分离设备处理能力和效率培训讲义

第五章分离设备处理能力和效率教师：马杰内容：1.影响传质设备的因数；2.确定效率的经验方法；3.设备选型。第五章分离设备处理能力和效率第一节

气液传质设备的处理能力和效率第二节

萃取设备的处理能力和效率第三节

传质设备的选择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、液体粘度下降、填料孔隙率升高、比表面积下降都会使液泛速度上升。雾沫夹带

——分离过程中为处理能力的极限

表示方式：雾沫夹带量或泛点百分率板间距下降、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：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∴引入效率概念j-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）。j-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HETP

HETP=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

气相总传质单元数点效率)85(11--=-=--GaZKNOGYOGeeE由双膜理论：2.流型和混合效应二种极端情况：OGNOGMVeEE--==1(5-14)）（）（155]1[/--=llOGEMVeE两种极限情况的比较：完全混合完全不混合图5-41mVL=l两条曲线之间。关系曲线位于图与45.-lMVOGMVEEEa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）书中有错对（5—16）作图：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。综上所述：完全混合板效率等于点效率；液相纵向不完全混合，使对板效率起明显有利的影响；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。3.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：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：（5-10）（5-11）（5-12）→EOG、Pe查图5-5：由图5-8：由（5-20）：方法特点：

1.预测放大塔径后的板效率

2.计算复杂表5-1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））（215-dcddsuuuff-+=\1两相的相对速度：）（）（）（）代入（将：dtdccdpsdCddmugduffmrrfrfrr-=--=-+=111821）（245-液体混合物—连续相；—分散相；—度：在混合液中自由沉降速个液体由斯托克斯定律计算单）（mcdcmdpsgdumrr182-=：分散相液体平均直径Pd之间的关系与、、表示：tdcduuuf适用于喷洒塔———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）

——单液滴在纯连续相中的自由沉降速度，与操作条件无关。cududftu对于其他类型萃取设备：

由于接触方式不同，对（5—25）改进.用于填料塔用于转盘塔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2.uk获取法1）测定；2）由测定值关联方程：

转盘塔：（5-30）脉冲塔：（5-31）二、临界持液分率与液泛速度实际不存在不变Cu·泛点三、塔径的计算◆填料塔的液泛速度如图5-13。◆转盘塔液泛速度：◆脉冲筛板塔液泛速度：临界速度例5-2求转盘塔的直径采用试差法：设D=2.1m，验证后圆整。5.2.2影响萃取塔效率的因数一、分散相液滴尺寸二、液滴内的环流

由双膜理论：总传质阻力=滴外阻力+滴内阻力。一般：滴外液体流动阻力小；液滴内液体不流动阻力大。

当液滴作相对运动时，界面上摩擦力诱导液滴内环流，使滴内阻力减小。但：1.液滴尺寸过小

2.有少量表面活性剂抑制这种环流三、液滴的凝聚和再分散喷洒塔、筛板塔：由喷嘴、孔板分散；填料塔：由填料分散；转盘塔、脉动塔、离心萃取器：由外加能量分散。

分散的好坏与物系性质有关，液滴内侧传质分系数很低，若造成液滴的凝聚和再分散，可提高滴内传质分系数。四、界面现象

表面张力、表面浓度

液体从低表面张力区间向高表面张力区间流动(表面推动力)。界面上不稳定浓度变化引起不稳定表面张力变化。1.规则型讨论：静止两层液体沿平界面相互接触情况设：a点浓度大于b点，且

界面附近流体从a点向b点运动，主流体向a点补充。

——形成旋转流环，产生规则运动。传质方向界面··ab2相1相·c2.不规则型

由于B点浓度下降界面从B点开始扩展，次界面中液相向表面B点填补。由于补充液体表面张力比刚刚扩展出去的液体高（浓度低），以至使刚刚扩展出去的液体微元产生逆转，围绕在B周围的液体都向B聚集。传质方向2相1相·CB·BC1讨论：一个湍流微团从相1主体冲到界面，界面处溶质浓度变化很大。2相1相B·低浓度液体填补B·c.由于B周围液体凝聚，终于形成了一个垂直于界面的类似于火山爆发的射流，这一现象称之于迸发，使局部界面破裂。2.界面张力梯度对液滴大小的影响溶质从液滴相向连续相传递时，若：液滴稳定性差，液膜稳定性好，液滴不易合并。形成的液滴平均直径较小，相际接触表面较大。∴设计萃取设备时，由系统性质正确选择二相。b.溶质从连续相向液滴相传递时，若：液膜稳定性差，形成的液滴易合并，液滴平均直径大，相际接触表面小。3.界面骚动现象对传质过程的影响二方面：a.由界面张力不同产生界面液体质点的抖动和开发。

——增强界面附近湍动程度，提高传质系数b.影响液体合并和再分散的速率。

——改变液滴尺寸和抑制传质表面大小4.密度梯度的影响

密度自上而下递增，在重力场作用下，流体稳定。例：甲苯相水相对于密度大于水的乙酸：

从水相向甲苯相扩散——稳定

从甲苯相向水相扩散——不稳定

稳定密度梯度，使界面对流限制在界面附近；不稳定密度梯度，产生离开界面的旋涡，使之渗入到主体相。5.表面活性剂的影响

a.降低液体表面张力，制止界面湍动；

b.在界面形成吸附层，产生吸附传质阻力；

c.抑制滴内流体循环，降低液体沉降速度。五.轴向混合

轴向混合：非理想流动，偏离活塞流动各种现象，包括：反混、前混等。对于实际流动：

a.连续相流动方向速度不均匀；

b.由上造成涡流，当局部速度过大，可能夹带分散相液滴，造成分散相反混。

c.分散相液滴大小不均匀，上升、下降速度不同，速度较大的那部分液滴造成分散相前混；

d.分散相液滴流速较大时，也会引起液滴周围连续相反混。轴向混合：改变了两相浓度沿轴向分布，大大降低了传质推动力（图5-20）∴中试数据不能用于工业生产。一般：对于大型萃取塔，90%的塔高用于补偿轴向混合不利影响。返回5.2.3萃取塔效率操作：微分接触设备HETS：一个理论级当量高度（等板高度）HTU：传质单元高度一、HETS

