化工分離過程(第19講)(5分離設備的處理能力和效率)

1、 化工分離過程化工分離過程 Chemical Separation Processes第五章第五章 分離設備的處理分離設備的處理能力和效率能力和效率2 5.1 氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率 5.1.1 氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素 5.1.2 氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素 5.1.3 氣液傳質(zhì)設備效率的估計方法氣液傳質(zhì)設備效率的估計方法 5.2 萃取設備的處理能力和效率（自學）萃取設備的處理能力和效率（自學） 5.3 傳質(zhì)設備的選擇傳質(zhì)設備的選擇 5.3.1 氣液傳質(zhì)設備的選擇氣液傳質(zhì)設備的選擇 5.3

2、.2 萃取設備的選擇萃取設備的選擇第五章第五章 分離設備的處理能力和效率分離設備的處理能力和效率3 本章將要研究傳質(zhì)設備問題，重點分析本章將要研究傳質(zhì)設備問題，重點分析和討論影響和討論影響氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率的因素，確定的因素，確定效率的經(jīng)驗方法和機理模型效率的經(jīng)驗方法和機理模型。同時還對同時還對氣液和液液傳質(zhì)設備的選型氣液和液液傳質(zhì)設備的選型問題進問題進行了研討。行了研討。第五章第五章 分離設備的處理能力和效率分離設備的處理能力和效率45.1 氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率氣液分離設備分類氣液分離設備分類微分接觸式（填料塔）微分接

3、觸式（填料塔） 氣液分離設備氣液分離設備逐級接觸式（板式塔）逐級接觸式（板式塔） 55.1 氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率逐級接觸式（板式塔）逐級接觸式（板式塔） 在圓柱形殼體內(nèi)按一定間距在圓柱形殼體內(nèi)按一定間距水平設置若干層塔板，液體靠重水平設置若干層塔板，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

4、進排出。氣、液在塔內(nèi)逐板接觸進行質(zhì)、熱交換，兩相組成沿塔高行質(zhì)、熱交換，兩相組成沿塔高呈階躍式變化。呈階躍式變化。板式塔板式塔溶劑溶劑氣體氣體65.1 氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率微分接觸式（填料塔）微分接觸式（填料塔） 圓柱形殼體內(nèi)裝填一定高圓柱形殼體內(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，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；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，由塔的一端流向另層的空隙，由塔的

5、一端流向另一端。氣液在填料表面接觸進一端。氣液在填料表面接觸進行質(zhì)、熱交換，兩相的組成沿行質(zhì)、熱交換，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化。塔高連續(xù)變化。溶劑溶劑填料塔填料塔氣體氣體75.1 氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素5.1.1液泛液泛霧沫霧沫夾帶夾帶壓力壓力降降停留停留時間時間85.1.1 氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素夾帶液泛和溢流液泛夾帶液泛和溢流液泛 夾帶液泛夾帶液泛：過量液沫夾帶：過量液沫夾帶引起。板間距過小，塔板上引起。板間距過小，塔板上操作液流量過大，上升氣速操作液流量過大

6、，上升氣速過高時，液體被氣體夾帶到過高時，液體被氣體夾帶到上層塔板的量增加很快，塔上層塔板的量增加很快，塔板間將充滿氣、液混合物，板間將充滿氣、液混合物，引發(fā)液泛。引發(fā)液泛。 溢流液泛溢流液泛：液體在降液管：液體在降液管內(nèi)受阻不能及時往下流動而內(nèi)受阻不能及時往下流動而在板上積累所致。在板上積累所致。Hdhf+ hHTh0howhw95.1.1 氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素液泛的影響液泛的影響 任何逆流流動的分離設備的處理能力都受到液泛的限任何逆流流動的分離設備的處理能力都受到液泛的限制，制，液泛氣速大，設備的處理能力大液泛氣速大，設備的處理能力大。 對于板式塔氣

7、液分離設備，液泛氣速隨對于板式塔氣液分離設備，液泛氣速隨L/V的減小和板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)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。整填料塔的處理能力比亂堆填料塔要大。 此外，隨著此外，隨著L/V的減小，液體粘度（液膜厚度）的減小、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。填料空隙率的增加和比表面積的減少，液泛氣速增加。 105.1.1 氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素氣

8、液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素霧沫夾帶的影響霧沫夾帶的影響 霧沫夾帶霧沫夾帶是氣液兩相的物理分離不完全的現(xiàn)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，在分離設備中霧沫夾帶常常表現(xiàn)為間流量，在分離設備中霧沫夾帶常常表現(xiàn)為處理處理能力的極限能力的極限。 霧沫夾帶隨霧沫夾帶隨板間距的減小板間距的減小而增加，隨而增加，隨塔負荷塔負荷的增加的增加急劇上升。在低的急劇上升。在低的L/V或低壓下，霧沫夾或低壓下，霧沫夾帶是限制處理能力的主要因素。帶是限制處理能力的主要因素。 115.1.1 氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素氣液傳質(zhì)設備

