化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率

第五章分离设备处理能力和效率化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第1页!内容：1.影响传质设备效率的因数；2.确定效率的经验方法；3.设备选型。化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第2页!第五章分离设备处理能力和效率节

气液传质设备的处理能力和效率第二节

萃取设备的处理能力和效率第三节

传质设备的选择化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第3页!5.1.1气液传质设备处理能力的影响因素

传质设备：板式塔；填料塔液泛：板式塔：液泛气速随L/V下降而上升；随板间距增大而上升。填料塔：（包括规整或乱堆）L/V下降、液体粘度下降、填料孔隙率升高、比表面积下降都会使液泛速度上升。化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第4页!5.1.2气液传质设备的效率及其影响因素一、效率的表示方法

理论板与实际板比较：理论板实际板1.气液两相完全混合，板上浓度均一。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。化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第5页!j-1jXi,j-1Xi,jyi,j+1yi,j注意：1.2.不同组分计算结果不同（二元除外）。化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第6页!二、效率的影响因素

从机理上分析1.传质速率

假设：

a.板上空间气体完全混合，进入液相气体组成与板上位置无关。

b.液相组成在垂直方向上与液层高度(Z)无关。有：气体通过板上dz的微元高度时i组分的传递量

化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第7页!由双膜理论：化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第8页!）（）（155]1[/--=llOGEMVeE两种极限情况的比较：完全混合完全不混合图5-41mVL=l化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第9页!美国化工学会（AIChE）模型：条件：仅停留时间均一下纵向混合（无横向混合）书中有错化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第10页!综上所述：完全混合板效率等于点效率；液相纵向不完全混合，使对板效率起明显有利的影响；不均匀流动、环流会产生不利影响液相横向混合，能削弱这种的影响，使；随塔径增大，纵向不完全混合性的有利影响下降，不均匀流动趋于严重。化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第11页!4.物性的影响◆液体粘度粘度高，两相接触差，扩散系数低，传质速率低，效率低。精馏：一般在较高温度下操作，效率要高；吸收：一般在较低温度下操作，效率要低。◆密度梯度由于易挥发组分气化，靠近界面处形成一个密度较大区域，位于低密度液体之上，产生上下环流，从而提高传质系数。化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第12页!◆喷雾状态表面张力梯度对液滴生成的效应：液体蒸汽较低的表面张力低XMVC负系统：负系统，液滴易断裂，板效率高；正系统反之。传质设备的选取：正系统：选用泡沫接触状态方式负系统：选用喷射接触状态方式液体蒸汽低XMVC正系统：较高的表面张力返回化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第13页!由图5-8：化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第14页!习题：

P1811题化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第15页!第二节萃取设备的处理能力和效率5.2.1萃取设备的处理能力和效率5.2.2影响萃取塔效率的因数5.2.3萃取塔效率返回化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第16页!smusmudcdd/1/ff-连续相液体速度：分散相液体速度：（注：方向相反））（215-dcddsuuuff-+=\1两相的相对速度：）（）（）（）代入（将：dtdccdpsdCddmugduffmrrfrfrr-=--=-+=111821）（245-液体混合物—连续相；—分散相；—度：在混合液中自由沉降速个液体由斯托克斯定律计算单）（mcdcmdpsgdumrr182-=：分散相液体平均直径Pd化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第17页!对于其他类型萃取设备：

由于接触方式不同，对（5—25）改进.化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第18页!用于脉冲筛板塔分散相液滴不断发生该过程：

分散——凝聚——再分散2.uk获取法1）测定；2）由测定值关联方程：

转盘塔：（5-30）脉冲塔：（5-31）化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第19页!化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第20页!例5-2求转盘塔的直径化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第21页!习题：

P1824题返回化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第22页!三、液滴的凝聚和再分散喷洒塔、筛板塔：由喷嘴、孔板分散；填料塔：由填料分散；转盘塔、脉动塔、离心萃取器：由外加能量分散。

分散的好坏与物系性质有关，液滴内侧传质分系数很低，若造成液滴的凝聚和再分散，可提高滴内传质分系数。四、界面现象

表面张力、表面浓度

液体从低表面张力区间向高表面张力区间流动(表面推动力)。界面上不稳定浓度变化引起不稳定表面张力变化。化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第23页!2.不规则型

