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 Chemical Separation Processes,第五章 分離設備的處理 能力和效率,2,5.1 氣液傳質設備的處理能力和效率 5.1.1 氣液傳質設備處理能力的影響因素 5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素 5.1.3 氣液傳質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） 5.3 傳質設備的選擇 5.3.1 氣液傳質設備的選擇 5.3.2 萃取設備的選擇,第五章 分離設備的處理能力和效率,3,本章將要研究傳質設備問題，重點分析和討論影響氣液傳質設備的處理能力和效率的因素，確定效率的經(jīng)驗方法和機理模型。同時還對氣液和液液傳質設備的選型問題進行了研討

2、。,第五章 分離設備的處理能力和效率,4,5.1 氣液傳質設備的處理能力和效率,氣液分離設備分類,微分接觸式（填料塔）,氣液分離設備,逐級接觸式（板式塔）,5,5.1 氣液傳質設備的處理能力和效率,逐級接觸式（板式塔）,在圓柱形殼體內按一定間距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排出。氣、液在塔內逐板接觸進行質、熱交換，兩相組成沿塔高呈階躍式變化。,6,5.1 氣液傳質設備的處理能力和效率,微分接觸式（填料塔）,圓柱形殼體內裝填一定高度的填料，液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均

3、勻分布于填料層頂部上，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；氣體在壓強差推動下穿過填料層的空隙，由塔的一端流向另一端。氣液在填料表面接觸進行質、熱交換，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化。,7,5.1 氣液傳質設備的處理能力和效率,氣液傳質設備處理能力的影響因素,5.1.1,8,5.1.1 氣液傳質設備處理能力的影響因素,夾帶液泛和溢流液泛,夾帶液泛：過量液沫夾帶引起。板間距過小，塔板上操作液流量過大，上升氣速過高時，液體被氣體夾帶到上層塔板的量增加很快，塔板間將充滿氣、液混合物，引發(fā)液泛。 溢流液泛：液體在降液管內受阻不能及時往下流動而在板上積累所致。,9,5.1.1 氣液傳質設備處理

4、能力的影響因素,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制，液泛氣速大，設備的處理能力大。 對于板式塔氣液分離設備，液泛氣速隨L/V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。 此外，隨著L/V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。,10,5.1.1 氣液傳質設備處理能力的影響因素,霧沫夾帶的影響,霧沫夾帶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，并增加了級間流量，在分離設備中霧沫夾帶常常表現(xiàn)為處理能力的極限。

5、 霧沫夾帶隨板間距的減小而增加，隨塔負荷的增加急劇上升。在低的L/V或低壓下，霧沫夾帶是限制處理能力的主要因素。,11,5.1.1 氣液傳質設備處理能力的影響因素,壓力降的影響,與處理能力密切相關的另一個因素是接觸設備中的壓力降。 對于減壓分離過程，壓力降存在某個上限，往往成為限制設備處理能力的主要因素。 此外，在板式塔中，板與板之間的壓力降是構成降液管內液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。,12,5.1.1 氣液傳質設備處理能力的影響因素,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素是獲得適宜效率所需要的流體的停留時間。 接觸相在設備內的停留時間越長，則級效

6、率越高，但處理能力低。 若處理能力過高，物流通過一個級的流速增加，則級效率通常降低，產(chǎn)品達不到分離要求。,13,氣液傳質設備的效率的表示方法,5.1.2,5.1 氣液傳質設備的處理能力和效率,14,塔板是塔設備中用來進行兩相接觸傳質和流動再分布的平臺。,斜孔塔板,浮閥塔板,泡罩塔板,噴射填料塔板,5.1.1 氣液傳質設備處理能力的影響因素,15,5.1.1 氣液傳質設備處理能力的影響因素,實際板與理論板的差異,引入效率的概念,16,5.1.1 氣液傳質設備處理能力的影響因素,板效率概述 （1）板效率就是塔設備中實際板與理論板差異的 定量描述。 （2）板效率與傳質速率、板上汽液兩相混合情 況、非

