化工分离过程(第19讲)(5分离设备的处理能力和效率)
化工分离过程
化工分离过程1. 引言化工分离过程是化学工程中的一个重要环节，用于将混合物中的组分分离出来，以获得纯净的产品。
它在化工生产中起着至关重要的作用，广泛应用于石油、化肥、制药、食品等行业。
本文将介绍化工分离过程的基本原理、常见的分离方法和设备，并探讨其在实际应用中的一些问题和挑战。
2. 分离过程的基本原理化工分离过程基于物质之间的差异性，通过改变条件使得混合物中的组分发生相变或物理/化学反应，从而实现组分之间的分离。
常见的差异性包括沸点、溶解度、密度、挥发性等。
3. 常见的分离方法和设备3.1 蒸馏法蒸馏法是一种基于沸点差异进行分离的方法。
它利用混合物中不同组分的沸点差异，在加热后使其中一个或多个组分汽化，并通过冷凝转变为液体，从而实现组分之间的分离。
常见的蒸馏设备包括塔式蒸馏柱、换热器和冷凝器。
3.2 萃取法萃取法是一种基于溶解度差异进行分离的方法。
它利用两种不同溶剂之间的亲疏性差异，将混合物中的组分分配到不同的溶剂相中，通过提取和分离来实现组分之间的分离。
常见的萃取设备包括萃取塔、搅拌槽和分液漏斗。
3.3 结晶法结晶法是一种基于溶解度差异进行分离的方法。
它利用溶液中某个组分的溶解度随温度变化而改变的特性，通过控制温度使其中一个或多个组分结晶出来，从而实现组分之间的分离。
常见的结晶设备包括结晶器和过滤器。
3.4 吸附法吸附法是一种基于吸附性差异进行分离的方法。
它利用固体吸附剂对混合物中不同组分的选择性吸附能力，通过吸附和解吸来实现组分之间的分离。
常见的吸附设备包括吸附塔和吸附柱。
3.5 膜分离法膜分离法是一种基于分子大小或分子间作用力差异进行分离的方法。
它利用特殊的膜材料将混合物中的组分分离开来，常见的膜分离设备包括膜反应器、膜过滤器和膜渗透器。
4. 实际应用中的问题和挑战化工分离过程在实际应用中面临着一些问题和挑战。
不同组分之间的物理/化学性质差异可能很小，导致难以实现有效的分离。
某些组分可能具有毒性或易燃性，需要采取特殊措施进行处理。
分离过程及设备的效率与节能综合培训教材ppt课件
如图精馏过程的净耗功为：
若进出体系的物料的焓相近时，近似有QR＝QC＝Q，
例6-2某丙烯(A)-丙烷(B)精馏塔。若进料为泡点进料，进料量F=272.16kmol/h,HF=1740.38kJ/kmol，SF=65.79kJ/(kmol·K)，塔顶馏出液D=159.21kmol/h，HD=12793.9kJ/kmol，SD=74.69 kJ/(kmol·K)，塔底釜液W=112.95kmol/h，HW=3073.37kJ/kmol，SW=66.10 kJ/(kmol·K)，假设环境温度T0＝294K。
金属及非金属材料
造价
大直径时较低
新型填料投资较大
塔效率
较稳定，效率较高
传统填料较低，新型填料较高
板式塔和填料塔的选择要考虑以下因素：
（1）物系的性质
①物料具有腐蚀性时，通常选用填料塔；
②易发泡物系，宜选填料塔，因其具有限制和破碎泡沫的作用；
③对热敏物质或需真空下操作的物系宜选用填料塔；
塑料填料 耐腐蚀性好、质轻、耐冲击、不易破碎，通量大、压降小，但耐高温性能差。
（3） 填料尺寸的选择填料尺寸小，压降大，费用高；填料尺寸大易出现液体分布不均及严重壁流，分离效率低。为此要求：
（2） 填料种类的选择
（4） 填料的单位分离能力
分离过程为什么要节能？ 分离过程的特征？ 多组分分离的多塔排列顺序对能耗是否影响 ？
⑴奥康奈尔（O’Connell）关系曲线(图6-8）
6.1.3.1经验关联式
朱汝瑾公式：
⑵Van Winkle关系式
⑶HETP乱堆填料HETP一般为0.45~0.6米；鲍尔环25mm的HETP为0.3m， 38mm的HETP为0.45m，50mm的HETP为0.6m；规整填料如金属丝网波纹填料CY型的HETP为0.125~0.166m、BX型的HETP为0.2~0.25m，麦勒派克填料的HETP为0.25-0.33m。
分离过程及设备的效率与节能综合
分离过程及设备的效率与节能综合首先，设备的效率是指在给定条件下，设备能够实现分离目标的程度。
设备的效率越高，说明在相同的生产条件下，可以获得更多的纯净产品，并且减少了废物的产生。
一般来说，设备的效率受到其设计和操作参数的影响，比如塔板的数量和布局、传热方式、流体动力学条件等。
因此，在设计和操作分离设备时，需要充分考虑这些因素，以提高设备的分离效率。
其次，设备的节能性是指在实现分离过程时，设备能够尽量减少能源的消耗，从而减少对环境的影响。
对于许多化工生产过程来说，分离过程通常是能耗较大的环节，因此提高设备的节能性是非常重要的。
在实际操作中，可以采取一些措施来提高设备的节能性，比如优化操作参数、选择高效的传热设备、回收废热等。
同时，也可以考虑使用一些新型的设备，比如膜分离设备和离心分离设备，它们通常能够以更低的能耗实现相同的分离效果。
综合来说，设备的效率和节能性在化工生产中都是非常重要的考量因素。
通过优化设备的设计和操作参数，可以实现更高效、更节能的分离过程，从而降低生产成本，提高产品质量，减少对环境的影响。
因此，在实际操作中，需要充分重视设备的效率和节能性，不断寻求新的技术和方法来提高分离过程的效率和节能性。
