化工分離過程5分離設(shè)備的處理能力和效率

化工分別過程

ChemicalSeparationProcesses第五章分別設(shè)備的處置才干和效率5.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處置才干和效率5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處置才干的影響要素5.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素5.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計(jì)方法5.2萃取設(shè)備的處置才干和效率〔自學(xué)〕5.3傳質(zhì)設(shè)備的選擇5.3.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的選擇5.3.2萃取設(shè)備的選擇第五章分別設(shè)備的處置才干和效率2本章將要研討傳質(zhì)設(shè)備問題，重點(diǎn)分析和討論影響氣液傳質(zhì)設(shè)備的處置才干和效率的要素，確定效率的閱歷方法和機(jī)理模型。同時(shí)還對氣液和液液傳質(zhì)設(shè)備的選型問題進(jìn)展了研討。第五章分別設(shè)備的處置才干和效率35.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處置才干和效率氣液分別設(shè)備分類微分接觸式〔填料塔〕氣液分別設(shè)備逐級接觸式〔板式塔〕45.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處置才干和效率逐級接觸式〔板式塔〕在圓柱形殼體內(nèi)按一定間距程度設(shè)置假設(shè)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，各層塔板上堅(jiān)持有一定厚度的流動液層；氣體那么在壓強(qiáng)差的推進(jìn)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(nèi)逐板接觸進(jìn)展質(zhì)、熱交換，兩相組成沿塔高呈階躍式變化。板式塔溶劑氣體55.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處置才干和效率微分接觸式〔填料塔〕圓柱形殼體內(nèi)裝填一定高度的填料，液體經(jīng)塔頂噴淋安裝均勻分布于填料層頂部上，依托重力作用沿填料外表自上而下流經(jīng)填料層后自塔底排出；氣體在壓強(qiáng)差推進(jìn)下穿過填料層的空隙，由塔的一端流向另一端。氣液在填料外表接觸進(jìn)展質(zhì)、熱交換，兩相的組成沿塔高延續(xù)變化。溶劑填料塔氣體65.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處置才干和效率氣液傳質(zhì)設(shè)備處置才干的影響要素5.1.1液泛霧沫夾帶壓力降停留時(shí)間75.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處置才干的影響要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(shí)，液體被氣體夾帶到上層塔板的量添加很快，塔板間將充溢氣、液混合物，引發(fā)液泛。溢流液泛：液體在降液管內(nèi)受阻不能及時(shí)往下流動而在板上積累所致。Hdhf+h

HTh0howhw85.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處置才干的影響要素液泛的影響任何逆流流動的分別設(shè)備的處置才干都遭到液泛的限制，液泛氣速大，設(shè)備的處置才干大。對于板式塔氣液分別設(shè)備，液泛氣速隨L/V的減小和板間距的添加而提高。對于填料塔，由于規(guī)整填料的流道具有更大的銜接性，所以，對具有一樣空隙率的填料塔，規(guī)整填料塔的處置才干比亂堆填料塔要大。此外，隨著L/V的減小，液體粘度〔液膜厚度〕的減小、填料空隙率的添加和比外表積的減少，液泛氣速添加。95.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處置才干的影響要素霧沫夾帶的影響霧沫夾帶是氣液兩相的物理分別不完全的景象，由于它對級效率有不利的影響，并添加了級間流量，在分別設(shè)備中霧沫夾帶經(jīng)常表現(xiàn)為處置才干的極限。霧沫夾帶隨板間距的減小而添加，隨塔負(fù)荷的添加急劇上升。在低的L/V或低壓下，霧沫夾帶是限制處置才干的主要要素。105.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處置才干的影響要素壓力降的影響與處置才干親密相關(guān)的另一個(gè)要素是接觸設(shè)備中的壓力降。對于減壓分別過程，壓力降存在某個(gè)上限，往往成為限制設(shè)備處置才干的主要要素。此外，在板式塔中，板與板之間的壓力降是構(gòu)成降液管內(nèi)液位高度的重要組成部分，因此，過高的壓力降就能夠引起液泛。有效長度泡沫h(huán)lhfhowHTh0115.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處置才干的影響要素停留時(shí)間的影響對于給定的設(shè)備，限制處置才干的另一個(gè)要素是獲得適宜效率所需求的流體的停留時(shí)間。

