示:
①顶点代表纯组分; ②三条边代表二元溶液;
③相图中的点代表三元溶液,且有: %A+%B+%S=100%
平衡联结线
(2)三角形相图的应用
三角形相图可以用来表示混合液的混合和分开 等过程,在相图中就是和点和差点的关系。
图中线段RME代表三元溶液R(差点)与三 元溶液E(差点)混合成为新的三元溶液M(和点); 线段FMS代表二元溶液F(差点)与纯组分S(差
溶解度曲线
A E/ P · E R B
M S
F
辅助曲线
点)混合成为新的三元溶液M(和点);线段E?ES
代表三元溶液E(和点)脱除其中的组分S(差点)后成为新的二元溶液E?(差点)。
依此类推,图中任一线段上的三个点均代表混合或分开过程的状态点,由此三点构成的线段又称为杠杆,和点就是杠杆的支点,两差点就是杠杆的“力”的作用点。对两溶液的混合过程作物料衡算,可以得到类似于物理学中的杠杆原理表达式(又称杠杆规则),以线段RME为例:
RMERMEERM??? , , MERMMRERE4.1.2相平衡关系得表示
(1)溶解度曲线
以B、S部分互溶为例,其溶解度曲线如图,平衡共存的两相联结线称为平衡联结线(共轭线),点P为临界混溶点(褶点),该点萃取相和萃余相合并为一相。溶解度曲线下方为两相区(分层区),为萃取操作区,其余为均相区。 (2)分配曲线
萃取的相平衡关系也可在直角坐标系上表示,这时的平衡关系曲线称为分配曲线,直角坐标系上的相平衡关系与精馏、吸收的相平衡关系原则上的区别。 4.2萃取分离效果的定量表示
(1)分配系数
分配系数表示各组分在相互平衡的萃取相和萃余相中的分配比例,定义如下:
kA?yAy kB?B xAxB分配系数与精馏中的挥发度相似。kA越大,kB越小,越有利于萃取分离,所需萃取剂越少。
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(2)选择性系数β
选择性系数β表示萃取剂的选择性溶解能力,即表示A、B在S中的溶解度的差异。定义如下:??kAyA/xAyA/yB ??kByB/xBxA/xBβ与精馏中的相对挥发度相似。??1,表明A、B可以分离,此时β越大,表示越易分离,所需的理论级数越少。??1,萃取相中的组分A、B浓度之比等于萃余相中的组分A、B浓度之比。萃取相、萃余相脱萃取剂S后浓度相同,表明此时不能用萃取方法分离。 4.3.物料衡算
物料衡算关系就是质量守恒关系。对于三元萃取物系,其物料衡算关系共有3个独立的衡算方程:总物凹衡算方程、溶质A的衡算方程和萃取剂S(或稀释剂B)的衡算方程。
因为萃取过程就是混合、溶解、分层过程,因此,其物料衡算关系在三角形相图中可用杠杆规则表示。
与精馏、吸收类似,将物料衡算关系与相平衡关系结合起来,可以解决萃取过程的工艺计算问题。 4.4理论级
与精馏、吸收类似,实际萃取过程的计算采用理论级这一工程处理方法,然后再用级效率(实验测定)加以修正。本章仅涉及理论级的情况。
在三角形相图中,萃取理论级数计算在表现形式上与精馏、吸收有很大的不同,在学习中应特别注意这一点。在直角坐标系中求理论级数与精馏、吸收基本相同。例如,在三角形坐标系中用图解法求取多级逆流萃取的理论级数,步骤如下: (1)由原料液的组成xF在直角三角形相图AB边上定出F点。
(2)联FS线,然后根据以知的F和S的量按杠杆规则在FS线上定出M点。
(3)由给定的萃余相组成xn在溶解度曲线上定出Rn点,由Rn过M点划直线与溶解度曲线相交与E1点。
(4)联FE1和RnS并延长地交点Δ,此点即为操作点。
(5)由E1点根据辅助曲线可求得R1点。联R1Δ线,该线与溶解度曲线交于E2点。然后借助辅助曲线可求得R2点……依此进行下去,直到某一联结线的萃余相Rn的组成等于或开始小于xn。这样,有多少根联结线即有多少个理论级。
4.5溶剂比
萃取操作中的溶剂比与精馏的回流比、吸收的液气比相似,当溶剂比S/F减小,操作线向分配曲线靠近,要完成同样的分离任务,所需的理论级数增多。若溶剂比S/F减小到使操作线与分配曲线相切或相交时,此时所需的理论级数为无穷大,此条件下的溶剂比为最小溶剂比S?F?min。位于分配曲线上的切点在三角形相图上表示平衡联结线的两端点,因切点又
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在操作线上,则在三角形相图中出现操作线与平衡联结线相重合的情况,最小溶剂比