塔高H=NT×（HETS）HETS计算：

a.实验法（用于放大）

HETS由小试结果确定

b.查图法（用于初步设计）适用：转盘塔、震动塔、低粘度物系。二、HTU（1）活塞流模型假设：两相作活塞流动，轻向为萃取相，重相为萃余相，相间的传递仅在水平方向。EdyRdxdNdZ==内的传质速率：被萃取物在）（）（）（455**--=-=\dZyyaAKdZxxaAKdNtytxdFyyKdFxxKdNyx）（）（由传质速率方程：-=-=**R,X0R,X1E,y0E,y1E,yE,y+dyR,XR,X+dXdZ（2）扩散模型假设：除了相际传质外，每一相还存在由于轴向混合所引起的塔高方向的溶质传递。ux,X0uy,y0uy,y1ux,X1uy(y+dy)uy,yux,Xux(x+dx)Z=0Z=LZZ+dZ第三节传质设备的选择5.3.1气液传质设备的选择5.3.2

萃取设备的选择返回5.3.1气液传质设备的选择一、板式塔和填料塔的选择考虑的问题：（1）系统物性腐蚀性：填料塔易发泡：填料塔易聚合或固体：板式塔热敏性、真空操作：填料塔高粘度：填料塔明显热敏物系：填料塔（2）塔的操作条件

板式填料塔直径：>0.6m不受限制设备费用小塔：大小大塔：小大操作弹性：大小（3）塔的操作方式间歇精馏：填料塔（减少中间馏分的采出）多股加料和侧线采出：板式塔（简便）二、填料的选择（1）材质选择陶瓷、金属、塑料考虑：价格、硬度、腐蚀性（2）种类考虑：效率、压力、表面积、操作弹性等

各类萃取设备的优缺点列入表5-35.3.2萃取设备的选择（1）所需理论级数

N设备

2—3都可以

4—5转盘塔、震动筛板塔、脉冲塔

>5混合澄清器（2）处理量处理量

设备

大转盘塔、筛板塔、混合—澄清器小填料塔、脉冲塔、离心萃取器（3）停留时间

短：离心萃取器长：混合—澄清器（4）两相流量比

过大：不易采用各种塔（5）系统物理性质

粘度、密度差、界面张力腐蚀性大的物系：喷洒塔，填料塔（结构简单）固体悬浮物：转盘塔或混合—澄清器（6）设备费用

无外加能量设备：最低离心萃取器：最高（7）安装场地

高度、面积二、分散相的选择

179页（1）——（6）返回《化妆品术语》起草情况汇报中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所一、标准的立项和下达时间2006年卫生部政法司要求各标委会都要建立自己的术语标准。1ONE二、标准经费标准研制经费：3.8万三、标准的立项意义术语标准有利于行业间技术交流、提高标准一致性、消除贸易误差，作为标准体系中的基础标准，术语标准在各个领域的标准体系中均起着重要的作用。随着我国化妆品卫生标准体系建设逐步加快，所涉及的术语和定义的数量也在迅速增长，在此情形下，化妆品术语标准的制定就显得尤为重要。四、标准的制订原则1.合法性遵守《化妆品卫生监督条例》、《化妆品卫生监督条例实施细则》中关于化妆品的定义。2.协调性直接引用或修改采用的方式，与相关标准中的术语和定义相协调。3.科学性对于没有国标或定义不统一的术语，在定义时体现科学性的原则。4.实用性在标准体系中出现频率较高，与行业联系较紧密的术语优先选用。五、标准的起草经过

第一阶段：资料搜集

搜集国内外相关法规、标准、文献并对国外文献如美国21CFR进行翻译。第二阶段：2007年末形成初稿

初稿内容包括一般术语、卫生化学术语、毒理学术语、微生物术语、产品术语、人体安全和功效评价术语，常用英文成份术语等７部分。第三阶段：专家统稿1.2007年12月第一次专家统稿会（修订情况：1.在结构上增加原料功能术语、相关国际组织和科研机构等内容；2.在内容上增加一般术语、产品术语的种类，将化妆品行业的新产品类别纳入本标准；3.对于毒理学、卫生化学、微生物学术语进行修改；4.删除与化妆品联系不紧密、无存在必要的常用英文成分术语。2.2009年1月第二次专家统稿会会议意见：1.修改能引用国家标准的尽量引用国家标准；对存在歧义的个别用词进行修改。2.删除由于本标准中的“产品术语”一章和香化协会所制定的某个标准存在重复，因此删除“产品术语”一章的内容；对“原料功能术语”的内容进行梳理，删除了20余条内容。3.增加专家建议增加“化妆品限用物质”等若干项术语。第四阶段：征求意见2009年2月面向全国公开征求意见。第五阶段：征求意见的处理与形成送审稿。在征求意见的处理阶段再次征求了相关专家的意见。六、标准的内容依据1.《化妆品卫生监督条例》、《化妆品卫生监督条例实施细则》;2.《化妆品卫生规范》;3.美国21CFR；4.相关领域国家标准如：GB5296.3-2008消费品使用说明化妆品通用标签，GB/T14666-2003分析化学术语等；5.国内外化妆品的相关文献，如《化妆品监督管理及安全性