1、1 化工分离工程化工分离工程Chemical Separation Engineering主讲：刘俊生主讲：刘俊生合肥学院合肥学院 化学与材料工程系化学与材料工程系E-mail:12 2第5章 分离设备的性能和效率第一节第一节 气液传质设备的性能和效率气液传质设备的性能和效率第二节第二节 萃取设备的处理能力和效率萃取设备的处理能力和效率第三节第三节 传质设备的选择传质设备的选择本章重点 讨论影响气液或液液传质设备性能和效率的各种因素；介绍确定效率的经验方法和理论模型，以及气液和液液传质设备的选型等问题。34第一节 气液传质设备的性能和效率5.1.1 气液传质设备处理能力的影响因数5.1.2 气
2、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5 55.1.1影响气液传质设备流体力学性能的因素 气液传质设备的种类繁多，但基本上可分为两大类，气液传质设备的种类繁多，但基本上可分为两大类，板式塔板式塔和和填料塔（如下图所示）填料塔（如下图所示）。无论哪一类设备，其传质性能的好坏，负荷的大小无论哪一类设备，其传质性能的好坏，负荷的大小及操作是否稳定，在很大程度上决定于及操作是否稳定，在很大程度上决定于塔的设计塔的设计。关于关于塔的设计塔的设计参见参见“化工原理化工原理”，这里主要这里主要定性分析定性分析：影响设备流体力学和传质性能影响设备流体力学和传质性能的主要因素的主要因素
3、。675.1 气液传质设备的性能和效率第5章 分离设备的性能和效率5.1.1 影响气液传质设备流体力学性能的因素泡沫泡沫1蒸汽夹带和液体夹带2液面梯度3漏液4液泛5压力降6停留时间79 95.1.1影响气液传质设备流体力学性能的因素（1 1）泡沫）泡沫在塔板上生成泡沫在塔板上生成泡沫有利于有利于汽液之间界面和传质的最大化。汽液之间界面和传质的最大化。原因原因：塔板上的泡沫是由于蒸汽流经液体时：塔板上的泡沫是由于蒸汽流经液体时产生搅动和湍产生搅动和湍流流而形成的。而形成的。发泡量和它的稳定性与液体的物理性质有关。发泡量和它的稳定性与液体的物理性质有关。高发泡率高发泡率限限制了允许的蒸汽流率。制了
4、允许的蒸汽流率。高泡沫稳定性高泡沫稳定性限制了允许的液相流限制了允许的液相流率。率。所以应避免液料的所以应避免液料的过度过度发泡性和泡沫发泡性和泡沫过高过高的稳定性。的稳定性。设计塔板时必须考虑物料的发泡性能。必要时：设计塔板时必须考虑物料的发泡性能。必要时：加入表面加入表面活性剂来调节物料的发泡性能。活性剂来调节物料的发泡性能。（2）蒸汽夹带和液体夹带 当液体沿降液管流向下一板时，一些泡沫被带下，还有一些泡沫是由于湍流在降液管中生成的。这些向下流动的泡沫在达到下一板时会在降液管中破裂。任何流向下一板的泡沫都会携带一部分蒸汽，导致蒸汽夹带。因此，降液管的容积应该足够大，保证有充裕的停留时间来使
5、泡沫破碎掉。Note：当蒸汽从塔板上的泡沫层分离出来时可能夹带着液滴流向上一板，形成液滴夹带。措施：选择较大的板间距。101111 雾沫夹带 是气液两相的物理分离不完全的现象。由于它对级效率有不利的影响，增加了级间流量，所以在分离设备中常常表现为处理能力的极限。在板式塔中，雾沫夹带程度用雾沫夹带量或泛点百分率表示。雾沫夹带随着板间距的减小而增加、随塔负荷的增加急剧上升。Note:在低L/V或低压下，雾沫夹带是限制处理能力的最主要因素。（3）液面梯度 在液体从上层塔板的降液管出口流经整个板面到达本层塔在液体从上层塔板的降液管出口流经整个板面到达本层塔板的溢流堰的过程中，为了克服板的溢流堰的过程中
6、，为了克服液层与塔板液层与塔板的的摩擦阻力摩擦阻力和和液层与上升蒸汽液层与上升蒸汽的的摩擦阻力摩擦阻力，液体需要一定的液面梯度。，液体需要一定的液面梯度。因此，因此，降液管出口液面高度降液管出口液面高度 溢流堰处液层高度溢流堰处液层高度 如果设计和操作不到位，就会导致如果设计和操作不到位，就会导致板效率降低板效率降低。Note：液面梯度产生的问题：液面梯度产生的问题对大直径的塔更严重对大直径的塔更严重；原因是：原因是：液体的流程长液体的流程长。解决解决办法办法：大直径塔设计成：大直径塔设计成多流程多流程型式型式，减少流程长度，从而减小液面，减少流程长度，从而减小液面梯度。梯度。12（4）漏液