分离过程是化工生产中不可或缺的重要环节，它涉及到物质的分离和提纯，是化工生产中必不可少的环节。
在分离过程中，我们通常会使用各种不同的设备，比如蒸馏塔、萃取塔、结晶器等来实现不同成分的有效分离。
这些设备的效率和节能性对于化工生产过程的成本和环保影响非常重要。
在下文中，我们将继续探讨设备的效率和节能性对分离过程的影响以及一些改善措施。
对于分离设备的效率来说，各种因素都会对其产生重要影响。
首先要考虑的是设备的设计。
在设计分离设备时，要考虑流体动力学特性、传热和质量传递效率等，以达到最佳的操作效果。
另外，设备的尺寸和结构也需要充分考虑，在保证设备性能的前提下，尽量减少设备的体积和静态能耗。
此外，操作参数的选择也会对设备效率产生影响，比如温度、压力、进料速率等。
第五章 分离设备的级效率
二、机理模型
1、 计算出板上的气相传质单元数 G和液相 、 计算出板上的气相传质单元数N 传质单元数N 传质单元数 L。 2、 求出气相总传质单元数 NOG 、 3、求出点效率EOG 、求出点效率 4、计算板上液相返混程度PE和EMV/EOG 、计算板上液相返混程度 5、查图得干板效率 EMV 、 6、求雾沫夹带量并按求Ea 、求雾沫夹带量并按求
x ≤1
x >1
µ L ：全塔平均温度下进料的粘度 α ：相对挥发度
x = α ∑ µ Li x i
2、Van Winkle关系式 、 关系式
E mv =
0.14 0.25 0.08 0.07 D g S c R e
表面张力准数
σL Dg = µ LU v
hwU v ρ v
液体Schmidi准数 准数 液体
二、级效率的定义
1、全塔效率，又称为总板效率 、全塔效率，
ET = N理 N实
2、Murphree板效率，又称干板效率 、 板效率， 板效率
Ei ,mv =
y j − y j +1
* yj
− y j +1
二、级效率的定义
3、点效率 、
E OG =
y − y j +1 y − y j +1
*
4、理论板当量高度（HETP） 、理论板当量高度（ ） 相当于一个理论板的分离程度所需的填料层高度。 相当于一个理论板的分离程度所需的填料层高度。
3、雾沫夹带 、
Kv = uF
ρG ρ L − ρG
3、雾沫夹带 、
由 K v 求得 u F 泛点百分率
= u / uF
4、物性的影响 、
①液相粘度，粘度高，两相接触差，同时液 液相粘度，粘度高，两相接触差， 相扩散系数变小， 相扩散系数变小，故效率低 ②相对挥发度，大则相当于汽相溶解度低， 相对挥发度，大则相当于汽相溶解度低， Ki小，液相阻力大，效率低 小 液相阻力大， ③表面张力梯度 a.正系统 σ 轻 < σ 重 dσ dx < 0 泡沫状态下操作 正系统 1 b.负系统 σ 轻 > σ 重 dσ 负系统 > 0 喷射状态下操作 c.中性系统 中性系统
化工分离过程(总复习)
L, xi
若TB<T闪蒸<TD，则闪蒸问题成立。
15
1.2 单级平衡过程
方法二：假设闪点温度就是进料的泡点温度：
则： Ki zi 1 应该成立 ，如果
则： zi / Ki 1 应该成立 ，如果
K z
i
i i
1 说明TB<T。
再假设闪蒸温度就是进料的露点温度：
z / K 1 说明TD>T。
3
1.1 绪论
分离媒介分为能量媒介（ESA）和物质媒介（MSA）。 速率分离过程——借助某种推动力（如浓度差、压力 差、温度差、电位差等）的作用，某些情况下在选择性透
过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异而实现混合物
的分离操作。
4
1.2 单级平衡过程
1、相平衡的定义和条件
相平衡 ：混合物或溶液形成若干相，这些相保
S
7
1.2 单级平衡过程
（3）汽相为理想溶液，液相为理想溶液
yi Pi fi Ki V V xi i P fi
S S i L
L i V i
（4）汽相为理想溶液，液相为非理想溶液
yi iL Pi iL f i iL Ki V V V xi i P fi i
FHF Q LH L VH V
（2-65）
x
i
1
y
i
1
17
（2-46）
（2-45）
1.2 单级平衡过程
利用牛顿迭代法解Rachord-Rice方程迭代方程
( Ki 1) zi f ( ) 0 1 ( Ki 1)
（2-71）
( k 1)
《化工分离过程》
《化工分离过程》化工分离过程的基本原理是根据化合物之间的性质差异，利用不同的分离原理将混合物分离成纯净的组分。
常见的分离原理包括物理性质差异（如沸点、沸点、相对分子质量等）和化学性质差异（如酸碱性、溶解度等）。
混合物中的化合物可以是液体、气体或固体，分离过程需要根据不同的化合物性质选择合适的分离技术。
常见的分离技术有蒸馏、萃取、吸附、结晶等。
蒸馏是利用液体化合物的不同沸点将其分离的技术。
一般情况下，液体化合物的沸点在常压下不同，通过加热混合物，将低沸点物质汽化并后冷凝得到纯净的组分。
萃取是利用液体-液体的分配系数差异将化合物分离的技术。
在两个不相溶的溶剂中，将其中一种组分转移到另一相中，从而实现分离。
吸附是利用固体吸附剂与化合物之间的亲和力差异而实现分离的技术。
结晶是利用溶解度差异将化合物从溶液中析出的技术。
除了上述常见的分离技术，还有一些特殊分离技术被广泛应用于化工过程中。
