化工分離工程

化工分離工程第一頁，共六十四頁，2022年，8月28日內(nèi)容：1.影響傳質(zhì)設(shè)備的因數(shù)；2.確定效率的經(jīng)驗方法；3.設(shè)備選型。第二頁，共六十四頁，2022年，8月28日第五章分離設(shè)備處理能力和效率第一節(jié)

氣液傳質(zhì)設(shè)備的處理能力和效率第二節(jié)

萃取設(shè)備的處理能力和效率第三節(jié)

傳質(zhì)設(shè)備的選擇第三頁，共六十四頁，2022年，8月28日第一節(jié)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數(shù)5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因數(shù)5.1.3

氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計法返回第四頁，共六十四頁，2022年，8月28日5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處理能力的影響因數(shù)

傳質(zhì)設(shè)備：板式塔；填料塔液泛：板式塔：液泛氣速隨L/V下降而上升；隨板間距增大而上升。填料塔：（包括規(guī)整或亂堆）

L/V下降、液體粘度下降、填料孔隙率升高、比表面積下降都會使液泛速度上升。第五頁，共六十四頁，2022年，8月28日霧沫夾帶

——分離過程中為處理能力的極限

表示方式：霧沫夾帶量或泛點百分率板間距下降、塔負荷上升會使霧沫夾帶量上升。壓力降（與處理能力有關(guān)）

真空操作：有一上限

板式塔：構(gòu)成降液管內(nèi)液位高度重要組成部分，壓力降大，液位高，若很大，就會產(chǎn)生液泛。停留時間停留時間長，效率高，處理能力低；停留時間短，效率低，處理能力高，產(chǎn)品質(zhì)量差。返回第六頁，共六十四頁，2022年，8月28日5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響因數(shù)一、效率的表示方法

理論板與實際板比較：理論板實際板1.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。第七頁，共六十四頁，2022年，8月28日有霧沫夾帶、漏液、液相夾帶汽相等。4.無霧沫夾帶、漏液、液相夾帶汽相等。不均勻流動，各點停留時間不同。3.均勻流動，各點停留時間相同。達到平衡要無限長時間。影響因數(shù)：塔板結(jié)構(gòu)，流動情況、物性、平衡關(guān)系。2.離開板的氣液相濃度達到平衡傳質(zhì)量：實際板理論板∴引入效率概念第八頁，共六十四頁，2022年，8月28日j-1jXi,j-1Xi,jyi,j+1yi,j注意：1.2.不同組分計算結(jié)果不同（二元除外）。第九頁，共六十四頁，2022年，8月28日j-1jXi,j-1Xi,jyi,j+1JJ，假設(shè)：流體垂直方向完全混合在一垂直處J—J′處：jiy,′jix,′4.填料塔的等板高度HETP

HETP=填料層高度/理論板數(shù)第十頁，共六十四頁，2022年，8月28日二、效率的影響因素

從機理上分析1.傳質(zhì)速率

假設(shè)：

a.板上空間氣體完全混合，進入液相氣體組成與板上位置無關(guān)。

b.液相組成在垂直方向上與液層高度(Z)無關(guān)。有：氣體通過板上dz的微元高度時i組分的傳遞量

第十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日氣相總傳質(zhì)單元數(shù)點效率)85(11--=-=--GaZKNOGYOGeeE第十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日由雙膜理論：第十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.流型和混合效應(yīng)二種極端情況：OGNOGMVeEE--==1(5-14)第十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日）（）（155]1[/--=llOGEMVeE兩種極限情況的比較：完全混合完全不混合圖5-41mVL=l第十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日兩條曲線之間。關(guān)系曲線位于圖與45.-lMVOGMVEEEa第十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日美國化工學會（AIChE）模型：條件：僅停留時間均一下縱向混合（無橫向混合）書中有錯第十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日對（5—16）作圖：討論：1.不均勻流動、環(huán)流對塔板效率產(chǎn)生不利影響（點效率下降）；2.小直經(jīng)塔，板上液體為完全混合；3.大直經(jīng)塔，板上液體不混合性增強。第十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日綜上所述：完全混合板效率等于點效率；液相縱向不完全混合，使對板效率起明顯有利的影響；不均勻流動、環(huán)流會產(chǎn)生不利影響液相橫向混合，能削這種的影響，使；隨塔經(jīng)增大，縱向不完全混合性的有利影響下降，不均勻流動趨于嚴重。第十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日3.霧沫夾帶