接觸相在設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間越長，那么級效率越高，但處置才干低。假設(shè)處置才干過高，物流經(jīng)過一個(gè)級的流速添加，那么級效率通常降低，產(chǎn)品達(dá)不到分別要求。12氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率的表示方法5.1.2全塔效率板效率點(diǎn)效率等板高度5.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處置才干和效率13塔板是塔設(shè)備中用來進(jìn)展兩相接觸傳質(zhì)和流動再分布的平臺。斜孔塔板浮閥塔板泡罩塔板放射填料塔板5.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處置才干的影響要素145.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處置才干的影響要素實(shí)踐板與實(shí)際板的差別理論板實(shí)際板1.離開板的氣液相濃度達(dá)到平衡；達(dá)到平衡要無限長時(shí)間。影響因素：塔板結(jié)構(gòu)、流動情況和物性等。2.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(jìn)入的氣相各點(diǎn)濃度不相同。3.均勻流動，各點(diǎn)停留時(shí)間相同；不均勻流動，各點(diǎn)停留時(shí)間不同。4.無霧沫夾帶、漏液、液相泡沫夾帶等。有霧沫夾帶、漏液、液相泡沫夾帶等。引入效率的概念155.1.1氣液傳質(zhì)設(shè)備處置才干的影響要素板效率概述〔1〕板效率就是塔設(shè)備中實(shí)踐板與實(shí)際板差別的定量描畫?！?〕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，泡沫夾帶，漏液〕等要素有關(guān)。165.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素全塔效率〔ET〕全塔效率：完成給定分別義務(wù)所須實(shí)際板與實(shí)踐板之比。全塔板效率是板式塔分別性能的綜合量度，它將各種能夠?qū)λ謩e效率有影響的要素全思索在內(nèi)。由于分別設(shè)備的復(fù)雜性，一切這些要素與全塔效率的關(guān)系難以理清。所以，關(guān)于全塔效率的可靠數(shù)據(jù)只能經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測定獲得。也有人對全塔效率進(jìn)展關(guān)聯(lián)，目前得到比較廣運(yùn)用的關(guān)聯(lián)方法是O’conncll的關(guān)聯(lián)法。175.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素〔1〕氣相默弗里效率：以組分i的氣相濃度表示。默弗里〔Murphree〕板效率假定板間氣相完全混合，氣相以活塞流垂直經(jīng)過液層。板上液體完全混合，其組成等于分開該板降液管中的液體組成。那么，定義實(shí)踐板上的濃度變化與平衡時(shí)應(yīng)到達(dá)的濃度變化之比為默弗里板效率。xi,jyi,jjyi,j+1xi,j-1j-1圖5-1185.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素〔3〕氣相默弗里效率和液相默弗里效率的關(guān)系式中，m為板上平衡線的斜率。當(dāng)mV/L=1時(shí)，EMV=EML；當(dāng)mV/L>>1時(shí)，EMV<<EML?！?〕液相默弗里效率：以組分i的液相濃度表示。195.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素點(diǎn)效率假設(shè)：〔1〕板上液層在垂直方向均勻混合；〔2〕汽體呈活塞流經(jīng)過液層。j-1jxi,j-1xi,jyi,j+1JJ，jiy,

′jix,

′圖5-2點(diǎn)效率模型205.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素默弗里板效率與點(diǎn)效率的主要區(qū)別1、默弗里板效率中的是分開塔板的液體平均組成的平衡氣相組成，而點(diǎn)效率中的為塔板上某點(diǎn)的液相組成平衡的氣相組成；2、點(diǎn)效率中的是分開塔板上某點(diǎn)的液體組成氣相組成，而默弗里板效率中的為分開液層的氣相組成；假設(shè)板上液體不僅在垂直方向上而且在程度方向也是混合均勻，塔板上各點(diǎn)的液相組成一樣〔且等于分開塔板的液相組成〕，那么以上第一點(diǎn)消逝；塔板上各點(diǎn)的液相組成一樣，必使進(jìn)入塔板的氣相組成也一樣，塔板上各處的點(diǎn)效率一樣，那么塔板上各點(diǎn)的點(diǎn)效率一樣，那么第二點(diǎn)差別消逝，此時(shí)默弗里板效率和點(diǎn)效率一樣。215.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素填料塔的等板高度〔HETP〕〔1〕填料是塔設(shè)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)整填料兩種方式。散堆填料規(guī)整填料225.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素〔2〕HETP的概念HETP指的是填料的實(shí)際板當(dāng)量高度，即多少米高的填料相當(dāng)于一塊實(shí)際板。在工程設(shè)計(jì)計(jì)算中，填料層的實(shí)際高度計(jì)算就依賴于HETP：由于HETP受很多要素的影響，因此在計(jì)算或選擇運(yùn)用HETP時(shí)要慎重思索。235.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素〔3〕運(yùn)用HETP的留意要點(diǎn)①液相的塔頂分布和再分布：分布能否均勻直接影響填料的潤濕，從而影響傳質(zhì)效果使HETP增大。因此，在選擇HETP時(shí)應(yīng)同時(shí)選擇與之配套的液體分布方式。②氣相進(jìn)入填料層的初始分布：氣體分布不均會導(dǎo)致填料層中流動不均勻而出現(xiàn)傳質(zhì)情況不好。通常小徑塔不需求氣體分布器，但大塔那么必需求有。在選擇HETP時(shí)要留有適當(dāng)?shù)挠嗟?。③物性：散堆填料，HETP通常與物性關(guān)系不大。規(guī)整填料在處置含水量高的物料或外表張力和液相粘度高的物料時(shí)，HETP也會高。245.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素④操作壓力：10kPa~常壓范圍，壓力對HETP根本無影響；壓力小于10kPa，HETP隨壓力下降有所減小；高壓下，通常壓力添加，HETP也會增大。⑤最小噴淋密度：當(dāng)液體噴淋密度低于最小噴淋密度時(shí)，液體不能完全潤濕填料，傳質(zhì)效果會大幅度降低，HETP也會大幅度添加。⑥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，在確定適宜的HETP后，應(yīng)配一適宜的塔徑和填料層高度。25氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率的影響要素5.1.2傳質(zhì)速率流型混合霧沫夾帶物性5.1氣液傳質(zhì)設(shè)備的處置才干和效率265.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素傳質(zhì)速率j-1jxi,j-1xi,jyi,j+1JJ，jiy,