例如，渗透膜分离技术可以通过选择性渗透膜将混合物中的成分分离出来。
通过渗透膜的孔径大小和化合物的分子量来选择性地分离，并可应用于气体、液体和固体的分离。
固体相变分离技术是利用化合物在不同温度下的相变特性分离的技术。
通过控制温度，使其中一化合物发生相变，并利用相变后的物性差异进行分离。
化工分离过程在工业生产中有着广泛应用。
例如，在石油化工领域，蒸馏技术被用于石油的提炼和馏分分离。
在制药工业中，萃取、溶剂结晶等技术被应用于药物的提取和纯化。
在化肥生产中，吸附分离技术被用于气体的纯化和脱硫。
化工分离过程的应用也涉及到食品、化妆品、环境保护等领域。
总之，化工分离过程是化学工程中的重要课题，通过合理选择分离技术，可以将混合物中的化合物分离出来，得到纯净的组分。
理解和应用化工分离过程对于提高化工工艺的效率和产品质量具有重要意义。
化工分离过程讲义
“预防优于治理”的方针，同时又降低了原材料和能源的消耗，提高企
业的经济效益，是保护生态环境和经济建设协调发展的最佳途径。因此
清洁工艺是一种节能、低耗、高效、安全、无污染的工艺技术。就化学
工业而言，清洁工艺的本质是合理利用资源，减少甚至消除废料的产生。
化学工业是工业污染的大户，化工生产所造成的污染来源于：
•混合物
•（ 气 、 液 、 固 •分 离 过 程 ）
•产品1 •产品2 •产品n
•能量分离剂 ESA •物质分离剂 MSA
借助一定的分离剂，实现混合物中的组分分级（Fractionalization）、浓 缩（Concentration）、富集（Enrichment）、纯化（Purification）、精制 （Refining）与隔离（Isolation）等的过程称为分离过程。
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化工分离过程讲义
•分离过程在工业生产中的地位和作用
• 事实上，在医药、材料、冶金、食品、生化、原子能和环保等领 域也都广泛地应用到分离过程。例如，药物的精制和提纯；从矿产中 提取和精选金属；食品的脱水、除去有毒或有害成分；抗菌素的净制 和病毒的分离；同位素的分离和重水的制备等都离不开分离过程。 • 随着现代工业趋向大型化生产，所产生的大量废气、废水、废渣 更需集中排放。对各种形式的流出废物进行末端治理，使其达到有关 的排放标准，不但涉及物料的综合利用，而且还关系到环境污染和生 态平衡。如原子能废水中微量同位素物质，很多工业废气中的硫化氢、 二氧化硫、氧化氮等都需妥善处理。近年来，由于能源紧张，石油提 价，对分离过程的能耗要求越来越苛刻，随之对设备性能要求也越来 越高。分离技术的应用越来越得到人们的高度重视。
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化工分离过程讲义
化工分离
20
二、多组分精馏过程
在精馏中起关键作用的组分，称关键组分。 多组分精馏过程的特点：清晰分割法；非清晰分割法 多组分精馏过程的简捷计算
➢最小回流比——Underwood法 ➢最少理论板数——Fenske 方程 ➢理论板数——Gilliand图和关联式 ➢适宜进料位置的确定 简捷计算方法困难的问题是估算非关键组分的分配
Wmin,T ( nk Hk nj H j ) T[ nk Sk nj S j ]
调整 T N
计算 yi
是否第一 次迭代
N yi 有无
变化 N
ln yi ≤ε Y
输出T，y
圆整
yi，计算
ˆ
V i
Y
Y
结束
状态方程+活度系数法计算泡点温度的框图
几点说明：
(1) 内、外循环的安排：
当压力不大时(2MPa以下)， Ki 对 yi 不敏感，而对温度 较为敏感，因此将 yi 放在 内层循环。
萃取流程 逆流萃取计算的集团法
25
第四章 多组分多级分离的严格计算
重点：
了解平衡级的基本假定，掌握多级平衡分离过程的物理 模型和数学模型
掌握逐板计算法原理、计算起点和步骤 掌握三对角线矩阵法（泡点法）的计算原理和解法，该
法的优缺点和改进方法 了解流率加和法（SR法）的计算原理
26
一、平衡级的理论模型
36
2.影响效率的因素 (1) 传质速率 (2) 流型和混合效应 (3) 雾沫夹带 (4) 物性的影响
三 、气液传质设备效率的估计法
1. 经验法 2. 机理模型
37
四 、萃取设备的处理能力和塔径
1.设备的特性速度
喷洒塔
ut
ud
化工分离过程(总复习)
蒸馏分离广泛应用于石油、化工、食品等领域，如石油工业中的原油分馏、酒精工业中的酒 精提纯等。
萃取分离
萃取分离是利用混合物中各组分在两 种不互溶溶剂中的溶解度不同，使其 中一种组分从一种溶剂转移到另一种 溶剂中，从而实现分离的方法。
萃取分离可以分为单级萃取、多级萃 取和逆流萃取等。单级萃取是将原料 液加入到有机溶剂中，经过充分混合 后进行分离；多级萃取是将单级萃取 的有机溶剂和原料液多次循环接触， 以提高萃取效果；逆流萃取则是采用 两股逆向流动的液体，使原料液和有 机溶剂在接触过程中不断更新，提高 传质效率。
萃取分离在化工、环保、食品等领域 有广泛应用，如工业废水处理中的重 金属离子去除、天然产物提取等。
再沸器
再沸器的作用是为蒸馏塔提供热源， 使液体混合物沸腾汽化。
萃取设备
混合澄清槽
