设备管理_分离设备的处理能力和效率培训课程

化工分离工程ChemicalSeparationProcesses 第八章分离设备的处理能力和效率 2 8 1气液传质设备的处理能力和效率8 1 1气液传质设备处理能力的影响因素8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素8 1 3气液传质设备效率的估计方法8 2传质设备的选择8 2 1气液传质设备的选择8 2 2萃取设备的选择 第八章分离设备的处理能力和效率 3 本章将要研究传质设备问题 重点分析和讨论影响气液传质设备的处理能力和效率的因素 确定效率的经验方法和机理模型 同时还对气液和液液传质设备的选型问题进行了研讨 第八章分离设备的处理能力和效率 4 8 1气液传质设备的处理能力和效率 气液分离设备分类 微分接触式 填料塔 气液分离设备 逐级接触式 板式塔 5 8 1气液传质设备的处理能力和效率 逐级接触式 板式塔 在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板 液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出 各层塔板上保持有一定厚度的流动液层 气体则在压强差的推动下 自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出 气 液在塔内逐板接触进行质 热交换 两相组成沿塔高呈阶跃式变化 6 8 1气液传质设备的处理能力和效率 微分接触式 填料塔 圆柱形壳体内装填一定高度的填料 液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上 依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出 气体在压强差推动下穿过填料层的空隙 由塔的一端流向另一端 气液在填料表面接触进行质 热交换 两相的组成沿塔高连续变化 7 8 1气液传质设备的处理能力和效率 气液传质设备处理能力的影响因素 8 1 1 8 8 1 1气液传质设备处理能力的影响因素 夹带液泛和溢流液泛 夹带液泛 过量液沫夹带引起 板间距过小 塔板上操作液流量过大 上升气速过高时 液体被气体夹带到上层塔板的量增加很快 塔板间将充满气 液混合物 引发液泛 溢流液泛 液体在降液管内受阻不能及时往下流动而在板上积累所致 9 8 1 1气液传质设备处理能力的影响因素 液泛的影响 任何逆流流动的分离设备的处理能力都受到液泛的限制 液泛气速大 设备的处理能力大 对于板式塔气液分离设备 液泛气速随L V的减小和板间距的增加而提高 对于填料塔 由于规整填料的流道具有更大的连贯性 所以 对具有相同空隙率的填料塔 规整填料塔的处理能力比乱堆填料塔要大 此外 随着L V的减小 液体粘度 液膜厚度 的减小 填料空隙率的增加和比表面积的减少 液泛气速增加 10 8 1 1气液传质设备处理能力的影响因素 雾沫夹带的影响 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 并增加了级间流量 在分离设备中雾沫夹带常常表现为处理能力的极限 雾沫夹带随板间距的减小而增加 随塔负荷的增加急剧上升 在低的L V或低压下 雾沫夹带是限制处理能力的主要因素 11 8 1 1气液传质设备处理能力的影响因素 压力降的影响 与处理能力密切相关的另一个因素是接触设备中的压力降 对于减压分离过程 压力降存在某个上限 往往成为限制设备处理能力的主要因素 此外 在板式塔中 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 因此 过高的压力降就可能引起液泛 12 8 1 1气液传质设备处理能力的影响因素 停留时间的影响 对于给定的设备 限制处理能力的另一个因素是获得适宜效率所需要的流体的停留时间 接触相在设备内的停留时间越长 则级效率越高 但处理能力低 若处理能力过高 物流通过一个级的流速增加 则级效率通常降低 产品达不到分离要求 13 气液传质设备的效率的表示方法 8 1 2 8 1气液传质设备的处理能力和效率 14 塔板是塔设备中用来进行两相接触传质和流动再分布的平台 斜孔塔板 浮阀塔板 泡罩塔板 喷射填料塔板 8 1 1气液传质设备处理能力的影响因素 15 8 1 1气液传质设备处理能力的影响因素 实际板与理论板的差异 引入效率的概念 16 8 1 1气液传质设备处理能力的影响因素 板效率概述 1 板效率就是塔设备中实际板与理论板差异的定量描述 2 板效率与传质速率 板上汽液两相混合情况 非理想流动以及级间返混 雾沫夹带 泡沫夹带 漏液 等因素有关 17 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 全塔效率 ET 全塔效率 完成给定分离任务所须理论板与实际板之比 全塔板效率是板式塔分离性能的综合度量 它将各种可能对塔分离效率有影响的因素全考虑在内 由于分离设备的复杂性 所有这些因素与全塔效率的关系难以理清 所以 关于全塔效率的可靠数据只能通过实验测定获得 也有人对全塔效率进行关联 目前得到比较广应用的关联方法是O conncll的关联法 18 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 1 气相默弗里效率 以组分i的气相浓度表示 默弗里 Murphree 板效率 假定板间气相完全混合 气相以活塞流垂直通过液层 板上液体完全混合 其组成等于离开该板降液管中的液体组成 那么 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为默弗里板效率 图8 1 19 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 