′jix,

′圖5-2點(diǎn)效率模型如圖5-2所示，假設(shè)板上空間的氣體完全混合，故進(jìn)入液相的汽相組成與板上的位置無關(guān)，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(guān)，在水平方向上是L的函數(shù)。當(dāng)汽相經(jīng)過板上液層高度為dZ的微元時(shí)，組分i的傳質(zhì)量為：275.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素對其沿料液高度積分，得：將其與點(diǎn)效率式關(guān)聯(lián)，得：微元285.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素氣相流率G一定時(shí)，EOG由兩相接觸情況決議，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，外表湍動程度越高，點(diǎn)效率也越高。295.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素塔板上恣意一點(diǎn)的液體都能夠存在三個(gè)方向的混合：①沿液體流動方向的混合，稱為軸向混合；②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；③在塔板平面上與液流方向垂直的混合，稱為橫向混合。對小塔徑塔板，其上面的液流可以為是完全混合，板上各點(diǎn)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，EMV≠EOG。流型和混合效應(yīng)305.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素〔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(shí)，即呈活塞流流動，這時(shí)，軸向濃度梯度最大。假設(shè)：汽相在板間完全混合；板上各點(diǎn)的點(diǎn)效率相等；那么可從對微元體做物料衡算導(dǎo)出：315.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素〔2〕液流在板上軸向部分混合采用渦流分散模型導(dǎo)出：式中：Pe為彼克來準(zhǔn)數(shù)；tL為液體在板上的平均停留時(shí)間，s；DE為渦流分散系數(shù)，m2/s。325.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素〔1〕DE→0時(shí)，Pe→∞，無返混，活塞流，EMV/EOG最大；〔2〕DE→∞時(shí)，Pe=0，全混合，EMV=EOG；〔3〕在Pe=0和Pe→∞之間，EMV>EOG335.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素液體在塔板上的非均勻流動板上環(huán)流情況345.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要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(shí)驗(yàn)研討闡明，汽相在板間的混合情況對板效率的影響較小。〔2〕經(jīng)過塔板不均勻分布將導(dǎo)致板上不同位置的汽液接觸時(shí)間不同，因此傳質(zhì)效果也不同；嚴(yán)重時(shí)能夠?qū)е虏糠执┝骱吐┮骸?55.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素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減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經(jīng)過塔板時(shí)不均勻流動對板效率產(chǎn)生不利影響。4.在計(jì)算默弗里板效率〔EMV~EOG〕時(shí)只思索了塔板上液體軸向流動的影響，沒有思索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(yīng)影響小結(jié)365.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要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，抵消了部分分別效果，降低了板效率。霧沫夾帶本質(zhì)上是一種級間液體返混，會呵斥分別效果降低。375.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素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(shè)計(jì)中應(yīng)控制e<0.1，以減小不利影響。385.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素物性的影響〔1〕液體粘度粘度高，氣泡大，傳質(zhì)界面??；粘度高，液相分散系數(shù)小，傳質(zhì)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?！?〕相對揮發(fā)度相對揮發(fā)度大，相當(dāng)于汽相溶解度低，平衡線斜率m大，液相流動阻力大，板效率低。395.1.2氣液傳質(zhì)設(shè)備的效率及其影響要素〔3〕外表張力和外表張力梯度泡沫形狀時(shí)，外表張力對板效率的影響較?。环派湫螤顣r(shí)，其影響有所添加。外表張力梯度的影響分三種情況：①正系統(tǒng)：輕組分外表張力低于重組分的。適宜于在泡沫形狀下操作。②負(fù)系統(tǒng)：輕組分外表張力高于重組分的。適宜于在放射形狀下操作。③中性系統(tǒng)：兩組分外表張力接近。兩種形狀操作均可。405.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計(jì)方法獲取效率的途徑〔1〕實(shí)測：經(jīng)過工廠或工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)安裝實(shí)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(diǎn)效率推算：采用奧德肖塔實(shí)驗(yàn)測取點(diǎn)效率，在用適當(dāng)?shù)姆椒ㄍ扑愠霭逍屎退省＿@種方法獲取的點(diǎn)效率比較可靠。〔3〕中試數(shù)據(jù)測算：在中試安裝上測取相應(yīng)數(shù)據(jù)，推算出效率數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)運(yùn)用于工業(yè)安裝的前提是工業(yè)安裝中的操作形狀要與中試安裝的操作形狀一樣?！?〕閱歷關(guān)聯(lián)式推算〔5〕半閱歷模型計(jì)算415.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計(jì)方法閱歷法〔1〕對板式塔常采用的估算板效率的閱歷法就是著名的奧康奈爾法〔O’Conncll〕，它是經(jīng)過一些實(shí)測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到的，假設(shè)所處置的物系與閱歷關(guān)聯(lián)所用的實(shí)測物系或與其性質(zhì)相近時(shí)，該法可以提供比較接近實(shí)踐的塔效率估計(jì)值?！?〕填料塔等板高度的大小不僅取決于設(shè)備構(gòu)造，填料的類型和尺寸，而且還與物系性質(zhì)和操作氣速有關(guān)，普統(tǒng)統(tǒng)過實(shí)驗(yàn)測定或取工業(yè)設(shè)備的閱歷數(shù)據(jù)。425.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計(jì)方法機(jī)理模型機(jī)理模型盡能夠全面的思索了各種傳質(zhì)和流膂力學(xué)要素對效率的影響，被以為是比較反映實(shí)踐情況的預(yù)測板效率的方法，其中以AIChE法為代表。AIChE法的詳細(xì)估算步驟為：

