化工原理：第10章 传质设备

1、第10章 传质设备10.1 传质设备概述蒸馏、吸收、萃取均是典型传质单元操作实现传质单元操作的设备为传质设备传质设备的共同特点： 两相物质充分接触，实现传质 很好实现两相物质分离衡量传质设备优劣的指标：生产能力 通过单位截面积的流体流量分离效率 相同操作条件，完成同样分离要求所需要的设备体积操作弹性 生产负荷在一定范围内波动，仍能正常操作，且满足分离要求阻力 流体流过设备的阻力损失结构简单 易于加工制造、易于检修传质设备分类 气液传质设备 液液传质设备大多传质设备是塔 板式塔 填料塔（1） 板式塔结构 功能：为混合物的气、液两相提供多级的充分、有效的接触与及时、高效分离的条件。进料回流液塔顶气

2、相塔底液相10.2 气液传质设备10.2.1 板式塔汽、液两相接触方式 两相流动的推动力 全塔：逆流接触塔板上：错流接触液体：重力气体：压力差塔板结构气体通道 形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等，对塔板性能影响很大。 降液管（液体通道） 液体流通通道，多为弓形。 受液盘 塔板上接受液体的部分。 溢流堰 使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。浮阀塔内部结构10.2.2 填料塔塔填料选择塔填料性能流体力学性能、传质性能性能参数公称直径：表示填料大小，mm比表面积（a）：m2/m3，越大传质面越大空隙率（）： m3/m3，越大，液体通过量越大，气体阻力越小干填料因子：a/ 3，1/m，表示填料的

3、流体力学性能湿填料因子（） ：当填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，此时a 、 变化， a/ 3 ， 代表了实际操作时填料流体性能填料性能评价：分离能力、处理能力、压力降、抗堵塞能力、液相分布均匀、润湿性能好分类散堆填料环形鞍形球形拉西环鲍尔环阶梯环弧鞍（贝鞍）矩鞍（英特洛克斯）金属环矩鞍规整填料波纹型隔栅型丝网波纹孔板波纹格利希隔栅塔填料分类与结构散堆填料、规整填料散堆填料环形填料拉西环1914年，拉西，标志填料进入科学轨道缺点：容易产生搭桥、空穴，导致偏流、沟流、壁流持液量大，气体折返路径长，导致气体阻力大、通量小优点：开发早、数据全、结构简单、价格便宜外径与高相等圆环十字环拉西环材

4、料：瓷质、金属拉西环衍生型勒辛环内螺旋环开孔环形填料针对拉西环气体阻力大，开孔鲍尔环40年代，德国BASF公司主要是金属的同样尺寸、材质，空隙率、比表面积相同（拉西环）气液分布改善，气阻减小，效率提高30以上，通量增加50阶梯环环高为直径的1/3，1/2填料之间点式接触，填料均匀、空隙率大，通量增加1020。弧鞍形：表面利用率高，阻力小，表面易重合。矩鞍形：表面利用率高，阻力小，表面不对称金属环矩鞍形：通量大、传质效率高球形填料塔填料分类与结构规整填料相同尺寸的填料单元，以整砌的方式装填板波纹、网波纹高效填料气体通量大、阻力小、传质效率高、加工方便、造价低、应用广泛瑞士苏尔寿Mellapak1

5、25y(x),250y(x),.美国NortonIntalox1T,2T,3T,4T,5T美国格里奇Gempak0.5A,1A,1.5A,2A.德国MontzMontzpakB1-100,B1-200,.塔填料选择塔填料分类与结构规整填料网波纹比表面积更大，润湿性更好，传质效率更高，压降小，处理量大造价高a填料因子钢拉西50mm1100.95130钢鲍尔50mm112.30.949131钢阶梯50mm109.20.95127.4金环矩鞍50mm74.90.9684.7125Y1250.98125250Y2500.97填料结构参数对比某些填料的等板高度 mm填料尺寸253850矩鞍4305507

6、50鲍尔环420540710环鞍430530650板波纹250Y500Y700Y等板高度350250150网波纹250AX500BX700CY等板高度330200100高效填料芬斯克填料：细金属丝做成的弹簧型填料直径2.4mmHETP：2558mm麦克马洪填料：金属沙网做成的鞍型填料HETP：2550mm玻璃丝，耐腐蚀压缩孔环填料：薄金属片卷成，刺针状小孔HETP：50200mm 环形填料高效填料1.61.6 3900 90 203.23.2 2400 93 306.46.4 1000 95 40aHETP（2） 液体分布器作用：使液体能够均匀地分布在填料层上。类型：多孔型、溢流型。分布器指标

