分離工程萃取

分離工程萃取第一頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程目錄簡(jiǎn)介萃取設(shè)備萃取過(guò)程的基本原理萃取設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例第二頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程

液-液萃取也稱為溶劑萃取。是一個(gè)重要的傳質(zhì)分離過(guò)程。在液-液萃取過(guò)程中，含有待分離組分（溶質(zhì)A）的液相（料液F，為溶質(zhì)A溶解于載體C的溶液，萃取后成為萃余相），與另一個(gè)與之不互溶或部分互溶的液相（溶劑S）接觸，由于溶劑S也能溶解溶質(zhì)A，但不能或極少溶解C，溶質(zhì)A通過(guò)相際傳質(zhì)進(jìn)入溶劑S，成為萃取相E，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶質(zhì)A的提取，即A和C的分離。這是一個(gè)包含A、C和S的三元體系的萃取過(guò)程。如果料液中含有多種溶質(zhì)，由于溶劑S對(duì)它們的溶解度不同，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的分離。簡(jiǎn)介第三頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程第四頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程由于溶質(zhì)在兩個(gè)液相中的分配平衡的限制，通常通過(guò)一次液-液平衡接觸不能完全達(dá)到分離或提取率的要求。在這種情況下，需要通過(guò)多級(jí)逆流接觸才能達(dá)到要求。第五頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程據(jù)Derry和Williams研究，最早的液-液萃取實(shí)踐在羅馬時(shí)代即有了，當(dāng)時(shí)采用熔融的鉛為溶劑從熔融的銅中分離金和銀，然后再用硫選擇性溶解銀，分別得到金和銀。1842年，E.-M.佩利諾研究了用乙醚從硝酸溶液中萃取硝酸鈾酰。1903年，L.Edeleanu用液態(tài)二氧化硫作為萃取劑從煤油中萃取芳烴，以生產(chǎn)清潔的液體燃料。這是萃取的第一次工業(yè)應(yīng)用。第六頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程

對(duì)萃取技術(shù)的大規(guī)模研究和開(kāi)發(fā)始于第二次世界大戰(zhàn)期間。當(dāng)時(shí)，由于原子能研究和應(yīng)用的需要，對(duì)于鈾、釷、钚等放射性元素的萃取提取和分離進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究，開(kāi)發(fā)研究了具有良好分離性能的萃取劑（溶劑），并發(fā)展了相應(yīng)的萃取設(shè)備如脈動(dòng)塔和混和澄清槽等，使萃取技術(shù)迅速走向了大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。當(dāng)時(shí)萃取技術(shù)應(yīng)用的另一個(gè)重要進(jìn)展是青霉素的提取，它與青霉素的深層發(fā)酵技術(shù)一起，使青霉素的大規(guī)模低成本生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)，成為二十世紀(jì)醫(yī)藥工業(yè)重要的技術(shù)進(jìn)步之一。第七頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程現(xiàn)在萃取技術(shù)已在各方面獲得了廣泛的應(yīng)用：煉油和石化工業(yè)中石油餾分的分離和精制，如烷烴和芳烴的分離、潤(rùn)滑油精制等；濕法冶金，鈾、釷、钚等放射性元素、稀土、銅等有色金屬、金等貴金屬的分離和提取；磷和硼等無(wú)機(jī)資源的提取和凈化；醫(yī)藥工業(yè)中多種抗生素和生物堿的分離提取；食品工業(yè)中有機(jī)酸的分離和凈化；環(huán)保處理中有害物質(zhì)的脫除等。第八頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程通常在以下數(shù)種情況下，采用萃取作為分離方法比蒸餾更有效或有利：對(duì)有機(jī)或水溶液中的無(wú)機(jī)物質(zhì)的分離；被分離物質(zhì)的濃度很低(如油脂中色素和激素)；高沸點(diǎn)低含量的物質(zhì)的回收；熱敏性物質(zhì)的回收；對(duì)于依據(jù)混合物體系的化學(xué)性質(zhì)而不是揮發(fā)度而進(jìn)行分離的情況；對(duì)于非常接近于冰點(diǎn)或沸點(diǎn)的液體的分離（可利用此時(shí)溶解度差異的增加）；共沸體系的分離。第九頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程萃取設(shè)備

