分离设备处理能力和效率概述

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1、第1节 气液传质设备的处理能力和效率 第2节 萃取设备的处理能力和效率 第3节 传质设备的选择,第5章 分离设备选择和放大,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（膜的厚度）下降、填料孔隙率升高、比表面积下降都会使液泛气速上升。 液泛气速增大，说明处理能力增大。,雾沫夹带 分离过程

2、中为处理能力的极限。 表示方式：雾沫夹带量或泛点率（板式塔而言） 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：压力降有一上限。 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,泛点率简单说就是实际气速跟泛点气速的比值。,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：,所以， 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

3、料层高度/理论板数,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,气相总传质单元数,点效率,由双膜理论：,m平衡常数,（10-12）,（10-13）,2. 流型和混合效应 二种极端情况：,（10-16）,两种极限情况的比较：10-16，10-17作图,（10-17）,10-5,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）,（10-18）,P435,（10-14）,对（516）作图：,讨论： 1

4、. 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。,10-5,3.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：,eEMV,(10-22),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

5、 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，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： （10-10）（10-11）（10-12）E

6、OG、Pe 查图10-5：,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10-2 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,5.2.1 萃取设备的处理能力和效率,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）,单个液滴在纯连续相中的自由沉降速度,ud 分散相空塔速度

7、 m/s uc 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） ut 单液滴在纯连续相中的自由沉降速度，与操作条件无关（与空塔气速，滞液分率等无关）。,(10-38) = (10-41)，故,（10-42）,若固定一相速度，改变另一相速度，必将改变滞液分率。,对于其他类型萃取设备： 由于接触方式不同，对（10-41）改进。,（10-43）,特性速率,用于填料塔,用于转盘塔,（10-44）,（10-45）,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：,（10-46）,转盘塔： （10-47） 脉冲塔： （10

8、-48）,d0筛孔直径；d分散相粘度； f输入能量因子；,对于正弦脉冲，,两相密度差,表面张力,转盘直径,转盘转速,固定环内径,转盘直径,转盘间距,塔径,二、临界持液分率与液泛速度,临界滞液分率,(10-43),液泛时两相的空塔速度,（10-50）,（10-51）,（10-52）,以上两式消去uK，可得,（10-52）不含特性常数uK，表明dF只与u dF/u CF有关， 与物性、液滴尺寸、设备类型无关。 4.若联立求解以上三方程，得（u dF+u CF）/u K与 u d/u C的关系曲线。见 图10-19。,图10-19,可见，分散相和连续相流率 u d/u C的很小时，能达到较大 的总容

9、量；随着u d/u C的增大， 总容量趋于极限值。,填料塔的液泛速度 如图5-13。,10-20。,图10-20 填料塔的液泛速度,三、塔径的计算,脉冲筛板塔液泛速度：,临界速度,（10-47）,(10-52),(10-50),(10-53),(10-54),(10-55),(10-56),(10-57),VC连续相体积流率,Vd分散相体积流率,转盘塔液泛速度：,例10-3 求转盘塔的直径,（10-50）,采用试差法：设D=2.1m，验证后圆整。,(10-52),（10-47）,5.2.2 影响萃取塔效率的因数,二、液滴内的环流,一、分散相液滴的尺寸,图10-23 滴内环流,由双膜理论：总传质

10、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

11、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。,界面张力梯度,图10-24 规则型界面对流,1 2，,2.不规则型,图10-25 不规则型界面对流,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，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

12、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,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

13、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，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

14、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）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。,塔横截面积,传质单元高

15、度,传质单元数,1)ln,（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,(5-29),(5-30),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,各类萃取设备的优缺点列入表10-8。,表10-8 各类萃取设备的优缺点,（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