由于B点浓度下降界面从B点开始扩展，次界面中液相向表面B点填补。由于补充液体表面张力比刚刚扩展出去的液体高（浓度低），以至使刚刚扩展出去的液体微元产生逆转，围绕在B周围的液体都向B聚集。传质方向2相1相·CB·BC1讨论：一个湍流微团从相1主体冲到界面，界面处溶质浓度变化很大。2相1相B·低浓度液体填补B·c.由于B周围液体凝聚，终于形成了一个垂直于界面的类似于火山爆发的射流，这一现象称之于迸发，使局部界面破裂。化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第24页!4.密度梯度的影响

密度自上而下递增，在重力场作用下，流体稳定。例：甲苯相水相对于密度大于水的乙酸：

从水相向甲苯相扩散——稳定

从甲苯相向水相扩散——不稳定稳定密度梯度，使界面对流限制在界面附近；——对操作有利

不稳定密度梯度，产生离开界面的旋涡，使之渗入到主体相。

——对操作不利化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第25页!

c.分散相液滴大小不均匀，上升、下降速度不同，速度较大的那部分液滴造成分散相前混；

d.分散相液滴流速较大时，也会引起液滴周围连续相反混。轴向混合：改变了两相浓度沿轴向分布，大大降低了传质推动力（图5-20）∴中试数据不能用于工业生产。一般：对于大型萃取塔，90%的塔高用于补偿轴向混合不利影响。返回化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第26页!二、HTU（1）活塞流模型假设：两相作活塞流动，轻相为萃取相，重相为萃余相，相间的传递仅在水平方向。EdyRdxdNdZ==内的传质速率：被萃取物在）（）（）（455**--=-=\dZyyaAKdZxxaAKdNtytxdFyyKdFxxKdNyx）（）（由传质速率方程：-=-=**R,X0R,X1E,y0E,y1E,yE,y+dyR,XR,X+dXdZ化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第27页!化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第28页!（2）扩散模型假设：除了相际传质外，每一相还存在由于轴向混合所引起的塔高方向的溶质传递。ux,X0uy,y0uy,y1ux,X1uy(y+dy)uy,yux,Xux(x+dx)Z=0Z=LZZ+dZ化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第29页!第三节传质设备的选择5.3.1气液传质设备的选择5.3.2

萃取设备的选择返回化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第30页!（2）塔的操作条件

板式填料塔直径：>0.6m不受限制设备费用小塔：大小大塔：小大操作弹性：大小（3）塔的操作方式间歇精馏：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）化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第31页!各类萃取设备的优缺点列入表5-35.3.2萃取设备的选择化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第32页!（3）停留时间

短：离心萃取器长：混合—澄清器（4）两相流量比

过大：不易采用各种塔（5）系统物理性质

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）固体悬浮物：转盘塔或混合—澄清器化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第33页!节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数5.1.2气液传质设备的效率及其影响因数5.1.3气液传质设备效率的估计法返回化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第34页!雾沫夹带

——分离过程中为处理能力的极限

表示方式：雾沫夹带量或泛点百分率板间距下降、塔负荷上升会使雾沫夹带量上升。压力降（与处理能力有关）（表面张力，塔负荷，液体粘度，板间距）

真空操作：有一上限

板式塔：构成降液管内液位高度重要组成部分，压力降大，液位高，若很大，就会产生液泛。停留时间停留时间长，效率高，处理能力低；停留时间短，效率低，处理能力高，产品质量差。返回化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第35页!有雾沫夹带、漏液、液相夹带汽相等。4.无雾沫夹带、漏液、液相夹带汽相等。不均匀流动，各点停留时间不同。3.均匀流动，各点停留时间相同。达到平衡要无限长时间。影响因素：塔板结构，流动情况、物性、平衡关系。2.离开板的气液相浓度达到平衡传质量：实际板理论板∴引入效率概念化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第36页!j-1jXi,j-1Xi,jyi,j+1JJ，假设：流体垂直方向完全混合在一垂直处J—J′处：jiy,′jix,′4.填料塔的等板高度HETP

HETP=填料层高度/理论板数化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第37页!气相总传质单元数点效率)85(11--=-=--GaZKNOGYOGeeE化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第38页!2.流型和混合效应二种极端情况：OGNOGMVeEE--==1(5-14)化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第39页!两条曲线之间。关系曲线位于图与45.-lMVOGMVEEEa化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第40页!对（5—16）作图：讨论：1.不均匀流动、环流对塔板效率产生不利影响（点效率下降）；2.小直径塔，板上液体为完全混合；3.大直径塔，板上液体不混合性增强。化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第41页!3.雾沫夹带

使重组分含量高的液体进入上层塔板——上层塔板轻组分浓度下降雾沫夹带对板效率的影响：化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第42页!液体流动流动◆表面张力易挥发组分（MVC）表面张力较小——正系统易挥发组分（MVC）表面张力较大

