第5章分离设备处理能力和效率(4)

第1节气液传质设备的处理能力和效率第2节萃取设备的处理能力和效率第3节传质设备的选择第5章分离设备选择和放大第一节气液传质设备的处理能力和效率5.1.1气液传质设备处理能力的影响因数5.1.2气液传质设备的效率及其影响因数5.1.3气液传质设备效率的估计法返回5.1.1气液传质设备处理能力的影响因数传质设备：板式塔；填料塔液泛：板式塔：液泛气速随L/V下降而上升；随板间距增大而上升。填料塔：（包括规整或乱堆）L/V下降、液体粘度（膜的厚度）下降、填料孔隙率升高、比表面积下降都会使液泛气速上升。液泛气速增大，说明处理能力增大。雾沫夹带分离过程中为处理能力的极限。表示方式：雾沫夹带量或泛点率（板式塔而言）板间距下降、塔负荷上升会使雾沫夹带量上升。压力降（与处理能力有关）真空操作：压力降有一上限。板式塔：构成降液管内液位高度重要组成部分，压力降大，液位高，若很大，就会产生液泛。停留时间停留时间长，效率高，处理能力低；停留时间短，效率低，处理能力高，产品质量差。返回泛点率简单说就是实际气速跟泛点气速的比值。5.1.2气液传质设备的效率及其影响因数一、效率的表示方法理论板与实际板比较：理论板实际板1.气液两相完全混合，板上浓度均一。板上液相浓度径向分布，液体入口处浓度高，进入的气相各点浓度不相同。有雾沫夹带、漏液、液相夹带汽相等。4.无雾沫夹带、漏液、液相夹带汽相等。不均匀流动，各点停留时间不同。3.均匀流动，各点停留时间相同。达到平衡要无限长时间。影响因数：塔板结构，流动情况、物性、平衡关系。2.离开板的气液相浓度达到平衡传质量：实际板理论板iiiixKyy*)(1*jiyyV所以，引入效率概念。成平衡与，jijijijijijiMLiyxxxxxE,*,1,*,1,,实理定义：全塔效率NNEETT.1成平衡与，jijijijijijiMVixyyyyyE,*,1,*,1,,MViE，默弗里板效率.2j-1jxi,j-1xi,jyi,j+1yi,j注意：1.2.不同组分计算结果不同（二元除外）。MLiMViEE，，成平衡与jijijijijijiOGixyyyyyE,*,1,*,1,,,OGiE，点效率.3j-1jxi,j-1xi,jyi,j+1JJ，假设：流体垂直方向完全混合在一垂直处J—J′处：jiy,′jix,′4.填料塔的等板高度HETPHETP=填料层高度/理论板数二、效率的影响因素从机理上分析1.传质速率假设：a.板上空间气体完全混合，进入液相气体组成与板上位置无关。b.液相组成在垂直方向上与液层高度(Z)无关。有：气体通过板上dz的微元高度时i组分的传递量322*//)65()(mmasmmolGdZdAyyaKdydAGiiYi比表面积，—鼓泡层中的气液接触—）（的气相摩尔流率，积上—单位时间，单位截面—)75(ln)65(1,*,,*,OGjijijijiYNyyyyGaZK：积分的关系：与OGOGENOGNjijijijijijijijiOGeyyyyyyyyE1,*,,*,1,*,1,,11)85(11GaZKNOGYOGeeE气相总传质单元数点效率由双膜理论：mVLNNNLGOG111和筛板塔研究结果：塔据美国化工学会对泡罩）（液相传质单元数115LN）（气相传质单元数105GNm——平衡常数（10-12）（10-13）2.流型和混合效应二种极端情况：1,*,1,,,,,,,)1(jijijijiOGijijijijiyyyyEyyxx板上液体完全混合MVijijijijiEyyyy,1,*,1,,这时：OGNOGMVeEE1(5-14)（10-16）研究：且停留时间相同。