3 气相默弗里效率和液相默弗里效率的关系 式中 m为板上平衡线的斜率 当mV L 1时 EMV EML 当mV L 1时 EMV EML 2 液相默弗里效率 以组分i的液相浓度表示 20 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 点效率 假设 1 板上液层在垂直方向均匀混合 2 汽体呈活塞流通过液层 图5 2点效率模型 21 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 默弗里板效率与点效率的主要区别 1 默弗里板效率中的是离开塔板的液体平均组成的平衡气相组成 而点效率中的为塔板上某点的液相组成平衡的气相组成 2 点效率中的是离开塔板上某点的液体组成气相组成 而默弗里板效率中的为离开液层的气相组成 如果板上液体不仅在垂直方向上而且在水平方向也是混合均匀 塔板上各点的液相组成相同 且等于离开塔板的液相组成 则以上第一点消失 塔板上各点的液相组成相同 必使进入塔板的气相组成也相同 塔板上各处的点效率相同 则塔板上各点的点效率相同 则第二点差别消失 此时默弗里板效率和点效率相同 22 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 填料塔的等板高度 HETP 1 填料是塔设备中为提高气液相接触界面而放置的一些填充物 有散堆填料和规整填料两种形式 散堆填料 规整填料 23 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 2 HETP 等板高度 的概念HETP指的是填料的理论板当量高度 即多少米高的填料相当于一块理论板 在工程设计计算中 填料层的理论高度计算就依赖于HETP 由于HETP受很多因素的影响 因此在计算或选择使用HETP时要慎重考虑 24 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 3 使用HETP的注意要点 液相的塔顶分布和再分布 分布是否均匀直接影响填料的润湿 从而影响传质效果使HETP增大 因此 在选择HETP时应同时选择与之配套的液体分布形式 气相进入填料层的初始分布 气体分布不均会导致填料层中流动不均匀而出现传质情况不好 通常小径塔不需要气体分布器 但大塔则必须要有 在选择HETP时要留有适当的余地 物性 散堆填料 HETP通常与物性关系不大 规整填料在处理含水量高的物料或表面张力和液相粘度高的物料时 HETP也会高 25 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 操作压力 10kPa 常压范围 压力对HETP基本无影响 压力小于10kPa HETP随压力下降有所减小 高压下 通常压力增加 HETP也会增大 最小喷淋密度 当液体喷淋密度低于最小喷淋密度时 液体不能完全润湿填料 传质效果会大幅度降低 HETP也会大幅度增加 塔径和填料层高度 塔径和填料层高度选择的前提是首先要保证汽液两相在填料中充分接触 塔径过大 汽 液相的分布难度也大 塔径过小 流动阻力加大 因此 在确定合适的HETP后 应配一合适的塔径和填料层高度 26 气液传质设备的效率的影响因素 8 1 2 8 1气液传质设备的处理能力和效率 27 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 传质速率 图8 2点效率模型 如图8 2所示 假设板上空间的气体完全混合 故进入液相的汽相组成与板上的位置无关 令板上的液层高度为Z 液体在板上流动路程的长度为L 假定液相组成在垂直方向上与Z无关 在水平方向上是L的函数 当汽相通过板上液层高度为dZ的微元时 组分i的传质量为 28 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 对其沿料液高度积分 得 将其与点效率式关联 得 29 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 气相流率G一定时 EOG由两相接触情况决定 随Z a和Ky的增大而增大 所以 塔板上液层越厚 气泡越分散 表面湍动程度越高 点效率也越高 根据双膜理论可知 对于大多数普通精馏系统 气相项占优势 属气膜控制 对于很多吸收系统 值较小或液相中有慢速化学反应时 液相阻力对传质变得重要了 由式还可看出 只要知道鼓泡层的气液相传质单元数NG 和NL 即可求得塔板上的点效率 美国化工学会 AIChE 公开发表的关于板效率研究计划所取得的结果对此问题做了全面系统的论述 buble traydesignmanualAIChE1958 30 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 塔板上任意一点的液体都可能存在三个方向的混合 沿液体流动方向的混合 称为轴向混合 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为完全混合 在塔板平面上与液流方向垂直的混合 称为横向混合 对小塔径塔板 其上面的液流可认为是完全混合 板上各点效率一样 EMV EOG 对大塔径塔板 其上面的液流在轴向和横向不会完全混合 EMV EOG 流型和混合效应 31 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 1 液流在板上无轴向混合 活塞流 液流在板上无轴向混合时 即呈活塞流流动 这时 轴向浓度梯度最大 假设 汽相在板间完全混合 板上各点的点效率相等 则可从对微元体做物料衡算导出 32 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 2 液流在板上轴向部分混合采用涡流扩散模型导出 式中 Pe为彼克来准数 