7、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。,17,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,全塔效率（ET） 全塔效率：完成給定分離任務所須理論板與實際板之比。 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。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。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)方法是Oconncll的關聯(lián)法。,18,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,（1）氣相默弗里效率：以組分i的氣相濃度表示。,默弗里（Murphree）板效率,假定

8、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，其組成等于離開該板降液管中的液體組成。那么，定義實際板上的濃度變化與平衡時應達到的濃度變化之比為默弗里板效率。,圖5-1,19,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,（3）氣相默弗里效率和液相默弗里效率的關系,式中，m為板上平衡線的斜率。 當mV/L=1時，EMV=EML；當mV/L1時，EMVEML。,（2）液相默弗里效率：以組分i的液相濃度表示。,20,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,點效率,假設： （1）板上液層在垂直方向均勻混合； （2）汽體呈活塞流通過液層。,圖5-2 點效率模型,21,5.1.2 氣液傳

9、質設備的效率及其影響因素,默弗里板效率與點效率的主要區(qū)別,1、默弗里板效率中的是離開塔板的液體平均組成的平衡氣相組成，而點效率中的為塔板上某點的液相組成平衡的氣相組成； 2、點效率中的是離開塔板上某點的液體組成氣相組成，而默弗里板效率中的為離開液層的氣相組成； 如果板上液體不僅在垂直方向上而且在水平方向也是混合均勻，塔板上各點的液相組成相同（且等于離開塔板的液相組成），則以上第一點消失；塔板上各點的液相組成相同，必使進入塔板的氣相組成也相同，塔板上各處的點效率相同，則塔板上各點的點效率相同，則第二點差別消失，此時默弗里板效率和點效率相同。,22,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,填料

10、塔的等板高度（HETP）,（1）填料是塔設備中為提高氣液相接觸界面而放置的一些填充物。有散堆填料和規(guī)整填料兩種形式。,散堆填料,規(guī)整填料,23,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,（2）HETP的概念 HETP指的是填料的理論板當量高度，即多少米高的填料相當于一塊理論板。 在工程設計計算中，填料層的理論高度計算就依賴于HETP： 由于HETP受很多因素的影響，因此在計算或選擇使用HETP時要慎重考慮。,24,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,（3）使用HETP的注意要點 液相的塔頂分布和再分布：分布是否均勻直接影響填料的潤濕，從而影響傳質效果使HETP增大。因此，在選擇HET

11、P時應同時選擇與之配套的液體分布形式。 氣相進入填料層的初始分布：氣體分布不均會導致填料層中流動不均勻而出現(xiàn)傳質情況不好。通常小徑塔不需要氣體分布器，但大塔則必須要有。在選擇HETP時要留有適當?shù)挠嗟亍?物性：散堆填料，HETP通常與物性關系不大。規(guī)整填料在處理含水量高的物料或表面張力和液相粘度高的物料時，HETP也會高。,25,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素, 操作壓力：10kPa常壓范圍，壓力對HETP基本無影響；壓力小于10kPa，HETP隨壓力下降有所減??；高壓下，通常壓力增加，HETP也會增大。 最小噴淋密度：當液體噴淋密度低于最小噴淋密度時，液體不能完全潤濕填料，傳質效

12、果會大幅度降低，HETP也會大幅度增加。 塔徑和填料層高度：塔徑和填料層高度選擇的前提是首先要保證汽液兩相在填料中充分接觸。塔徑過大，汽、液相的分布難度也大；塔徑過小，流動阻力加大。因此，在確定合適的HETP后，應配一合適的塔徑和填料層高度。,26,氣液傳質設備的效率的影響因素,5.1.2,5.1 氣液傳質設備的處理能力和效率,27,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,傳質速率,圖5-2 點效率模型,如圖5-2所示，假設板上空間的氣體 完全混合，故進入液相的汽相組成與板 上的位置無關，令板上 的液層高度為Z， 液體在板上流動路程的長度為L，假定 液相組成在垂直方向上與Z無關，在水 平方