7、漏液是由于液面梯度导致操作恶化的另一种状况。漏液是液体过度地经塔板上的小孔流出。Note：只要从小孔下流的液体量没有造成板效率明显降低，都认为是正常的。如果蒸汽流率降低，这部分流体流率也会随之增大。当气体流率低于某一数值时则发生漏液。对于有液面梯度的情况，在板上液层较高的地方（即降液管出口处）漏液更为严重。13不良后果不良后果：降低板效：降低板效率率，严重时使板上不能积液，是塔，严重时使板上不能积液，是塔 不良的操作现象之一。不良的操作现象之一。1414（5 5）液泛（淹塔）液泛（淹塔）：任何逆流流动的分离设备的处理能力都受到液泛的限制。任何逆流流动的分离设备的处理能力都受到液泛的限制。在气液
8、接触的板式塔中，当达到液泛的汽液流率时，在气液接触的板式塔中，当达到液泛的汽液流率时，板与板与板之间被液体充满板之间被液体充满，板效率急剧下降，压降突然增加，塔，板效率急剧下降，压降突然增加，塔板失去了分离功能。板失去了分离功能。是不正常操作现象之一是不正常操作现象之一。产生原因产生原因：(1(1)气体流量过大，产生了过量气体流量过大，产生了过量的的液体液体夹带，夹带，导致蒸汽流导致蒸汽流速急剧增高引起泡沫上升，并速急剧增高引起泡沫上升，并充满板上空间充满板上空间；(2)2)液体负荷过大，降液管的截面积不够液体负荷过大，降液管的截面积不够，造成造成降液管堵降液管堵塞塞。不良后果不良后果：液体和
9、泡沫充满整个塔：液体和泡沫充满整个塔1515（5）液泛（淹塔）：由此可见：液泛是因为蒸汽流率或液体流率超过了某一极限而发生的。所以通常以气相流率为限制条件来设计塔，然后用液相的处理能力进行校核。Note:通常采用蒸汽流率考察液泛。泛点蒸汽流速：与发生液泛相对应的蒸汽流速被称为泛点蒸汽流速。因为通常采用蒸汽流率考察液泛，所以一般用泛点气速作为标志。塔内操作的实际气速与泛点气速的比值称为泛点百分数泛点百分数，一般要求在50%80%。Note:泛点气速的关系是经验的（如下图），一般与塔板类型有关。泛点气速的计算：泛点气速的计算：100.011.00.10.060.040.020.20.40.6234
10、680.0010.010.10.080.060.020.040.80.0061.00.0020.0080.0040.60.40.24050200015020030040050010001001500 Eckert 泛点关联图整砌拉西环泛点线散堆填料泛点线p/z1717（5）液泛（淹塔）：板式塔：液泛气速随L/V的减少而增大；也随板间距增大而增大。填料塔：（包括规整或乱堆）L/V下降、液体粘度（膜的厚度）的减小、填料孔隙率的增大、比表面积的减小都会使液泛气速增加。Note:液泛气速愈大，说明处理能力愈大。1818（6）压力降（与处理能力密切相关）（表面张力，塔负荷，液体粘度，板间距）对真空操作设
11、备：压力降存在一个上限，成为限制处理能力的主要原因。对于板式塔：板与板之间的压力降是构成降液管内液位高度的重要组成部分。压力降大，液位高，若很大，就会引起液泛。（7）停留时间 在设备内停留时间愈长，则级效率愈高，但是处理能力低。停留时间短，效率低。Note:若处理能力过高，物流通过一个级的流速增加，则效率通常降低，表现在产品纯度达不到要求。195.1.2 气液传质设备的效率极其影响因素5.1.2.1效率的表示方法 前面各章所讨论的都是有关平衡级（或理论板）的设计和计算，并没有考虑理论板和实际板之间存在的差异性。实际上，理论板和实际板之间存在许多差异,理论板与实际板的比较如下：20理论板的概念理
12、论板的概念 理论板是一个理想化了的两相间接触传质场所，也理论板是一个理想化了的两相间接触传质场所，也称为平衡级。称为平衡级。理论板符合以下三条假设理论板符合以下三条假设：1）进入该板的不平衡物流在其间充分接触传质，使）进入该板的不平衡物流在其间充分接触传质，使离开该板的离开该板的汽液两相物流间达到了相平衡汽液两相物流间达到了相平衡；2）在该板上发生接触的汽液两相各自完全均匀混合）在该板上发生接触的汽液两相各自完全均匀混合，板上各点汽相浓度和液相浓度各自都相同；，板上各点汽相浓度和液相浓度各自都相同；3）该板上充分接触后的汽液两相实现了完全机械分）该板上充分接触后的汽液两相实现了完全机械分离，离
