸组成为0.383，在图中的点N溶液的相对挥发度 。【图片1-3】常压下乙醇水溶液的t-x-y图。【图片1-4】常压下乙醇水溶液的x-y图。【图片1-5】常压下硝酸水溶液的t-x-y图。【图片1-6】常压下硝酸水溶液的x-y图。2. 汽液平衡方程对于非

12、理想溶液，其平衡分压可表示为(1-14)(1-15)式中的 为组分的活度系数，各组分的活度系数值和其组成有关，一般可通过实验数据求取或用热力学公式计算。当总压不太高，汽相为理想气体时，则其平衡汽相组成为令 (1-16)则 应予指出，采用平衡常数表示汽液平衡方程时，理想物系与非理想物系的汽液平衡方程的形式完全相同，但平衡常数的表达式不同。例题与解题指导】【例1-1】计算含苯0.5（摩尔分率）的苯甲苯混合液在总压101.3 kPa下的泡点温度。苯（A）甲苯（B）的饱和蒸汽压数据如本例附表所示。例1-1 附表 温度，80.185.090.095.0100.0105.0110.6，kPa101.311

13、6.9135.5155.7179.2204.2240.0，kPa40.046.054.063.374.386.0101.3解：设泡点温度 ，查附表得kPa kPa 由式1-4 计算结果表明，所设泡点温度偏高。再设泡点温度 ，由附表数据插值求得kPa kPa 由式1-4 泡点温度 。分析：求解本题的关键是明确用汽液平衡关系求泡点温度时，需采用试差法。【例1-2】苯（A）甲苯（B）的饱和蒸汽压数据见例1-1附表，试计算在总压101.3 kPa下苯甲苯的混合液的汽液平衡数据和平均相对挥发度。该溶液可视为理想溶液。解：以下的数据为例，计算过程如下：由式1-4 其它温度下的计算结果列于本例附表。例1-2

14、 附表 温度，80.185.090.095.0100.0105.0110.6x1.00000.78000.58040.41130.25740.12940y1.00000.90010.77630.63220.45530.260802.5332.5412.5092.4602.4122.3742.369平均相对挥发度为分析：求解本题的关键是熟练应用汽液平衡关系，理解平均相对挥发度的概念。第二章 气体吸收本章学习指导1. 本章学习的目的 通过本章的学习，掌握气体吸收的基本概念和气体吸收过程的基本计算方法。 2. 本章重点掌握的内容 （1）气体吸收过程的平衡关系 （2）气体吸收过程的速率关系 （3）低浓

15、度气体吸收过程的计算 本章应掌握的内容 （1）费克定律和分子传质问题的求解方法 （2）双膜模型 本章一般了解的内容 （1）溶质渗透模型和表面更新模型 （2）吸收系数 3. 本章学习应注意的问题 （1）表示吸收过程的平衡关系为亨利定律，亨利定律有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间的联系。 （2）表示吸收过程的速率关系为吸收速率方程，吸收速率方程有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间的联系。 （3）学习分子传质，不要机械地记忆各过程的求解结果，应注意把握求解的思路和应用背景。 （4）学习中应注意把握传质机理和吸收过程机理之间的联系，注意体会讲述传质机理和吸收过程机理的目的和意义。 4.

16、本章教学时数分配 知识点2-1 授课学时数 2 自学学时数 4 知识点2-2 授课学时数 2 自学学时数 4 知识点2-3 授课学时数 2 自学学时数 4 知识点2-4 授课学时数 3 自学学时数 6 知识点2-5 授课学时数 1 自学学时数 2 5. 本章学习资料 必读书籍 姚玉英等. 化工原理,下册. 天津: 天津大学出版社, 1999 参考书籍 (1) 贾绍义, 柴诚敬. 化工传质与分离过程. 北京: 化学工业出版社, 2001 (2) 王绍亭, 陈涛. 化工传递过程基础. 北京: 化学工业出版社, 1987 (3) W. L. McCabe, J. C. Smith. Unit Ope

