化工分离过程培训课件

1、 化工分离过程化工分离过程 Chemical Separation Processes第五章第五章 分离设备的处理分离设备的处理能力和效率能力和效率1 5.1 气液传质设备的处理能力和效率气液传质设备的处理能力和效率 5.1.1 气液传质设备处理能力的影响因素气液传质设备处理能力的影响因素 5.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素气液传质设备的效率及其影响因素 5.1.3 气液传质设备效率的估计方法气液传质设备效率的估计方法 5.2 萃取设备的处理能力和效率（自学）萃取设备的处理能力和效率（自学） 5.3 传质设备的选择传质设备的选择 5.3.1 气液传质设备的选择气液传质设备的选择 5.3

2、.2 萃取设备的选择萃取设备的选择第五章第五章 分离设备的处理能力和效率分离设备的处理能力和效率2 本章将要研究传质设备问题，重点分析本章将要研究传质设备问题，重点分析和讨论影响和讨论影响气液传质设备的处理能力和效率气液传质设备的处理能力和效率的因素，确定的因素，确定效率的经验方法和机理模型效率的经验方法和机理模型。同时还对同时还对气液和液液传质设备的选型气液和液液传质设备的选型问题进问题进行了研讨。行了研讨。第五章第五章 分离设备的处理能力和效率分离设备的处理能力和效率35.1 气液传质设备的处理能力和效率气液传质设备的处理能力和效率气液分离设备分类气液分离设备分类微分接触式（填料塔）微分接

3、触式（填料塔） 气液分离设备气液分离设备逐级接触式（板式塔）逐级接触式（板式塔） 45.1 气液传质设备的处理能力和效率气液传质设备的处理能力和效率逐级接触式（板式塔）逐级接触式（板式塔） 在圆柱形壳体内按一定间距在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层；气体则在压定厚度的流动液层；气体则在压强差的推动下，自塔底向上依次强差的推动下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。气、液在塔内逐板接触

4、进排出。气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，两相组成沿塔高行质、热交换，两相组成沿塔高呈阶跃式变化。呈阶跃式变化。板式塔板式塔溶剂溶剂气体气体55.1 气液传质设备的处理能力和效率气液传质设备的处理能力和效率微分接触式（填料塔）微分接触式（填料塔） 圆柱形壳体内装填一定高圆柱形壳体内装填一定高度的填料，液体经塔顶喷淋装度的填料，液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，置均匀分布于填料层顶部上，依靠重力作用沿填料表面自上依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出；而下流经填料层后自塔底排出；气体在压强差推动下穿过填料气体在压强差推动下穿过填料层的空隙，由塔的一端流向另层的空隙，由塔的

5、一端流向另一端。气液在填料表面接触进一端。气液在填料表面接触进行质、热交换，两相的组成沿行质、热交换，两相的组成沿塔高连续变化。塔高连续变化。溶剂溶剂填料塔填料塔气体气体65.1 气液传质设备的处理能力和效率气液传质设备的处理能力和效率气液传质设备处理能力的影响因素气液传质设备处理能力的影响因素5.1.1液泛液泛雾沫雾沫夹带夹带压力压力降降停留停留时间时间75.1.1 气液传质设备处理能力的影响因素气液传质设备处理能力的影响因素夹带液泛和溢流液泛夹带液泛和溢流液泛 夹带液泛夹带液泛：过量液沫夹带：过量液沫夹带引起。板间距过小，塔板上引起。板间距过小，塔板上操作液流量过大，上升气速操作液流量过大

6、，上升气速过高时，液体被气体夹带到过高时，液体被气体夹带到上层塔板的量增加很快，塔上层塔板的量增加很快，塔板间将充满气、液混合物，板间将充满气、液混合物，引发液泛。引发液泛。 溢流液泛溢流液泛：液体在降液管：液体在降液管内受阻不能及时往下流动而内受阻不能及时往下流动而在板上积累所致。在板上积累所致。Hdhf+ hHTh0howhw85.1.1 气液传质设备处理能力的影响因素气液传质设备处理能力的影响因素液泛的影响液泛的影响 任何逆流流动的分离设备的处理能力都受到液泛的限任何逆流流动的分离设备的处理能力都受到液泛的限制，制，液泛气速大，设备的处理能力大液泛气速大，设备的处理能力大。 对于板式塔气