使重組分含量高的液體進入上層塔板——上層塔板輕組分濃度下降霧沫夾帶對板效率的影響：第二十頁，共六十四頁，2022年，8月28日4.物性的影響◆液體粘度粘度高，兩相接觸差，擴散系數(shù)低，傳質(zhì)速率低，效率低。精餾：一般在較高溫度下操作，效率要高；吸收：一般在較低溫度下操作，效率要低?！裘芏忍荻扔捎谝讚]發(fā)組分氣化，靠近界面處形成一個密度較大區(qū)域，位于低密度液體之上，產(chǎn)生上下環(huán)流，從而提高傳質(zhì)系數(shù)。第二十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日液體流動流動◆表面張力易揮發(fā)組分（MVC）表面張力較小——正系統(tǒng)易揮發(fā)組分（MVC）表面張力較大

——負系統(tǒng)表面張力梯度對泡沫穩(wěn)定層的影響：液體流動流動低XMVC高表面張力高XMVC低表面張力自愈合的正系統(tǒng)低XMVC低表面張力高XMVC高表面張力自破壞的負系統(tǒng)正系統(tǒng)：板式塔易形成穩(wěn)定的泡沫層，填料塔易形成穩(wěn)定的液體薄膜。負系統(tǒng)；反之，泡沫、薄膜不穩(wěn)定。提高傳質(zhì)效率第二十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日◆噴霧狀態(tài)表面張力梯度對液滴生成的效應(yīng)：液體蒸汽較低的表面張力低XMVC負系統(tǒng)：負系統(tǒng)，液滴易斷裂，板效率高；正系統(tǒng)反之。傳質(zhì)設(shè)備的選?。赫到y(tǒng)：選用泡沫接觸狀態(tài)方式負系統(tǒng)：選用噴射接觸狀態(tài)方式液體蒸汽低XMVC正系統(tǒng)：較高的表面張力返回第二十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日5.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計法一、經(jīng)驗法板式塔：查圖（奧康奈爾法）填料塔：求HETP二、機理模型（用來預(yù)測放大后塔板效率）美國化工學會（AIChE）提出方法：（5-10）（5-11）（5-12）→EOG、Pe查圖5-5：第二十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日由圖5-8：第二十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日由（5-20）：方法特點：

1.預(yù)測放大塔徑后的板效率2.計算復(fù)雜第二十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日習題：

P1811題第二十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日表5-1萃取設(shè)備的分類型式逐極接觸式微分接觸式無外加能量篩板塔噴灑塔、填料塔具有外加能量攪動混合澄清器攪拌填料塔轉(zhuǎn)盤塔攪拌擋板塔脈沖脈沖篩板塔脈沖混合澄清器脈沖填料塔離心力逐極接觸離心萃取器連續(xù)接觸離心萃取器返回第二十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日第二節(jié)萃取設(shè)備的處理能力和效率5.2.1萃取設(shè)備的處理能力和效率5.2.2影響萃取塔效率的因數(shù)5.2.3萃取塔效率返回第二十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日一、設(shè)備的特性速度1.關(guān)系式噴灑塔設(shè)：密度小的相為連續(xù)相，連續(xù)向上運動;

密度大的相為分散相，液滴在連續(xù)相中自由沉降。

——分散相空塔速度m/s——連續(xù)相空塔速度m/s——分散相在塔內(nèi)液相中所占體積分率（滯液分率）5.2.1萃取設(shè)備的處理能力和效率cududf第三十頁，共六十四頁，2022年，8月28日smusmudcdd/1/ff-連續(xù)相液體速度：分散相液體速度：（注：方向相反））（215-dcddsuuuff-+=\1兩相的相對速度：）（）（）（）代入（將：dtdccdpsdCddmugduffmrrfrfrr-=--=-+=111821）（245-液體混合物—連續(xù)相；—分散相；—度：在混合液中自由沉降速個液體由斯托克斯定律計算單）（mcdcmdpsgdumrr182-=：分散相液體平均直徑Pd第三十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日之間的關(guān)系與、、表示：tdcduuuf適用于噴灑塔———分散相空塔速度m/s——連續(xù)相空塔速度m/s——分散相在塔內(nèi)液相中所占體積分率（滯液分率）——單液滴在純連續(xù)相中的自由沉降速度，與操作條件無關(guān)。cududftu第三十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日對于其他類型萃取設(shè)備：

