分離工程 ChaoLinJie

1、分離工程 分離工程 第四章 萃取 分離工程 目錄 l簡介 l萃取設(shè)備 l萃取過程的基本原理 l萃取設(shè)備的設(shè)計(jì) l應(yīng)用實(shí)例 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 過程。在液-液萃取過程中，含有待分離組分（溶質(zhì)溶質(zhì)a） 的液相（料液料液f，為溶質(zhì)a溶解于載體c的溶液，萃取后 成為萃余相萃余相），與另一個(gè)與之不互溶或部分互溶的液相 （溶劑溶劑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通過相際傳質(zhì)進(jìn)入溶劑s，成為萃取相萃取相e ，從而實(shí)現(xiàn)了對溶質(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程。 如果料液中含有多種溶質(zhì)，由于溶劑s對它們的

2、溶解度 不同，也可實(shí)現(xiàn)對它們的分離。 簡介 分離工程 f(c+a)s s 萃余相萃余相r (c+少量少量a) 萃取相萃取相e (s+a) solventfeed raffinate extract c - carrier 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 多級(jí)逆流接觸多級(jí)逆流接觸才能達(dá)到要求。 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

3、 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。 分離工程 對萃取技術(shù)的大規(guī)模研究和開發(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，對于鈾、 釷、钚等放射性元素的萃取提取和分離進(jìn)行了開發(fā)研究， 開發(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

4、工業(yè)重要的技術(shù)進(jìn)步之一。 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： l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、潤滑油精制等； l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； l磷和硼等無機(jī)資源的提取和凈化； l醫(yī)藥工業(yè)中多種抗生素和生物堿的分離提取； l食品工業(yè)中有機(jī)酸的分離和凈化； l環(huán)保處理中有害物質(zhì)的脫除等。 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： l對有機(jī)或水溶液中的無機(jī)物質(zhì)的分離； l被分離物質(zhì)的濃度很低(如油脂中色素和激素)； l高沸點(diǎn)低含量的物質(zhì)的回收； l熱敏性物質(zhì)的回收； l

5、對于依據(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； l對于非常接近于冰點(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）； l共沸體系的分離。 分離工程 萃取設(shè)備 l混和澄清槽 l非機(jī)械攪拌塔 l機(jī)械攪拌塔 l離心萃取機(jī) 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。

6、 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。 分離工程 混和澄清槽 混和澄清槽是較早開發(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）。 分離工程 混和槽和攪拌槳混和槽和攪拌槳 分離工程 澄清澄清 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

7、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。 分離工程 澄清槽澄清槽 分離工程 箱式混和澄清槽箱式混和澄清槽 分離工程 混合澄清槽的應(yīng)用場合混合澄清槽的應(yīng)用場合 1.萃取級(jí)數(shù)很少時(shí)，如單級(jí)操作，簡單易行。 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 分離工程 箱式混和澄清槽用于稀土萃取 分離工程 噴淋塔、填料塔和篩板塔 這三種萃取塔是 由常見的氣液接觸設(shè) 備發(fā)展而來。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，靠兩相

8、的密度 差實(shí)現(xiàn)逆流流動(dòng)。這 類塔的傳質(zhì)效率不是 很高。 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-液萃取中是常見的。這時(shí)，需 要通過外加機(jī)械能量的方法來促進(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。 分離工程 對于填料塔和篩板塔，可以通過使流體脈動(dòng)的方法 來進(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 過程，可以選擇的設(shè)

9、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)簡單、效率高而成本低的萃取設(shè)備成為可能。 分離工程 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)過程中得到了廣 泛的應(yīng)用。是最常用的萃取 設(shè)備之一。 分離工程 開式渦輪轉(zhuǎn)盤塔 開式渦輪轉(zhuǎn)盤塔是對 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

10、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。 分離工程 開式渦輪轉(zhuǎn)盤塔與轉(zhuǎn)盤塔的傳質(zhì)性能的比較 分離工程 karr 式振動(dòng)篩板塔 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。 分離工程 用于青霉素萃取的離心萃取機(jī) 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