13、，不存在夹带、泄漏不存在夹带、泄漏。回顾一下回顾一下2121板上两相混合程度的差异。理论板假设板上汽液两相各自完全均匀混合；而实际板通常都存在不均匀现象。板上汽液两相平衡的差异。理论板假设流体离开板时，气液两相达到平衡；而实际板往往未真正达到汽液平衡。板上停留时间的差异。理论板假定板上流体均匀流动，停留时间一致；而实际板上气、液流动不均匀，停留时间有明显差异。两相夹带的差异。理论板假设流体离开板时两相完全分离；而实际板往往存在气相雾沫夹带、漏液和液相夹带气泡的现象。由于这些原因，由此引入效率的概念。实际板与理论板的差异实际板与理论板的差异要考试的吆22225.1.2 气液传质设备的效率极其影响
14、因素一、效率的四种表示方法一、效率的四种表示方法（1 1）、）、全塔效率全塔效率E ET T定义定义：完成给定分离任务所需要的：完成给定分离任务所需要的理论塔板数理论塔板数N N理理与与实际实际塔板数塔板数N N实实之比，称为全塔效率。之比，称为全塔效率。其定义如下：其定义如下：实理NNETNote:全塔效率很容易测定和使用，但是，如果将全塔效率与塔板上的传质、传热过程进行关联，则困难很大。(5-1)2323假设：板间气相完全混合，气相以活塞流垂直通过液层。由于板上液体完全混合，其组成就等于离开该板降液管中的液体组成。定义：实际板上的浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比称为默弗里板效率。1,*
15、,1,jijijijiMViyyyyE式中 yj*：与离开j板的液相浓度xj相平衡的气相浓度；yj、yj+1：离开第j板和第j+1板的气相浓度；（2）.默弗里默弗里(Murphree efficiency)板效率板效率EMVj-1jXi,j-1Xi,jyi,j+1yi,j若以组分i的气相浓度表示(5-2a)2424（2）.默弗里默弗里(Murphree efficiency)板效率板效率EMV（续）（续）成平衡成平衡与与，jijijijijijiMLiyxxxxxE,*,1,*,1,默弗里板效率也可以用组分i的液相浓度表示：注意：一般情况下MLiMViEE,（5-2b）对二组分溶液，用易挥发组
16、分或难挥发组分表示的Ei,MV（或 Ei,ML）为同一数值，但是，对于多组分溶液，不同组分的板效率是不同的。Note 默弗里板效率是默弗里板效率是最常用的塔板效率定义最常用的塔板效率定义，广泛应用于，广泛应用于评价塔板的传质效果；评价塔板的传质效果；默弗里板效率不仅可以默弗里板效率不仅可以应用于二元体系应用于二元体系，也可以，也可以应用应用于多元体系于多元体系，但是对一些严重非理想的多元体系，某，但是对一些严重非理想的多元体系，某些组分可能出现些组分可能出现板效率板效率0 0的情况。的情况。建议对于工业塔设备流程模拟过程中，采用建议对于工业塔设备流程模拟过程中，采用全塔效率全塔效率或理论级计算
17、或理论级计算。252626（3）.点效率点效率Ei,OG 点效率是指塔板上点效率是指塔板上某一点的效率某一点的效率，假设：假设：液体在垂直方向上是完全混合的，如图。液体在垂直方向上是完全混合的，如图。如果进入液相的蒸气浓度为如果进入液相的蒸气浓度为yj+1，板上某一点处的液相浓，板上某一点处的液相浓度为度为xij，离开该点液面的蒸气浓度为，离开该点液面的蒸气浓度为yij，与液相，与液相xij成平成平衡的气相浓度为衡的气相浓度为yij*。那么，点效率为：。那么，点效率为：1,1,jijijijiOGiyyyyE（5-3）27（4）.填料塔的等板高度（HETP:Height Equivalent
18、of Theoretical Plate）一块理论板表示由一段填料上升的蒸汽与自该段填料下降的液体互成平衡，等板高度为相当于一块理论板所需的填料高度，即理论板数填料高度HETPHETP填料层高度填料层高度块理论板块理论板ZN28获取效率的途径获取效率的途径（1）实测）实测 通过工厂或工业规模实验装置实测温度、压力和汽液相组通过工厂或工业规模实验装置实测温度、压力和汽液相组成数据，推算出效率数据。此种方法最可靠。成数据，推算出效率数据。此种方法最可靠。（2）测点效率推算）测点效率推算 采用奥德肖塔试验测取点效率，在用适当的方法推算出板采用奥德肖塔试验测取点效率，在用适当的方法推算出板效率和塔效率
19、。此法获取的点效率比较可靠。效率和塔效率。此法获取的点效率比较可靠。（3）中试数据测算）中试数据测算 在中试装置上测取相应数据，推算出效率数据。该数据应在中试装置上测取相应数据，推算出效率数据。该数据应用于工业装置的前提是，工业装置中的操作状态要与中试装用于工业装置的前提是，工业装置中的操作状态要与中试装置的操作状态相同。置的操作状态相同。（4）经验关联式推算）经验关联式推算（5）半经验模型计算）半经验模型计算小节295.1.2.2 影响塔板效率的因素影响塔板效率的因素 影响气液传质设备板效率的因素很多，例如，板上发生的两相传质情况、气液两相分别在塔板上和板间的混合情况、气液两相在板上流动的均