?SF?min的数值可依杠杆规则求得。
溶剂比S/F的大小或萃取剂S的用量对原料液的分离效果有着重要影响,改变溶剂比S/F的大小或萃取剂S的用量是萃取操作的重要调节手段。但是,溶剂的初始含量即ys对萃取效果也有着重要影响,这一点应引起足够的重视。从萃取角度来看,增大溶剂比S/F对分离效果是有利的,但不适当地增大溶剂比S/F使再生设备负荷过重,溶剂再生不良,反而会适得其反。
A E1 E2 E3 F R1 M E4 Rn Δ S B
附图:多级逆流萃取理论级数图解法
第三章 干燥
1.本章学习目的
干燥是利用热能从物料中去湿的单元操作。通过本章学习,能够掌握干燥过程的物料衡算、热量衡算、干燥速率及干燥时间的计算,了解工业常用干燥器的类型及其使用场合。 2.本章应掌握的内容
学习本章应重点掌握:湿空气的性质参数及湿度图、湿物料中含水性质、干燥过程的物料衡算及热量衡算。一般掌握干燥过程的速率及干燥时间的计算。了解干燥器的类型及使用场合,提高干燥热效率及强化干燥过程的措施。 3.学习本章应注意的问题
干燥时热质同时传递的过程,影响因素更为复杂,定量计算难度较大,致使目前干燥器的设计多是依据试验结果或凭经验处理。在某些情况下,要作一些简化假设、以便进行数学
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描述。对复杂得工程问题进行合理的简化而不失真,是工程人员能力的体现。 4.本章学习要点 4.1湿空气的性质
由于干燥过程所用的干燥介质一般多为空气,且随干燥过程的进行,空气实际上成为空气与水蒸气的混合物(常称之为湿空气),可见空气(湿空气)的性质的计算是干燥计算的基础。
4.1.1湿空气的含水量的表示方法
湿度:H?0.622?psp ?0.622P?pP??psps
P?ps 饱和湿度:Hs?0.622 相对湿度:??p?100% ps4.1.2湿空气温度的表示方法
干球温度t,简称温度,指空气的真实温度,可直接用普通温度计测量。
湿球温度tW:指大量的空气与少量的水经过长时间绝热接触后达到的稳定温度。 露点温度td:在总压不变的条件下,不饱和湿空气冷却达到饱和状态时的温度。 绝热饱和温度tas:指少量的空气与大量的水经长时间绝热接触后达到的稳定温度。 tas?t?r0(Has?H) cH对于空气-水体系,湿球温度和绝热饱和温度在数值上可近似认为相等,即 tW=tas 4.1.3湿空气的其他性质
湿空气的比热容 cH?1.01?1.88H,cH单位为kJ/kg?oC
0,I的单位为kJ/kg。 湿空气的焓 I?(1.01?1.88H)t?249H湿空气的比容 vH?(0.773?1.224H)273?t,vH单位为m3/Kg。 2734.1.4湿度图
湿空气的各种性质之间存在着一定的函数关系,这些关系除了可用前面介绍的公式表示外,还可以用湿空气的性质图来表示。在总压一定的条件下,只要已知任意两个独立的性质参数,湿空气的其他性质便可从图中读出,既方便又迅速。从形式上看,常用的有湿度-焓(H-I)图、温度-湿度(t-H)图。 4.2干燥静力学 4.2.1湿物料的性质
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湿基含量:w?湿物料中水分的质量?100%
湿物料的总质量湿物料中水分的质量?100%
湿物料中绝干物料的质量干基含水量:X?且有: w?Xw或X? 1?X1?w湿物料的比热容cm[单位为kJ/(kg·K)]
cm?(1?w)cs?wcW?(1?w)cs?4.187w?cs?4.187X 湿物料的焓I?(单位为kJ/kg湿物料):I??cm?
式中:cs——绝干物料的比热容,kJ/(kg·K);θ——湿物料的温度; K)。 cW——水的比热容,4.187kJ/(kg·4.2.2干燥过程的物料衡算
干物料量 G?G1(1?w1)?G2(1?w2) 或 G?G1G2 ?1?X11?X2水蒸气用量(水分蒸发量)
W?G(X1?X2)?G1w1?w2w?w2 ?G211?w21?w1所需加热空气量: L?W
H2?H1单位空气消耗量: l?4.2.3干燥过程的热量衡算
如下图所示干燥流程:
L11 ??WH2?H1H2?H0 15