[精选]第5章分离设备处理能力和效率(4).pptx

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 别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、比外表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 别离过程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局部，压力降大，液位高，假设很大，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：理理 论论 板板实实 际际 板板 1.气液两相完全混合，气液两相完全混合，板上浓度均一。板上浓度均一。板上液相浓度径向分板上液相浓度径向分布，液体入口处浓度高，布，液体入口处浓度高，进入的气相各点浓度不进入的气相各点浓度不相同。相同。有雾沫夹带、漏液、液有雾沫夹带、漏液、液相夹带汽相等。相夹带汽相等。4.无雾沫夹带、漏液、无雾沫夹带、漏液、液相夹带汽相等。液相夹带汽相等。不均匀流动，各点停留不均匀流动，各点停留时间不同。时间不同。3.均匀流动，各点停均匀流动，各点停留时间相同。留时间相同。达到平衡要无限长时间。达到平衡要无限长时间。影响因数：塔板结构，流影响因数：塔板结构，流 动情况、物性、动情况、物性、平衡关系。平衡关系。2.离开板的气液相浓离开板的气液相浓度达到平衡度达到平衡传质量：传质量：实际板实际板理论板理论板所以，所以，引入效率概念。引入效率概念。j-1jxi,j-1xi,jyi,j+1yi,j 注意：注意：1.2.不同组分计算结果不同（二不同组分计算结果不同（二元除外）。元除外）。j-1jxi,j-1xi,jyi,j+1JJ，假设：流体垂直方向完全混合假设：流体垂直方向完全混合在一垂直处在一垂直处 JJ处：处：jiy,jix,4.填料塔的等板高度 HETP HETP=填料层高度/理论板数二、效率的影响因素二、效率的影响因素 从机理上分析从机理上分析1.传质速率传质速率 假设：假设：a.板上空间气体完全混合，进入液相气体组成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。与板上位置无关。b.液相组成在垂直方向上与液层高度液相组成在垂直方向上与液层高度Z无关。无关。有：气体通过板上有：气体通过板上dz的微元高度时的微元高度时i组分的传递量组分的传递量)85(11-=-=-GaZKNOGYOGeeE气相总传质单元数气相总传质单元数点效率由双膜理论：由双膜理论：m平衡常数10-1210-132.流型和混合效应流型和混合效应 二种极端情况：二种极端情况：OGNOGMVeEE-=1(5-14)10-16）（）（155 1/-=l ll lOGEMVeE两种极限情况的比较：两种极限情况的比较：10-16，10-17作图作图完全混合完全混合完全不混合完全不混合图图10-4110-17两条曲线之间。两条曲线之间。关系曲线位于图关系曲线位于图与与10-5.l lMVOGMVEEEa10-5 化工学会化工学会AIChE模型：模型：条件：仅停留时间均一下纵向混合无横向混合条件：仅停留时间均一下纵向混合无横向混合10-18 P435 10-14对对516作图：作图：讨论：讨论：1.不均匀流动、环流对塔板效率产生不利影不均匀流动、环流对塔板效率产生不利影响响点效率下降点效率下降；2.小直经塔，板上液体为完全混合；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。大直经塔，板上液体不混合性增强。10-5综上所述：综上所述：1.完全混合板效率等于点效率；完全混合板效率等于点效率；2.液相纵向不完全混合，使液相纵向不完全混合，使 对板效率对板效率 起明显有利的影响；起明显有利的影响；2.不均匀流动、环流会产生不利影响不均匀流动、环流会产生不利影响 液相横向混合，能削这种的影响，液相横向混合，能削这种的影响，使使 ；随塔经增大，纵向不完全混合性的随塔经增大，纵向不完全混合性的 有利影响下降，不均匀流动趋于严重。有利影响下降，不均匀流动趋于严重。3.雾沫夹带雾沫夹带 使重组分含量高的液体进入上层塔板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。上层塔板轻组分浓度下降。雾沫夹带对板效率的影响：雾沫夹带对板效率的影响：eEMV10-224.物性的影响物性的影响液体粘度液体粘度 粘度高，两相接触差，扩散系数低，传质速率粘度高，两相接触差，扩散系数低，传质速率低，效率低。低，效率低。精馏：一般在较高温度下操作，效率要高；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。吸收：一般在较低温度下操作，效率要低。密度梯度密度梯度 由于易挥发组分气化，靠近界面处形成一个密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。流，从而提高传质系数。