傳輸原理在化工中的應(yīng)用

傳輸原理在化工中的應(yīng)用精餾分離過程中的三傳現(xiàn)象1引言傳遞現(xiàn)象是自然界和生產(chǎn)中普遍存在的現(xiàn)象只要物系內(nèi)部或物系之間存在速度，溫度，濃度梯度，即可發(fā)生動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞，直到平衡為止。動(dòng)量，熱量和質(zhì)量傳遞既可由分子的微觀運(yùn)動(dòng)引起，也可由漩渦混合造成的流體微團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)引起，前者稱為分子傳遞，后者稱為湍流傳質(zhì)。三種傳遞現(xiàn)象的機(jī)理和數(shù)學(xué)模型相似。以動(dòng)量傳遞為基礎(chǔ)的單元操作有：流體輸送，沉降，過濾，攪拌，液態(tài)化。以熱量傳遞為遞基礎(chǔ)的單元操作有：換熱和蒸發(fā)。以質(zhì)量傳遞為基礎(chǔ)的化工單元操作有：吸收，蒸餾，萃取，浸取，吸附，離子交換，膜分離。有些化工過程是由兩種傳輸組成的，比如熱質(zhì)傳輸都有的的單元操作有干燥，增濕，結(jié)晶。2024/3/52精餾過程中的三傳現(xiàn)象精餾是化工過程中最重要的化工單元過程之一，它又是一類高能耗的單元過程。精餾塔是利用被分離混合液體中各組分揮發(fā)度不同而進(jìn)行依次分離的設(shè)備。在精餾塔及其冷凝器和再沸器內(nèi)，熱、質(zhì)傳遞同時(shí)進(jìn)行，而且又伴有動(dòng)量傳遞。其傳遞方式，既有分子傳遞，包括熱傳導(dǎo)、層流流動(dòng)和分子擴(kuò)散，也有湍流傳遞包括湍流傳熱、湍流流動(dòng)和湍流傳質(zhì)。對(duì)單塔精餾操作的傳遞機(jī)理和過程作簡(jiǎn)要分析,可以為精餾塔的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的選擇提供一些理論依據(jù)。使分離效率提高，并減少精餾過程中的能耗。2.1精餾塔內(nèi)的熱量傳遞由于填料是連續(xù)堆放的，因此，整個(gè)精餾塔的傳熱過程也是連續(xù)的。在塔內(nèi)，進(jìn)行著以下所說的的傳熱、傳質(zhì)過程。塔釜再沸器上升的蒸汽，溫度較高，而從冷凝器來(lái)的回流液，溫度較低。高溫蒸汽將熱量傳遞給低溫液體，蒸汽自身得到冷凝。液相中的易揮發(fā)組分被氣化，難揮發(fā)組分繼續(xù)自上而下流動(dòng)。2024/3/5為了強(qiáng)化精餾塔內(nèi)的熱量傳遞，所要采取的措施是:一、必須加大其推動(dòng)力。二、盡量降低冷凝液的溫度，提高再沸器的溫度。但是，塔底釜液溫度的提高時(shí)，還要必須考慮到被分離物質(zhì)的熱敏性以及由由升溫而帶來(lái)的聚變和熱分解。并且，冷凝液溫度的降低會(huì)導(dǎo)致冷凝器換熱面積或動(dòng)力消耗增加過大。2024/3/5對(duì)于網(wǎng)體填料，在它和液相接觸之后，粘附于填料上面的液體形成很薄的液膜，它們?cè)诓粩嗟仄屏押驮傩纬傻倪^程中，為氣液相的傳熱、傳質(zhì)提供了巨大的空間，同時(shí)也增加了塔內(nèi)的湍動(dòng)程度，使熱、質(zhì)傳遞更好的進(jìn)行。2024/3/52.2冷凝器的熱量傳遞

