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1、第五章 分离设备处理能力和效率,教师：何寿林制作：何寿林,内容：1.影响传质设备的因数；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数,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、
2、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）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数,一、效率的表示方法 理论板与实际板比较：,引入效率概念,注意：1.2.不同组分计算结果不同（二元除外）。,4.填料塔的等板高度 HETP HETP=填料层高度/理论板数,二、
3、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,气相总传质单元数,由双膜理论：,2.流型和混合效应 二种极端情况：,两种极限情况的比较：,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,对（516）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.小直经塔，板上液体为完全混合；3.大直经塔，板上液体不混合性增强。,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
4、下降雾沫夹带对板效率的影响：,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。,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：,自愈合的正系统,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。,喷雾状态 表面张力梯度对液滴生成的效应：,负系统
5、，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,返回,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：,由图5-8：,由（5-20）：,方法特点：1.预测放大塔径后的板效率 2.计算复杂,表5-1 萃取设备的分类,返回,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,一
6、、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,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。,对于其他类型萃取设备：由于接触方式不同，对（525）改进.,用于填料塔,用于转盘塔,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
7、塔：（5-31）,二、临界持液分率与液泛速度,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,例5-2 求转盘塔的直径,采用试差法：设D=2.1m，验证后圆整。,返回,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：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。,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
8、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。,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。,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。,讨论：一个湍流微团从相1主 体冲到界面，
9、界面处溶质 浓度变化很大。,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。,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
10、尺寸和抑制传质表面大小,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：,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,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，
11、造成分散相反混。,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,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）适用：转盘塔、震动塔、低粘度物系。,二、HTU（1）
12、活塞流模型 假设：两相作活塞流动，轻向为萃取相，重相为萃余相，相间的传递仅在水平方向。,（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。,返回,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,5.3.1气液传质设备的选择,一、板式塔和填料塔的选择考虑的问题：（1）系统物性 腐蚀性：填料塔 易发泡：填料塔 易聚合或固体：板式塔热敏性、真空操作：填料塔 高粘度：填料塔 明显热敏物系：填料塔,（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
13、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）,二、填料的选择（1）材质选择陶瓷、金属、塑料考虑：价格、硬度、腐蚀性（2）种类考虑：效率、压力、表面积、操作弹性等,5.3.2 萃取设备的选择,（1）所需理论级数 N 设备 23 都可以 45 转盘塔、震动筛板塔、脉冲塔 5 混合澄清器（2）处理量处理量 设备 大 转盘塔、筛板塔、混合澄清器 小 填料塔、脉冲塔、离心萃取器,（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,（6）设备费用 无外加能量设备：最低 离心萃取器：最高（7）安装场地 高度、面积二、分散相的选择 179页（1）（6）,返回,