17、rations of Chemical Engineering, 5th ed. New York: McGraw. Hill Inc., 1993 一、吸收过程概述1. 气体吸收的原理与流程 气体吸收是典型的化工单元操作过程。气体吸收的原理是，根据混合气体中各组分在某液体溶剂中的溶解度不同而将气体混合物进行分离。吸收操作所用的液体溶剂称为吸收剂，以S表示；混合气体中，能够显著溶解于吸收剂的组分称为吸收物质或溶质，以A表示；而几乎不被溶解的组分统称为惰性组分或载体，以B表示；吸收操作所得到的溶液称为吸收液或溶液，它是溶质A在溶剂S中的溶液；被吸收后排出的气体称为吸收尾气，其主要成分为惰性气体B

18、，但仍含有少量未被吸收的溶质A。 吸收过程通常在吸收塔中进行。根据气、液两相的流动方向，分为逆流操作和并流操作两类，工业生产中以逆流操作为主。吸收塔操作示意图如图片2-1所示。应予指出，吸收过程使混合气中的溶质溶解于吸收剂中而得到一种溶液，但就溶质的存在形态而言，仍然是一种混合物，并没有得到纯度较高的气体溶质。在工业生产中，除以制取溶液产品为目的的吸收(如用水吸收HCl气制取盐酸等)之外，大都要将吸收液进行解吸，以便得到纯净的溶质或使吸收剂再生后循环使用。解吸也称为脱吸，它是使溶质从吸收液中释放出来的过程，解吸通常在解吸塔中进行。图片2-2所示为洗油脱除煤气中粗苯的流程简图。图中虚线左侧为吸收

19、部分，在吸收塔中，苯系化合物蒸汽溶解于洗油中，吸收了粗苯的洗油(又称富油)由吸收塔底排出，被吸收后的煤气由吸收塔顶排出。图中虚线右侧为解吸部分，在解收塔中，粗苯由液相释放出来，并为水蒸汽带出，经冷凝分层后即可获得粗苯产品，解吸出粗苯的洗油(也称为贫油)经冷却后再送回吸收塔循环使用。 2. 气体吸收的工业应用 气体吸收在化工生产中的应用大致有以下几种。 (1) 净化或精制气体。 混合气的净化或精制常采用吸收的方法。如在合成氨工艺中，采用碳酸丙烯酯(或碳酸钾水溶液)脱除合成气中的二氧化碳等。 (2) 制取某种气体的液态产品。气体的液态产品的制取常采用吸收的方法。如用水吸收氯化氢气体制取盐酸等。(3

20、) 回收混合气体中所需的组分。回收混合气体中的某组分通常亦采用吸收的方法。如用洗油处理焦炉气以回收其中的芳烃等。 (4) 工业废气的治理。 在工业生产所排放的废气中常含有少量的SO2、H2S、HF等有害气体成分，若直接排入大气，则对环境造成污染。因此，在排放之前必须加以治理，工业生产中通常采用吸收的方法，选用碱性吸收剂除去这些有害的酸性气体。3. 气体吸收的分类 气体吸收过程通常按以下方法分类。 (1) 单组分吸收与多组分吸收吸收过程按被吸收组分数目的不同，可分为单组分吸收和多组分吸收。若混合气体中只有一个组分进入液相，其余组分不溶（或微溶）于吸收剂，这种吸收过程称为单组分吸收。反之，若在吸收

21、过程中，混合气中进入液相的气体溶质不止一个，这样的吸收称为多组分吸收。 (2) 物理吸收与化学吸收 在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生显著的化学反应，可以把吸收过程看成是气体溶质单纯地溶解于液相溶剂的物理过程，则称为物理吸收。相反，如果在吸收过程中气体溶质与溶剂(或其中的活泼组分)发生显著的化学反应，则称为化学吸收。 (3) 低浓度吸收与高浓度吸收 在吸收过程中，若溶质在气液两相中的摩尔分率均较低（通常不超过0.1），这种吸收称为低浓度吸收；反之，则称为高浓度吸收。对于低浓度吸收过程，由于气相中溶质浓度较低，传递到液相中的溶质量相对于气、液相流率也较小，因此流经吸收塔的气、液相流率均可视为

22、常数。 (4) 等温吸收与非等温吸收 气体溶质溶解于液体时，常由于溶解热或化学反应热，而产生热效应，热效应使液相的温度逐渐升高，这种吸收称为非等温吸收。若吸收过程的热效应很小，或虽然热效应较大，但吸收设备的散热效果很好，能及时移出吸收过程所产生的热量，此时液相的温度变化并不显著，这种吸收称为等温吸收。 工业生产中的吸收过程以低浓度吸收为主。本章讨论单组分低浓度的等温物理吸收过程，对于其它条件下的吸收过程，可参考有关书籍。 4. 吸收剂的选择 吸收是气体溶质在吸收剂中溶解的过程。因此，吸收剂性能的优劣往往是决定吸收效果的关键。选择吸收剂应注意以下几点。 (1) 溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度越

