化工分離過程

化工分離過程2024/3/25化工分離過程5.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力和效率5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因素5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素5.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計方法5.2萃取設(shè)備的處理能力和效率（自學(xué)）5.3傳質(zhì)設(shè)備的選擇5.3.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的選擇5.3.2萃取設(shè)備的選擇第五章分離設(shè)備的處理能力和效率2化工分離過程

本章將要研究傳質(zhì)設(shè)備問題，重點分析和討論影響氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力和效率的因素，確定效率的經(jīng)驗方法和機理模型。同時還對氣液和液液傳質(zhì)設(shè)備的選型問題進行了研討。第五章分離設(shè)備的處理能力和效率3化工分離過程5.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力和效率氣液分離設(shè)備分類微分接觸式（填料塔）氣液分離設(shè)備逐級接觸式（板式塔）4化工分離過程5.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力和效率逐級接觸式（板式塔）

在圓柱形殼體內(nèi)按一定間距水平設(shè)置若干層塔板，液體靠重力作用自上而下流經(jīng)各層板后從塔底排出，各層塔板上保持有一定厚度的流動液層；氣體則在壓強差的推動下，自塔底向上依次穿過各塔板上的液層上升至塔頂排出。氣、液在塔內(nèi)逐板接觸進行質(zhì)、熱交換，兩相組成沿塔高呈階躍式變化。板式塔溶劑氣體5化工分離過程5.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力和效率微分接觸式（填料塔）圓柱形殼體內(nèi)裝填一定高度的填料，液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料層頂部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流經(jīng)填料層后自塔底排出；氣體在壓強差推動下穿過填料層的空隙，由塔的一端流向另一端。氣液在填料表面接觸進行質(zhì)、熱交換，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化。溶劑填料塔氣體6化工分離過程5.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因素5.1.1液泛霧沫夾帶壓力降停留時間7化工分離過程5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因素夾帶液泛和溢流液泛夾帶液泛：過量液沫夾帶引起。板間距過小，塔板上操作液流量過大，上升氣速過高時，液體被氣體夾帶到上層塔板的量增加很快，塔板間將充滿氣、液混合物，引發(fā)液泛。溢流液泛：液體在降液管內(nèi)受阻不能及時往下流動而在板上積累所致。Hdhf+h

HTh0howhw8化工分離過程5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因素液泛的影響

任何逆流流動的分離設(shè)備的處理能力都受到液泛的限制，液泛氣速大，設(shè)備的處理能力大。對于板式塔氣液分離設(shè)備，液泛氣速隨L/V的減小和板間距的增加而提高。對于填料塔，由于規(guī)整填料的流道具有更大的連貫性，所以，對具有相同空隙率的填料塔，規(guī)整填料塔的處理能力比亂堆填料塔要大。此外，隨著L/V的減小，液體粘度（液膜厚度）的減小、填料空隙率的增加和比表面積的減少，液泛氣速增加。9化工分離過程5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因素霧沫夾帶的影響

霧沫夾帶是氣液兩相的物理分離不完全的現(xiàn)象，由于它對級效率有不利的影響，并增加了級間流量，在分離設(shè)備中霧沫夾帶常常表現(xiàn)為處理能力的極限。霧沫夾帶隨板間距的減小而增加，隨塔負荷的增加急劇上升。在低的L/V或低壓下，霧沫夾帶是限制處理能力的主要因素。10化工分離過程5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因素壓力降的影響與處理能力密切相關(guān)的另一個因素是接觸設(shè)備中的壓力降。對于減壓分離過程，壓力降存在某個上限，往往成為限制設(shè)備處理能力的主要因素。此外，在板式塔中，板與板之間的壓力降是構(gòu)成降液管內(nèi)液位高度的重要組成部分，因此，過高的壓力降就可能引起液泛。有效長度泡沫h(huán)lhfhowHTh011化工分離過程5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因素停留時間的影響

對于給定的設(shè)備，限制處理能力的另一個因素是獲得適宜效率所需要的流體的停留時間。

接觸相在設(shè)備內(nèi)的停留時間越長，則級效率越高，但處理能力低。若處理能力過高，物流通過一個級的流速增加，則級效率通常降低，產(chǎn)品達不到分離要求。12化工分離過程氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率的表示方法5.1.2全塔效率板效率點效率等板高度5.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力和效率13化工分離過程塔板是塔設(shè)備中用來進行兩相接觸傳質(zhì)和流動再分布的平臺。斜孔塔板浮閥塔板泡罩塔板噴射填料塔板5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因素14化工分離過程5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因素實際板與理論板的差異理論板實際板1.離開板的氣液相濃度達到平衡；達到平衡要無限長時間。影響因素：塔板結(jié)構(gòu)、流動情況和物性等。2.氣液兩相完全混合，板上濃度均一；板上液相濃度徑向分布，液體入口處濃度高，進入的氣相各點濃度不相同。3.均勻流動，各點停留時間相同；不均勻流動，各點停留時間不同。4.無霧沫夾帶、漏液、液相泡沫夾帶等。有霧沫夾帶、漏液、液相泡沫夾帶等。引入效率的概念15化工分離過程5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因素板效率概述（1）板效率就是塔設(shè)備中實際板與理論板差異的定量描述。（2）板效率與傳質(zhì)速率、板上汽液兩相混合情況、非理想流動以及級間返混（霧沫夾帶，泡沫夾帶，漏液）等因素有關(guān)。16化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素全塔效率（ET）