混合澄清槽是实现液液萃取过程 的常用设备，通过搅拌使两种液 体充分混合，再通过沉降分离出
萃取相和萃余相。
离心萃取器
离心萃取器利用离心力的作用， 使两种液体在旋转中分离，实现
液液萃取。
萃取塔
萃取塔是实现连续液液萃取过程 的设备，通过填料或塔盘使两种 液体逆流接触，达到萃取的目的。
超滤膜组件
超滤膜组件是实现超滤分离过程的设备，通过半透膜使水 分子和部分溶质透过，而大分子溶质被截留，达到净化或 分离的目的。
纳滤膜组件
纳滤膜组件是实现纳滤分离过程的设备，通过半透膜使不 同分子量的溶质被截留，达到净化或分离的目的。
04
分离过程操作与控制
《化工分离技术》课件
其他工业领域的应用
除了上述领域外，分离技术还 广泛应用于食品工业、化学工
业、电子工业等领域。
在食品工业中，分离技术用于 食品的加工、提取和纯化等环 节，如提取咖啡因、茶多酚等
。
在化学工业中，分离技术用于 化学品的生产、分离和纯化等 环节，如合成高分子材料、精 细化学品等。
根据膜的性质和结构的不同，膜分离可以分为微滤、超滤、纳滤、 反渗透等。
膜分离技术的应用
膜分离技术在饮用水处理、工业废水处理、物料浓缩等领域广泛应用 。
其他分离技术
• 其他常见的分离技术包括色谱分离、电泳分离、泡沫分离 等。这些技术各有特点和应用范围，可根据具体需求选择 使用。
03
分离过程与设备
蒸馏过程与设备
制药行业
分离技术用于药物的提取 、纯化和分离，如结晶、 过滤等。
食品工业
分离技术用于食品的加工 和分离，如果汁的过滤和 脱色等。
02
分离原理与技术
蒸馏技术
蒸馏技术原理
蒸馏是一种基于物质沸点差异的分离 技术，通过加热使液体混合物沸腾， 然后将蒸汽冷凝成液体，从而实现组 分的分离。
蒸馏技术分类
蒸馏技术的应用
根据操作方式的不同，萃取可以 分为单级萃取、多级萃取、逆流
萃取等。
萃取技术的应用
萃取技术在化工、制药、环保等 领域广泛应用，可用于分离液体
混合物和固体混合物。
吸附分离技术
吸附分离技术原理
吸附是，使目标组分被吸附 在吸附剂表面，从而实现组分的分离。
蒸馏定义
蒸馏是一种利用混合物中各组分挥发度不同而实现分离的单元操 作。
化工分离过程第五章
➢ 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。
3
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
4
5.1.1影响气液传质设备流体力学性能的因素
5.1 气液传质设备的性能和效率 5.1.1 影响气液传质设备流体力学性能的因素
1
泡沫
2 蒸汽夹带和液体夹带
3
液面梯度
4
漏液
5
液泛
6
压力降
7
停留时间
5.1.1影响气液传质设备流体力学性能的因素
（1）泡沫
在塔板上生成泡沫有利于汽液之间界面和传质的最大化。 原因：塔板上的泡沫是由于蒸汽流经液体时产生搅动和湍 流而形成的。
➢ 气液传质设备的种类繁多，但基本上可分为两大类， 板式塔和填料塔（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 及操作是否稳定，在很大程度上决定于塔的设计。
➢ 关于塔的设计参见“化工原理”， ➢ 这里主要定性分析：影响设备流体力学和传质性能
的主要因素。
5
6
7
第5章 分离设备的性能和效率
➢ 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。
有溢流塔板
最新05分离设备的处理能力和效率2(2学时)
us
=
gd （2p r d 18 m c
r c）（1 - f d）
= u（t 1 - f d） （5 - 24）
(5-2)1=(5-2)4:
ut=fd(1 u- dfd)+(1-u fcd)2 （ 5-2） 5
表示：ud、uc、fd 与ut 之间的关系
— 适用于喷洒塔
ud ——分散相空塔速度 m/s
=0
求分散相泛点速度 udF = （5 - 34）
将二式合并： （5- 35）
(5- 35)不含特性常数uk，表明fdF只与uuCdFF
有关，与物性、液滴寸 尺、设备类型无关。
4.若联立求解以上 ，三 得5方 图 -1程 2
◆填料塔的液泛速度 如图5-13。
◆转盘塔液泛速度：
(5-3)0 u k;(5-3)5 fd;F (5-3)3 uCF
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表5-1 萃取设备的分类
型式 无外加能量
搅动
逐极接触式 筛板塔
混合澄清器 搅拌填料塔
微分接触式
喷洒塔、填料塔
转盘塔 搅拌挡板塔
具有外 加能量
脉冲
离心力
脉冲筛板塔 脉冲混合澄清器
逐极接触离心 萃取器
脉冲填料塔
连续接触离心 萃取器
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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
uk : 1.具有 ut性质，但u不 t。是 2.与ud、uc无关。 3.计算取决于萃 物取 性物 和系 设的 备特
4.对于喷 uK洒 =ut， 塔其它情况。 ，进
用于填料塔
uk=fd(u1d-fd)+(1-ucfd)2 （5-27） ——为填料的孔隙率