混和澄清槽非機(jī)械攪拌塔機(jī)械攪拌塔離心萃取機(jī)第十頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程

不同的萃取體系的物性（粘度、密度差和界面張力等）的變化范圍很廣，分離要求也不同。為此，萃取設(shè)備的種類很多，以適應(yīng)各種要求。有些萃取設(shè)備和汽液接觸設(shè)備（蒸餾、吸收、汽提等）很相似，如噴淋塔、填料塔、篩板塔等，但這些設(shè)備通常只能用在物系粘度很小、密度差較大、界面張力適中以及分離要求不是很高的場(chǎng)合。由于液-液系統(tǒng)的特殊性，需要選擇適合其特點(diǎn)的設(shè)備。大部分萃取設(shè)備都需外加機(jī)械能促進(jìn)分散或兩相分離，如機(jī)械攪拌式萃取設(shè)備和離心式萃取設(shè)備。第十一頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程混和澄清槽

混和澄清槽是較早開(kāi)發(fā)使用的一種萃取設(shè)備。在混和澄清槽中，輕相和重相首先被引入到混和槽中，通過(guò)機(jī)械攪拌使兩相密切接觸，然后流到澄清槽中，進(jìn)行重力分相。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的混和槽具有很高的傳質(zhì)效率，可以達(dá)到接近于單個(gè)理論平衡級(jí)的效果（80%-90%甚至更高）。第十二頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程混和槽和攪拌槳第十三頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程澄清液相在澄清槽中主要依靠重力作用進(jìn)行分相。因此，必須有足夠的停留時(shí)間使兩相充分澄清。如果僅僅依靠重力還不足以使兩相澄清，例如產(chǎn)生了乳化現(xiàn)象，可考慮采用輔助助凝措施，如在澄清槽內(nèi)放置絲網(wǎng)助凝、電破乳、使用破乳劑等。

第十四頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程澄清槽第十五頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程箱式混和澄清槽第十六頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程混合澄清槽的應(yīng)用場(chǎng)合1.萃取級(jí)數(shù)很少時(shí)，如單級(jí)操作，簡(jiǎn)單易行。2.級(jí)數(shù)很多時(shí)，幾十甚至幾百級(jí)，分離要求很精細(xì)，要求保證穩(wěn)定的級(jí)效率。缺點(diǎn)：1.占地面積大；2.動(dòng)力消耗大（電機(jī)傳動(dòng)阻力）；3.密閉性差：萃取劑揮發(fā)損失，同時(shí)污染環(huán)境第十七頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程箱式混和澄清槽用于稀土萃取第十八頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程噴淋塔、填料塔和篩板塔

這三種萃取塔是由常見(jiàn)的氣液接觸設(shè)備發(fā)展而來(lái)。用噴嘴實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)液相（分散相）在另一個(gè)液相（連續(xù)相）中的分散，靠?jī)上嗟拿芏炔顚?shí)現(xiàn)逆流流動(dòng)。這類塔的傳質(zhì)效率不是很高。第十九頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程機(jī)械攪拌塔如果界面張力較大、兩相密度差較小、液體粘度較大，單靠重力不足于使一個(gè)液相很好地分散到另一個(gè)液相中，產(chǎn)生足夠的傳質(zhì)相界面和湍動(dòng)。這些情況在液-液萃取中是常見(jiàn)的。這時(shí)，需要通過(guò)外加機(jī)械能量的方法來(lái)促進(jìn)液-液分散和流體湍動(dòng)，增加傳質(zhì)相界面，以及減少傳質(zhì)阻力。第二十頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程