由于產(chǎn)品從塔頂取出，所以冷凝器選用間壁式換熱器，一般采用的是列管式換熱器。在冷凝器內(nèi)進(jìn)行的是一個(gè)伴有相變的傳熱過程，由塔內(nèi)來(lái)的蒸汽的冷凝方式有兩種可能：一種是是膜狀冷凝，一種是滴狀冷凝。膜狀冷凝：當(dāng)蒸汽與低于其飽和溫度的冷凝表面接觸時(shí)，就在該表面上冷凝成液體。并把顯熱和冷凝潛熱傳給冷凝表面，冷凝液在冷凝表面上形成液膜。2024/3/5滴狀冷凝：冷凝液不能潤(rùn)濕全部壁面而只能在壁面上凝結(jié)為水珠。冷凝液在壁面上不能形成完整的液膜將蒸汽與壁面隔開，大部分冷壁直接暴露在蒸汽中。滴狀冷凝的傳熱效率是膜狀冷凝的傳熱效率的十倍。這是因?yàn)槔淠耗な抢淠齻鳠岬闹饕獰嶙?，液膜愈厚，熱阻愈大。而滴狀冷凝時(shí)，只在局部冷凝表面上形成露珠占據(jù)著一部份傳熱表面，大部份冷凝面都能與蒸汽接觸。所以，滴狀冷凝熱阻遠(yuǎn)比膜狀冷凝的小。2024/3/5

強(qiáng)化冷凝傳熱的措施歸結(jié)到一點(diǎn)：盡量降低膜狀冷凝的液膜厚度。例如，采用順流冷凝而不用逆流冷凝，采用臥式冷凝器而不用立式冷凝器，采用湍流膜狀冷凝而不用層流膜狀冷凝等等。這些方法僅從傳熱角度考慮，而如果從其傳質(zhì)和傳熱綜合的效果考慮，上述方法又未必適合。例如，從傳質(zhì)的觀點(diǎn)出發(fā)，則又以逆流冷凝為好。所以，在選擇傳質(zhì)傳熱的方式時(shí)，要綜合全面考慮，選擇最佳方案。2024/3/52.3再沸器的熱量傳遞在再沸器內(nèi)，發(fā)生的也是有相變的傳熱過程。外供蒸汽在管內(nèi)被冷凝，待分離液體被部分氣化。工業(yè)上再沸器內(nèi)液體沸騰的方式有兩種方式，一種是大容積飽和沸騰，一種是管內(nèi)沸騰。大容積飽和沸騰：加熱壁面(列管或蛇管)全部浸沒在液體中,液體受熱后在外壁面沸騰。管內(nèi)沸騰：液體在壓差作用下，以一定流速流經(jīng)加熱管時(shí)所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。2024/3/5釜內(nèi)再沸器一般采用大容積飽和沸騰。實(shí)驗(yàn)表明，任何液體的大容積飽和沸騰是隨著溫度差，也就是壁溫與操作壓強(qiáng)下液體的飽和溫度之差的變化而變化。2024/3/52024/3/5

隨著山t的遞增，傳熱可分為三個(gè)階段：當(dāng)立t較小時(shí)，緊貼加熱面的過熱度很小，不足以產(chǎn)生氣泡，加熱面與液體之間的給熱是靠自然對(duì)流進(jìn)行的，在此階段汽化現(xiàn)象只是在液體表面發(fā)生，嚴(yán)格來(lái)說，還不是沸騰，是表面汽化。此階段所給熱系數(shù)和熱通量也較小。

