分离工程_第6章_分离过程及设备的效率与节能

m OL L
kG，kL为气相、液相总传质系数；A为塔横截 面积；a为填料的有效表面积
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5）等板高度（HETP）
一块理论板表示由一段填料上升的蒸气与自该段填 料下降的液体互成平衡，等板高度为相当于一个理 论板的分离程度所需的填料层高度
Z N T HETP
等板高度越小，说明填料层的传质效率高，则完 成一定分离任务所需的填料层的总高度可降低。 HETP与填料的类型和尺寸、物性、操作条件、 设备尺寸等因素有关
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3） Murphree点效率
塔板上的气液两相是错流接触的，实际上在 液体的流动方向上，各点液体的浓度可能是变 化的。液体沿塔板流动的途径比板上的液层高 度大很多，故在液流方向上比在气流方向上更 难达到完全混合。若假定液体在垂直方向上是 完全混合的，则
y' y E y y
i,j * OG i,j
NG Lv 1/ 2 [0.776 4.567hW 2.2377F 104.84( )] /(S C ) lf
F ( u G )
8
S C ( G / G DG )
1/ 2
N L (4.12710 DL )
(0.213F 0.15)t L
ZCl tL Lv / l f
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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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（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。 24
• §6.2 分离过程的最小分离功
• 1）理解分离过程的最小分离功定义 • 2）掌握多组分混合物的最小分离功、净功消耗、 热力学效率计算
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• §6.3 分离过程的节能
• 1）理解分离过程热力学分析 • 2）掌握节能的主要途径 • 3）识记有关分离操作的节能经验规则
• §6.4 分离过程系统合成
• 1）理解离顺序数定义及计算公式 • 2）掌握分离过程系统合成三种方法 • 3）掌握有序试探法中的四大规则
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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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
§6-1气液传质设备的效率
一、级效率的定义和影响因素 二、 级效率的计算方法
三、气液传质设备的选择
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§6-1气液传质设备的效率
△ 为确定传质设备的高度，可通过多级平衡过 程的计算，决定完成一定分离任务所需的理 论级数 ◇ 将其他因素的影响归于传质分离的级效率 ☆ 板式塔:一种塔内浓度为不连续变化的逐板 接触型设备，每一塔板就是一个传质交换级， 并构成多级平衡过程的一个单元 ☆ 传质交换的两流体在一块塔板上接触后并不 可能达到理论上的平衡状态，为表示板式塔 传质效率的大小，常用板效率
且不同组分计算结果 不同（二元除外）
E
i , ML
x x x x
i,j * i,j
图6-1 板序号规定
i , j 1
i , j 1
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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板上液体完全混合
板上液相各点浓度相同，并等于出板液相浓度。 各处点效率相等，并等于板效率。
E E
MV
OG
塔板的气相板效率等于点效率
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②液相完全不混合 ——活塞流
沿液流方向无任何返流，呈活塞流，此时浓度梯 度最大
E E
MV
OG
E Ae
MV
EOG A
1
当NOG一定时，液体混合 作用减弱，使EmV增大， 且A越小，EmV越大
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2）默费里(Murphree)板效率（单板效率）
指组分i的气相或液相经过一层塔板前后的实际组成 变化与经过该层塔板前后的理论组成变化的比值。
E
i , MV
y y y y
i,j * i,j
i , j 1
i , j 1
也可液相浓度计算 Ei ,mL 但
Ei ,mL Ei ,mV
y*i,j
4
• 能源是发展工业的必要物质条件，据报导化学工 业是耗能较多的一个部门，我国化工能耗约占全 国能源消耗总量的12.7%，折合标准煤为7848吨。 若以每万元产值能耗平均值计，为全国万元产值 能耗平均值的2.3倍。 • 化学工业中分离系统能耗更大，特别是精馏单元 操作，且余热量也大。据英、美等国统计，精馏 单元操作能耗约占全国能耗量的3%。 • 发展化学工业，开创化学工业的新局面，节能问 题极为重要。确定具体混合物分离的最小能耗， 了解影响能耗的因素，寻求接近此极限能耗的实 际分离过程是很有意义的。
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◇ 填料塔:
一种塔内浓度为连续变化的微分接触型设备
☆ 用相当于一个传质单元的高度，或一个理论 级的填料高度来表示填料塔的传质效率，称 之为传质单元高度或理论板当量高度
☆ 讨论传质分离的级效率，就是讨论影响板式 塔的板效率和填料塔的传质单元高度或理论 板当量高度的各个因素及其计算方法
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气液传质设备
4）传质单元高度
Z H OG N OG
N OG
yb
Z H OL N OL
dx N x x
xb OL xa
NOG和NOL分别为气相和液相总传质单元数
dy y y
* ya
*
HOG和HOL分别为气相和液相的总传质单元的 填料层高度
V H k Aa
m OG G
L H k Aa
第6章 分离过程及设备 的效率与节能
1
第六章 主要内容
§6.1 气液传质设备的效率
§6.2 分离过程的最小分离功
§6.3 分离过程的节能
§6.4 分离过程系统合成 本章小结
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本章要求
• §6.1 气液传质设备的效率
• 1）理解、识记气液传质设备级效率的各种定义 • 2）掌握影响级效率的因素和塔板上流动液相的 三种混和类型 • 3）掌握级效率计算方法中的机理模型方法
溶剂
气体
填料塔
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筛板塔
筛板 泡罩 方形
泡罩塔 板式塔
浮阀 填料类型 填料塔 填料支撑
液体分 布装置 液体再 分布装置
条形 圆形 浮舌
塔型
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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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一、级效率的定义和影响因素
⑴实际板和理论板的差异
理论板（级） 汽液两相完全混合，板上 浓度均一，等于离开该板 溢 K i xi * V ( y 传质量： i yi ) 均匀流动，各点停留时间 相同 无雾沫夹带、漏液和液相 夹带汽相现象等 实际板（级） 板上液相浓度径向分布，液 体入口处浓度高，进入的汽 相各点浓度不相同 达到平衡要无限长时间 影响因素：平衡关系、塔板 结构，流动情况、物性 不均匀流动，各点停留时间 有明显差异 雾沫夹带、漏液和液相夹带 汽相现象等
⑶影响级效率的因素
1）点效率与传质间的关系
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双膜理论
28
⑶影响级效率的因素
1）点效率与传质间的关系
1 N OG 1 1 NG N L A
点效率
EOG 1 e
NOG
N G , N L ，P189（6-10）
（6-11）式可经验求
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美国化工学会（AIChE）对泡罩塔和筛 板塔提出了下列经验式：
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图5-2 点效率模型
y 与xi, j 成平衡
* i, j
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。 20
i , j 1
i , j 1
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点效率
J j-1 xi,j xi,j-1 （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。 j
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
5 4
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③液体部分混合
( Pe )
AIChE

EmV 1 e e 1 EOG ( Pe )[1 ( Pe ) / [1 ] Pe
Lv 0.00378 0.0171 u G 3.68( ) 0.18hw lf
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⑵级效率的定义
1）全塔效率
达到指定分离效果所需理论级数与实际级数 的比值，对板式塔又称为总板效率。