〔1〕利用式〔5-10〕和〔5-11〕計(jì)算出板上的傳質(zhì)單元數(shù):435.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計(jì)方法〔2〕利用下式將傳質(zhì)單元數(shù)換算為點(diǎn)效率：〔3〕用式〔5-17〕計(jì)算板上的返混程度〔計(jì)算Peclet準(zhǔn)數(shù)〕，查圖5-5獲得干板效率EMV?！?〕利用圖5-8和5-9求得霧沫夾帶量，利用下式計(jì)算在霧沫夾帶下的板效率。參見例［5-1］445.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計(jì)方法多組分系統(tǒng)的效率〔1〕多組分的不利影響①各組分分散系數(shù)不同，效率也不同；②分子間相互作用會影響關(guān)鍵組分的效率。〔2〕處置方法①用奧德肖塔進(jìn)展實(shí)測，以此推算各組分的效率。455.1.3氣液傳質(zhì)設(shè)備效率的估計(jì)方法②對各組分性質(zhì)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(shí)，其他組分合在一同視為一個(gè)虛擬組分，體系可作為二元體系思索。③在設(shè)計(jì)計(jì)算的大多數(shù)情況下，近似以關(guān)鍵組分的效率作為其他組分的效率。假設(shè)關(guān)鍵組分占物料的大部分，那么關(guān)鍵組分分別的效率可近似取它們進(jìn)展二元分別時(shí)的效率。多組分系統(tǒng)的效率465.3傳質(zhì)設(shè)備的選擇5.3.1氣液傳質(zhì)設(shè)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(zhì)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(zhì)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(yīng)：板式塔〔便于安裝加熱和冷卻盤管〕475.3傳質(zhì)設(shè)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(shè)備費(fèi)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(cè)線采出：板式塔〔簡便〕485.3傳質(zhì)設(shè)備的選擇二、填料的選擇〔1〕材質(zhì)選擇陶瓷、金屬、塑料等思索：價(jià)錢、硬度、腐蝕性〔2〕種類思索：效率、壓力、外表積、操作彈性等〔3〕尺寸取適宜的塔徑與填料尺寸大小的比值495.3傳質(zhì)設(shè)備的選擇一、萃取設(shè)備的選擇〔1〕所需實(shí)際級數(shù)N設(shè)備2—3都可以4—5