7、：布液点密度（单位面积上布液点数）布液点的布液均匀性散堆填料：50100板波纹： 100丝网波纹：300(a)莲蓬头式（3）液体收集及再分布装置作用：将上段填料层流下的液体收集充分混合后，重新分布 在下段填料层上。形式：(a)截锥型(b)“罗赛脱”型百叶窗式液体搜集器（4）气体分布器作用：使气体能够均匀分布。形式：塔气体分布器小塔气体分布器大塔气体分布器（5）除沫装置作用：回收气体夹带的液沫和雾滴。形式：折流板式除沫器 旋转板式除沫器（6）填料支承板作用：支撑填料及其所持液体。形式：(a)栅板驼峰型支撑板栅格型支撑板（7）填料限定装置填料塔的流体力学性能（1）填料塔的压力降气体进出口、分布器、

8、再分布器、填料、支撑板、压板、除沫器除沫器：120250Pa主要 填料 恒持液区； 载点； 载液区； 液泛点； 液泛区。 说明：通常情况下，填料塔应在载液区操作。 气体通过填料层压降示意图L=00100.011.00.10.060.040.020.20.40.6234680.0010.010. 10.080.060.020.040. 80.0061.00.0020.0080.0040. 60. 40. 24050200015020030040050010001001500 Eckert 泛点关联图整砌拉西环泛点线散堆填料泛点线p/z（2）泛点率指：塔内操作气速与泛点气速的比值，一般要求在 50

9、%80%。泛点气速的计算：100.011.00.10.060.040.020.20.40.6234680.0010.010. 10.080.060.020.040. 80.0061.00.0020.0080.0040. 60. 40. 24050200015020030040050010001001500 Eckert 泛点关联图整砌拉西环泛点线散堆填料泛点线p/z（3）填料塔的持液量 在一定的操作条件下，单位体积填料层内的液体体积。静持液量填料表面被充分润湿后，在没有气液相间粘滞力 作用的条件下，能静止附着在填料表面的液体体积。总持液量在一定操作条件下，单位体积填料层中液相总体积。动持液量总

10、持液量与静持液量间的差值。三者之间的关系为：说明：目前，主要以实验的方法确定填料层的持液量。当泛点率 金属 塑料相同材料，小尺寸 大尺寸恒持液区（4）气体动能因子定义式：气体动能因子是填料塔重要的操作参数。不同填料适宜动能因子不同，见P265 表填料塔的传质性能 表征填料塔传质性能的参数 ：传质系数或传质单元高度。（1）传质系数关联式气膜传质系数：液膜传质系数： 填料湿润表面积： 恩田（Onda）关联式：（2）修正的恩田关联式气膜传质系数：液膜传质系数：针对薄壁开孔填料设计内容：塔填料的选择、塔径的计算、填料层高度的计算、液体分布器和液体再分布器的设计、气体分布装置的设计、填料支撑装置的设计等

11、。填料塔工艺设计简介（1）塔径计算通常取操作空塔气速 根据气体处理量qVGs与空塔气速u, 按下式计算塔径：（2）填料层高度计算按前述方法计算填料层高度。说明：经过一定高度的填料层后应设置液体收集装置，并进行 液体的再分布，以保证气液两相处于良好的分布状态。设计步骤：（1）针对物系及分离要求，选择 适宜填料；（2）确定塔径（考虑喷淋密度）；（3）计算塔高（考虑分段高度）；（4）塔内件设计。10.3 液液传质设备 要求：提供适宜的传质条件，使两相充分有效地接触并伴有较高程度的湍流，保证两相之间迅速有效地进行传质，并使两相得到及时、完善的分离。 分类： （1）按两相接触方式划分 逐级接触浓度呈阶跃