全塔效率：完成給定分離任務(wù)所須理論板與實際板之比。全塔板效率是板式塔分離性能的綜合量度，它將各種可能對塔分離效率有影響的因素全考慮在內(nèi)。由于分離設(shè)備的復(fù)雜性，所有這些因素與全塔效率的關(guān)系難以理清。所以，關(guān)于全塔效率的可靠數(shù)據(jù)只能通過實驗測定獲得。也有人對全塔效率進行關(guān)聯(lián)，目前得到比較廣應(yīng)用的關(guān)聯(lián)方法是O’conncll的關(guān)聯(lián)法。17化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素（1）氣相默弗里效率：以組分i的氣相濃度表示。默弗里（Murphree）板效率假定板間氣相完全混合，氣相以活塞流垂直通過液層。板上液體完全混合，其組成等于離開該板降液管中的液體組成。那么，定義實際板上的濃度變化與平衡時應(yīng)達到的濃度變化之比為默弗里板效率。xi,jyi,jjyi,j+1xi,j-1j-1圖5-118化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素（3）氣相默弗里效率和液相默弗里效率的關(guān)系式中，m為板上平衡線的斜率。當(dāng)mV/L=1時，EMV=EML；當(dāng)mV/L>>1時，EMV<<EML。（2）液相默弗里效率：以組分i的液相濃度表示。19化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素點效率假設(shè)：（1）板上液層在垂直方向均勻混合；（2）汽體呈活塞流通過液層。j-1jxi,j-1xi,jyi,j+1JJ，jiy,

′jix,

′圖5-2點效率模型20化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素默弗里板效率與點效率的主要區(qū)別1、默弗里板效率中的是離開塔板的液體平均組成的平衡氣相組成，而點效率中的為塔板上某點的液相組成平衡的氣相組成；2、點效率中的是離開塔板上某點的液體組成氣相組成，而默弗里板效率中的為離開液層的氣相組成；如果板上液體不僅在垂直方向上而且在水平方向也是混合均勻，塔板上各點的液相組成相同（且等于離開塔板的液相組成），則以上第一點消失；塔板上各點的液相組成相同，必使進入塔板的氣相組成也相同，塔板上各處的點效率相同，則塔板上各點的點效率相同，則第二點差別消失，此時默弗里板效率和點效率相同。21化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素填料塔的等板高度（HETP）（1）填料是塔設(shè)備中為提高氣液相接觸界面而放置的一些填充物。有散堆填料和規(guī)整填料兩種形式。散堆填料規(guī)整填料22化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素（2）HETP的概念HETP指的是填料的理論板當(dāng)量高度，即多少米高的填料相當(dāng)于一塊理論板。在工程設(shè)計計算中，填料層的理論高度計算就依賴于HETP：由于HETP受很多因素的影響，因此在計算或選擇使用HETP時要慎重考慮。23化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素（3）使用HETP的注意要點①液相的塔頂分布和再分布：分布是否均勻直接影響填料的潤濕，從而影響傳質(zhì)效果使HETP增大。因此，在選擇HETP時應(yīng)同時選擇與之配套的液體分布形式。②氣相進入填料層的初始分布：氣體分布不均會導(dǎo)致填料層中流動不均勻而出現(xiàn)傳質(zhì)情況不好。通常小徑塔不需要氣體分布器，但大塔則必須要有。在選擇HETP時要留有適當(dāng)?shù)挠嗟?。③物性：散堆填料，HETP通常與物性關(guān)系不大。規(guī)整填料在處理含水量高的物料或表面張力和液相粘度高的物料時，HETP也會高。24化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素

④操作壓力：10kPa~常壓范圍，壓力對HETP基本無影響；壓力小于10kPa，HETP隨壓力下降有所減??；高壓下，通常壓力增加，HETP也會增大。⑤最小噴淋密度：當(dāng)液體噴淋密度低于最小噴淋密度時，液體不能完全潤濕填料，傳質(zhì)效果會大幅度降低，HETP也會大幅度增加。⑥塔徑和填料層高度：塔徑和填料層高度選擇的前提是首先要保證汽液兩相在填料中充分接觸。塔徑過大，汽、液相的分布難度也大；塔徑過小，流動阻力加大。因此，在確定合適的HETP后，應(yīng)配一合適的塔徑和填料層高度。25化工分離過程氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率的影響因素5.1.2傳質(zhì)速率流型混合霧沫夾帶物性5.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力和效率26化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素傳質(zhì)速率j-1jxi,j-1xi,jyi,j+1JJ，jiy,