20、匀程度、气相中雾沫夹带量和溢流液中泡沫夹带量等均对板效率有影响；另外，板效率也与塔板结构、操作状况、物系的物性有关。所以，从机理上分析研究板效率的影响因素很有必要。5.1.2.2影响塔板效率的因素 影响塔板上传质过程的因素大体上分为三类：（1）操作条件（气、液负荷，温度，压力）（2）体系物性（3）塔设备结构 它们的影响主要体现在制约塔板上传质效果的综合作用结果，涉及有利和不利两个方面。305.1.2.2影响塔板效率的因素操作条件的影响（1）操作条件对塔板效率的影响因素主要是：操作条件对塔板效率的影响因素主要是：温度、压力和温度、压力和塔内气液负荷塔内气液负荷。其中，温度和压力主要影响其中，温度
21、和压力主要影响物系的汽液平衡性质物系的汽液平衡性质。如果操作物系一定，操作条件对塔板效率的影响主要是如果操作物系一定，操作条件对塔板效率的影响主要是塔板上的汽液负荷塔板上的汽液负荷。在正常操作范围内，液相负荷对塔板效率的影响主要体在正常操作范围内，液相负荷对塔板效率的影响主要体现在对塔板上持液量的影响。现在对塔板上持液量的影响。持液量持液量，两相接触时间，两相接触时间，塔板上传质效率塔板上传质效率 但是，过大的液相负荷将导致但是，过大的液相负荷将导致气液接触不良气液接触不良，从而制约，从而制约了塔板效率。了塔板效率。5.1.2.2影响塔板效率的因素（1）操作条件的影响气相负荷的大小是影响塔板效
22、率气相负荷的大小是影响塔板效率的主要因素之一。的主要因素之一。由图由图5-35-3可以看出：随着气相负荷可以看出：随着气相负荷的增加，塔板效率的变化出现了的增加，塔板效率的变化出现了三个阶段。三个阶段。（1 1）当操作气速小于当操作气速小于a a点点，操作，操作气速较低，处于泄漏状态，气液气速较低，处于泄漏状态，气液接触不充分，接触不充分，造成板效率较低造成板效率较低。(2)2)操作气速增加，气液湍动剧烈，板效率增加。操作气速增加，气液湍动剧烈，板效率增加。但是，随着操作但是，随着操作气速增加，气速增加，返混程度也开始增加返混程度也开始增加，抑制了板效率的增加，最后使，抑制了板效率的增加，最后
23、使板效率维持在恒定的效率数值。板效率维持在恒定的效率数值。（3 3）随着操作气速增加，雾沫夹带逐步增加，当操作气速越过）随着操作气速增加，雾沫夹带逐步增加，当操作气速越过b b点后，返混和雾沫夹带造成板效率明显下降。点后，返混和雾沫夹带造成板效率明显下降。所以，所以，a a和和b b之间区域是塔设备可行的操作范围。之间区域是塔设备可行的操作范围。5.1.2.2影响塔板效率的因素（2）物性的影响 物性是制约塔设备传质效率的主要因素之一，物性是制约塔设备传质效率的主要因素之一，物物系性质系性质是影响传质系数的主要因素。涉及是影响传质系数的主要因素。涉及气液密度气液密度、液相黏度液相黏度、表面张力表
24、面张力、扩散系数扩散系数、起泡性质起泡性质以及以及相平衡常数相平衡常数(相对挥发度相对挥发度)等物性。等物性。3434（2）.物性的影响物性的影响液体黏度液体黏度 粘度高，两相接触差，液相扩散系数小，导致传质速粘度高，两相接触差，液相扩散系数小，导致传质速率降低，故效率降低。率降低，故效率降低。所以，粘度高的液相板效率较低。所以，粘度高的液相板效率较低。温度升高能降低粘度，提高板效率。温度升高能降低粘度，提高板效率。精馏：精馏：一般在较高温度下操作，液体一般在较高温度下操作，液体粘度降低，粘度降低，效率要效率要高；高；吸收：吸收：一般在较低温度下操作，效率要低。一般在较低温度下操作，效率要低。
25、密度梯度密度梯度 其影响表现在传质界面上能否形成混合旋涡。其影响表现在传质界面上能否形成混合旋涡。由于易挥发组分气化，靠近界面处形成一个密度较大由于易挥发组分气化，靠近界面处形成一个密度较大区域，其结果是高密度液体区域出现在低密度液体之上，区域，其结果是高密度液体区域出现在低密度液体之上，于是在密度差的推动下，产生了上下环流，从而提高了液于是在密度差的推动下，产生了上下环流，从而提高了液相传质系数。相传质系数。Page 1913535表面张力表面张力 在二组分精馏中，易挥发组分（在二组分精馏中，易挥发组分（MVC）表面张力较）表面张力较小小 称为称为正正系统，则在系统，则在板式塔板式塔的塔板上