12、式变化， 微分接触式浓度连续变化。 （2） 按外界是否输入机械能划分 重力流动设备、外加能量的设备。 （3）按设备结构特点和形状划分 组件式由单级萃取设备组合； 塔式板式塔、喷洒塔、填料塔。10.3.1 混合 澄清槽（1）结构混合澄清器轻相重相重相轻相（2）优点 处理量大，级效率高； 结构简单，容易放大和操作； 两相流量比范围大，运转稳定可靠，易于开、停工； 对物系的适应性好，对含有少量悬浮固体的物料也能处理； 易实现多级连续操作，便于调节级数。不需高大的厂房和 复杂的辅助设备。（3）缺点 占地大，溶剂储量大。 需要动力搅拌和级间物流输送设备，设备费和操作费较高。（4）应用 适用于所需级数少、

13、处理量大的场合。Elgin型喷淋萃取塔轻相重相轻相重相Elgin型喷淋萃取塔10.3.2 塔式萃取设备 （1）喷洒塔（喷淋塔）特点：无塔内件，阻力小，结构简单，投资少易维护。两相很难均匀分布，轴向反混严重，理论级数不超过12级；湍流度低，传质系数小；液滴一旦合并，很难再分散。轻相重相轻相重相（2）筛板萃取塔 萃取过程中的筛板塔轻液轻液重液重液筛板轻液分散在重液内的混合液分散相聚集界面溢流管塔板上两相流动情况：为保证筛板塔正常操作，应考虑以下几点： 分散相应均匀地通过全部筛孔，防止连续相短路而降低分离效率；两相在板间分层明显，而且要有一定高度的分散相累积层。轻液分散的筛板萃取塔轻液向上流相界面轻

14、液筛板降液管重液向下流挡板分散的轻液轻液向上流相界面重相液滴筛板升液管重液向下流挡板重液重液分散的筛板萃取塔（3）填料萃取塔特点：填料萃取塔结构简单，造价低廉，操作方便，级效率较低，在工艺要求的理论级小于3，处理量较小时可考虑采用。 填料萃取塔轻液轻液重液重液液液相界面填料（4）转盘萃取塔特点：结构简单，造价低廉，维修方便，操作弹性和通量较大，应用较广。轻液轻液重液重液界面格栅定环转盘 转盘萃取塔10.3.3 离心萃取器优点：处理量大，效率较高，提供较多理论级，结构紧凑，占地面积小，应用广泛。缺点：能耗大，结构复杂，设备及维修费用高。应用：适用于要求接触时间短，物流滞留量低，易乳化，难分相的物

15、系。驱动槽轮轻相进重相出转鼓清洗通道栓塞轻相出重相进机械密封 波式离心萃取器示意图10.3.4 萃取设备的选择选择原则：（1）稳定性及停留时间 稳定性差 停留时间尽可能短离心萃取器； 伴有较慢的化学反应时停留时间长混合-澄清槽。（2）所需理论级数 需理论级数少（23级） 各种萃取设备； 需理论级数45级 转盘塔、脉冲塔和振动筛板塔； 需理论级更多 离心萃取器或多级混合-澄清槽。（3）物系的分散与凝聚特性 物系易乳化，不易分相 离心萃取器； 物系界面张力较小，或两相密度差较大 重力流动式。（4）生产能力 生产处理量小 填料塔或脉冲塔； 生产处理量大 筛板塔，转盘塔，混合-澄清槽等。（5）防腐蚀及

16、防污染要求 具有腐蚀性 结构简单的填料塔； 具有污染性 屏蔽性能良好的脉冲塔。（6）建筑物场地要求 空间高度有限 混合-澄清槽； 占地面积有限 塔式萃取设备。蒸馏时相对挥发度越大的两组分越易分离，相对挥发度越小则越难分离 在最小回流比Rmin条件下，其精馏操作线必定通过其q线与平衡线的交点e。 易挥发组分在气相中的分压必大于难挥发组分的分压 在理想体系气液平衡状态下，气相中轻组分的组成必大于液相中轻组分的组成 判断题精馏段及提馏段操作线必定为一直线 R不变，q增大精馏段液相流量随之增大 R不变， q增大再沸器热流量随之提高 判断题完成规定分离要求，最小回流比Rmin条件所需理论板数最少，全回流条件下所需理论板最多 当低于Rmin时，精馏塔就无法操作。 只要提高回流比，就可提高产品质量。 只要保证足够的理论板数就可达到分离要求。全回流操作两操作线与对角线重合 判断题填空题精馏塔分离二元理想体系，当操作压强降低，相对挥发度 ，泡点 ，塔顶蒸汽冷凝温度 。二元理想体系精馏，当增大回流比，其他操作条件不变，则精馏段液气比 ，提馏段液气