11、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 分離工程 萃取單元操作的基本理論 l液-液相平衡 l萃取平衡理論級(jí)數(shù)和萃取過程的計(jì)算 l液-液兩相的流動(dòng)特征 l液-液相際傳質(zhì) l軸向混和（返混） l萃取設(shè)備的設(shè)計(jì) 分離工程 萃取工藝條件的選擇和設(shè)備的設(shè)計(jì) l基于給定的分離目標(biāo)，選擇合適的萃取劑 l取得萃取體系的相平衡數(shù)據(jù) l確定萃取工藝路線和條件（溫度、進(jìn)料濃 度、相比、級(jí)數(shù)） l選擇合適的萃取設(shè)備，設(shè)計(jì)尺寸大小。 分離工程 萃取流程 分離工程 影響萃取過程的因素 l料液流量、組成、溫度 和壓力 l流程安排方式 l溶質(zhì)的萃取率要求 l分離度的要求 l所選用的溶劑（萃取劑）

12、 l操作溫度 l操作壓力（大于系統(tǒng)的 泡點(diǎn)） l最小溶劑流量、操作相 比、回流比等 l平衡級(jí)數(shù) l乳化和生成界面污物的 傾向 l界面張力、兩相密度差、 流體的粘度 l是否有表面活性物質(zhì)的 存在 l萃取設(shè)備的類型 l萃取設(shè)備的幾何尺寸和 攪拌功率等 分離工程 溶劑的選擇： 理想的萃取溶劑的特點(diǎn) l與被萃取相不互溶或只有很小的互溶度 l對被萃取組分（溶質(zhì)）具有大的飽和溶解度，對 溶質(zhì)和被萃取相中的其它組分有高的選擇性 l必須考慮萃取后萃取相中的溶質(zhì)的回收的難易 l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 l無毒、不燃或不易燃、無腐蝕性、成本低廉 分離工程 feed (c+

13、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） ii s i s i s ii s ds ii c i c i c ii c dc ii a i a i a ii a da x x k x x k x x k )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( 選擇性系數(shù)（分離系數(shù)） i c ii c i a ii a dc da ac xx xx k k )/()( )/()( )( )( 相比 f s v v r f s 分離工程 液-液三元體系的等溫相圖 (a)一對部分互

14、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。 分離工程 從m點(diǎn)作垂直線 mp xa mq xc mr xs 從m點(diǎn)作平行線 af xc ef xs ce xa a 40608020100s c m e g f hd r p q 三角相圖的解讀 分離工程 共軛曲線： 對平衡結(jié)線的圖解關(guān)聯(lián) 分離工程 逆流萃取過程的平衡級(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 = 離開第 n級(jí)萃取相流率 rn = 離開第 n級(jí)的萃余相流率 (yi)n = 離開第

15、n級(jí)的萃取相中組分 i的質(zhì)量分率 (xi)n = 離開第n級(jí)的萃余相中組分i的質(zhì)量分率 分離工程 hunter and nash 圖解法 乙二醇(a)-糠醛(s)-水(c) 0)( 76. 0)( 24. 0)( 250 fs fc fa x x x kgf feed 1)( 0)( 0)( 100 ss sc sa x x x kgs solvent s/f = 0.4，對于 (xa)rn = 0.025 075. 0)( 900. 0)( 025. 0)( 198 rns rnc rna n x x x kgr raffinate 560. 0)( 075. 0)( 365. 0)( 15

16、2 1 1 1 1 es ec ea x x x kge extract 分離工程 操作點(diǎn)和操作線 psreref nnn 11 分離工程 平衡級(jí)數(shù)的確定 對于s/f = 0.4，和（xa)rn = 0.025，約需2.8平衡級(jí)。 分離工程 直角三角圖解法 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 2341 f s r4r3 r1r2 e1e2e3e4 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)。 分離

17、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， 其平均液滴直徑由下式定義： n e n e vs d d dd 2 3 32) ( 這樣，單位液體體積的相際比表面積即為 vs d vs dvs dnd nd a 6 6/ 3 2 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(dispersed phase holdup)。 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

18、滴不同，我們用特征速度uo來表征設(shè)備（萃 取塔）中兩相的運(yùn)動(dòng)特征。 分離工程 d d d u u d d c c u u 1 d 1 分離工程 滑移速度（slip velocity）是兩相的相對運(yùn)動(dòng)速度： d c d d r uu u 1 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)相相對靜止，ur是表示分散相液滴相對于流動(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(m-d)g =k(c-d)(1-d)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(c-d)g 近似地，可以認(rèn)為 ur=uo(1-d) 32 d 分