9、處理能力的影響因素壓力降的影響壓力降的影響 與處理能力密切相關的另一與處理能力密切相關的另一個因素是接觸設備中的個因素是接觸設備中的壓力降壓力降。 對于減壓分離過程，壓力降對于減壓分離過程，壓力降存在某個上限，往往成為限制設存在某個上限，往往成為限制設備處理能力的主要因素。備處理能力的主要因素。 此外，在板式塔中，板與板此外，在板式塔中，板與板之間的壓力降是構成降液管內(nèi)液之間的壓力降是構成降液管內(nèi)液位高度的重要組成部分，因此，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。過高的壓力降就可能引起液泛。 有效長度有效長度泡沫泡沫h(huán)lhfhowHTh0125.1.1 氣液傳質(zhì)設備處理能力的

10、影響因素氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素停留時間的影響停留時間的影響 對于給定的設備，限制處理能力的另一個因對于給定的設備，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素是獲得適宜效率所需要的流體的停留時間停留時間。 接觸相在設備內(nèi)的接觸相在設備內(nèi)的停留時間越長，則級效率停留時間越長，則級效率越高，但處理能力低。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。加，則級效率通常降低，產(chǎn)品達不到分離要求。13氣液傳質(zhì)設備的效率的表示方法氣液傳質(zhì)設備的效率的表示方法5.1.2全塔全塔效率效率板板效率效率

11、點點效率效率等板等板高度高度5.1 氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率氣液傳質(zhì)設備的處理能力和效率14塔板塔板是塔設備中用來進行是塔設備中用來進行兩相接觸傳質(zhì)和流動再兩相接觸傳質(zhì)和流動再分布分布的平臺。的平臺。斜孔塔板斜孔塔板浮閥塔板浮閥塔板泡罩塔板泡罩塔板噴射填料塔板噴射填料塔板5.1.1 氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素155.1.1 氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素實際板與理論板的差異實際板與理論板的差異理理 論論 板板實實 際際 板板1. 離開板的氣液相濃度離開板的氣液相濃度達到達到平衡平衡；達到平衡要無限長時間。影響因素：塔達到平衡要

12、無限長時間。影響因素：塔板結構、流動情況和物性等。板結構、流動情況和物性等。2. 氣液兩相氣液兩相完全混合完全混合，板上濃度均一；板上濃度均一； 板上液相濃度徑向分布，液體入口處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。濃度高，進入的氣相各點濃度不相同。3. 均勻流動，各點均勻流動，各點停留停留時間相同時間相同；不均勻流動，各點停留時間不同。不均勻流動，各點停留時間不同。4. 無霧沫夾帶、漏液、無霧沫夾帶、漏液、液相泡沫夾帶等液相泡沫夾帶等。有霧沫夾帶、漏液、液相泡沫夾帶等。有霧沫夾帶、漏液、液相泡沫夾帶等。引入效率引入效率的概念的概念165.1.1 氣液傳質(zhì)設備處理能

13、力的影響因素氣液傳質(zhì)設備處理能力的影響因素 板效率板效率概述概述（1）板效率就是塔設備中）板效率就是塔設備中實際板與理論板差異實際板與理論板差異的的 定量描述。定量描述。（2）板效率與傳質(zhì)速率、板上汽液兩相混合情）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，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。泡沫夾帶，漏液）等因素有關。175.1.2 氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素全塔效率（全塔效率（ET） 全塔效率全塔效率：完成給定分離任務所須理論板與實際板之比。：完成給定分離任務所須理論板與實際板之比。 全塔板效

14、率是板式塔分離性能的綜合量度，它將各種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)。由于分離設備的復雜性，所有這些因素與全塔效率的關系難以理清。備的復雜性，所有這些因素與全塔效率的關系難以理清。所以，關于全塔效率的可靠數(shù)據(jù)只能通過實驗測定獲得。所以，關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聯(lián)，目前得到比較廣應用的關聯(lián)也有人對全塔效率進行關聯(lián)，目前得到比較廣應用的關聯(lián)方法是方法是Oconncll的關聯(lián)法。的關聯(lián)法。15 實理NNET185.1.2 氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素氣液

15、傳質(zhì)設備的效率及其影響因素（1）氣相默弗里效率：以組分）氣相默弗里效率：以組分i的氣相濃度表示。的氣相濃度表示。默弗里（默弗里（Murphree）板效率）板效率 假定板間氣相完全混合，氣相以活塞流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，等于離開該板降液管中的液體組成。那么，定義定義實際板上的濃度變化實際板上的濃度變化與與平衡時應達到的平衡時應達到的濃度變化濃度變化之比為默弗里板效率。之比為默弗里板效率。251,1,jijijijiMViyyyyExi,jyi,jjyi,j+1xi,j-1