對(duì)于填料塔和篩板塔，可以通過(guò)使流體脈動(dòng)的方法來(lái)進(jìn)行攪拌。脈動(dòng)塔在核工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，更通常的方法是采用某種形式的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌（轉(zhuǎn)盤塔）或振動(dòng)攪拌（振動(dòng)板塔）的形式。在1947年以前，如果要進(jìn)行需要很多平衡級(jí)的萃取過(guò)程，可以選擇的設(shè)備主要是混和澄清槽，這需要大量的馬達(dá)、泵和復(fù)雜的管道。而各種攪拌塔的發(fā)明，使得采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高而成本低的萃取設(shè)備成為可能。第二十一頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程第二十二頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程轉(zhuǎn)盤塔轉(zhuǎn)盤塔（RDC）是一種常用的攪拌萃取塔。它的攪拌組件是由裝在中心軸上的一系列圓盤組成，依靠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)盤對(duì)流體的剪切力分散液滴。裝在塔壁處的一系列定環(huán)起限制返混的作用。轉(zhuǎn)盤塔操作穩(wěn)定、通量大，在工業(yè)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。是最常用的萃取設(shè)備之一。第二十三頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程開(kāi)式渦輪轉(zhuǎn)盤塔開(kāi)式渦輪轉(zhuǎn)盤塔是對(duì)轉(zhuǎn)盤塔改進(jìn)而成。主要是在轉(zhuǎn)盤面向分散相流動(dòng)方向的一面加上三片窄的泵式葉片，造成同一隔室內(nèi)上、下部分?jǐn)嚢鑿?qiáng)度的差異。其總的效果是在全塔內(nèi)形成較均勻的液滴分布（較大的傳質(zhì)比表面）、較強(qiáng)的液體湍動(dòng)和較小的返混。因而傳質(zhì)效率較轉(zhuǎn)盤塔有較大的提高。第二十四頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程開(kāi)式渦輪轉(zhuǎn)盤塔與轉(zhuǎn)盤塔的傳質(zhì)性能的比較第二十五頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程Karr式振動(dòng)篩板塔第二十六頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程離心萃取機(jī)Podbielniak離心萃取機(jī)離心萃取機(jī)特別適用于兩相密度差很小或易乳化的物系，由于物料在機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間很短，因而也適用于化學(xué)和物理性質(zhì)不穩(wěn)定的物質(zhì)的萃取，如從發(fā)酵液中提取青霉素等抗生素。第二十七頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程用于青霉素萃取的離心萃取機(jī)第二十八頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程根據(jù)體系物性和分離要求選擇萃取設(shè)備萃取時(shí)物性參數(shù)：1.兩相密度差：兩相流動(dòng)的推動(dòng)力2.界面張力：影響兩相混合和分散3.粘度：影響分散相液滴穩(wěn)定性，傳質(zhì)系數(shù)大小第二十九頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程萃取單元操作的基本理論液-液相平衡萃取平衡理論級(jí)數(shù)和萃取過(guò)程的計(jì)算液-液兩相的流動(dòng)特征液-液相際傳質(zhì)軸向混和（返混）萃取設(shè)備的設(shè)計(jì)第三十頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程萃取工藝條件的選擇和設(shè)備的設(shè)計(jì)基于給定的分離目標(biāo)，選擇合適的萃取劑取得萃取體系的相平衡數(shù)據(jù)確定萃取工藝路線和條件（溫度、進(jìn)料濃度、相比、級(jí)數(shù)）選擇合適的萃取設(shè)備，設(shè)計(jì)尺寸大小。第三十一頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程萃取流程第三十二頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程影響萃取過(guò)程的因素料液流量、組成、溫度和壓力流程安排方式溶質(zhì)的萃取率要求分離度的要求所選用的溶劑（萃取劑）操作溫度操作壓力（大于系統(tǒng)的泡點(diǎn)）最小溶劑流量、操作相比、回流比等平衡級(jí)數(shù)乳化和生成界面污物的傾向界面張力、兩相密度差、流體的粘度是否有表面活性物質(zhì)的存在萃取設(shè)備的類型萃取設(shè)備的幾何尺寸和攪拌功率等第三十三頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程溶劑的選擇：