——负系统表面张力梯度对泡沫稳定层的影响：液体流动流动低XMVC高表面张力高XMVC低表面张力自愈合的正系统低XMVC低表面张力高XMVC高表面张力自破坏的负系统正系统：板式塔易形成稳定的泡沫层，填料塔易形成稳定的液体薄膜。负系统；反之，泡沫、薄膜不稳定。提高传质效率化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第43页!5.1.3气液传质设备效率的估计法一、经验法板式塔：查图（奥康奈尔法）填料塔：求HETP二、机理模型（用来预测放大后塔板效率）美国化工学会（AIChE）提出方法：（5-10）（5-11）（5-12）→EOG、Pe查图5-5：化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第44页!由（5-20）：方法特点：

1.预测放大塔径后的板效率2.计算复杂化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第45页!表5-1萃取设备的分类型式逐级接触式微分接触式无外加能量筛板塔喷洒塔、填料塔具有外加能量搅动混合澄清器搅拌填料塔转盘塔搅拌挡板塔脉冲脉冲筛板塔脉冲混合澄清器脉冲填料塔离心力逐极接触离心萃取器连续接触离心萃取器返回化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第46页!一、设备的特性速度1.关系式喷洒塔设：密度小的相为连续相，连续向上运动;密度大的相为分散相，液滴在连续相中自由沉降。——分散相空塔速度m/s——连续相空塔速度m/s——分散相在塔内液相中所占体积分率（滞液分率）5.2.1萃取设备的处理能力和效率cududf化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第47页!之间的关系与、、表示：tdcduuuf适用于喷洒塔———分散相空塔速度m/s——连续相空塔速度m/s——分散相在塔内液相中所占体积分率（滞液分率）——单液滴在纯连续相中的自由沉降速度，与操作条件无关。cududftu化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第48页!用于填料塔用于转盘塔化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第49页!二、临界持液分率与液泛速度实际不存在不变Cu·泛点化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第50页!三、塔径的计算◆填料塔的液泛速度如图5-13。◆转盘塔液泛速度：◆脉冲筛板塔液泛速度：临界速度化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第51页!采用试差法：设D=2.1m，验证后圆整。化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第52页!5.2.2影响萃取塔效率的因数一、分散相液滴尺寸二、液滴内的环流

由双膜理论：总传质阻力=滴外阻力+滴内阻力。一般：液滴外液体流动阻力小；液滴内液体不流动阻力大。

当液滴作相对运动时，界面上摩擦力诱导液滴内环流，使滴内阻力减小。但：1.液滴尺寸过小

2.有少量表面活性剂抑制这种环流化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第53页!1.规则型讨论：静止两层液体沿平界面相互接触情况设：a点浓度大于b点，且界面附近流体从a点向b点运动，主流体向a点补充。——形成旋转流环，产生规则运动。传质方向界面··ab2相1相·c化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第54页!2.界面张力梯度对液滴大小的影响溶质从液滴相向连续相传递时，若：液滴稳定性差，液膜稳定性好，液滴不易合并。形成的液滴平均直径较小，相际接触表面较大。∴设计萃取设备时，由系统性质正确选择二相。b.溶质从连续相向液滴相传递时，若：液膜稳定性差，形成的液滴易合并，液滴平均直径大，相际接触表面小。3.界面骚动现象对传质过程的影响二方面：a.由界面张力不同产生界面液体质点的抖动和开发。

——增强界面附近湍动程度，提高传质系数b.影响液体合并和再分散的速率。

——改变液滴尺寸和抑制传质表面大小化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第55页!5.表面活性剂的影响

a.降低液体表面张力，制止界面湍动；

b.在界面形成吸附层，产生吸附传质阻力；

c.抑制滴内流体循环，降低液体沉降速度。五.轴向混合

轴向混合：非理想流动，偏离活塞流动各种现象，包括：反混、前混等。对于实际流动：

a.连续相流动方向速度不均匀；

b.由上造成涡流，当局部速度过大，可能夹带分散相液滴，造成分散相反混。化工分离过程课件陈洪钫,刘家祺编第五章分离设备的处理能力和效率共64页，您现在浏览的是第56页!5.2.3萃取塔效率操作：微分接触设备HETS：一个理论级当量高度（等板高度）HTU：传质单元高度一、HETS塔高H=NT×（HETS）HETS计算：

a.实验法（用于放大）HETS由小试结果确定b.查图法（用于初步设计）