′jix,

′圖5-2點效率模型如圖5-2所示，假設(shè)板上空間的氣體完全混合，故進入液相的汽相組成與板上的位置無關(guān)，令板上的液層高度為Z，液體在板上流動路程的長度為L，假定液相組成在垂直方向上與Z無關(guān)，在水平方向上是L的函數(shù)。當(dāng)汽相通過板上液層高度為dZ的微元時，組分i的傳質(zhì)量為：27化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素對其沿料液高度積分，得：將其與點效率式關(guān)聯(lián)，得：微元28化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素氣相流率G一定時，EOG由兩相接觸情況決定，隨Z、a和Ky的增大而增大。所以，塔板上液層越厚，氣泡越分散，表面湍動程度越高，點效率也越高。29化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素

塔板上任意一點的液體都可能存在三個方向的混合：①沿液體流動方向的混合，稱為軸向混合；②垂直于塔板液面、沿汽流方向的混合，通常假定此方向的混合為完全混合；③在塔板平面上與液流方向垂直的混合，稱為橫向混合。對小塔徑塔板，其上面的液流可認為是完全混合，板上各點效率一樣，EMV=EOG。對大塔徑塔板，其上面的液流在軸向和橫向不會完全混合，EMV≠EOG。流型和混合效應(yīng)30化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素（1）液流在板上無軸向混合（活塞流）液流在板上無軸向混合時，即呈活塞流流動，這時，軸向濃度梯度最大。假設(shè)：汽相在板間完全混合；板上各點的點效率相等；則可從對微元體做物料衡算導(dǎo)出：31化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素（2）液流在板上軸向部分混合采用渦流擴散模型導(dǎo)出：式中：Pe為彼克來準數(shù)；tL為液體在板上的平均停留時間，s；DE為渦流擴散系數(shù)，m2/s。32化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素（1）DE→0時，Pe→∞，無返混，活塞流，EMV/EOG最大；（2）DE→∞時，Pe=0，全混合，EMV=EOG；（3）在Pe=0和Pe→∞之間，EMV>EOG33化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素液體在塔板上的非均勻流動板上環(huán)流情況34化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素汽體流動情況對板效率的影響（1）在板間的不完全混合實驗研究表明，汽相在板間的混合情況對板效率的影響較小。（2）通過塔板不均勻分布將導(dǎo)致板上不同位置的汽液接觸時間不同，因而傳質(zhì)效果也不同；嚴重時可能導(dǎo)致局部穿流和漏液。35化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素1.液相在板上軸向不完全混合，使EMV提高；液相在塔板上橫向流動能削弱液相不均勻流動的影響。2.液相不均勻流動，尤其是環(huán)流，使EMV明顯下降。3.汽相在級間的不完全混合和通過塔板時不均勻流動對板效率產(chǎn)生不利影響。4.在計算默弗里板效率（EMV~EOG）時只考慮了塔板上液體軸向流動的影響，沒有考慮非理想流動的不利影響和液相在板上橫向流動的作用。流型和混合效應(yīng)影響小結(jié)36化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素霧沫夾帶的影響霧沫夾帶會將一部分重組分直接帶到上一層塔板，從而降低了上層塔板上輕組分的濃度，抵消了部分分離效果，降低了板效率。霧沫夾帶實質(zhì)上是一種級間液體返混，會造成分離效果降低。37化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素Ea—有霧沫夾帶下的板效率；e—單位液體流率的霧沫夾帶量。Ea的簡化：所以，Ea總是小于EMV的。并且，霧沫夾帶越大，e越大，Ea越小。因此，在塔板設(shè)計中應(yīng)控制e<0.1，以減小不利影響。38化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素物性的影響（1）液體粘度粘度高，氣泡大，傳質(zhì)界面??；粘度高，液相擴散系數(shù)小，傳質(zhì)速率降低。所以，粘度高的液相板效率較低。溫度升高能降低粘度，提高板效率。（2）相對揮發(fā)度相對揮發(fā)度大，相當(dāng)于汽相溶解度低，平衡線斜率m大，液相流動阻力大，板效率低。39化工分離過程5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因素（3）表面張力和表面張力梯度