液体流动液体流动流动流动外表张力外表张力 易挥发组分易挥发组分MVC外表张力较小外表张力较小 正系统正系统 易挥发组分易挥发组分MVC外表张力较大外表张力较大 负系统负系统外表张力梯度对泡沫稳定层的影响：外表张力梯度对泡沫稳定层的影响：液体流动液体流动流动流动低低XMVC高表面张力高表面张力高高XMVC低表面张力低表面张力自愈合的正系统自愈合的正系统低低XMVC低表面张力低表面张力高高XMVC高表面张力高表面张力自破坏的负系统自破坏的负系统正系统：板式塔易形成稳定的泡沫层，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。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。负系统；反之，泡沫、薄膜不稳定。提高传质提高传质效率效率喷雾状态喷雾状态 外表张力梯度对液滴生成的效应：外表张力梯度对液滴生成的效应：液体液体蒸汽蒸汽较低的表面张力较低的表面张力低低XMVC负系统：负系统：负系统，液滴易断裂，板效率高；正系统反之。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液体液体蒸汽蒸汽低低XMVC正系统：正系统：较高的表面张力较高的表面张力返回返回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 化工学会AIChE提出方法：10-1010-1110-12EOG、Pe查图10-5：由图由图5-8：由由5-20：方法特点：方法特点：1.预测放大塔径后的板效率预测放大塔径后的板效率 2.计算复杂计算复杂表10-2 萃取设备的分类 型式型式逐极接触式逐极接触式微分接触式微分接触式无外加能量无外加能量筛板塔筛板塔喷洒塔、填料塔喷洒塔、填料塔具有外具有外加能量加能量搅动搅动混合澄清器混合澄清器搅拌填料塔搅拌填料塔转盘塔转盘塔搅拌挡板塔搅拌挡板塔脉冲脉冲脉冲筛板塔脉冲筛板塔脉冲混合澄清器脉冲混合澄清器脉冲填料塔脉冲填料塔离心力离心力逐极接触离心逐极接触离心萃取器萃取器连续接触离心连续接触离心萃取器萃取器返回返回第二节 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cududf fsmusmudcdd/1/f ff f-连续相液体速度：连续相液体速度：分散相液体速度：分散相液体速度：（注：方向相反）（注：方向相反）(10-38)dcddsuuuf ff f-+=1两相的相对速度：两相的相对速度：）（）（）（）代入）代入（将：将：dtdccdpsdddmugduf ff fm mr rr rf fr rCf fr rr r-=-=-+=111821）（10-41液体混合物液体混合物连续相；连续相；分散相；分散相；在混合液中自由沉降速度：在混合液中自由沉降速度：个液滴个液滴由斯托克斯定律计算单由斯托克斯定律计算单）（mcdcmdpsgdum mr rr r182-=：分散相液滴平均直径：分散相液滴平均直径Pd单个液滴在纯连续相中的自由沉降速度之间的关系之间的关系与与、表示：表示：tdcduuuf f适用于喷洒塔适用于喷洒塔ud 分散相空塔速度分散相空塔速度 m/suc 连续相空塔速度连续相空塔速度 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。件无关与空塔气速，滞液分率等无关。df f10-38=10-41，故故10-42假设固定一相速度，改变另一相速度，必将改变滞液分率。u对于其他类型萃取设备：对于其他类型萃取设备：由于接触方式不同，对由于接触方式不同，对10-41改进。改进。10-43特性速率u用于填料塔用于填料塔u用于转盘塔用于转盘塔10-44 10-45u用于脉冲筛板塔用于脉冲筛板塔 分散相液滴不断发生该过程：分散相液滴不断发生该过程：分散分散凝聚凝聚再分散再分散 2.uk获取法获取法1测定；测定；2由测定值关联方程：由测定值关联方程：10-46转盘塔：转盘塔：10-47 脉冲塔：脉冲塔：10-48d0筛孔直径；d分散相粘度；f输入能量因子；对于正弦脉冲对于正弦脉冲，两相密度差外表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二、临界持液分率与液泛速度实际不存在不变不变Cu泛点泛点临界滞液分率临界滞液分率 10-43 液泛时两相的空塔速度10-5010-5110-52以上两式消去uK，可得10-52不含特性常数uK，说明dF只与u dF/u CF有关，与物性、液滴尺寸、设备类型无关。4.假设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，能到达较大的总容量；随着u d/u C的增大，总容量趋于极限值。填料塔的液泛速度填料塔的液泛速度 如图如图5-13。10-20。图图10-20 填料塔的液泛速度填料塔的液泛速度三、塔径的计算三、塔径的计算脉冲筛板塔液泛速度：脉冲筛板塔液泛速度：临界速度临界速度10-4710-52 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：转盘塔液泛速度：例例10-3 求转盘塔的直径求转盘塔的直径10-50采用试差法：设采用试差法：设D=2.1m，验证后圆整。