板上液体完全不混合活塞流Lewis)()2(）（）（155]1[/OGEMVeE两种极限情况的比较：10-16，10-17作图OGMVOGMVEEEE完全不混合完全混合说明：1.1越大。越小，而且增大合作用减弱，使一定时：液体混当MVMVOGEEN,.2完全混合OGMVEE/OGE图10-41（10-17）与流体总方向垂直—横向混合与流体总方向平行—纵向混合。响板上液体以不同方式影板上液体部分混合OGMVEE)3(OGEMVEb向移动，使混合向完全混合曲线方中体现趋向由完全不，图组成更接近于出口组成液体减小，使得所有位置上促使液体沿流程浓度差纵向混合：45.两条曲线之间。关系曲线位于图与10-5.MVOGMVEEEa。合也应该使分纵向混合时，横向混。若存在部合时，可使均一情况。若无纵向混接近停留时间和反混造成的不利影响减少了停留时间不均一横向混合：OGEMVEOGEMVEc,.10-5美国化工学会（AIChE）模型：条件：仅停留时间均一下纵向混合（无横向混合）]155[)165(页OGMVEE]141[2/1951252122）（板）（适用于泡罩板和筛孔涡流扩散系数，）（板上平均停留时间，）（）准数—彼克来（—式中：eOGeELLEePEPsmDStPeclettDlP（10-18）P435（10-14）对（5—16）作图：OGMVeOGMVeeOGOGMVEEPEEPbaPEEE完全混合完全不混合图——0,55讨论：1.不均匀流动、环流对塔板效率产生不利影响（点效率下降）；2.小直经塔，板上液体为完全混合；3.大直经塔，板上液体不混合性增强。10-5综上所述：1.完全混合板效率等于点效率；2.液相纵向不完全混合，使对板效率起明显有利的影响；2.不均匀流动、环流会产生不利影响液相横向混合，能削这种的影响，使；随塔经增大，纵向不完全混合性的有利影响下降，不均匀流动趋于严重。OGMVEEOGMVEE3.雾沫夹带使重组分含量高的液体进入上层塔板——上层塔板轻组分浓度下降。雾沫夹带对板效率的影响：—雾沫夹带量—）（：有雾沫夹带下的板效率eEEeEeEEEMVaMVMVaa;]1[1eEMV(10-22)4.物性的影响◆液体粘度粘度高，两相接触差，扩散系数低，传质速率低，效率低。精馏：一般在较高温度下操作，效率要高；吸收：一般在较低温度下操作，效率要低。◆密度梯度由于易挥发组分气化，靠近界面处形成一个密度较大区域，位于低密度液体之上，产生上下环流，从而提高传质系数。液体流动流动◆表面张力易挥发组分（MVC）表面张力较小——正系统易挥发组分（MVC）表面张力较大——负系统表面张力梯度对泡沫稳定层的影响：液体流动流动低XMVC高表面张力高XMVC低表面张力自愈合的正系统低XMVC低表面张力高XMVC高表面张力自破坏的负系统正系统：板式塔易形成稳定的泡沫层，填料塔易形成稳定的液体薄膜。负系统；反之，泡沫、薄膜不稳定。提高传质效率◆喷雾状态表面张力梯度对液滴生成的效应：液体蒸汽较低的表面张力低XMVC负系统：负系统，液滴易断裂，板效率高；正系统反之。传质设备的选取：正系统：选用泡沫接触状态方式负系统：选用喷射接触状态方式液体蒸汽低XMVC正系统：较高的表面张力返回5.1.3气液传质设备效率的估计法一、经验法板式塔：查图（奥康奈尔法）填料塔：求HETP二、机理模型（用来预测放大后塔板效率）美国化工学会（AIChE）提出方法：（10-10）（10-11）（10-12）→EOG、Pe查图10-5：MVOGMVeOGEEEPE计算查图、由55由图5-8：Fu气相速度泛点百分率：）（求）（由smuKFGLGFV/5.0（泡罩塔、查图、板间距已知VLGKVL85筛板塔液泛极限）eVLLG9595查图、泛点百分率已知：由图（夹带分率）由（5-20）：有雾沫夹带下的板效率:)205(])1([1aMVMVaEeEeEE方法特点：1.