由于接觸方式不同，對（5—25）改進.第三十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日用于填料塔用于轉(zhuǎn)盤塔第三十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日用于脈沖篩板塔分散相液滴不斷發(fā)生該過程：

分散——凝聚——再分散2.uk獲取法1）測定；2）由測定值關(guān)聯(lián)方程：

轉(zhuǎn)盤塔：（5-30）脈沖塔：（5-31）第三十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日二、臨界持液分率與液泛速度實際不存在不變Cu·泛點第三十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日第三十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日三、塔徑的計算◆填料塔的液泛速度如圖5-13?！艮D(zhuǎn)盤塔液泛速度：◆脈沖篩板塔液泛速度：臨界速度第三十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日例5-2求轉(zhuǎn)盤塔的直徑第三十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日采用試差法：設(shè)D=2.1m，驗證后圓整。第四十頁，共六十四頁，2022年，8月28日習題：

P1824題返回第四十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日5.2.2影響萃取塔效率的因數(shù)一、分散相液滴尺寸二、液滴內(nèi)的環(huán)流

由雙膜理論：總傳質(zhì)阻力=滴外阻力+滴內(nèi)阻力。一般：滴外液體流動阻力小；液滴內(nèi)液體不流動阻力大。

當液滴作相對運動時，界面上摩擦力誘導(dǎo)液滴內(nèi)環(huán)流，使滴內(nèi)阻力減小。但：1.液滴尺寸過小

2.有少量表面活性劑抑制這種環(huán)流第四十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日三、液滴的凝聚和再分散噴灑塔、篩板塔：由噴嘴、孔板分散；填料塔：由填料分散；轉(zhuǎn)盤塔、脈動塔、離心萃取器：由外加能量分散。

分散的好壞與物系性質(zhì)有關(guān)，液滴內(nèi)側(cè)傳質(zhì)分系數(shù)很低，若造成液滴的凝聚和再分散，可提高滴內(nèi)傳質(zhì)分系數(shù)。四、界面現(xiàn)象

表面張力、表面濃度

液體從低表面張力區(qū)間向高表面張力區(qū)間流動(表面推動力)。界面上不穩(wěn)定濃度變化引起不穩(wěn)定表面張力變化。第四十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日1.規(guī)則型討論：靜止兩層液體沿平界面相互接觸情況設(shè)：a點濃度大于b點，且界面附近流體從a點向b點運動，主流體向a點補充?！纬尚D(zhuǎn)流環(huán)，產(chǎn)生規(guī)則運動。傳質(zhì)方向界面··ab2相1相·c第四十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.不規(guī)則型

由于B點濃度下降界面從B點開始擴展，次界面中液相向表面B點填補。由于補充液體表面張力比剛剛擴展出去的液體高（濃度低），以至使剛剛擴展出去的液體微元產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)，圍繞在B周圍的液體都向B聚集。傳質(zhì)方向2相1相·CB·BC1討論：一個湍流微團從相1主體沖到界面，界面處溶質(zhì)濃度變化很大。2相1相B·低濃度液體填補B·c.由于B周圍液體凝聚，終于形成了一個垂直于界面的類似于火山爆發(fā)的射流，這一現(xiàn)象稱之于迸發(fā)，使局部界面破裂。第四十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日2.界面張力梯度對液滴大小的影響溶質(zhì)從液滴相向連續(xù)相傳遞時，若：液滴穩(wěn)定性差，液膜穩(wěn)定性好，液滴不易合并。形成的液滴平均直徑較小，相際接觸表面較大?！嘣O(shè)計萃取設(shè)備時，由系統(tǒng)性質(zhì)正確選擇二相。b.溶質(zhì)從連續(xù)相向液滴相傳遞時，若：液膜穩(wěn)定性差，形成的液滴易合并，液滴平均直徑大，相際接觸表面小。3.界面騷動現(xiàn)象對傳質(zhì)過程的影響二方面：a.由界面張力不同產(chǎn)生界面液體質(zhì)點的抖動和開發(fā)。

