分离设备处理能力和效率讲义

第五章分离设备处理能力和效率内容：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。第五章分离设备处理能力和效率第一节

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

传质设备的选择第一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。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。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）。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/理论板数二、效率率的影响响因素从机理上上分析1.传质质速率假设：a.板板上空空间气体体完全混混合，进进入液相相气体组组成与板板上位置置无关。。b.液液相组组成在垂垂直方向向上与液液层高度度(Z)无关。。有：气体体通过板板上dz的微元元高度时时i组分分的传递递量气相总传传质单元元数点效率)85(11--=-=--GaZKNOGYOGeeE由双膜理理论：2.流流型和和混合效效应二种极端端情况：：OGNOGMVeEE--==1(5-14)）（）（155]1[/--=llOGEMVeE两种极限限情况的的比较：：完全混合完全不混合图5-41mVL=l两条曲线之间。关系曲线位于图与45.-lMVOGMVEEEa美国化工工学会（（AIChE））模型：：条件：仅停留时时间均一一下纵向向混合（（无横向向混合））书中有错对（5——16））作图：：讨论：1.不不均匀匀流动、、环流对对塔板效效率产生生不利影影响（点效率率下降））；2.小小直径径塔，板板上液体体为完全全混合；；3.大大直径径塔，板板上液体体不混合合性增强强。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。3.雾沫沫夹带使重组分分含量高高的液体体进入上上层塔板板——上层层塔板轻轻组分浓浓度下降降雾沫夹带带对板效效率的影影响：4.物性性的影响响◆液体粘粘度粘度高，，两相接接触差，，扩散系系数低，，传质速速率低，，效率低低。精馏：一般在较较高温度度下操作作，效率率要高；；吸收：一般在较较低温度度下操作作，效率率要低。。◆密度梯梯度由于易挥挥发组分分气化，，靠近界界面处形形成一个个密度较较大区域域，位于于低密度度液体之之上，产产生上下下环流，，从而提提高传质质系数。。液体流动流动◆表面张张力易挥发组组分（MVC））表面张张力较小小———正系统易挥发组组分（MVC））表面张张力较大大——负系统表面张力力梯度对对泡沫稳稳定层的的影响：：液体流动流动低XMVC高表面张力高XMVC低表面张力自愈合的的正系统统低XMVC低表面张力高XMVC高表面张力自破坏的的负系统统正系统：：板式塔易易形成稳稳定的泡泡沫层，，填料塔易易形成稳稳定的液液体薄膜膜。负系统；；反之，泡泡沫、薄薄膜不稳稳定。提高传质效率◆喷雾状状态表面张力力梯度对对液滴生生成的效效应：液体蒸汽较低的表面张力低XMVC负系统：负系统，，液滴易易断裂，，板效率率高；正正系统反反之。传质设备备的选取取：正系统：：选用泡沫沫接触状状态方式式负系统：：选用喷射射接触状状态方式式液体蒸汽低XMVC正系统：较高的表面张力返回5.1.3气气液传传质设备备效率的的估计法法一、经验验法板式塔：：查图（（奥康奈奈尔法））填料塔：：求HETP二、机理理模型（用来预预测放大大后塔板板效率））美国化工工学会（（AIChE））提出方方法：（5-10）（（5-11）（（5-12）→→EOG、Pe查图5-5：由图5-8：由（5-20））：方法特点点：1.预预测放放大塔径径后的板板效率2.计计算复复杂习题：

P1811题表5-1萃取取设备的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第二节萃萃取设设备的处处理能力力和效率率5.2.1萃取设备备的处理理能力和和效率5.2.2影响萃取取塔效率率的因数数5.2.3萃取塔效效率返回一、设备备的特性性速度1.关系系式喷洒塔设：密度度小的相相为连续续相，连连续向上上运动;密度大的的相为分分散相，，液滴在在连续相相中自由由沉降。。——分散散相空塔塔速度m/s——连续续相空塔塔速度m/s——分散散相在塔塔内液相相中所占占体积分分率（滞滞液分率率）5.2.1萃萃取设备备的处理理能力和和效率cududfsmusmudcdd/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之间的关系与、、表示：tdcduuuf适用于喷洒塔———分散相相空塔速度度m/s——连续相相空塔速度度m/s——分散相相在塔内液液相中所占占体积分率率（滞液分分率）——单液滴滴在纯连续续相中的自自由沉降速速度，与操操作条件无关。cududftu对于其他类类型萃取设设备：由于接触方方式不同，，对（5——25）改改进.用于填料塔塔用于转盘塔塔用于脉冲筛筛板塔分散相液滴滴不断发生生该过程：：分散——凝凝聚——再再分散2.uk获取法1）测定；；2）由测定定值关联方方程：转盘塔：（（5-30））脉冲塔：（（5-31））二、临界持持液分率与与液泛速度度实际不存在不变Cu·泛点三、塔径的的计算◆填料塔的的液泛速度度如如图5-13。◆转盘塔液液泛速度：：◆脉冲筛板板塔液泛速速度：临界速度例5-2求求转盘塔塔的直径采用试差法法：设D=2.1m，验证后后圆整。习题：