理想的萃取溶劑的特點(diǎn)與被萃取相不互溶或只有很小的互溶度對(duì)被萃取組分（溶質(zhì)）具有大的飽和溶解度，對(duì)溶質(zhì)和被萃取相中的其它組分有高的選擇性必須考慮萃取后萃取相中的溶質(zhì)的回收的難易大的兩相密度差、適中的界面張力、小的粘度以及在操作條件下的穩(wěn)定性無(wú)毒、不燃或不易燃、無(wú)腐蝕性、成本低廉第三十四頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程Feed(C+A)Solvent(S)Extract(S+A)Raffinate(C)分配系數(shù)和選擇性系數(shù)分配系數(shù)（分配比）選擇性系數(shù)（分離系數(shù)）相比第三十五頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程液-液三元體系的等溫相圖(a)一對(duì)部分互溶組分(溶質(zhì)與溶劑完全互溶)，為大部分體系的情況；(b)兩對(duì)部分互溶組分(溶質(zhì)與溶劑部分互溶)，例如：正庚烷-苯胺-甲基環(huán)己烷、苯乙烯-乙苯-二甘醇、氯苯-水-甲乙酮等。第三十六頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程三角相圖的解讀第三十七頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程共軛曲線：對(duì)平衡結(jié)線的圖解關(guān)聯(lián)第三十八頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程逆流萃取過(guò)程的平衡級(jí)數(shù)的計(jì)算F=料液的質(zhì)量流率S=溶劑的質(zhì)量流率En=離開(kāi)第n級(jí)萃取相流率Rn

=離開(kāi)第n級(jí)的萃余相流率(yi)n

=離開(kāi)第n級(jí)的萃取相中組分i的質(zhì)量分率(xi)n

=離開(kāi)第n級(jí)的萃余相中組分i的質(zhì)量分率第三十九頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程HunterandNash圖解法乙二醇(A)-糠醛(S)-水(C)S/F=0.4，對(duì)于(xA)Rn

=0.025第四十頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程操作點(diǎn)和操作線第四十一頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程平衡級(jí)數(shù)的確定對(duì)于S/F=0.4，和（xA)RN=0.025，約需2.8平衡級(jí)。第四十二頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程直角三角圖解法第四十三頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程多級(jí)逆流萃取的實(shí)驗(yàn)?zāi)M以四級(jí)模擬為例第四十四頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程液-液兩相接觸的流動(dòng)特征和傳質(zhì)液-液兩相接觸過(guò)程中，一個(gè)液相為連續(xù)相，另一個(gè)液相為分散相，分散成液滴與連續(xù)相接觸。因此，液-液兩相的流動(dòng)特征與液滴（或液滴群）的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)；相際傳質(zhì)即為液滴與連續(xù)相之間的傳質(zhì)。第四十五頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程平均液滴直徑和相際比表面積

分散相被分散成一群大小不等的液滴，為方便起見(jiàn)，其平均液滴直徑由下式定義：這樣，單位液體體積的相際比表面積即為式中D

為分散相在全部液體中所占的體積比率，稱為分散相滯留率(dispersedphaseholdup)。第四十六頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程特征速度連續(xù)相和分散相在萃取設(shè)備中作逆向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。假定連續(xù)相為重相，分散相為輕相，則連續(xù)相向下流動(dòng)，而分散相呈液滴向上運(yùn)動(dòng)。單個(gè)液滴的自由運(yùn)動(dòng)（浮升或沉降）速度稱為終端速度ut，但液滴群的運(yùn)動(dòng)與單液滴不同，我們用特征速度uo來(lái)表征設(shè)備（萃取塔）中兩相的運(yùn)動(dòng)特征。第四十七頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程第四十八頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程