當(dāng)t逐漸升高時(shí)，加熱面表面有氣泡產(chǎn)生，氣泡數(shù)量越多，就會(huì)不斷的離開壁面而升至蒸汽空間。給熱系數(shù)a隨t的增加急劇上升。這是由于氣泡的產(chǎn)生和脫離對(duì)加熱面附近的液體的擾動(dòng)越來(lái)越劇烈的緣故，此階段稱為核狀沸騰。此時(shí)熱通量也急劇增大。2024/3/5當(dāng)△t再增大,加熱面上產(chǎn)生的氣泡數(shù)量也大大增加,也就是汽化核心不斷增加，且氣泡產(chǎn)生的速度大于它們脫離管壁表面的速度。氣泡在脫離壁面前連接起來(lái),隨時(shí)可能裂變變成大氣泡離開加熱表面，形成一個(gè)不穩(wěn)定的汽膜層,使液體不能和加熱表而直接接觸。因氣體的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)小于液體，所以給熱系數(shù)和熱通量下降。以后,隨著乙t的增加,加熱面表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，把液體和加熱面完全隔開，由于壁溫升高,輻射傳熱的作用變得越來(lái)越強(qiáng)，傳熱系數(shù)和熱通量隨著溫度的升高而迅速增加。此階段就是穩(wěn)定的膜狀沸騰。2024/3/5顯然,核狀沸騰傳熱系數(shù)較膜狀沸騰傳熱系數(shù)大，而且壁溫低。因此，工業(yè)上一般總是設(shè)法控制在核狀沸騰下操作。為保證沸騰裝置在核狀沸騰下工作，必須控制t不大于其臨界值。否則，核狀沸騰就將轉(zhuǎn)變?yōu)槟罘序v。使傳熱系數(shù)a和熱通量急劇下降。也就是說，不適當(dāng)?shù)奶岣邿崃黧w的溫度，反而使沸騰裝置的效率降低。2024/3/52.3精餾塔內(nèi)的質(zhì)量傳遞塔頂回流液中易揮發(fā)份含量較高，而由再沸器上來(lái)的氣體中，難揮發(fā)份含量較高。這樣就形成了不平衡的氣一液相，產(chǎn)生了濃度差，從而使傳質(zhì)有了推動(dòng)力。易揮發(fā)份從液相轉(zhuǎn)入到氣相，其歷程是：液相主體-液膜-相界面-氣膜-氣相主體。與此同時(shí)，難揮發(fā)份從氣相轉(zhuǎn)入液相，其歷程是上述過程的逆過程。氣一液兩相就這樣連續(xù)地、周而復(fù)始地進(jìn)行著重排，直至塔頂和塔釜的產(chǎn)品都達(dá)到純化的要求為止。2024/3/5盡管傳質(zhì)設(shè)備千差萬(wàn)別，但傳質(zhì)的方式不外乎兩種：分子擴(kuò)散和對(duì)流傳質(zhì)。前者是在分子尺度范圍內(nèi),由于流體分子不規(guī)則的微觀運(yùn)動(dòng)所引起，其傳遞的通量可用費(fèi)克第一定理描述:而對(duì)于對(duì)流傳質(zhì)，則是由于流體分子微團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)所引起。按照流體的流型，它又可分為層流傳質(zhì)和湍流傳質(zhì)。這時(shí)的傳質(zhì)系數(shù)，可用氣相傳質(zhì)系數(shù)ky或液相傳質(zhì)系數(shù)kx表示：2024/3/5

