化工分离过程第五章概要课件.ppt
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- 化工 分离 过程 第五 概要 课件
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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
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