19、離工程 考慮到液滴之間相互作用對流速的影響，gyler， pratt等人提出了特征速度uo的概念。他們通過實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)發(fā)現(xiàn)，對于給定的液液體系，滑移速度可表示為： ur=uo(1-d) 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無關(guān)。因 此有 d c d d do uu u 1 )1 ( 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)相的相對運(yùn)動(dòng)。因此，兩相流量不 能隨意增加，當(dāng)超過限度時(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.流量過大；

20、2.攪拌強(qiáng)度過高。 應(yīng)控制流量和攪拌強(qiáng)度。 分離工程 液泛時(shí)， 0 0 d c u d c u d d u u 此時(shí) 1)/(4 3)/(81 )( )()(12 )(1)(21 5.0 2 2 dc dc fd fdfdod fdfdoc uu uu uu uu 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，d未達(dá)到(d)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，對于轉(zhuǎn)盤塔和karr塔，液 泛通量往往只是計(jì)算值的50%。 分離工程 相際傳質(zhì) 在界面無傳質(zhì)阻力的情況下，運(yùn)動(dòng)的液滴與連續(xù)相流 體之

21、間的傳質(zhì)過程包括滴內(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)影響萃取過程的傳質(zhì)行為。 液滴的傳質(zhì)過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)。 分離工程 連續(xù)相連續(xù)相 液滴在界面張力和摩擦力作用下，產(chǎn)生內(nèi)循環(huán) 分離工程 滴內(nèi)傳質(zhì) 停滯液滴（剛性液滴）： ) 1(re, 3 2 2 p d d d d k 滴內(nèi)層流內(nèi)循環(huán): （krong-brink） )50re10( ,9 .17 p d d d d k 滴

22、內(nèi)湍流內(nèi)循環(huán): （handlos-baron） )80(re, /1 0037. 0 cd t d u k 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)散無關(guān)。 （理論解） 分離工程 滴外傳質(zhì) 對停滯液滴 cc c c c cpt c c pc c ccccc d sc du d dk sh scscsh ,re, ) 1,660re60( ,re95. 02 5 . 05 . 0 對循環(huán)液滴 5 .05 .0 re13.1 ccc scsh 對擺動(dòng)液滴 667. 0 072. 0 4 . 0 333. 0 339. 0484. 0 re084. 02 c p cc

23、c d d scsh 分離工程 傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)阻力 )( 111 111 11 da d c idcoc dcod dcoc k dc dc m kk m kk kmkk k m kk 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) 分離工程 理論級(jí)當(dāng)量高度法: 傳質(zhì)單元法: hetsnh ntuhtuh 有效塔高的計(jì)算： 分離工程 傳質(zhì)單元數(shù)和傳質(zhì)單元高度（活塞流） ododococ c c dd d od od d od d od c c cc c oc oc c oc c oc c c dd d od d c c cc c oc c ntuhtuntuhtuh

24、cc dc ntu ak u aak q htu cc dc ntu ak u aak q htu cc dc aak q h cc dc aak q h d d c c d d c c 2 1 1 2 2 1 1 2 * * * * 圖中，萃取相為分散相 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)。 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

25、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，對傳質(zhì)有明顯 的影響。 分離工程 軸向混和降低了傳質(zhì)推動(dòng)力 分離工程 描述軸向混和的擴(kuò)散模型 分離工程 擴(kuò)散模型中所作的簡化假設(shè)： l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； l兩相的表觀速率恒定，而且在每個(gè)橫截面 上均勻分布； l溶質(zhì)的體積傳質(zhì)總系數(shù)恒定； l兩相間只有溶質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)傳遞； l被萃取的溶質(zhì)在兩相間分配比恒定。 分離工程 擴(kuò)散模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式 0 and , h,zat 0

26、and , 0,zat 0 0 0 * 2 2 * 2 2 dz dc dz dc ecucu dz dc dz dc ecucu ccak dz dc u dz cd e ccak dz dc u dz cd e x y yysyyhy y x xxxxfx xxox y y y y xxox x x x x 分離工程 無因次化，設(shè) x ox x ox ox x x x y y y q avk u ahk n e hu pe e hu pe h z z peclet peclet 傳質(zhì)單元數(shù) 數(shù)萃余相的軸向混和 數(shù)萃取相的軸向混和 無因次高度 則 0)( 0)( * 2 2 * 2 2 xx