16、j-1圖圖5-1195.1.2 氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素)1)(MLMLMLMVELmVEEE（3）氣相默弗里效率和液相默弗里效率的關系）氣相默弗里效率和液相默弗里效率的關系式中，式中，m為板上平衡線的斜率。為板上平衡線的斜率。當當mV/L=1時，時，EMV=EML；當；當mV/L1時，時，EMVEOG345.1.2 氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素液體在塔板上的非均勻流動液體在塔板上的非均勻流動板上環(huán)流情況板上環(huán)流情況355.1.2 氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素汽體流動情況對板效率的影響汽體流動情

17、況對板效率的影響（1）在板間的不完全混合在板間的不完全混合 實驗研究表明，汽相在板間實驗研究表明，汽相在板間的混合情況對板效率的影響較小。的混合情況對板效率的影響較小。（2）通過塔板不均勻分布通過塔板不均勻分布 將導致板上不同位置的汽液將導致板上不同位置的汽液接觸時間不同，因而傳質(zhì)效果也接觸時間不同，因而傳質(zhì)效果也不同；嚴重時可能導致局部穿流不同；嚴重時可能導致局部穿流和漏液。和漏液。365.1.2 氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素 1.液相在板上軸向不完全混合，使液相在板上軸向不完全混合，使EMV提高；液相在塔板提高；液相在塔板上橫向流動能削弱液相不均勻流動的影響

18、。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，使液相不均勻流動，尤其是環(huán)流，使EMV明顯下降。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。效率產(chǎn)生不利影響。 4.在計算默弗里板效率（在計算默弗里板效率（EMVEOG）時只考慮了塔板上液）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。相在板上橫向流動的作用。流型和混合效應影響小結流型和混合效應影響小結375.1.2 氣液傳質(zhì)設備的效率及其影

19、響因素氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素霧沫夾帶的影響霧沫夾帶的影響 霧沫夾帶會將一部分重組分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，降低了板效消了部分分離效果，降低了板效率。率。 霧沫夾帶實質(zhì)上是一種級間霧沫夾帶實質(zhì)上是一種級間液體返混，會造成分離效果降低。液體返混，會造成分離效果降低。385.1.2 氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素氣液傳質(zhì)設備的效率及其影響因素Ea有霧沫夾帶下的板效率；有霧沫夾帶下的板效率；e單位液體流率的霧沫夾帶量。單位液體流率的霧沫夾帶量。20511aeeEEE

20、MVMVEa的簡化：的簡化： 所以，所以，Ea總是小于總是小于EMV的。的。并且，霧沫夾帶越大，并且，霧沫夾帶越大，e越大，越大，Ea越小。因此，在塔板設計中越小。因此，在塔板設計中應控制應控制e0.6m 不受限制不受限制 設備費用設備費用 小塔：小塔： 大大 小小 大塔：大塔： 小小 大大 操作彈性：操作彈性： 大大 小小（3）塔的操作方式塔的操作方式 間歇精餾：填料塔（減少中間餾分的采出）間歇精餾：填料塔（減少中間餾分的采出） 多股加料和側線采出：板式塔（簡便）多股加料和側線采出：板式塔（簡便）495.3 傳質(zhì)設備的選擇傳質(zhì)設備的選擇二、填料的選擇二、填料的選擇（1）材質(zhì)選擇材質(zhì)選擇 陶瓷

21、、金屬、塑料等陶瓷、金屬、塑料等 考慮：價格、硬度、腐蝕性考慮：價格、硬度、腐蝕性（2）種類種類 考慮：效率、壓力、表面積、操作彈性等考慮：效率、壓力、表面積、操作彈性等（3）尺寸尺寸 取適宜的塔徑與填料尺寸大小的比值取適宜的塔徑與填料尺寸大小的比值505.3 傳質(zhì)設備的選擇傳質(zhì)設備的選擇一、萃取設備的選擇一、萃取設備的選擇（1）所需理論級數(shù)所需理論級數(shù) N 設備設備 23 都可以都可以 45 轉盤塔、振動篩板塔、脈沖塔轉盤塔、振動篩板塔、脈沖塔 5 混合澄清器混合澄清器（2）處理量處理量 處理量處理量 設備設備 大大 轉盤塔、篩板塔、混合轉盤塔、篩板塔、混合澄清器澄清器 小小 填料塔、脈沖塔、離心萃取器填料塔、脈沖塔、離心萃取器5.3.2 萃取設備的選擇萃取設備的選擇515.3 傳質(zhì)設備的選擇傳質(zhì)設備的選擇（3）停留時間停留時間 短：離心萃取器短：離心萃取器 長：混合長：混合澄清器澄清器（4）兩相流量比兩相流量比 過大：不易采用噴灑塔、填料塔和篩板塔，宜用混合過大：不易采用噴灑塔、填料塔和篩板塔，宜用混合- 澄清器和離心萃取器。澄清器和離心萃取器。（5）系統(tǒng)物理性質(zhì)系統(tǒng)物理性質(zhì) 粘度、密度差、界面張力粘度、密度差、界面張力 腐蝕性大的物系：噴灑塔，填料塔（結構簡單）腐蝕性大的物系：噴灑塔，填料塔（結構簡單） 固體懸