泡沫狀態(tài)時，表面張力對板效率的影響較?。粐娚錉顟B(tài)時，其影響有所增加。

表面張力梯度的影響分三種情況：①正系統(tǒng)：輕組分表面張力低于重組分的。適合于在泡沫狀態(tài)下操作。②負系統(tǒng)：輕組分表面張力高于重組分的。適合于在噴射狀態(tài)下操作。③中性系統(tǒng)：兩組分表面張力接近。兩種狀態(tài)操作均可。40化工分離過程5.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計方法獲取效率的途徑（1）實測：通過工廠或工業(yè)規(guī)模實驗裝置實測溫度、壓力和汽液相組成數(shù)據(jù)，推算出效率數(shù)據(jù)。這種方法最可靠。（2）測點效率推算：采用奧德肖塔試驗測取點效率，在用適當(dāng)?shù)姆椒ㄍ扑愠霭逍屎退?。這種方法獲取的點效率比較可靠。（3）中試數(shù)據(jù)測算：在中試裝置上測取相應(yīng)數(shù)據(jù)，推算出效率數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)應(yīng)用于工業(yè)裝置的前提是工業(yè)裝置中的操作狀態(tài)要與中試裝置的操作狀態(tài)相同。（4）經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式推算（5）半經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎?1化工分離過程5.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計方法經(jīng)驗法

（1）對板式塔常采用的估算板效率的經(jīng)驗法就是著名的奧康奈爾法（O’Conncll），它是通過一些實測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到的，如果所處理的物系與經(jīng)驗關(guān)聯(lián)所用的實測物系或與其性質(zhì)相近時，該法可以提供比較接近實際的塔效率估計值。（2）填料塔等板高度的大小不僅取決于設(shè)備結(jié)構(gòu)，填料的類型和尺寸，而且還與物系性質(zhì)和操作氣速有關(guān)，一般通過實驗測定或取工業(yè)設(shè)備的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。42化工分離過程5.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計方法機理模型

機理模型盡可能全面的考慮了各種傳質(zhì)和流體力學(xué)因素對效率的影響，被認為是比較反映實際情況的預(yù)測板效率的方法，其中以AIChE法為代表。AIChE法的具體估算步驟為：

（1）利用式（5-10）和（5-11）計算出板上的傳質(zhì)單元數(shù):

43化工分離過程5.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計方法（2）利用下式將傳質(zhì)單元數(shù)換算為點效率：（3）用式（5-17）計算板上的返混程度（計算Peclet準數(shù)），查圖5-5獲得干板效率EMV。（4）利用圖5-8和5-9求得霧沫夾帶量，利用下式計算在霧沫夾帶下的板效率。參見例［5-1］44化工分離過程5.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計方法多組分系統(tǒng)的效率（1）多組分的不利影響①各組分擴散系數(shù)不同，效率也不同；②分子間相互作用會影響關(guān)鍵組分的效率。（2）處理方法

①用奧德肖塔進行實測，以此推算各組分的效率。45化工分離過程5.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計方法②對各組分性質(zhì)相近的近乎理想的溶液，分子間相互作用可以忽略，在測算i組分時，其余組分合在一起視為一個虛擬組分，體系可作為二元體系考慮。③在設(shè)計計算的大多數(shù)情況下，近似以關(guān)鍵組分的效率作為其余組分的效率。若關(guān)鍵組分占物料的大部分，則關(guān)鍵組分分離的效率可近似取它們進行二元分離時的效率。多組分系統(tǒng)的效率46化工分離過程5.3傳質(zhì)設(shè)備的選擇5.3.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的選擇一、板式塔和填料塔的選擇（1）系統(tǒng)物性腐蝕性：填料塔（耐腐蝕的非金屬材質(zhì)填料）易發(fā)泡：填料塔（對泡沫有限制和破碎作用）易聚合或固體：板式塔（傳質(zhì)效果好）熱敏性、真空操作：填料塔（滯液量少、壓降小、t短）高粘度：填料塔（在板式塔中鼓泡效果差）明顯熱效應(yīng)：板式塔（便于安裝加熱和冷卻盤管）47化工分離過程5.3傳質(zhì)設(shè)備的選擇（2）塔的操作條件板式塔填料塔塔直徑：>0.6m不受限制設(shè)備費用小塔：大小大塔：小大操作彈性：大?。?）塔的操作方式間歇精餾：填料塔（減少中間餾分的采出）多股加料和側(cè)線采出：板式塔（簡便）48化工分離過程5.3傳質(zhì)設(shè)備的選擇二、填料的選擇（1）材質(zhì)選擇陶瓷、金屬、塑料等考慮：價格、硬度、腐蝕性（2）種類考慮：效率、壓力、表面積、操作彈性等（3）尺寸取適宜的塔徑與填料尺寸大小的比值49化工分離過程5.3傳質(zhì)設(shè)備的選擇一、萃取設(shè)備的選擇（1）所需理論級數(shù)N設(shè)備2—3都可以4—5轉(zhuǎn)