用于转盘塔
现代化工分离过程
• 膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据 滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类：
微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推动力，使不溶性物质得以 分离的操作，孔径分布范围在0.025~14μm之间；常用对称微孔膜
超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~0.02 μm，分离推动力仍为 压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；常用非对称微孔膜
管式膜组件
内压式：膜涂在管内，料液由管内走； 外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。
内压管式：
料液
外压管式：
多孔管 膜
料液
组件的进出料示意图
原料液
渗透液
垫圈 渗余液
渗透液
组件外壳
多通道组件
渗透液
4) 中空纤维膜组件
有数百上万根中空纤维膜固定在圆形容器内构成， 内径为40-80um膜称中空纤维膜，0.25-2.5mm膜称毛细管膜。 前者耐压，常用于反渗透。后者用于微、超滤 料液流向：采用内压式时为防止堵塞，需对料液预处理去固形 微粒，采用外压式时，凝胶层控制较困难。
• 超滤(UF,ultrafiltration)
•
微滤(MF,microfiltration)
影响膜渗透能力的因素：
• 渗透组分分子的大小、形状、化学性质 • 膜的物理化学性质 • 渗透组分与膜的相互作用关系
膜分离过程示意
对膜材料的要求
• 具有良好的成膜性能和物化稳定性，耐酸、 碱、微生物侵蚀和耐氧化等。
2.2影响膜渗透性质的各种因素
• 渗透系数 • T、P的影响 • 溶液性质的影响 • 聚合物膜结构对渗透性质的影响
表征膜性能的参数
分离工程重点与难点-青岛科技大学教师授课教案
青岛科技大学教师授课教案课程名称分离工程课程性质必修授课教师叶庆国教师职称教授授课对象化工工艺04级6~8班、05级AB班授课时数 40学时教学日期 2007年3月~6月所用教材分离过程授课方式课堂教学分离工程Separation Engineering学时数：40小时1、课程依据课程依据本大纲依据化学工业出版社刘家淇编写的“化工分离过程”（2002），化学工业出版社Seader J D编写的“Seperation Process Principles”(2002)，史季芬编，“多级分离过程—蒸馏、吸收、萃取、吸附”（1991）等编写。
适用于化学工程与工艺及相近化工类专业本（专）科学生。
2、课程的性质、地位和任务本课程是化学工程与工艺及相近化工类专业教学中一门专业基础课程，是建立在物理化学、化工原理、化工热力学、传递课程原理等技术基础课程知识之上的一门必修课程。
化工分离过程是实现化工生产过程的必不可少的重要步骤。
它在化工生产中的地位和作用，决定了本课程在化学工程及相近化工类专业人才培养中的地位和作用。
因此，化工分离过程的知识和理论在化学工程及相近化工类专业人才的知识构成中占有相当重要的分量。
本课程的主要任务是运用化工单元操作的基本知识、溶液相平衡理论、动量、热量和质量传递的原理来研究化工生产实际中复杂的物系的分离和提纯技术、分析和解决在化工生产、设计和科研中常用的分离过程的理论和实际问题；讨论分离设备的处理能力和效率，分离过程的节能技术和分离流量的选择；简要介绍膜分离、吸附、反应精馏等其它分离技术主分离过程的选择。
通过学习和应用化工分离过程的基本理论、概念和知识，掌握各种常用分离过程的基本理论，操作特点，简捷和严格的计算方法和强化、改进操作的途径，对一些新分离技术有一定的了解；通过对典型实例的分析和讨论，培养选择适宜的分离方法，进行分离过程特性分析，解决在操作和设计方面的实际问题的能力；从分离过程的共性出发，通过讨论各种分离方法的特征，培养和建立工程与工艺相结合的观点和经济学的观点，以及考虑和处理工程实际问题的能力；培养学生科学的思想方法，注重实际的求实态度。
化工分离过程(第19讲)(5分离设备的处理能力和效率)
5.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素
④ 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。 ⑤ 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。 ⑥ 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 25 定合适的HETP后，应配一合适的塔径和填料层高度。
全塔效率 ：完成给定分离任务所须理论板与实际板之比。
N理 ET N实
5 1
全塔板效率是板式塔分离性能的综合量度，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。 17
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5.1 气液传质设备的处理能力和效率