26、容易形成更稳定的塔板上容易形成更稳定的的泡沫层泡沫层；在填料塔的填料上容易形成稳定的液体薄膜，；在填料塔的填料上容易形成稳定的液体薄膜，从而提高了效率从而提高了效率。该现象的解释：表面张力梯度的作用，对泡沫或液膜起到该现象的解释：表面张力梯度的作用，对泡沫或液膜起到稳定作用。稳定作用。在易挥发组分（在易挥发组分（MVC）具有较高表面张力的系统）具有较高表面张力的系统 称为称为负负系统，薄膜区表面张力较低，容易破碎，泡沫和薄系统，薄膜区表面张力较低，容易破碎，泡沫和薄膜不稳定。膜不稳定。more volatile component3636液体流动液体流动流动流动表面张力（续）表面张力（续）表面
27、张力梯度对泡沫稳定性的影响，如图表面张力梯度对泡沫稳定性的影响，如图5-6所示。所示。液体流动液体流动流动流动低低XMVC高表面张力高表面张力高高XMVC低表面张力低表面张力（a)自愈合的正系统自愈合的正系统低低XMVC低表面张力低表面张力高高XMVC高表面张力高表面张力(b)自破坏的负系统自破坏的负系统正系统：正系统：板式塔易形成稳定的泡沫层，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。填料塔易形成稳定的液体薄膜。负系统；负系统；反之，泡沫、薄膜不稳定。反之，泡沫、薄膜不稳定。提高传质提高传质效率效率Note:MVC表示易挥发组分3737喷射状态喷射状态 表面张力梯度对液滴生成的效
28、应，如图表面张力梯度对液滴生成的效应，如图5-7所示：所示：液体液体蒸汽蒸汽较低的表面张力较低的表面张力低低XMVC负系统：负系统：负系统，液滴易断裂，板效率高；正系统反之。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液体蒸汽蒸汽低低XMVC正系统：正系统：较高的表面张力较高的表面张力38Summary 泡沫状态时，表面张力对板效率的影响较小；喷射状态泡沫状态时，表面张力对板效率的影响较小；喷射状态时，其影响有所增加。时，其影响有所增加。表面张力梯度的影响分三种情况：表面张力梯度的影响分三种情况：正系统正系统：易挥发组
29、分（轻组分）表面张力：易挥发组分（轻组分）表面张力小于小于难挥发难挥发组分（重组分）的。适合于在组分（重组分）的。适合于在泡沫状态下操作泡沫状态下操作。负系统负系统：易挥发组分（轻组分）表面张力：易挥发组分（轻组分）表面张力大于大于难挥发难挥发组分的（重组分）组分的（重组分）。适合于在。适合于在喷射状态下操作喷射状态下操作。中性系统中性系统：两组分表面张力相近的物系。此类物系的：两组分表面张力相近的物系。此类物系的表面张力沿塔高方向变化不大。表面张力沿塔高方向变化不大。两种状态操作均可两种状态操作均可。5.1.2.2影响塔板效率的因素（3）塔结构因索 塔板的塔板的有效截面、开孔直径、开孔间距、
30、塔板厚度、有效截面、开孔直径、开孔间距、塔板厚度、孔的排列方式、堰的形式、溢流堰高、进口堰高、板上孔的排列方式、堰的形式、溢流堰高、进口堰高、板上汽液流动方式、降液管面积、板间距、降液管的布局和汽液流动方式、降液管面积、板间距、降液管的布局和塔板的液体流程和流道长度、塔径以及塔板的安装水平塔板的液体流程和流道长度、塔径以及塔板的安装水平度度都对塔板效率有着不同程度的影响。都对塔板效率有着不同程度的影响。具体举例解释见课本具体举例解释见课本p192p19240405.1.3 气液传质设备效率的估计方法(1)、经验法(2)经验关联法板式塔：查图（奥康奈尔法）(如下图所示)填料塔：求HETP 直接测
31、定法Norton公司从大量数据回归，得到如下常压蒸馏时HETP的关联式5.1 气液传质设备的性能和效率5.1.3 气液传质设备效率的估计方法5.1.3.1 经验法经验关联法（2）1）板式塔5.1 气液传质设备的性能和效率5.1.3 气液传质设备效率的估计方法5.1.3.1 经验法 对于金属环矩鞍填料对于金属环矩鞍填料，NortonNorton公司还给出了如下关联式公司还给出了如下关联式。它适用于非水溶液、塔内无反应且组分相对挥发度小于。它适用于非水溶液、塔内无反应且组分相对挥发度小于3.03.0的场合。的场合。（5-5b）（5-5c）435.1.3.2 理论模型理论模型（1）.传质速率传质速率