23、大，则传质推动力越大，吸收速率越快，且吸收剂的耗用量越少。 (2) 选择性 吸收剂应对溶质组分有较大的溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微，否则不能实现有效的分离。 (3) 挥发度 在吸收过程中，吸收尾气往往为吸收剂蒸汽所饱和。故在操作温度下，吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小，以减少吸收剂的损失量。 (4) 粘度 吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动阻力越小，扩散系数越大，这有助于传质速率的提高。 (5) 其它 所选用的吸收剂应尽可能无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定。 二、吸收过程的气液平衡关系吸收过程的气液平衡关系是研究气体吸收过程的基础，

24、该关系通常用气体在液体中的溶解度及亨利定律表示。 1. 气体在液体中的溶解度 在一定的温度和压力下，使一定量的吸收剂与混合气体接触，气相中的溶质便向液相溶剂中转移，直至液相中溶质组成达到饱和为止。此时并非没有溶质分子进入液相，只是在任何时刻进入液相中的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压或饱和分压，液相中的溶质组成称为平衡组成或饱和组成。气体在液体中的溶解度，就是指气体在液体中的饱和组成。 气体在液体中的溶解度可通过实验测定。由实验结果绘成的曲线称为溶解度曲线，某些气体在液体中的溶解度曲线可从有关书籍、手册

25、中查得。 图片2-3、图片2-4和图片2-5分别为总压不很高时氨、二氧化硫和氧在水中的溶解度曲线。从图分析可知： （1）在同一溶剂（水）中，相同的温度和溶质分压下，不同气体的溶解度差别很大，其中氨在水中的溶解度最大，氧在水中的溶解度最小。这表明氨易溶于水，氧难溶于水，而二氧化硫则居中。 （2）对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度的升高而减小。 （3）对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。 由溶解度曲线所显示的上述规律性可看出，加压和降温有利于吸收操作，因为加压和降温可提高气体溶质的溶解度。反之，减压和升温则有利于解吸操作。2. 亨利定律 对于稀溶液或难溶气体，在一定

26、温度下，当总压不很高(通常不超过500kPa)时，互成平衡的气液两相组成间的关系用亨利（Henry）定律来描述。因组成的表示方法不同，故亨利定律亦有不同的表达形式。 (1)x 关系 若溶质在气、液相中的组成分别以分压、摩尔分率x表示，则亨利定律可写成如下的形式，即 (2-1)式中 溶质在气相中的平衡分压，kPa； x溶质在液相中的摩尔分率； E亨利系数，kPa。 式2-1称为亨利定律。该式表明：稀溶液上方的溶质分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数即为亨利系数。 对于理想溶液，在压力不高及温度恒定的条件下， x关系在整个组成范围内都符合亨利定律，而亨利系数即为该温度下纯溶质的饱和蒸汽

27、压，此时亨利定律与拉乌尔定律是一致的。但实际的吸收操作所涉及的系统多为非理想溶液，此时亨利系数不等于纯溶质的饱和蒸汽压，且只在液相溶质组成很低时才是常数。因此，亨利定律适用范围是溶解度曲线直线部分。 亨利系数可由实验测定，亦可从有关手册中查得。表2-1列出某些气体水溶液的亨利系数，可供参考。表2-1 某些气体水溶液的亨利系数 气体 温度 /( ) 种类 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 (E106)/(kPa)H2 5.87 6.16 6.44 6.70 6.92 7.16 7.39 7.52 7.61 7.70 7.75 7.75

28、7.71 7.65 7.61 7.55 N2 5.35 6.05 6.77 7.48 8.15 8.76 9.36 9.98 10.5 11.0 11.4 12.2 12.7 12.8 12.8 12.8 空气 4.38 4.94 5.56 6.15 6.73 7.30 7.81 8.34 8.82 9.23 9.59 10.2 10.6 10.8 10.9 10.8 CO 3.57 4.01 4.48 4.95 5.43 5.88 6.28 6.68 7.05 7.39 7.71 8.32 8.57 8.57 8.57 8.57 O2 2.58 2.95 3.31 3.69 4.06 4.4