P1824题返回5.2.2影响响萃取塔效效率的因数数一、分散相相液滴尺寸寸二、液滴内内的环流由双膜理论论：总传质阻力力=滴外阻阻力+滴内内阻力。一般：液滴外液体体流动阻力力小；液滴滴内液体不不流动阻力力大。当液滴作相相对运动时时，界面上上摩擦力诱诱导液滴内内环流，使使滴内阻力力减小。但：1.液滴尺寸过小

2.有少量表面活性剂抑制这种环流三、液滴的的凝聚和再再分散喷洒塔、筛筛板塔：由喷嘴、孔孔板分散；；填料塔：由填料分散散；转盘塔、脉脉动塔、离离心萃取器器：由外加能量量分散。分散的好坏坏与物系性性质有关，，液滴内侧侧传质分系系数很低，，若造成液液滴的凝聚聚和再分散散，可提高高滴内传质质分系数。。四、界面现现象表面张力、、表面浓度度液体从低表表面张力区区间向高表表面张力区区间流动(表面推动动力)。界面上不稳稳定浓度变变化引起不不稳定表面面张力变化化。1.规则型型讨论：静止两层液液体沿平界界面相互接接触情况设：a点浓度度大于b点点，且界面附近流流体从a点点向b点运运动，主流流体向a点点补充。——形成成旋转流环环，产生规规则运动。。传质方向界面··ab2相1相·c2.不规则则型由于B点浓浓度下降界界面从B点点开始扩展展，次界面面中液相向向表面B点点填补。由于补充液液体表面张张力比刚刚刚扩展出去去的液体高高（浓度低低），以至至使刚刚扩扩展出去的的液体微元元产生逆转转，围绕在在B周围的的液体都向向B聚集。。传质方向2相1相·CB·BC1讨论：一个湍流微微团从相1主体冲到界面面，界面处处溶质浓度变化很很大。2相1相B·低浓度液体填补B·c.由由于B周围围液体凝聚聚，终于形形成了一个个垂直于界界面的类似似于火山爆爆发的射流流，这一现现象称之于于迸发，使使局部界面面破裂。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。∴设计萃取取设备时，，由系统性性质正确选选择二相。。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.界面面骚动现象象对传质过过程的影响响二方面：a.由由界面张力力不同产生生界面液体体质点的抖抖动和开发发。——增强界界面附近湍湍动程度，，提高传质质系数b.影影响液体合合并和再分分散的速率率。——改变液液滴尺寸和和抑制传质质表面大小小4.密度度梯度的影影响密度自上而而下递增，，在重力场场作用下，，流体稳定定。例：甲苯相水相对于密度大大于水的乙乙酸：从水相向甲甲苯相扩散散——稳定从甲苯相向向水相扩散散——不稳定定稳定密度梯梯度，使界界面对流限限制在界面面附近；——对操作作有利不稳定密度度梯度，产产生离开界界面的旋涡涡，使之渗渗入到主体体相。——对操作作不利5.表表面活性剂剂的影响a.降降低液体表表面张力，，制止界面面湍动；b.在在界面形成成吸附层，，产生吸附附传质阻力力；c.抑抑制滴内流流体循环，，降低液体体沉降速度度。五.轴向向混合轴向混合：：非理想流动动，偏离活活塞流动各各种现象，，包括：反反混、前混混等。对于实际流流动：a.连连续相流流动方向速速度不均匀匀；b.由由上造成涡涡流，当局局部速度过过大，可能能夹带分散散相液滴，，造成分散散相反混。。c.分分散相液液滴大小不不均匀，上上升、下降降速度不同同，速度较较大的那部部分液滴造造成分散相相前混；d.分分散相液滴滴流速较大大时，也会会引起液滴滴周围连续续相反混。。轴向混合：：改变了两相相浓度沿轴轴向分布，，大大降低低了传质推推动力（图图5-20）∴中试试数据不能能用于工业业生产。一般：对于大型萃萃取塔，90%的塔高用于于补偿轴向向混合不利利影响。返回5.2.3萃取塔塔效率操作：微分分接触设备备HETS：：一个理论论级当量高高度（等板板高度）HTU：传传质单元高高度一、HETS塔高H=NT×（HETS）HETS计计算：a.实实验法（用用于放大））HETS由由小试结果果确定b.查查图法（用用于初步设设计）适用：转盘盘塔、震动动塔、低粘粘度物系。。二、HTU（1）活塞塞流模型假设：两相作活塞塞流动，轻轻相为萃取取相，重相相为萃余相相，相间的的传递仅在水平方方向。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（2）扩散散模型假设：除了相际传传质外，每每一相还存存在由于轴轴向混合所所引起的塔塔高方向的的溶质传递递。