7、液分离设备，液泛气速随对于板式塔气液分离设备，液泛气速随L/V的减小和板的减小和板间距的增加而提高。对于填料塔，由于规整填料的流道具间距的增加而提高。对于填料塔，由于规整填料的流道具有更大的连贯性，所以，对具有相同空隙率的填料塔，规有更大的连贯性，所以，对具有相同空隙率的填料塔，规整填料塔的处理能力比乱堆填料塔要大。整填料塔的处理能力比乱堆填料塔要大。 此外，随着此外，随着L/V的减小，液体粘度（液膜厚度）的减小、的减小，液体粘度（液膜厚度）的减小、填料空隙率的增加和比表面积的减少，液泛气速增加。填料空隙率的增加和比表面积的减少，液泛气速增加。 95.1.1 气液传质设备处理能力的影响因素气液

8、传质设备处理能力的影响因素雾沫夹带的影响雾沫夹带的影响 雾沫夹带雾沫夹带是气液两相的物理分离不完全的现是气液两相的物理分离不完全的现象，由于它对级效率有不利的影响，并增加了级象，由于它对级效率有不利的影响，并增加了级间流量，在分离设备中雾沫夹带常常表现为间流量，在分离设备中雾沫夹带常常表现为处理处理能力的极限能力的极限。 雾沫夹带随雾沫夹带随板间距的减小板间距的减小而增加，随而增加，随塔负荷塔负荷的增加的增加急剧上升。在低的急剧上升。在低的L/V或低压下，雾沫夹或低压下，雾沫夹带是限制处理能力的主要因素。带是限制处理能力的主要因素。 105.1.1 气液传质设备处理能力的影响因素气液传质设备处

9、理能力的影响因素压力降的影响压力降的影响 与处理能力密切相关的另一与处理能力密切相关的另一个因素是接触设备中的个因素是接触设备中的压力降压力降。 对于减压分离过程，压力降对于减压分离过程，压力降存在某个上限，往往成为限制设存在某个上限，往往成为限制设备处理能力的主要因素。备处理能力的主要因素。 此外，在板式塔中，板与板此外，在板式塔中，板与板之间的压力降是构成降液管内液之间的压力降是构成降液管内液位高度的重要组成部分，因此，位高度的重要组成部分，因此，过高的压力降就可能引起液泛。过高的压力降就可能引起液泛。 有效长度有效长度泡沫泡沫hlhfhowHTh0115.1.1 气液传质设备处理能力的影

10、响因素气液传质设备处理能力的影响因素停留时间的影响停留时间的影响 对于给定的设备，限制处理能力的另一个因对于给定的设备，限制处理能力的另一个因素是获得适宜效率所需要的流体的素是获得适宜效率所需要的流体的停留时间停留时间。 接触相在设备内的接触相在设备内的停留时间越长，则级效率停留时间越长，则级效率越高，但处理能力低。越高，但处理能力低。 若处理能力过高，物流通过一个级的流速增若处理能力过高，物流通过一个级的流速增加，则级效率通常降低，产品达不到分离要求。加，则级效率通常降低，产品达不到分离要求。12气液传质设备的效率的表示方法气液传质设备的效率的表示方法5.1.2全塔全塔效率效率板板效率效率点

11、点效率效率等板等板高度高度5.1 气液传质设备的处理能力和效率气液传质设备的处理能力和效率13塔板塔板是塔设备中用来进行是塔设备中用来进行两相接触传质和流动再两相接触传质和流动再分布分布的平台。的平台。斜孔塔板斜孔塔板浮阀塔板浮阀塔板泡罩塔板泡罩塔板喷射填料塔板喷射填料塔板5.1.1 气液传质设备处理能力的影响因素气液传质设备处理能力的影响因素145.1.1 气液传质设备处理能力的影响因素气液传质设备处理能力的影响因素实际板与理论板的差异实际板与理论板的差异理理 论论 板板实实 际际 板板1. 离开板的气液相浓度离开板的气液相浓度达到达到平衡平衡；达到平衡要无限长时间。影响因素：达到平衡要无限