气液分离设备分类
逐级接触式（板式塔）
气液分离设备
微分接触式（填料塔）
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5.1 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 水平设臵若干层塔板，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。
5.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素
（3）使用HETP的注意要点 ① 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。 ② 气相进入填料层的初始分布不好。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。 ③ 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 24 料时，HETP也会高。
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5.1.1 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。
泡沫
how hl h0 hf
有效长度
HT
11
5.1.1 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。
5.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素
④ 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。 ⑤ 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。 ⑥ 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 25 定合适的HETP后，应配一合适的塔径和填料层高度。
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。
5.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素 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。
j-1 xi,j
yi,j yi,j+1 xi,j-1 j
hf+ h
Hd
HT how
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。
h0
hw
8
5.1.1 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。
溶剂
气体
填料塔
6
5.1 气液传质设备的处理能力和效率
液泛 雾沫 夹带 压力 降
停留 时间
5.1.1 气液传质设备处理能力的影响因素
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5.1.1 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。
EOG
yi, j yi , j 1 y yi , j 1
i, j
1
yi, j yi, j y yi , j 1
i, j
1 e NOG 1 e
K y aZ G
5 8
28
5.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素
EOG 1 e
21
5.1.2 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臵的一 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
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5.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素
（2）HETP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： 填料高度 5 - 5 HET P 理论板数 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。 23
15
实
际
板
5.1.1 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。
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.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素 全塔效率（ET）
5.1 气液传质设备的处理能力和效率
传质 速率 流型 混合
雾沫 夹带 物性
5.1.2