13、向上是L 的函數(shù)。當汽相通過板上 液層高度為dZ的微元時，組分i 的傳質 量為：,28,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,對其沿料液高度積分，得：,將其與點效率式關聯(lián)，得：,29,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,氣相流率G一定時，EOG由兩相接觸情況決定，隨Z、a和Ky的增大而增大。所以，塔板上液層越厚，氣泡越分散，表面湍動程度越高，點效率也越高。,30,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,塔板上任意一點的液體都可能存在三個方向的混合： 沿液體流動方向的混合，稱為軸向混合； 垂直于塔板液面、沿汽流方向的混合，通 常假定此方向的混合為完全混合； 在塔板平面上與液流方

14、向垂直的混合，稱 為橫向混合。 對小塔徑塔板，其上面的液流可認為是完全混合，板上各點效率一樣，EMV=EOG。對大塔徑塔板，其上面的液流在軸向和橫向不會完全混合， EMVEOG。,流型和混合效應,31,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,（1）液流在板上無軸向混合（活塞流） 液流在板上無軸向混合時，即呈活塞流流動，這時，軸向濃度梯度最大。 假設：汽相在板間完全混合； 板上各點的點效率相等； 則可從對微元體做物料衡算導出：,32,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,（2）液流在板上軸向部分混合 采用渦流擴散模型導出：,式中：Pe為彼克來準數(shù)； tL為液體在板上的平均停留時間，s；

15、 DE為渦流擴散系數(shù)，m2/s。,33,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,（1）DE0時，Pe， 無返混，活塞流， EMV/EOG最大； （2）DE時，Pe=0， 全混合， EMV=EOG； （3）在Pe=0和Pe之間， EMVEOG,34,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,液體在塔板上的非均勻流動,板上環(huán)流情況,35,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,汽體流動情況對板效率的影響,（1）在板間的不完全混合 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。 （2）通過塔板不均勻分布 將導致板上不同位置的汽液接觸時間不同，因而傳質效果也不同；嚴重時可能導致局部穿

16、流和漏液。,36,5.1.2 氣液傳質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EMV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。 2.液相不均勻流動，尤其是環(huán)流，使EMV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效率產(chǎn)生不利影響。 4.在計算默弗里板效率（EMVEOG）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相在板上橫向流動的作用。,流型和混合效應影響小結,37,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,霧沫夾帶的影響,霧沫夾帶會將一部分重組分直接帶到上一層塔板，從而降低了上層塔板上輕組分的濃度，抵消了部分分離效果，

17、降低了板效率。 霧沫夾帶實質上是一種級間液體返混，會造成分離效果降低。,38,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,Ea有霧沫夾帶下的板效率； e單位液體流率的霧沫夾帶量。,Ea的簡化：,所以，Ea總是小于EMV的。并且，霧沫夾帶越大，e越大，Ea越小。因此，在塔板設計中應控制e0.1，以減小不利影響。,39,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,物性的影響,（1）液體粘度 粘度高，氣泡大，傳質界面小；粘度高，液相擴散系數(shù)小，傳質速率降低。所以，粘度高的液相板效率較低。溫度升高能降低粘度，提高板效率。 （2）相對揮發(fā)度 相對揮發(fā)度大，相當于汽相溶解度低，平衡線斜率m大，液相流動阻力

18、大，板效率低。,40,5.1.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素,（3）表面張力和表面張力梯度 泡沫狀態(tài)時，表面張力對板效率的影響較??；噴射狀態(tài)時，其影響有所增加。 表面張力梯度的影響分三種情況： 正系統(tǒng)：輕組分表面張力低于重組分的。適合于在泡沫狀態(tài)下操作。 負系統(tǒng)：輕組分表面張力高于重組分的。適合于在噴射狀態(tài)下操作。 中性系統(tǒng)：兩組分表面張力接近。兩種狀態(tài)操作均可。,41,5.1.3 氣液傳質設備效率的估計方法,獲取效率的途徑,（1）實測：通過工廠或工業(yè)規(guī)模實驗裝置實測溫度、壓力 和汽液相組成數(shù)據(jù)，推算出效率數(shù)據(jù)。這種方法最可靠。 （2）測點效率推算：采用奧德肖塔試驗測取點效率，在用適當?shù)姆?/p>