，验证后圆整。10-5210-47 5.2.2 影响萃取塔效率的因数影响萃取塔效率的因数二、液滴内的环流二、液滴内的环流 一、分散相液滴的尺寸一、分散相液滴的尺寸图10-23 滴内环流由双膜理论：总传质阻力由双膜理论：总传质阻力=滴外阻力滴外阻力+滴内阻力。滴内阻力。一般：滴外液体流动阻力小；液滴内液体不流动阻一般：滴外液体流动阻力小；液滴内液体不流动阻力大。力大。当液滴作相对运动时，界面上摩擦力诱导液滴内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。环流，使滴内阻力减小。但：但：1.液滴尺寸过小液滴尺寸过小 2.有少量表面活性剂有少量表面活性剂抑制这种环流抑制这种环流三、液滴的凝聚和再分散三、液滴的凝聚和再分散喷洒塔、筛板塔：由喷嘴、孔板分散；喷洒塔、筛板塔：由喷嘴、孔板分散；填料塔：由填料分散；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。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，液滴内侧传质分分散的好坏与物系性质有关，液滴内侧传质分系数很低，假设造成液滴的凝聚和再分散，可提高系数很低，假设造成液滴的凝聚和再分散，可提高滴内传质分系数。滴内传质分系数。四、界面现象四、界面现象 外表张力、外表浓度外表张力、外表浓度 液体从低外表张力区间向高外表张力区间流动液体从低外表张力区间向高外表张力区间流动外表推动力外表推动力。界面上不稳定浓度变化引起不稳。界面上不稳定浓度变化引起不稳定外表张力变化。定外表张力变化。1.规则型规则型讨论：讨论：静止两层液体沿平界面相互接触情况静止两层液体沿平界面相互接触情况设：设：a 点浓度大于点浓度大于b点，且点，且 界面附近流体从界面附近流体从a点向点向b点运动，主流体向点运动，主流体向a点补点补充。充。形成旋转流环，产生规则运动。形成旋转流环，产生规则运动。界面张力梯度界面张力梯度图10-24 规则型界面对流1 2，2.不规则型不规则型 图10-25 不规则型界面对流a.由于由于B点浓度下降界面从点浓度下降界面从B点开始扩展，次界面点开始扩展，次界面中液相向外表中液相向外表B点填补。点填补。b.由于补充液体外表张力比刚刚扩展出去的液体由于补充液体外表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，围绕在元产生逆转，围绕在B周围的液体都向周围的液体都向B聚集。聚集。讨论：一个湍流微团从相讨论：一个湍流微团从相1主主 体冲到界面，界面处体冲到界面，界面处溶质溶质 浓度变化很大。浓度变化很大。c.由于由于B周围液体凝聚，终于形成了一个垂直于周围液体凝聚，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。迸发，使局部界面破裂。2.界面张力梯度界面张力梯度 对液滴大小的影响对液滴大小的影响a.溶质从液滴相向连续相传递时，若：溶质从液滴相向连续相传递时，若：液滴稳定液滴稳定性差，液膜稳定性好，液滴不易合并。形成的液滴平性差，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。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：溶质从连续相向液滴相传递时，若：液膜稳定性差，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。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界面骚动现象对传质过程的影响 二方面：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。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。影响液体合并和再分散的速率。改变液滴尺寸和抑制传质外表大小改变液滴尺寸和抑制传质外表大小4.密度梯度的影响密度梯度的影响 密度自上而下递增，在重力场作用下，流体稳定。密度自上而下递增，在重力场作用下，流体稳定。例：甲苯相甲苯相水相水相对于密度大于水的乙酸：对于密度大于水的乙酸：从水相向甲苯相扩散从水相向甲苯相扩散稳定稳定 从甲苯相向水相扩散从甲苯相向水相扩散不稳定不稳定 稳定密度梯度，使界面对流限制在界面附近；稳定密度梯度，使界面对流限制在界面附近；对操作有利对操作有利 不稳定密度梯度，产生离开界面的旋涡，使之不稳定密度梯度，产生离开界面的旋涡，使之渗入到主体相。渗入到主体相。对操作不利对操作不利5.外表活性剂的影响外表活性剂的影响 a.降低液体外表张力，制止界面湍动；降低液体外表张力，制止界面湍动；b.在界面形成吸附层，产生吸附传质阻力；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。