滑移速度（slipvelocity）是兩相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度：式中UD和UC分別是分散相和連續(xù)相的表觀速度。假定連續(xù)相相對(duì)靜止，ur是表示分散相液滴相對(duì)于流動(dòng)相的運(yùn)動(dòng)速度，推動(dòng)力為液滴密度和液體混合物密度之差,即ur=K(ρM-ρD)g=K(ρC-ρD)(1-φD)g。

而在相同設(shè)備、相同攪拌強(qiáng)度下，單個(gè)液滴在均勻的連續(xù)相中上浮，速度為uo，uo=K(ρC-ρD)g近似地，可以認(rèn)為ur=uo(1-φD)第四十九頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程考慮到液滴之間相互作用對(duì)流速的影響，Gyler，Pratt等人提出了特征速度uo的概念。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于給定的液液體系，滑移速度可表示為：

ur=uo(1-φD)uo取決于物性參數(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)和攪拌強(qiáng)度，與分散相滯留率D、連續(xù)相和分散相的流速UC、UD無(wú)關(guān)。因此有第五十頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程液泛萃取塔中兩相的逆流流動(dòng)是在重力驅(qū)動(dòng)下的液滴群和連續(xù)相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，兩相流量不能隨意增加，當(dāng)超過(guò)限度時(shí)，分散相將在塔中積累、聚并，并阻止連續(xù)相的流動(dòng)，稱之為發(fā)生了液泛。液泛時(shí)，塔的正常操作被破壞。發(fā)生液泛的情況有兩種：1.流量過(guò)大；2.攪拌強(qiáng)度過(guò)高。應(yīng)控制流量和攪拌強(qiáng)度。第五十一頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程液泛時(shí)，此時(shí)第五十二頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程萃取塔內(nèi)的分散相滯留率分布是不均勻的，因此液泛常在塔內(nèi)某一局部首先發(fā)生。在大部分情況下，φD未達(dá)到(φD)f，就會(huì)發(fā)生液泛。此時(shí)，塔的通量(UD+UC)f

往往比上述公式計(jì)算的要小。例如，對(duì)于轉(zhuǎn)盤塔和Karr塔，液泛通量往往只是計(jì)算值的50%。第五十三頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程相際傳質(zhì)

在界面無(wú)傳質(zhì)阻力的情況下，運(yùn)動(dòng)的液滴與連續(xù)相流體之間的傳質(zhì)過(guò)程包括滴內(nèi)和滴外傳質(zhì)。液滴的內(nèi)部是液體，由于受與之相對(duì)運(yùn)動(dòng)的外部流體的剪切力的影響，液滴的內(nèi)部流體可能會(huì)產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)和湍動(dòng)，使傳質(zhì)速率大大提高。液滴也會(huì)產(chǎn)生形狀的變化，產(chǎn)生擺動(dòng)和振動(dòng)等，這些都會(huì)影響萃取過(guò)程的傳質(zhì)行為。液滴的傳質(zhì)過(guò)程貫串液滴的形成階段、自由運(yùn)動(dòng)階段和聚并階段，但通常主要考慮自由運(yùn)動(dòng)階段的傳質(zhì)。第五十四頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程液滴在界面張力和摩擦力作用下，產(chǎn)生內(nèi)循環(huán)第五十五頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程滴內(nèi)傳質(zhì)停滯液滴（剛性液滴）：滴內(nèi)層流內(nèi)循環(huán):（Krong-Brink）滴內(nèi)湍流內(nèi)循環(huán):（Handlos-Baron）滴內(nèi)層流內(nèi)循環(huán)時(shí)，kD較剛性液滴提高了2.7倍。而湍流循環(huán)下，kD與擴(kuò)散無(wú)關(guān)。（理論解）第五十六頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程滴外傳質(zhì)對(duì)停滯液滴對(duì)循環(huán)液滴對(duì)擺動(dòng)液滴第五十七頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)阻力連續(xù)相傳質(zhì)系數(shù)：分散相傳質(zhì)系數(shù)：考慮了界面阻力：當(dāng)萃取相為連續(xù)相時(shí)第五十八頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程