ux,X0uy,y0uy,y1ux,X1uy(y+dy)uy,yux,Xux(x+dx)Z=0Z=LZZ+dZ略返回第三节传传质设备的的选择5.3.1气液传质设设备的选择择5.3.2萃取设备的的选择返回5.3.1气液传质质设备的选选择一、板式塔塔和填料塔塔的选择考虑的问题题：（1）系统统物性腐蚀性：填填料塔易发泡：填填料塔易聚合或固固体：板式式塔热敏性、真真空操作：：填料塔高粘度：填填料塔明显热敏物物系：填料料塔（2）塔的的操作条件件板式填填料塔直径：>0.6m不不受受限制设备费用小小塔塔：大小小大塔：小大大操作弹性：：大大小小（3）塔的的操作方式式间歇精馏：：填料塔（减少中间馏馏分的采出出）多股加料和和侧线采出出：板式塔（简便）二、填料的的选择（1）材质质选择陶瓷、金属属、塑料考虑：价格格、硬度、、腐蚀性（2）种类类考虑：效率率、压力、、表面积、、操作弹性性等各类萃取设备的优缺点列入表5-35.3.2萃萃取设备备的选择（1）所需需理论级数数N设设备2—3都都可可以4—5转转盘塔塔、震动筛筛板塔、脉脉冲塔>5混混合澄清器器（2）处理理量处理量设备大转转盘盘塔、筛板板塔、混合合—澄清器器小填填料料塔、脉冲冲塔、离心心萃取器（3）停留留时间短：离心萃萃取器长：混合——澄清器（4）两相相流量比过大：不不易采用用各种塔（5）系统统物理性质质粘度、密度度差、界面面张力腐蚀性大的的物系：喷喷洒塔，填填料塔（结结构简单））固体悬浮物物：转盘塔塔或混合——澄清器（6）设备备费用无外加能量量设备：最最低离心萃取器器：最高（7）安装装场地高度、面积积二、分散相相的选择179页（（1）———（6）返回9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。04:24:1404:24:1404:2412/29/20224:24:14AM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2204:24:1404:24Dec-2229-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。04:24:1404:24:1404:24Thursday,December29,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2204:24:1404:24:14December29,202214、他他乡乡生生白白发发，，旧旧国国见见青青山山。。。。29十十二二月月20224:24:14上上午午04:24:1412月月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月224:24上上午午12月月-2204:24December29,202216、行动出出成果，，工作出出财富。。。2022/12/294:24:1404:24:1429December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。4:24:14上上午4:24上上午午04:24:1412月月-229、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。04:24:1404:24:1404:2412/29/20224:24:14AM11、成成功功就就是是日日复复一一日日那那一一点点点点小小小小努努力力的的积积累累。。。。12月月-2204:24:1404:24Dec-2229-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。04:24:1404:24:1404:24Thursday,December29,202213、不知香香积寺，，数里入入云峰。。。12月-2212月-2204:24:1404:24:14December29,202214、意志坚强强的人能把把世界放在在手中像泥泥块一样任任意揉捏。。29十二二月20224:24:14上上午04:24:1412月-2215、楚塞三湘湘接，荆门门九派通。。。。十二月224:24上上午12月-2204:24December29,202216、少年十五五二十时，，步行夺得得胡马骑。。。2022/12/294:24:1404:24:1429December202