12、长时间。影响因素：塔板结构、流动情况和物性等。塔板结构、流动情况和物性等。2. 气液两相气液两相完全混合完全混合，板上浓度均一；板上浓度均一； 板上液相浓度径向分布，液体入口处板上液相浓度径向分布，液体入口处浓度高，进入的气相各点浓度不相同。浓度高，进入的气相各点浓度不相同。3. 均匀流动，各点均匀流动，各点停留停留时间相同时间相同；不均匀流动，各点停留时间不同。不均匀流动，各点停留时间不同。4. 无雾沫夹带、漏液、无雾沫夹带、漏液、液相泡沫夹带等液相泡沫夹带等。有雾沫夹带、漏液、液相泡沫夹带等。有雾沫夹带、漏液、液相泡沫夹带等。引入效率引入效率的概念的概念155.1.1 气液传质设备处理能力

13、的影响因素气液传质设备处理能力的影响因素 板效率板效率概述概述（1）板效率就是塔设备中）板效率就是塔设备中实际板与理论板差异实际板与理论板差异的的 定量描述。定量描述。（2）板效率与传质速率、板上汽液两相混合情）板效率与传质速率、板上汽液两相混合情 况、非理想流动以及级间返混（雾沫夹带，况、非理想流动以及级间返混（雾沫夹带， 泡沫夹带，漏液）等因素有关。泡沫夹带，漏液）等因素有关。165.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素气液传质设备的效率及其影响因素全塔效率（全塔效率（ET） 全塔效率全塔效率：完成给定分离任务所须理论板与实际板之比。：完成给定分离任务所须理论板与实际板之比。 全塔板效率

14、是板式塔分离性能的综合量度，它将各种全塔板效率是板式塔分离性能的综合量度，它将各种可能对塔分离效率有影响的因素全考虑在内。由于分离设可能对塔分离效率有影响的因素全考虑在内。由于分离设备的复杂性，所有这些因素与全塔效率的关系难以理清。备的复杂性，所有这些因素与全塔效率的关系难以理清。所以，关于全塔效率的可靠数据只能通过实验测定获得。所以，关于全塔效率的可靠数据只能通过实验测定获得。也有人对全塔效率进行关联，目前得到比较广应用的关联也有人对全塔效率进行关联，目前得到比较广应用的关联方法是方法是Oconncll的关联法。的关联法。15 实理NNET175.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素气液传

15、质设备的效率及其影响因素（1）气相默弗里效率：以组分）气相默弗里效率：以组分i的气相浓度表示。的气相浓度表示。默弗里（默弗里（Murphree）板效率）板效率 假定板间气相完全混合，气相以活塞流假定板间气相完全混合，气相以活塞流垂直通过液层。板上液体完全混合，其组成垂直通过液层。板上液体完全混合，其组成等于离开该板降液管中的液体组成。那么，等于离开该板降液管中的液体组成。那么，定义定义实际板上的浓度变化实际板上的浓度变化与与平衡时应达到的平衡时应达到的浓度变化浓度变化之比为默弗里板效率。之比为默弗里板效率。251,1,jijijijiMViyyyyExi,jyi,jjyi,j+1xi,j-1j

16、-1图图5-1185.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素气液传质设备的效率及其影响因素)1)(MLMLMLMVELmVEEE（3）气相默弗里效率和液相默弗里效率的关系）气相默弗里效率和液相默弗里效率的关系式中，式中，m为板上平衡线的斜率。为板上平衡线的斜率。当当mV/L=1时，时，EMV=EML；当；当mV/L1时，时，EMVEOG335.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素气液传质设备的效率及其影响因素液体在塔板上的非均匀流动液体在塔板上的非均匀流动板上环流情况板上环流情况345.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素气液传质设备的效率及其影响因素汽体流动情况对板效率的影响汽体流动情况

17、对板效率的影响（1）在板间的不完全混合在板间的不完全混合 实验研究表明，汽相在板间实验研究表明，汽相在板间的混合情况对板效率的影响较小。的混合情况对板效率的影响较小。（2）通过塔板不均匀分布通过塔板不均匀分布 将导致板上不同位置的汽液将导致板上不同位置的汽液接触时间不同，因而传质效果也接触时间不同，因而传质效果也不同；严重时可能导致局部穿流不同；严重时可能导致局部穿流和漏液。和漏液。355.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素气液传质设备的效率及其影响因素 1.液相在板上轴向不完全混合，使液相在板上轴向不完全混合，使EMV提高；液相在塔板提高；液相在塔板上横向流动能削弱液相不均匀流动的影响。