理論級(jí)當(dāng)量高度法:

傳質(zhì)單元法:有效塔高的計(jì)算：第五十九頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程傳質(zhì)單元數(shù)和傳質(zhì)單元高度（活塞流）圖中，萃取相為分散相第六十頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程傳質(zhì)單元高度（活塞流）

在設(shè)計(jì)工業(yè)規(guī)模的萃取塔之前，可在小規(guī)模設(shè)備中進(jìn)行傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)，此時(shí)的流動(dòng)形態(tài)接近于活塞流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得相應(yīng)的傳質(zhì)單元高度HTU，可用于工業(yè)設(shè)計(jì)。第六十一頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程軸向混和

萃取塔內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)偏離活塞流假定，統(tǒng)稱為軸向混和。軸向混和可由下列因素形成：連續(xù)相內(nèi)由濃度梯度造成的分子擴(kuò)散以及渦流擴(kuò)散；由液滴運(yùn)動(dòng)造成的連續(xù)相環(huán)流運(yùn)動(dòng)；分散相液滴尾流造成的連續(xù)相夾帶；由機(jī)械攪拌造成的連續(xù)相和分散相循環(huán)流動(dòng)；兩相流動(dòng)的速度梯度和溝流等造成的停留時(shí)間分布。軸向混和降低了設(shè)備內(nèi)傳質(zhì)的平均濃度梯度，對(duì)傳質(zhì)有明顯的影響。第六十二頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程軸向混和降低了傳質(zhì)推動(dòng)力第六十三頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程描述軸向混和的擴(kuò)散模型第六十四頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程擴(kuò)散模型中所作的簡(jiǎn)化假設(shè)：連續(xù)相和分散相的軸向擴(kuò)散分別用軸向擴(kuò)散系數(shù)定量表示；兩相的表觀速率恒定，而且在每個(gè)橫截面上均勻分布；溶質(zhì)的體積傳質(zhì)總系數(shù)恒定；兩相間只有溶質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)傳遞；被萃取的溶質(zhì)在兩相間分配比恒定。第六十五頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程擴(kuò)散模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式第六十六頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程無(wú)因次化，設(shè)則第六十七頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程邊界條件第六十八頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程

由于計(jì)算數(shù)學(xué)的發(fā)展，擴(kuò)散模型的微分方程組，已不再注重于模型的簡(jiǎn)化和解析求解。擴(kuò)散模型可以較好地描述連續(xù)相的軸向混和。但是，分散相實(shí)際是一群大小不等的液滴組成，而擴(kuò)散模型卻將其當(dāng)作擬均相處理，與實(shí)際情況有較大的偏差。因此，許多學(xué)者專門對(duì)分散相的返混進(jìn)行了研究。例如，前混模型、前混-返流模型等，可以在一定程度上較好地描述分散相的軸向混和。第六十九頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程擴(kuò)散模型的近似解法(MiyauchiandVermeulen):

為了利用擴(kuò)散模型方便地解決工程計(jì)算問(wèn)題（用于計(jì)算塔的有效段高度），發(fā)展了多種近似計(jì)算方法。其中，Miyauchi和Vermeulen的方法應(yīng)用較廣。他們把按活塞流假定核算得到的傳質(zhì)單元高度稱為表觀傳質(zhì)單元高度，HTUOXP=H/NTUOXP，把扣除軸向混和影響計(jì)算得到的傳質(zhì)單元高度稱為真實(shí)傳質(zhì)高度，HTUOX=UX/(kOXa)，把由于軸向混和而增加的傳質(zhì)單元高度稱為分散單元高度HTUOXD，這樣第七十頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程