32、 假设：（在稳态条件下操作）假设：（在稳态条件下操作）a.假定板上空间的气体完全混合，故进入液相的气假定板上空间的气体完全混合，故进入液相的气体组成与板上的位置无关。体组成与板上的位置无关。b.假定液相组成在垂直方向上与液层高度假定液相组成在垂直方向上与液层高度(Z)无关，无关，在水平方向上是路程在水平方向上是路程l的函数。的函数。则：气体通过板上液层高度为则：气体通过板上液层高度为dz的微元时，组分的微元时，组分i的传的传质量为：质量为：322*/)65()(mmasmmolGdZdAyyaKdydAGiiYi比表面积，比表面积，鼓泡层中的气液接触鼓泡层中的气液接触）（的气相摩尔流率，的气相
33、摩尔流率，积上积上单位时间，单位截面单位时间，单位截面 Page 19644)75(ln)65(1,*,*,OGjijijijiYNyyyyGaZK：积分积分的的关关系系：与与OGOGENOGNjijijijijijijijiOGeyyyyyyyyE 1,*,*,1,*,1,11气相总传质气相总传质单元数单元数)85(11 GaZKNOGYOGeeE由点效率定义，得由点效率定义，得45 由式（5-8）可知：当气相流率G一定，点效率EOG的数值由两相接触状况决定，Z、a和Ky增大，EOG 因此，塔板上液层愈厚，气泡愈分散，表面湍动程度愈高，点效率就愈高。)85(11 GaZKNOGYOGeeE4
34、6由双膜理论可知：由双膜理论可知：mVLNNNLGOG 111平衡常数对于大多数精馏系统，式（5-9）中气相项占优势，属于气膜控制；对于很多吸收系统，值较小或液相中有慢速化学反应，这时液相传质阻力起主要作用。另外，由式（5-9）可知，只要知道鼓泡层的汽液相传质单元数NG和NL，由式（5-8）即可以求得塔板上的点效率。（5-9）对泡罩塔和筛板塔提出了下列经验式:48（2）.流型和混合效应流型和混合效应 通过对工业规模的筛板塔板上停留时间分布和流动形式的测定表明：液体在板上的停留时间分布很宽，流型如图5-5所示。沿塔板中心的液体流速要比靠壁处的快；而且靠近塔壁处有反向流动和出现环流旋涡的趋势，并随
35、液体流程的增大（即塔径增大）变得更明显。已经提出一些数学模型描述流体流经塔板的流型对效率的影响。存在一些极端情况，如下所述。49（2）.流型和混合效应流型和混合效应 塔板上任意一点的液体都可能存在三个方塔板上任意一点的液体都可能存在三个方向的混合：向的混合：在与板上液流总方向平行的方向发生液体在与板上液流总方向平行的方向发生液体混合的现象，称为混合的现象，称为纵向混合纵向混合；在与板上液流总方向垂直的方向发生液体在与板上液流总方向垂直的方向发生液体混合的现象，称为混合的现象，称为横向混合横向混合。如果板上液体在流动方向和塔板垂直方向如果板上液体在流动方向和塔板垂直方向上都是混合的，通常假定此方
36、向的混合为上都是混合的，通常假定此方向的混合为完全混合完全混合。50（2）.流型和混合效应流型和混合效应 二种极端情况：二种极端情况：1,*,1,)1(jijijijiOGijijijijiyyyyEyyxx板上液体完全混合板上液体完全混合MVijijijijiEyyyy,1,*,1,这时：这时：OGNOGMVeEE 1(5-14)即塔板的即塔板的气相默弗里板效率气相默弗里板效率=点效率点效率51研究：研究：且停留时间相同。且停留时间相同。板上液体完全不混合板上液体完全不混合活塞流活塞流Lewis)()2(）（）（155 1/OGEMVeE两种极限情况的比较：两种极限情况的比较：OGMVOGM
37、VEEEE 完全不混合完全不混合完全混合完全混合说明：说明：1.1越越大大。越越小小，而而且且增增大大合合作作用用减减弱弱，使使一一定定时时：液液体体混混当当MVMVOGEEN,.2完全混合完全混合完全不混合完全不混合OGMVEE/OGE图图 5-61mVL 52与流体总方向垂直与流体总方向垂直横向混合横向混合与流体总方向平行与流体总方向平行纵向混合纵向混合。响响板上液体以不同方式影板上液体以不同方式影板上液体部分混合板上液体部分混合OGMVEE)3(5 6.EEMVOGb促使液体沿流程浓度差减小，使得所有位置上液体组成更接近于出口组成，图中体现出来的趋向由完全不混合向完全混合曲线方向移动，使