抑制滴内流体循环，降低液体沉降速度。五五.轴向混合轴向混合 轴向混合：非理想流动，偏离活塞流动各种现轴向混合：非理想流动，偏离活塞流动各种现象，包括：反混、前混等。象，包括：反混、前混等。对于实际流动：对于实际流动：a.连续相流动方向速度不均匀；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。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、下降速度不分散相液滴大小不均匀，上升、下降速度不同，速度较大的那局部液滴造成分散相前混；同，速度较大的那局部液滴造成分散相前混；d.分散相液滴流速较大时，也会引起液滴周围分散相液滴流速较大时，也会引起液滴周围连续相反混。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了传质推动力图5-20 中试数据不能用于工业生产。中试数据不能用于工业生产。一般：对于大型萃取塔，一般：对于大型萃取塔，90%的塔高用于补偿轴向的塔高用于补偿轴向混合不利影响。混合不利影响。返回返回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 HETSHETS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、二、HTU1活塞流模型活塞流模型 假设：两相作活塞流动，轻向为萃取相，重相假设：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。为萃余相，相间的传递仅在水平方向。EdyRdxdNdZ=内的传质速率：内的传质速率：被萃取物在被萃取物在）（）（）（455*-=-=dZyyaAKdZxxaAKdNtytxdFyyKdFxxKdNyx）（）（由传质速率方程：由传质速率方程：-=-=*R,X0R,X1E,y0E,y1E,yE,y+dyR,XR,X+dXdZ塔横截面积传质单元高度传质单元数1ln2扩散模型扩散模型 假设：除了相际传质外，每一相还存在由于轴假设：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。向混合所引起的塔高方向的溶质传递。ux,x0uy,y0uy,y1ux,X1uy(y+dy)uy,yux,Xux(x+dx)Z=0Z=LZZ+dZ返回返回5-295-30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塔的操作条件塔的操作条件 板式板式 填料填料塔直径：塔直径：0.6m 不受限制不受限制设备费用设备费用 小塔：大小塔：大 小小 大塔：小大塔：小 大大操作弹性：操作弹性：大大 小小3塔的操作方式塔的操作方式间歇精馏：填料塔间歇精馏：填料塔减少中间馏分的采出减少中间馏分的采出多股加料和侧线采出：板式塔多股加料和侧线采出：板式塔简便简便二、填料的选择二、填料的选择1材质选择材质选择陶瓷、金属、塑料陶瓷、金属、塑料考虑：价格、硬度、腐蚀性考虑：价格、硬度、腐蚀性2种类种类考虑：效率、压力、外表积、操作弹性等考虑：效率、压力、外表积、操作弹性等 5.3.2 萃取设备的选择萃取设备的选择各类萃取设备的优缺点列入表各类萃取设备的优缺点列入表10-8。表表10-8 各类萃取设备的优缺点各类萃取设备的优缺点1所需理论级数所需理论级数 N 设备设备 23 都可以都可以 45 转盘塔、震动筛板塔、脉冲塔转盘塔、震动筛板塔、脉冲塔 5 混合澄清器混合澄清器2处理量处理量处理量处理量 设备设备 大大 转盘塔、筛板塔、混合转盘塔、筛板塔、混合澄清器澄清器 小小 填料塔、脉冲塔、离心萃取器填料塔、脉冲塔、离心萃取器3停留时间停留时间 短：离心萃取器短：离心萃取器 长：混合长：混合澄清器澄清器4两相流量比两相流量比 过大：过大：不易采用各种塔不易采用各种塔5系统物理性质系统物理性质 粘度、密度差、界面张力粘度、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：转盘塔或混合固体悬浮物：转盘塔或混合澄清器澄清器6设备费用设备费用 无外加能量设备：最低无外加能量设备：最低 离心萃取器：最高离心萃取器：最高7安装场地安装场地 高度、面积高度、面积返回返回 萃取设备内的分散相按以下原则选择:当两相流量比相差较大时，为增加相际接触面积，一般应将流量大者作为分散相。当两相流量比相差很大，而且所选用的设备又可能产生严重的轴向混合，为减小轴向混合的影响，应将流量小者作为分散相。为减小液滴尺寸并增加液滴外表的湍动，对于 的系统，分散相的选择应使溶质从液滴向连续相传递;对于 的系统，分散相的选择应使溶质从连续相传向液滴。为提高设备能力，减小塔径，应将薪度大的液体作为分散相。因为连续相液体的粘度愈小，液滴在塔内沉降或浮升速度愈大。对于填料塔、筛板塔等传质设备，连续相优先润湿填料或筛板是极为重要的，此时应将润湿性较差的液体作为分散相。从成本和安全考虑，应将成本高和易燃易爆的液体作为分散相。二、分散相的选择二、分散相的选择P477