29、4 4.81 5.14 5.42 5.70 5.96 6.37 6.72 6.96 7.08 7.10 CH4 2.27 2.62 3.01 3.41 3.81 4.18 4.55 4.92 5.27 5.58 5.85 6.34 6.75 6.91 7.01 7.10 NO 1.71 1.96 2.21 2.45 2.67 2.91 3.14 3.35 3.57 3.77 3.95 4.24 4.44 4.45 4.58 4.60 C2H6 1.28 1.57 1.92 2.90 2.66 3.06 3.47 3.88 4.294.695.075.726.316.706.967.01(E10

30、-5)/(kPa) C2H45.59 6.62 7.78 9.07 10.3 11.6 12.9 - -N2O- 1.19 1.43 1.68 2.01 2.28 2.62 3.06 -CO20.378 0.8 1.05 1.24 1.44 1.66 1.88 2.12 2.362.602.873.46-C2H20.73 0.85 0.97 1.09 1.23 1.35 1.48 - -Cl20.272 0.334 0.399 0.461 0.537 0.604 0.669 0.74 0.800.860.900.970.990.970.96-H2S0.272 0.319 0.372 0.418

31、 0.489 0.552 0.617 0.686 0.7550.8250.6891.041.211.371.461.50(E10-4)/(kPa) SO20.167 0.203 0.245 0.294 0.355 0.413 0.485 0.567 0.6610.7630.8711.111.391.702.01-对于一定的气体溶质和溶剂，亨利系数随温度而变化。一般说来，温度升高则E增大，这体现了气体的溶解度随温度升高而减小的变化趋势。在同一溶剂中，难溶气体的E值很大，而易溶气体的E值则很小。 (2)pc关系 若溶质在气、液相中的组成分别以分压 、摩尔浓度c表示，则亨利定律可写成如下的形式，即

32、(2-2)式中 c溶液中溶质的摩尔浓度，kmol/m3； 气相中溶质的平衡分压，kPa； H溶解度系数，kmol/(m3kPa)。 溶解度系数H也是温度的函数。对于一定的溶质和溶剂，H值随温度升高而减小。易溶气体的H 值很大，而难溶气体的H值则很小。 溶解度系数H与亨利系数E的关系可推导如下：设溶液的体积为V m3，浓度为c kmol(A)/m3，密度为kg/m3，则溶质A的总量为cV kmol，溶剂S的总量为 Mkmol (MA及MS分别为溶质A和溶剂S的摩尔质量)，于是溶质A在液相中的摩尔分率为 (2-3)将上式代入式2-1可得 将此式与式2-2比较可得 对稀溶液，c值很小，则 c 1，故

33、上式可简化为 (2-4)(3) x关系 若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔分率y、x表示，则亨利定律可写成如下的形式，即 (2-5)式中 x液相中溶质的摩尔分率； 与液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率； m相平衡常数，或称为分配系数。 对于一定的物系，相平衡常数m是温度和压力的函数，其数值可由实验测得。由m 值同样可以比较不同气体溶解度的大小，m 值越大，则表明该气体的溶解度越小；反之，则溶解度越大。若系统总压为P，由理想气体分压定律可知 p=Py 同理 将上式代入式2-1可得 将此式与式2-5比较可得 (2-6)将式2-6代入式2-4，即可得Hm的关系为 (2-7)(4) Y X关系 式2-5

34、是以摩尔分率表示的亨利定律。摩尔分率是指混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的分率，但在吸收过程中，混合物的总摩尔数是变化的。如用水吸收混于空气中氨的过程，氨作为溶质可溶于水中，而空气与水不能互溶（称为惰性组分）。随着吸收过程的进行，混合气体及混合液体的摩尔数是变化的，而混合气体及混合液体中的惰性组分的摩尔数是不变的。此时，若用摩尔分率表示气、液相组成，计算很不方便。为此引入以惰性组分为基准的摩尔比来表示气、液相的组成。 摩尔比的定义如下： X(液相中溶质的摩尔数)/(液相中溶剂的摩尔数) (2-8)Y(气相中溶质的摩尔数)/(气相中惰性组分的摩尔数) (2-9)上述二式也可变换为 (2-1