27、xox y x y y y xxxox x x x ccpen u u dz dc pe dz cd ccpen dz dc pe dz cd 分離工程 0 and ,)( , 1at z 0 and ,)( 0,at z 0 dz dc dz dc ccpe dz dc dz dc ccpe x y yhysy y x xfxx 邊界條件 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)者專門對分

28、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。 分離工程 擴(kuò)散模型的近似解法 (miyauchi and vermeulen): 為了利用擴(kuò)散模型方便地解決工程計(jì)算問題（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htuo

29、xd，這樣 oxpoxp c c xx x oxoxp oxdoxoxp ntuhtuh cc dc ntuntu htuhtuhtu x x 1 2 * 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)測定的或通過關(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 oxpoxp y y x x oxoxp ntuhtuh u e u e htuhtu 0 然后根據(jù)h0 進(jìn)行以下一系列計(jì)算： （2）計(jì)算 ox ox htu h ntu 0 分離

30、工程 （3）計(jì)算分散傳質(zhì)單元數(shù)ntuoxd c y y y x x x ox ox y ox ox x yyxxo oox ooxd dhb e hu pe e hu pe entu entu f entu entu f pefepefpe bpentu e e ee bpentu / , , 8 . 6 8 . 6 , 8 . 6 8 . 6 11 )( 1 )( 05. 0 1 1 ln )( 5 . 0 5 . 0 5 . 1 5 . 0 25. 025. 05 . 0 5 . 0 dc 為特征尺寸，當(dāng)特征尺寸取h時(shí)，b=h/h=1 分離工程 （4）計(jì)算分散單元高度htuoxd oxd

31、oxd ntu h htu 0 （5）計(jì)算表觀傳質(zhì)單元高度htuoxp oxdoxoxp htuhtuhtu （6）計(jì)算塔高h(yuǎn) oxpoxp ntuhtuh 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。 分離工程 萃取設(shè)備的設(shè)計(jì)，主要是在萃取過程要 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)過程中，通常需要進(jìn)行必要 的小試和中試實(shí)驗(yàn)，以針對具體的體系，確 定必要的參數(shù)。 萃取設(shè)備的設(shè)計(jì) 分離工程 以萃取塔為例，需要通過設(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

32、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)，通過特征速度的計(jì)算（通過實(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)。 分離工程 塔的高度須根據(jù)分離要求確定，對此，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。 分離工程 轉(zhuǎn)盤塔的設(shè)計(jì) 4 3 3 2 82 35 . 1 d d dd h d d d s sr t r 特征幾何尺寸 分離工程 轉(zhuǎn)盤塔內(nèi)流體的流型 分離工程 轉(zhuǎn)盤塔的功率消耗 gdnnn

33、p rrpn / 53 全塔功耗 分離工程 單位質(zhì)量的液體得到的功率為 2 53 dh dn kp t rr 一般認(rèn)為，當(dāng)功率因子 )sec/(045. 0 32 2 53 m dh dn pi t rr 時(shí)，萃取效率最高。 分離工程 轉(zhuǎn)盤塔的操作區(qū)域 分離工程 特征速度 d c d d do uu u 1 )1 ( logsdail關(guān)聯(lián)式 6 . 2 9 . 03 . 2 0 . 1 2 9 . 0 012. 0 d d d h d d nd gu r r t r s rr c co 分離工程 laddha關(guān)聯(lián)式，在無傳質(zhì)時(shí) 0.1 ,0.1 ,180 ii 08.0 ,08.1 ,180

34、i 2 1 2 1 6.025.0 4 3 2 2 4.2 1.29.0 2 1 25.0 2 ncfr ncfr g g nd fr d d d d d h g frc g g u cc c rr r r s r t f n f c o ：區(qū)域 ：區(qū)域 分離工程 在傳質(zhì)情況下，蘇元復(fù)等對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。 5 . 01 fr 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。 g nd fr d d d d d h g g fr g g u rr r r s r t f c c f c o 2 4 . 2 1 . 29 . 0 029. 0 4 3 26. 0 25. 0 2 )()(798. 0 分離工程 液泛和通量 1)/(4 3)/(81 )( 5 . 0 dc dc fd uu uu