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化工过程中的平衡与速率

已有 4600 次阅读 2008-3-19 14:33 |个人分类:专业教学

平衡与速率是认识化工过程的两个非常重要的视角,类似地,公平与效率则是社会学家的永恒话题。如业内所熟悉的,化学反应往往构成化工过程的核心环节,与其对应,热力学和化学动力学分别研究相关的化学平衡和反应速率问题。

对分离过程的认识,平衡与速率仍是两个重要的角度。下面不妨以洗涤过程为例予以说明,洗涤过程在化工科学似乎不入流,却是名副其实的分离过程,将不洁的杂质从织物上分离下来。化工分离过程也不妨看作洗涤过程,如吸收是用吸收液洗掉气体料液中的“脏”气,气流干燥则用空气洗掉固体物料中的水分。

洗涤过程需要关注速率,脏物脱离织物的速度,特别是衣物沾染了不易脱除的东东如油漆,这时要采取各种措施,如揉搓、特定溶剂和洗涤剂,以加快脏物在织物与水之间的转移速率。

洗涤过程也需要关注平衡,近墨者黑是平衡,脏水不能洗干净衣服也是平衡,脏物在织物与洗涤所用水之间有一定平衡关系,这是洗涤过程不能不考虑的。逆流操作是一种高效的分离模式,也是高效而节水的洗涤模式。如图


不同的分离过程,有的更关注速率问题,如沉降速度决定沉降分离的设计方法;也有的更关注平衡问题,如板式塔的理论板数或填料塔的传质单元数,不过意味着相关过程看作洗涤时换了多少次水而已。前期课程对一些传质分离单元的理解,如吸收、蒸馏、萃取等过程的学习,更强调平衡级(传质单元、理论板)的计算。对于这些分离过程的领悟,理解传质速率的影响也同样重要。

传质分离单元的技术关键往往在于不同物相之间的质量传递过程,如吸收为气相与液相之间的传质,蒸馏为汽相与液相之间的传质,萃取为液相与液相之间的传质,干燥为固相与气相之间的传质,等。平衡级通常对应一定的设备区域,不同物相在这里通过传质过程实现相平衡,从更广泛的意义上讲,达到化学位平衡。如读者熟悉的吸收过程的传质单元,在填料吸收塔往往对应一段填料,气体和吸收液在这里相互接触,通过质量传递达到平衡,从该段填料上方离开的气流浓度与下方离开的吸收液浓度满足相平衡关系,如亨利定律。

    平衡级可以帮助人们进行过程设计,对过程的优化则必须考虑传质速率。如不同的填料提供的气液传质面积不同,体现出传质性能的差异,一个传质单元(平衡级)所需要的填料体积也因此各异。对于板式的吸收塔或蒸馏塔,相间传质速率则决定了板效率,即一层实际塔板与理论板的差异。





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1 朱义峰

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