tL为液体在板上的平均停留时间 s DE为涡流扩散系数 m2 s 33 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 1 DE 0时 Pe 无返混 活塞流 EMV EOG最大 2 DE 时 Pe 0 全混合 EMV EOG 3 在Pe 0和Pe 之间 EMV EOG 34 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 液体在塔板上的非均匀流动 板上环流情况 35 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 汽体流动情况对板效率的影响 1 在板间的不完全混合实验研究表明 汽相在板间的混合情况对板效率的影响较小 2 通过塔板不均匀分布将导致板上不同位置的汽液接触时间不同 因而传质效果也不同 严重时可能导致局部穿流和漏液 36 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 1 液相在板上轴向不完全混合 使EMV提高 液相在塔板上横向流动能削弱液相不均匀流动的影响 2 液相不均匀流动 尤其是环流 使EMV明显下降 3 汽相在级间的不完全混合和通过塔板时不均匀流动对板效率产生不利影响 4 在计算默弗里板效率 EMV EOG 时只考虑了塔板上液体轴向流动的影响 没有考虑非理想流动的不利影响和液相在板上横向流动的作用 流型和混合效应影响小结 37 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 雾沫夹带的影响 雾沫夹带会将一部分重组分直接带到上一层塔板 从而降低了上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 雾沫夹带实质上是一种级间液体返混 会造成分离效果降低 38 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 Ea 有雾沫夹带下的板效率 e 单位液体流率的雾沫夹带量 Ea的简化 所以 Ea总是小于EMV的 并且 雾沫夹带越大 e越大 Ea越小 因此 在塔板设计中应控制e 0 1 以减小不利影响 39 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 物性的影响 1 液体粘度粘度高 气泡大 传质界面小 粘度高 液相扩散系数小 传质速率降低 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 2 相对挥发度相对挥发度大 相当于汽相溶解度低 平衡线斜率m大 液相流动阻力大 板效率低 40 8 1 2气液传质设备的效率及其影响因素 3 表面张力和表面张力梯度泡沫状态时 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 表面张力梯度的影响分三种情况 正系统 轻组分表面张力低于重组分的 适合于在泡沫状态下操作 负系统 轻组分表面张力高于重组分的 适合于在喷射状态下操作 中性系统 两组分表面张力接近 两种状态操作均可 41 8 1 3气液传质设备效率的估计方法 获取效率的途径 1 实测 通过工厂或工业规模实验装置实测温度 压力和汽液相组成数据 推算出效率数据 这种方法最可靠 2 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效率和塔效率 这种方法获取的点效率比较可靠 3 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 4 经验关联式推算 5 半经验模型计算 42 8 1 3气液传质设备效率的估计方法 经验法 1 对板式塔常采用的估算板效率的经验法就是著名的奥康奈尔法 O Conncll 它是通过一些实测数据关联得到的 如果所处理的物系与经验关联所用的实测物系或与其性质相近时 该法可以提供比较接近实际的塔效率估计值 2 填料塔等板高度的大小不仅取决于设备结构 填料的类型和尺寸 而且还与物系性质和操作气速有关 一般通过实验测定或取工业设备的经验数据 43 8 1 3气液传质设备效率的估计方法 机理模型 机理模型尽可能全面的考虑了各种传质和流体力学因素对效率的影响 被认为是比较反映实际情况的预测板效率的方法 其中以AIChE法为代表 AIChE法的具体估算步骤为 1 利用式 8 10 和 8 11 计算出板上的传质单元数 44 8 1 3气液传质设备效率的估计方法 2 利用下式将传质单元数换算为点效率 3 用式 5 17 计算板上的返混程度 计算Peclet准数 查图5 5获得干板效率EMV 4 利用图5 8和5 9求得雾沫夹带量 利用下式计算在雾沫夹带下的板效率 参见例 5 1 45 8 1 3气液传质设备效率的估计方法 多组分系统的效率 1 多组分的不利影响 各组分扩散系数不同 效率也不同 分子间相互作用会影响关键组分的效率 2 处理方法 用奥德肖塔进行实测 以此推算各组分的效率 46 8 1 3气液传质设备效率的估计方法 对各组分性质相近的近乎理想的溶液 分子间相互作用可以忽略 在测算i组分时 其余组分合在一起视为一个虚拟组分 体系可作为二元体系考虑 在设计计算的大多数情况下 近似以关键组分的效率作为其余组分的效率 若关键组分占物料的大部分 则关键组分分离的效率可近似取它们进行二元分离时的效率 多组分系统的效率 47 8 2传质设备的选择 8 2 1气液传质设备的选择 一 板式塔和填料塔的选择 1 系统物性腐蚀性 填料塔 耐腐蚀的非金属材质填料 易发泡 填料塔 对泡沫有限制和破碎作用 易聚合或固体 板式塔 传质效果好 热敏性 真空操作 填料塔 滞液量少 压降小 t短 高粘度 填料塔 在板式塔中鼓泡效果差 明显热效应 板式塔 便于安装加热和冷却盘