38、纵向混合：两条曲线之间。两条曲线之间。关系曲线位于图关系曲线位于图与与65.MVOGMVEEEa53。合合也也应应该该使使分分纵纵向向混混合合时时，横横向向混混。若若存存在在部部合合时时，可可使使均均一一情情况况。若若无无纵纵向向混混接接近近停停留留时时间间和和反反混混造造成成的的不不利利影影响响减减少少了了停停留留时时间间不不均均一一横横向向混混合合：OGEMVEOGEMVEc,.（3）液体部分混合54美国化工学会（美国化工学会（AIChE）模型：）模型：条件：条件：仅考虑停留时间均一条件下的纵向混合（无横向混仅考虑停留时间均一条件下的纵向混合（无横向混合）的影响合）的影响11(5 16)1
39、/1PeMVOGEeeEPePePe1412/1951252122 ）（板）板）（适用于泡罩板和筛孔（适用于泡罩板和筛孔涡流扩散系数，涡流扩散系数，）（板上平均停留时间，板上平均停留时间，）（）准数）准数彼克来（彼克来（式中：式中：eOGeELLEePEPsmDStPeclettDlP 55对（对（516）作图：）作图：57,0MVOGeOGeMVOGeMVOGEEPa bEPEEPEE 图完全不混合完全混合讨论：讨论：1.不均匀流动、尤其是环流对塔板效率产生不利影响不均匀流动、尤其是环流对塔板效率产生不利影响（点效率下降）；（点效率下降）；2.小直径塔，板上液体为完全混合，小直径塔，板上液体
40、为完全混合，板上各点效率一板上各点效率一样，样，EMV=EOG；3.大直径塔，板上液体不混合性增强，大直径塔，板上液体不混合性增强，EMVEOG。56综上所述：综上所述：1、完全混合板效率等于点效率；、完全混合板效率等于点效率；2、液相纵向不完全混合，使、液相纵向不完全混合，使 对板效率对板效率 起明显有利的影响；起明显有利的影响；3、不均匀流动、尤其是环流会产生不利影响、不均匀流动、尤其是环流会产生不利影响 液相横向混合，能削弱这种的影响，液相横向混合，能削弱这种的影响，使使 ；4、随塔径增大，纵向不完全混合性的、随塔径增大，纵向不完全混合性的 有利影响下降，不均匀流动趋于严重。有利影响下降
41、，不均匀流动趋于严重。OGMVEE OGMVEESummary57（3）.雾沫夹带雾沫夹带 雾末夹带使一部分重组分含量较高的液相直接随同气相进入上一层塔板，从而降低了上一层塔板上轻组分的浓度，抵消了部分分离效果，降低了板效率。Colburn推导了雾沫夹带对板效率的影响：推导了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;11Page 2005858第二节 萃取设备的处理能力和效率萃取设备的类型很多，根据两相接触方式不同，萃取设备可分为：逐级接触式和微分接触式两类，而每一类又可以进一步分为：无外加能量和有外加能量两种。如下表5-3所示。5959
42、表表5-3 萃取设备的分类萃取设备的分类 型式逐级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级接触离心萃取器连续接触离心萃取器60微分萃取设备微分萃取设备转盘萃取塔转盘萃取塔振动筛板塔振动筛板塔61多级萃取或反萃设备多级萃取或反萃设备混合澄清槽混合澄清槽 625.2.1 萃取设备的处理能力和效率萃取设备的处理能力和效率 由于有许多重要的变量存在，所以萃取设备的由于有许多重要的变量存在，所以萃取设备的塔径计算塔径计算比比气液传质设备复杂，并且不够准确。气液传质设备复杂，并且不够准确。这些变量包括
43、：这些变量包括：各相的流率，各相的流率，两相密度差，两相密度差，界面张力、界面张力、传质方向、传质方向、连续相的粘度和密度、连续相的粘度和密度、旋转和震动速度、旋转和震动速度、隔板的几何形状等。隔板的几何形状等。63635.2.1.1 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）5.2.1 萃取设备的处理能力和效率萃取设备的处理能力和效率cududf f6464smusmudcdd/1/f ff f 连续相液体速度：连续相液体速度：分散
44、相液体速度：分散相液体速度：（注：方向相反）（注：方向相反）（215 dcddsuuuf ff f 1两相的相对速度：两相的相对速度：）（）（）（）代入）代入（将：将：dtdccdpsdCddmugduf ff fm mr rr rf fr rf fr rr r 111821）（245 液体混合物液体混合物连续相；连续相；分散相；分散相；度：度：在混合液中自由沉降速在混合液中自由沉降速个液体个液体由斯托克斯定律计算单由斯托克斯定律计算单）（mcdcmdpsgdum mr rr r182 ：分散相液体平均直径：分散相液体平均直径Pd6565）（255)1()1(:)245()215(2 dcdd