35、0)(2-11) 将式2-10和2-11代入式2-5可得 整理得 (2-12) 当溶液组成很低时， 1，则式2-12可简化为 (2-13) 式2-13表明当液相中溶质组成足够低时，平衡关系在YX图中可近似地表示成一条通过原点的直线，其斜率为m。 应予指出，亨利定律的各种表达式所描述的都是互成平衡的气液两相组成之间的关系，它们既可用来根据液相组成计算与之平衡的气相组成，也可用来根据气相组成计算与之平衡的液相组成。因此，上述亨利定律表达形式可改写为 【例题与解题指导】【例2-1】含有10（体积%）C2H2的某种混合气体与水充分接触，系统温度为30，总压为101.3kPa。试求达平衡时液相中C2H2

36、的摩尔浓度。 解：混合气体按理想气体处理，由理想气体分压定律可知，C2H2在气相中的分压为 kPa C2H2为难溶于水的气体，其水溶液的组成很低，故气液平衡关系符合亨利定律，并且溶液的密度可按纯水的密度计算。查得30水的密度为 =995.7 kg/m3 由 故 查表2-1可知，30时C2H2在水中的亨利系数 kPa。 故 kmol/m3 分析：求解本题的关键是熟练掌握亨利定律的表达式和各系数间的关系。 【例2-2】在总压101.3kPa及30下，氨在水中的溶解度为1.72g (NH3)/100g(H2O)。若氨水的气液平衡关系符合亨利定律，相平衡常数为0.764，试求气相组成Y。 解：先求液相

37、组成 由亨利定律，求气相组成 则 分析：求解本题的关键是熟练掌握亨利定律的表达式及摩尔比的定义。 【附1插图】 第三章 蒸馏和吸收塔设备【本章学习指导】1本章学习的目的通过本章的学习，掌握气液传质设备的结构特点、流体力学特性及操作特性。2本章重点掌握的内容（1）板式塔的流体力学特性及操作特性（2）填料塔的流体力学特性及操作特性应掌握的内容（1）板式塔的结构（2）塔板的类型及结构特点（3）板式塔的操作分析（4）填料塔的结构特点（5）填料的类型及结构特点3本章学习中应注意的问题本章学习中，要紧紧围绕提高传质速率这个中心，来理解各种塔板及填料结构的设计特点、评价塔设备性能的指标及各种塔设备的操作特性

38、（包括流体力学和传质特性）。4 本章教学时数分配知识点31 授课学时数 2 自学学时数4知识点32 授课学时数 2 自学学时数45 本章学习资料必读书籍（1）姚玉英等. 化工原理下册. 天津: 天津大学出版社, 1999 (第三章 蒸馏与吸收塔设备)参考书籍（1）贾绍义，柴诚敬. 化工传质与分离过程. 北京: 化学工业出版社,2001（2）蒋维钧等. 化工原理下册. 北京: 清华大学出版社, 1993（3）王树楹等. 现代填料塔技术指南. 北京: 中国石化出版社, 1998（4）时钧 等 化学工程手册下卷. 第二版. 北京: 化学工业出版社,1996（5） W.L. McCabe , J.C.

39、 Smith. Unit Operations of Chemical Engineering, 5th ed. New York: McGraw. Hill Inc., 1993一、板式塔的结构【图片31】板式塔的结构如图片3-1所示，板式塔为逐级接触式气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。【播放动画31】板式塔内流体的流动操作时，塔内液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下层塔板的受液盘，然后横向流过塔板，从另一侧的降液管流至下一层塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的液层。气体则在压力差的推动下，自下而上穿过各层塔板的气体通道（泡罩、筛孔或浮阀等

40、），分散成小股气流，鼓泡通过各层塔板的液层。在塔板上，气液两相密切接触，进行热量和质量的交换。在板式塔中，气液两相逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相为连续相，气相为分散相。 一般而论，板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，操作弹性大，且造价低，检修、清洗方便，故工业上应用较为广泛。二、塔板的类型塔板可分为有降液管式塔板（也称溢流式塔板或错流式塔板）及无降液管式塔板（也称穿流式塔板或逆流式塔板）两类，在工业生产中，以有降液管式塔板应用最为广泛，在此只讨论有降液管式塔板。1泡罩塔板【图片32】泡罩塔板泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其结构如图片3-2所示，它主要由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有f80、f100、f150mm三种尺寸，可根据塔径的大小选择。泡罩的下部周边开有很多