18、上横向流动能削弱液相不均匀流动的影响。 2.液相不均匀流动，尤其是环流，使液相不均匀流动，尤其是环流，使EMV明显下降。明显下降。 3.汽相在级间的不完全混合和通过塔板时不均匀流动对板汽相在级间的不完全混合和通过塔板时不均匀流动对板效率产生不利影响。效率产生不利影响。 4.在计算默弗里板效率（在计算默弗里板效率（EMVEOG）时只考虑了塔板上液）时只考虑了塔板上液体轴向流动的影响，没有考虑非理想流动的不利影响和液体轴向流动的影响，没有考虑非理想流动的不利影响和液相在板上横向流动的作用。相在板上横向流动的作用。流型和混合效应影响小结流型和混合效应影响小结365.1.2 气液传质设备的效率及其影响

19、因素气液传质设备的效率及其影响因素雾沫夹带的影响雾沫夹带的影响 雾沫夹带会将一部分重组分雾沫夹带会将一部分重组分直接带到上一层塔板，从而降低直接带到上一层塔板，从而降低了上层塔板上轻组分的浓度，抵了上层塔板上轻组分的浓度，抵消了部分分离效果，降低了板效消了部分分离效果，降低了板效率。率。 雾沫夹带实质上是一种级间雾沫夹带实质上是一种级间液体返混，会造成分离效果降低。液体返混，会造成分离效果降低。375.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素气液传质设备的效率及其影响因素Ea有雾沫夹带下的板效率；有雾沫夹带下的板效率；e单位液体流率的雾沫夹带量。单位液体流率的雾沫夹带量。20511aeeEEEM

20、VMVEa的简化：的简化： 所以，所以，Ea总是小于总是小于EMV的。的。并且，雾沫夹带越大，并且，雾沫夹带越大，e越大，越大，Ea越小。因此，在塔板设计中越小。因此，在塔板设计中应控制应控制e0.6m 不受限制不受限制 设备费用设备费用 小塔：小塔： 大大 小小 大塔：大塔： 小小 大大 操作弹性：操作弹性： 大大 小小（3）塔的操作方式塔的操作方式 间歇精馏：填料塔（减少中间馏分的采出）间歇精馏：填料塔（减少中间馏分的采出） 多股加料和侧线采出：板式塔（简便）多股加料和侧线采出：板式塔（简便）485.3 传质设备的选择传质设备的选择二、填料的选择二、填料的选择（1）材质选择材质选择 陶瓷、

21、金属、塑料等陶瓷、金属、塑料等 考虑：价格、硬度、腐蚀性考虑：价格、硬度、腐蚀性（2）种类种类 考虑：效率、压力、表面积、操作弹性等考虑：效率、压力、表面积、操作弹性等（3）尺寸尺寸 取适宜的塔径与填料尺寸大小的比值取适宜的塔径与填料尺寸大小的比值495.3 传质设备的选择传质设备的选择一、萃取设备的选择一、萃取设备的选择（1）所需理论级数所需理论级数 N 设备设备 23 都可以都可以 45 转盘塔、振动筛板塔、脉冲塔转盘塔、振动筛板塔、脉冲塔 5 混合澄清器混合澄清器（2）处理量处理量 处理量处理量 设备设备 大大 转盘塔、筛板塔、混合转盘塔、筛板塔、混合澄清器澄清器 小小 填料塔、脉冲塔、离心萃取器填料塔、脉冲塔、离心萃取器5.3.2 萃取设备的选择萃取设备的选择505.3 传质设备的选择传质设备的选择（3）停留时间停留时间 短：离心萃取器短：离心萃取器 长：混合长：混合澄清器澄清器（4）两相流量比两相流量比 过大：不易采用喷洒塔、填料塔和筛板塔，宜用混合过大：不易采用喷洒塔、填料塔和筛板塔，宜用混合- 澄清器和离心萃取器。澄清器和离心萃取器。（5）系统物理性质系统物理性质 粘度、密度差、界面张力粘度、密度差、界面张力 腐蚀性大的物系：喷洒塔，填料塔（结构简单）腐蚀性大的物系：喷洒塔，填料塔（结构简单） 固体悬浮物