45、dtuuuf ff ff f之间的关系之间的关系与与、表示：表示：tdcduuuf f适用于喷洒塔适用于喷洒塔 分散相空塔速度分散相空塔速度 m/s 连续相空塔速度连续相空塔速度 m/s 分散相在塔内液相中所占体积分率（滞液分率）分散相在塔内液相中所占体积分率（滞液分率）单液滴在纯连续相中的自由沉降速度，与操作条件单液滴在纯连续相中的自由沉降速度，与操作条件 无关。无关。cududf ftu6666）（：代替代替用用265)1()1(2 dcdddktkuuuuuf ff ff f对于其他类型萃取设备：对于其他类型萃取设备：由于接触方式不同，对（由于接触方式不同，对（525）改进）改进.。，其
46、它情况，进行测定，其它情况，进行测定对于喷洒塔对于喷洒塔tKuu.4物物性性和和设设备备特特性性。计计算算取取决决于于萃萃取取物物系系的的.3无关。无关。、与与cduu.2。性性质质，但但不不是是具具有有ttkuuu.1:6767用于填料塔用于填料塔为填料的孔隙率为填料的孔隙率）（f f f fff275)1()1(2 dcdddkuuu）（2851)1(dcddndkuKuuf ff ff f用于转盘塔用于转盘塔1.22411241 KDRDSDKDRDSD时时，）（当当时时，）（当当式式中中：塔径塔径转盘直经转盘直经固定环内经固定环内经DRDSD6868用于脉冲筛板塔用于脉冲筛板塔 分散相
47、液滴不断发生该过程：分散相液滴不断发生该过程：分散分散凝聚凝聚再分散再分散 ）（2951)1(dcddndkuuuf ff ff f2.uk获取法获取法1）测定；）测定；2）由测定值关联方程：）由测定值关联方程：转盘塔：转盘塔：（5-30）脉冲塔：脉冲塔：（5-31）69695.2.1.2 临界滞液分率与液泛速度临界滞液分率与液泛速度2526(1)(1)udFCFudFdckddduuududukfffff凝界滞液分率；连续相液泛速度；分散相液体液泛速度。对于（）：对作图实际不存在df fkudu不变不变Cu泛点泛点7070CFCdFddFduuuu为为；为为；为为顶顶点点讨讨论论：f ff
48、f.1寸寸、设设备备类类型型无无关关。有有关关，与与物物性性、液液滴滴尺尺只只与与，表表明明不不含含特特性性常常数数）（将将二二式式合合并并：）（）（）（）（求求分分散散相相泛泛点点速速度度求求连连续续相相泛泛点点速速度度CFdFdFkdFudCCFudduuuuuuudCf ff ff f)355(35534503350.3 滴滴被被连连续续相相带带走走。，或或部部分分分分散散相相液液液液泛泛时时，发发生生液液滴滴合合并并.2125.4，得得图图若若联联立立求求解解以以上上三三方方程程7171三、塔径的计算三、塔径的计算填料塔的液泛速度填料塔的液泛速度 如图如图5-13。转盘塔液泛速度：转盘
49、塔液泛速度：;)305(ku;)355(dFf f CFu)335(dFf f)385(;)375(CFu;)365(dFu 脉冲筛板塔液泛速度：脉冲筛板塔液泛速度：）（）（）（或或设计速度：设计速度：4054)395(44)7060(u dCdCddCCFuuVVDuVuVDu 临界速度临界速度7272例例5-3 求转盘塔的直径求转盘塔的直径mNsPmkgsPmkgDHDDDDSnaddaCCTRS/10924.5104.0/750100.1/12001.06.07.05.0333331 m mr rm mr r；芳芳烃烃为为分分散散相相：；极极性性萃萃取取剂剂为为连连续续相相：；已已知知：
50、）（）（）（；解：解：335121)7060(u42C dFdFkCFCFCCuuuuVDf ff f cdcdcFdFVVuuuu Page 2087373）（）（）（）（）（35514385.02 cFdFcFdFcFdFcFdFdFuuuuuuuuf fsmVsmVCCdd/10823.4864001000500/10543.18640010001003232 r rr r；6.29.03.229.0012.0）（）（）（）（）（：DDDHDDnDguuRRTRSRCCkk r rr r m m）（305 采用试差法：设采用试差法：设D=2.1m，验证后圆整。，验证后圆整。74745.2