由于濃度邊界層內(nèi)的層流底層集中了幾乎全部的傳質(zhì)阻力,其厚度又與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re有關(guān)，因此，在流體通道尺寸及流體物性參數(shù)不變時(shí)，用增大流速的方法使其變薄，從而使精餾傳質(zhì)效率得以提高。網(wǎng)狀填料的使用,使精餾效率大大提高。這是因?yàn)榫W(wǎng)體填料的空隙率很小，形狀系數(shù)很大，比表面積也大，這就使通過空隙間的流體產(chǎn)生湍動(dòng)和生成旋渦。此外,網(wǎng)體填料和液體接觸后形成的液膜并非一成不變，它們不斷地形成和破裂，從而使氣一液接觸表面不斷得到更新，這也是網(wǎng)狀填料能使分離效率得到提高的重要原因。2024/3/5但是，網(wǎng)體填料也有易發(fā)生溝流效應(yīng)和壁流效應(yīng)的可能，這就要采取設(shè)置液體再分布裝置，加大噴淋密度以及裝填要均勻等措施施加以彌補(bǔ)。為了確保網(wǎng)體填料有足夠大的比表面積，每次操作完畢，應(yīng)當(dāng)用適當(dāng)?shù)娜軇缫掖技右韵礈?，防止填料表面結(jié)殼硬化。2024/3/52.4精餾塔內(nèi)的動(dòng)量傳遞為了強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)，重要的措施之一就是使塔內(nèi)的氣一液兩相呈現(xiàn)湍流。這是因?yàn)楦鶕?jù)邊界層理論，在固體壁面附近有一層層流底層，層流底層始終粘附于固體壁面上，其傳遞方式是分子傳遞。加大氣相和液相的流速,可以使層流底層變薄，從而使傳熱和傳質(zhì)得到改善。氣相和液相速度提高后，床層的壓降△p變化如下。在逆流操作的填料塔內(nèi),當(dāng)干填料(液體噴淋量L=O)及有液體噴淋L1，L2，L3時(shí)，實(shí)測(cè)氣體通過填料層的壓降△p與氣速之間的關(guān)系,得到如圖3-3所示。4精餾塔的動(dòng)量傳遞為了強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)，重要的措施之一就是使塔內(nèi)的氣一液兩相呈現(xiàn)湍流。這是因?yàn)楦鶕?jù)邊界層理論，在固體壁面附近有一層層流底層，層流底層始終粘附于固體壁面上，其傳遞方式是分子傳遞。加大氣相和液相的流速,可以使層流底層變薄，從而使傳熱和傳質(zhì)得到改善。氣相和液相速度提高后，床層的壓降△p變化如下。在逆流操作的填料塔內(nèi),當(dāng)干填料(液體噴淋量L=O)及有液體噴淋L1，L2，L3時(shí)，實(shí)測(cè)氣體通過填料層的壓降△p與氣速之間的關(guān)系,得到如圖3-3所示。2024/3/52024/3/5

由圖中可以看到，圖中最下一條直線代表氣體流經(jīng)沒有液體噴淋的干填料層的情況。當(dāng)氣體通過干填料(LI=0)時(shí),其壓降△p與氣速u為線性關(guān)系,直線斜率為1.8-2.0之間。即壓降與空塔氣速的1.8-2.0成正比。這時(shí)壓降主要用來(lái)克服流經(jīng)填料層的形體阻力。當(dāng)噴淋量為L(zhǎng)1和L2和L3時(shí)，分別如圖所示的三條折線。2024/3/5當(dāng)填料塔有液體噴淋時(shí)，由于表面張力的作用，液體將填料的內(nèi)外表面潤(rùn)濕。形成一層液膜，占據(jù)一部分空間。但氣體逆流流動(dòng)時(shí)，液膜使氣體流道截面積減小，提高了氣體在填料層的實(shí)際流速。同時(shí)，由于液體在塔頂噴淋，從上而下流動(dòng)，與自下而上的氣體在同一流道中流過，氣體對(duì)液體產(chǎn)生一部分曳力，阻礙流體往下流動(dòng)，使液膜增厚，因此，氣液兩相逆向流動(dòng)時(shí)，填料層對(duì)氣體產(chǎn)生的壓降比氣體通過干填料層時(shí)要大得多。2024/3/5在較低氣體流速下，氣液兩相相互干擾少，氣體對(duì)液體無(wú)牽制作用，填料層表面有液膜，使床層的空隙減少，壓降與氣體流速仍遵循線性關(guān)系。當(dāng)氣速增加到某一值時(shí)，由于上升氣流與下降液流之間的摩擦力增大，開始阻礙液體下降，以至于填料層內(nèi)的持液量隨氣速的增加而增加。此種現(xiàn)象稱為攔液現(xiàn)象。開始攔液時(shí)，空塔氣速稱為載點(diǎn)氣速，進(jìn)入載液區(qū)，壓降斜率增大。繼續(xù)增大氣速，達(dá)到某一值時(shí)，氣液間的摩擦力完全阻止液體的向下流動(dòng)，填料層的壓力降急劇增高，由于床層中的液體積累，就會(huì)發(fā)