预测放大塔径后的板效率2.计算复杂表10-2萃取设备的分类型式逐极接触式微分接触式无外加能量筛板塔喷洒塔、填料塔具有外加能量搅动混合澄清器搅拌填料塔转盘塔搅拌挡板塔脉冲脉冲筛板塔脉冲混合澄清器脉冲填料塔离心力逐极接触离心萃取器连续接触离心萃取器返回第二节萃取设备的处理能力和效率5.2.1萃取设备的处理能力和效率5.2.2影响萃取塔效率的因数5.2.3萃取塔效率返回5.2.1萃取设备的处理能力和效率一、设备的特性速度1.关系式喷洒塔设：密度小的相为连续相，连续向上运动;密度大的相为分散相，液滴在连续相中自由沉降。——分散相空塔速度m/s——连续相空塔速度m/s——分散相在塔内液相中所占体积分率（滞液分率）cududfsmusmudcdd/1/ff连续相液体速度：分散相液体速度：（注：方向相反）(10-38)dcddsuuuff1两相的相对速度：）（）（）（）代入（将：dtdccdpsdddmugdufffCf111821）（10-41液体混合物—连续相；—分散相；—在混合液中自由沉降速度：个液滴由斯托克斯定律计算单）（mcdcmdpsgdu182：分散相液滴平均直径Pd单个液滴在纯连续相中的自由沉降速度）（255)1()1(:)245()215(2dcdddtuuufff之间的关系与、、表示：tdcduuuf适用于喷洒塔—ud——分散相空塔速度m/suc——连续相空塔速度m/s——分散相在塔内液相中所占体积分率（滞液分率）ut——单液滴在纯连续相中的自由沉降速度，与操作条件无关（与空塔气速，滞液分率等无关）。df(10-38)=(10-41)，故（10-42）若固定一相速度，改变另一相速度，必将改变滞液分率。）（：代替用265)1()1(2dcdddktkuuuuufff对于其他类型萃取设备：由于接触方式不同，对（10-41）改进。。，其它情况，进行测定对于喷洒塔tKuu.4物性和设备特性。计算取决于萃取物系的.3无关。、与cduu.2。性质，但不是具有ttkuuu.1:（10-43）特性速率用于填料塔为填料的孔隙率——）（fff275)1()1(2dcdddkuuu）（2851)1(dcddndkuKuufff用于转盘塔1.22411241KDRDSDKDRDSD时，）（当时，）（当式中：—塔径——转盘直经——固定环内经—DRDSD（10-44）（10-45）用于脉冲筛板塔分散相液滴不断发生该过程：分散——凝聚——再分散）（2951)1(dcddndkuuufff2.uk获取法1）测定；2）由测定值关联方程：（10-46）转盘塔：（10-47）脉冲塔：（10-48）d0——筛孔直径；μd——分散相粘度；ψf——输入能量因子；对于正弦脉冲，两相密度差表面张力转盘直径转盘转速固定环内径转盘直径转盘间距塔径二、临界持液分率与液泛速度作图对）：对于（。—分散相液体液泛速度——连续相液泛速度；——凝界持液分率；—dkuduuuudcdddkdFuCFudFfffff2)1()1(265实际不存在dfkudu不变Cu·泛点临界滞液分率(10-43)液泛时两相的空塔速度CFCdFddFduuuu为；为；为顶点讨论：ff.123.0121CdCFKdFdFduuuu滴被连续相带走。，或部分分散相液液泛时，发生液滴合并.2（10-50）（10-51）（10-52）2dFKdFdF021dCduuuu以上两式消去uK，可得0.52dFcFdFcFdFcFdFdFcF8341uuuuuuuu（10-52）不含特性常数uK，表明φdF只与udF/uCF有关，与物性、液滴尺寸、设备类型无关。4.若联立求解以上三方程，得（udF+uCF）/uK与ud/uC的关系曲线。见图10-