設(shè)計(jì)計(jì)算的原始數(shù)據(jù)為兩相進(jìn)、出口濃度、兩相表觀流速、平衡關(guān)系、實(shí)驗(yàn)測(cè)定的或通過(guò)關(guān)聯(lián)式計(jì)算的軸向擴(kuò)散系數(shù)，以及真實(shí)傳質(zhì)單元高度HTUOX和表觀傳質(zhì)單元數(shù)NTUOXP。計(jì)算采用迭代法。（1）計(jì)算塔高的初值H0，當(dāng)萃取因子E=mUx/Uy=1時(shí)，有然后根據(jù)H0進(jìn)行以下一系列計(jì)算：（2）計(jì)算第七十一頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程（3）計(jì)算分散傳質(zhì)單元數(shù)NTUOXDDc為特征尺寸，當(dāng)特征尺寸取H時(shí)，B=H/H=1第七十二頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程（4）計(jì)算分散單元高度HTUOXD（5）計(jì)算表觀傳質(zhì)單元高度HTUOXP（6）計(jì)算塔高H比較計(jì)算值和初值，如符合預(yù)期精度則計(jì)算結(jié)束，否則繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算直至精度符合要求。第七十三頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程萃取設(shè)備的設(shè)計(jì)，主要是在萃取過(guò)程要求已確定、萃取設(shè)備也已初步選定后，進(jìn)行設(shè)備的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸計(jì)算和操作條件的確定。在這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常需要進(jìn)行必要的小試和中試實(shí)驗(yàn)，以針對(duì)具體的體系，確定必要的參數(shù)。萃取設(shè)備的設(shè)計(jì)第七十四頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程以萃取塔為例，需要通過(guò)設(shè)計(jì)確定的有塔徑、塔高、攪拌參數(shù)（轉(zhuǎn)速或振動(dòng)頻率和振幅）以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。根據(jù)兩相流量，可以確定塔的液泛點(diǎn)，進(jìn)而確定正常操作范圍，以此可以知道塔徑的大小，同時(shí)，通過(guò)特征速度的計(jì)算（通過(guò)實(shí)驗(yàn)或關(guān)聯(lián)式）可以得到有關(guān)攪拌參數(shù)和分散相滯留率，進(jìn)而獲得有關(guān)傳質(zhì)表面積的數(shù)據(jù)。第七十五頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程塔的高度須根據(jù)分離要求確定，對(duì)此，必須考慮軸向混和的影響。塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)所選塔型的結(jié)構(gòu)特征來(lái)確定。除此以外，還要確定分散相分布器和塔的絮凝段的設(shè)計(jì)，以保證良好的分散和萃取后兩相完善的分相等。第七十六頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程轉(zhuǎn)盤塔的設(shè)計(jì)特征幾何尺寸第七十七頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程轉(zhuǎn)盤塔內(nèi)流體的流型第七十八頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程轉(zhuǎn)盤塔的功率消耗

全塔功耗第七十九頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程單位質(zhì)量的液體得到的功率為一般認(rèn)為，當(dāng)功率因子時(shí)，萃取效率最高。第八十頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程轉(zhuǎn)盤塔的操作區(qū)域第八十一頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程特征速度Logsdail關(guān)聯(lián)式第八十二頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程Laddha關(guān)聯(lián)式，在無(wú)傳質(zhì)時(shí)第八十三頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程在傳質(zhì)情況下，蘇元復(fù)等對(duì)Laddha關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了修正，如下圖所示：圖中，橫坐標(biāo)為在區(qū)域I，Laddha式關(guān)聯(lián)結(jié)果Uo顯著低于實(shí)驗(yàn)值。第八十四頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程蘇元復(fù)等的修正關(guān)聯(lián)式，該式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。第八十五頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程液泛和通量第八十六頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日分離工程Stemerding建議，對(duì)連續(xù)相的軸向混和系數(shù)上式系在直徑為64mm、300mm和640mm的轉(zhuǎn)盤塔中測(cè)定的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到的，據(jù)實(shí)踐，在直徑為2180mm的轉(zhuǎn)盤塔中也適用。對(duì)分散相的軸向混和系數(shù)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取軸向混和第八十七頁(yè)，共九十三頁(yè)，編輯于2023年