气液传质设备的效率的影响因素
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5.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素 传质速率
J j-1 xi,j xi,j-1 ′ y i, j j
x′i ,j
J
， yi,j+1
图5-2 点效率模型
如图5-2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 上的位臵无关，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：
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5.1 气液传质设备的处理能力和效率
气液分离设备分类
逐级接触式（板式塔）
气液分离设备
微分接触式（填料塔）
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5.1 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 水平设臵若干层塔板，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。
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5.1 气液传质设备的处理能力和效率
全塔 效率 板 效率
点 效率
等板 高度
5.1.2
气液传质设备的效率的表示方法
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5.1.1 气液传质设备处理能力的影响因素 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。
喷射填料塔板
斜孔塔板
泡罩塔板
浮阀塔板
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5.1.1 气液传质设备处理能力的影响因素
5.2 萃取设备的处理能力和效率（自学） 5.3 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
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第五章 分离设备的处理能力和效率
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。
5.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素
（3）使用HETP的注意要点 ① 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。 ② 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。 ③ 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 24 料时，HETP也会高。
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5.1.2 气液传质设备的效率及其影响因素
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5.1.1 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。
假设：
′ y i, j
x′i ,j
J
， yi,j+1
Ei ,OG
yi, j yi , j 1 y yi , j 1
* i, j
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图5-2 点效率模型
y 与xi, j 成平衡
* i, j
5.1.2 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
溶剂
气体
板式塔
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5.1 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 臵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。
实际板与理论板的差异
理 论 板
1. 离开板的气液相浓度 达到平衡； 2. 气液两相完全混合， 板上浓度均一； 3. 均匀流动，各点停留 时间相同；
4. 无雾沫夹带、漏液、 液相泡沫夹带等。 引入效率 的概念 达到平衡要无限长时间。影响因素：塔 板结构、流动情况和物性等。 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。 不均匀流动，各点停留时间不同。 有雾沫夹带、漏液、液相泡沫夹带等。
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