19、法推算出板效率和塔效率。這種方法獲取的點效率比較可靠。 （3）中試數(shù)據(jù)測算：在中試裝置上測取相應數(shù)據(jù)，推算出效率數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)應用于工業(yè)裝置的前提是工業(yè)裝置中的操作狀態(tài)要與中試裝置的操作狀態(tài)相同。 （4）經(jīng)驗關聯(lián)式推算 （5）半經(jīng)驗模型計算,42,5.1.3 氣液傳質設備效率的估計方法,經(jīng)驗法,（1）對板式塔常采用的估算板效率的經(jīng)驗法就是著名的奧 康奈爾法（OConncll），它是通過一些實測數(shù)據(jù)關聯(lián)得到的，如果所處理的物系與經(jīng)驗關聯(lián)所用的實測物系或與其性質相近時，該法可以提供比較接近實際的塔效率估計值。 （2）填料塔等板高度的大小不僅取決于設備結構，填料的類型和尺寸，而且還與物系性質和操作氣速

20、有關，一般通過實驗測定或取工業(yè)設備的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。,43,5.1.3 氣液傳質設備效率的估計方法,機理模型,機理模型盡可能全面的考慮了各種傳質和流體力學因素對效率的影響，被認為是比較反映實際情況的預測板效率的方法，其中以AIChE法為代表。AIChE法的具體估算步驟為：,（1）利用式（5-10）和（5-11）計算出板上的傳質單元數(shù):,44,5.1.3 氣液傳質設備效率的估計方法,（2）利用下式將傳質單元數(shù)換算為點效率：,（3）用式（5-17）計算板上的返混程度（計算Peclet準數(shù)）， 查圖5-5獲得干板效率EMV。,（4）利用圖5-8和5-9求得霧沫夾帶量，利用下式計算在霧沫 夾帶下的板效率。,

21、參見例5-1,45,5.1.3 氣液傳質設備效率的估計方法,多組分系統(tǒng)的效率,（1）多組分的不利影響 各組分擴散系數(shù)不同，效率也不同； 分子間相互作用會影響關鍵組分的效率。 （2）處理方法 用奧德肖塔進行實測，以此推算各組分的效率。,46,5.1.3 氣液傳質設備效率的估計方法,對各組分性質相近的近乎理想的溶液，分子間相互作用可以忽略，在測算i組分時，其余組分合在一起視為一個虛擬組分，體系可作為二元體系考慮。 在設計計算的大多數(shù)情況下，近似以關鍵組分的效率作為其余組分的效率。若關鍵組分占物料的大部分，則關鍵組分分離的效率可近似取它們進行二元分離時的效率。,多組分系統(tǒng)的效率,47,5.3 傳質設

22、備的選擇,5.3.1 氣液傳質設備的選擇,一、板式塔和填料塔的選擇 （1）系統(tǒng)物性 腐蝕性：填料塔（耐腐蝕的非金屬材質填料） 易發(fā)泡：填料塔（對泡沫有限制和破碎作用） 易聚合或固體：板式塔（傳質效果好） 熱敏性、真空操作：填料塔（滯液量少、壓降小、t短） 高粘度：填料塔（在板式塔中鼓泡效果差） 明顯熱效應：板式塔（便于安裝加熱和冷卻盤管）,48,5.3 傳質設備的選擇,（2）塔的操作條件 板式塔 填料塔 塔直徑： 0.6m 不受限制 設備費用 小塔： 大 小 大塔： 小 大 操作彈性： 大 小 （3）塔的操作方式 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）,49,5.3 傳質設備的選擇,二、填料的選擇 （1）材質選擇