——增強界面附近湍動程度，提高傳質(zhì)系數(shù)b.影響液體合并和再分散的速率。

——改變液滴尺寸和抑制傳質(zhì)表面大小第四十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日4.密度梯度的影響

密度自上而下遞增，在重力場作用下，流體穩(wěn)定。例：甲苯相水相對于密度大于水的乙酸：

從水相向甲苯相擴散——穩(wěn)定

從甲苯相向水相擴散——不穩(wěn)定穩(wěn)定密度梯度，使界面對流限制在界面附近；——對操作有利

不穩(wěn)定密度梯度，產(chǎn)生離開界面的旋渦，使之滲入到主體相。

——對操作不利第四十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日5.表面活性劑的影響

a.降低液體表面張力，制止界面湍動；

b.在界面形成吸附層，產(chǎn)生吸附傳質(zhì)阻力；

c.抑制滴內(nèi)流體循環(huán)，降低液體沉降速度。五.軸向混合

軸向混合：非理想流動，偏離活塞流動各種現(xiàn)象，包括：反混、前混等。對于實際流動：

a.連續(xù)相流動方向速度不均勻；

b.由上造成渦流，當局部速度過大，可能夾帶分散相液滴，造成分散相反混。第四十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日

c.分散相液滴大小不均勻，上升、下降速度不同，速度較大的那部分液滴造成分散相前混；

d.分散相液滴流速較大時，也會引起液滴周圍連續(xù)相反混。軸向混合：改變了兩相濃度沿軸向分布，大大降低了傳質(zhì)推動力（圖5-20）∴中試數(shù)據(jù)不能用于工業(yè)生產(chǎn)。一般：對于大型萃取塔，90%的塔高用于補償軸向混合不利影響。返回第四十九頁，共六十四頁，2022年，8月28日5.2.3萃取塔效率操作：微分接觸設(shè)備HETS：一個理論級當量高度（等板高度）HTU：傳質(zhì)單元高度一、HETS

塔高H=NT×（HETS）HETS計算：

a.實驗法（用于放大）

HETS由小試結(jié)果確定

b.查圖法（用于初步設(shè)計）適用：轉(zhuǎn)盤塔、震動塔、低粘度物系。第五十頁，共六十四頁，2022年，8月28日二、HTU（1）活塞流模型假設(shè)：兩相作活塞流動，輕向為萃取相，重相為萃余相，相間的傳遞僅在水平方向。EdyRdxdNdZ==內(nèi)的傳質(zhì)速率：被萃取物在）（）（）（455**--=-=\dZyyaAKdZxxaAKdNtytxdFyyKdFxxKdNyx）（）（由傳質(zhì)速率方程：-=-=**R,X0R,X1E,y0E,y1E,yE,y+dyR,XR,X+dXdZ第五十一頁，共六十四頁，2022年，8月28日第五十二頁，共六十四頁，2022年，8月28日第五十三頁，共六十四頁，2022年，8月28日第五十四頁，共六十四頁，2022年，8月28日（2）擴散模型假設(shè)：除了相際傳質(zhì)外，每一相還存在由于軸向混合所引起的塔高方向的溶質(zhì)傳遞。ux,X0uy,y0uy,y1ux,X1uy(y+dy)uy,yux,Xux(x+dx)Z=0Z=LZZ+dZ第五十五頁，共六十四頁，2022年，8月28日略返回第五十六頁，共六十四頁，2022年，8月28日第三節(jié)傳質(zhì)設(shè)備的選擇氣液傳質(zhì)設(shè)備的選擇

萃取設(shè)備的選擇返回第五十七頁，共六十四頁，2022年，8月28日氣液傳質(zhì)設(shè)備的選擇一、板式塔和填料塔的選擇考慮的問題：（1）系統(tǒng)物性腐蝕性：填料塔易發(fā)泡：填料塔易聚合或固體：板式塔熱敏性、真空操作：填料塔高粘度：填料塔明顯熱敏物系：填料塔第五十八頁，共六十四頁，2022年，8月28日（2）塔的操作條件

板式填料塔直徑：>0.6m不受限制設(shè)備費用小塔：大小大塔：小