化工分离工程正文.doc

绪论
一：分离工程在工业生产中的地位和作用：
1．分离工程定义：将混合物提成组成互不相同的两种或几种产品的操作
2．化工生产装置：反映器+分离设备+辅助设备（换热器、泵）
3．分离工程重要性：
（1）纯化原料：清除对反映或催化剂有害的杂质，减少副反映、提高收率。
（2）纯化产品：使未反映物质循环。
（3）环境治理工程：去除污染物。
4．分离工程发展现状：

5．分离过程在清洁生产中的地位和作用：废物减少（分离系统有效分离和再循环）
废物直接再循环+进料提纯+除去分离过程中加入的附加物质+附加分离与再循环系统

二：传质与分离过程的分类和特性：
1．过程：
（1）机械分离：两相以上的混合物分离（过滤、沉降、离心分离、旋风分离、静电分离）
（2）传质分离：均相混合物分离（精镏、吸取、结晶、膜分离、场分离、萃取、干燥、浸取、升华）
△平衡分离过程：分离媒介（热、溶剂、吸附剂）使均相混合物变为两相体系，再以混合物中各组分在处在平衡的两相分派关系的差异实现分离。（精镏、吸取、结晶、萃取、干燥、浸取、升华）
△速率分离过程：推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差），组分选择性透过膜，各组分扩散速度的差异实现分离（膜分离、场分离）

三：分离过程的集成化：新型
1．反映过程与分离过程的耦合：化学吸取、化学萃取、催化精镏、膜反映器
2．分离过程与分离过程的耦合：萃取结晶、吸附蒸馏、电泳萃取
3．过程的集成：传统分离过程的集成（共沸精镏—萃取、共沸精镏—萃取精镏）
传统分离过程与膜分离的集成（渗透蒸发—吸附、渗透蒸发—吸取、渗透蒸发—催化精镏）
膜过程集成（微滤—超滤—纳滤—反渗透）

第一章 蒸馏与精馏
§1—1 概述
一：蒸馏定义和特点：
1．定义：混合物中各组分挥发度差异进行分离提纯。
2．特点：工艺流程短、使用范围广、工艺成熟；但能耗大（汽相再冷凝）

二：分类：
1．蒸馏方式：闪蒸、简朴蒸馏、精馏、特殊精馏、反映精馏
2．操作压力：加压蒸馏、常压蒸馏、真空蒸馏
3．混合物组分：两组分精馏、多祖分精馏
4．操作流程：间歇蒸馏、连续蒸馏

三：精馏操作流程：
精馏段
提馏段
精馏段段

图：连续精馏操作流程 图：间歇精馏操作流程
1—精镏塔 2—再沸器 3—冷凝器 1—精镏塔 2—再沸器 3—全凝器 4—观测罩 5—贮槽

§1—2 简朴蒸馏和闪蒸
组分挥发度相差较大、分离规定低——预分离
一：工艺流程：

图：简朴蒸馏 图：平衡蒸馏（闪蒸）
1—蒸馏釜 2—冷凝器 3—接受器 1—加热器 2—节流阀 3—分离器
1．简朴蒸馏：一次进料，馏出液连续出料（出料浓度逐渐减少），釜残液一次排放——压力恒定、温度变化
2．平衡蒸馏：连续进料，连续出料（出料浓度恒定）——压力、温度恒定
混合液→加热器→温度＞料液泡点（分离器压力下）→节流阀（降压）→分离器→料液部分汽化、并在分离器中汽液分离（相平衡）
二：原理：
1．前提条件：抱负物系——液相为抱负溶液（拉乌尔定律）；汽相为抱负气体（道尔顿分压定律）
2．原理：
汽液共存区
过热蒸汽区
液相区
饱和液体线(泡点线)
饱和蒸汽线(露点线)

图：苯—甲苯混合液的t—x—y图 图：苯—甲苯混合液的x—y图

图：简朴蒸馏t—x—y图 图：平衡蒸馏t—x—y图
（1）简朴蒸馏：任何瞬间，蒸汽与液相处在平衡。yF＞xF——馏出液中易挥发组分含量高于原始料液。
反映过程：xF1＞xF2＞xF3＞··· yF1＞yF2＞yF3··· t F1＜t F2＜t F3＜···
（2）平衡蒸馏：整个过程闪蒸器（分离器）压力和温度不变，蒸汽与液相处在平衡。一次部分汽化。
反映过程：xW＜xF＜yD
（3）综述：简朴蒸馏和平衡蒸馏均得不到纯度较高的产品。

§1—3 双组分精馏
分离规定高——高纯度分离
一：精馏原理：
1．多次部分汽化和多次部分冷凝：

图：多次部分汽化和多次部分冷凝t—x—y图
汽相：y1＜y2＜y3···＜yn，但V1＞V2＞V3···＞Vn——最终汽相中易挥发组分几乎为纯态
液相：x1＞x2＞x3···＞xn，但L1＞L2＞L3···＞Ln——最终液相中易挥发组分几乎为零，难挥发组分几乎为纯态
2．有回流的多次部分汽化和多次部分冷凝：——精馏
（1）操作：将中间产物（部分冷凝的液体及部分汽化的蒸汽）分别返回它们前一分离器中。
（2）设立冷凝器：上半部最上一级（得到回流液体）
（3）设立汽化器（加热器）：下半部最下一级（得到上升蒸汽）
3．精镏塔：

图：精镏塔中物料流动示意图 图：精镏塔物料衡算
塔板（或填料层表面）：汽液两相传热、传质。
塔顶：外设冷凝器，产品易挥发组分。
塔底：外设再沸器，产品难挥发组成。
温度：全塔内温度由下向上逐渐减少。

二：全塔物料衡算：
前提条件：塔内恒摩尔流动
精馏段：V1= V2= V3=···= V=常数 L1= L2= L3=···= L=常数
提馏段：V1ˊ= V2ˊ= V3ˊ=···= Vˊ=常数 L1ˊ= L2ˊ= L3ˊ=···= Lˊ=常数
1．物料衡算：
（1）总物料衡算：F=D+W
（2）易挥发组分：FxF=DxD+WxW
2．操作线方程：任意板（n板）下降液相组成xn及由其下一层板上升的蒸汽组成yn+1之间关系的方程。

图：精馏段操作线方程推导 图：提馏段操作线方程推导 图：精馏塔操作线
（1）精馏段操作线方程：
总物料衡算：V=L+D
易挥发组分衡算：Vyn+1=Lxn+DxD 回流比R=L/D
操作线方程：yn+1= yn+1= yn+1=
（2）提馏段操作线方程：
总物料衡算：Lˊ=Vˊ+W
易挥发组分衡算：Lˊxmˊ=Vˊym+1ˊ+Wxw
操作线方程：ym+1ˊ= ym+1ˊ=
3．进料状况对操作线的影响：影响L与Lˊ，V与Vˊ的关系→提馏段操作线方程变化
（1）精馏塔进料热状况：

图：冷液进料 图：饱和液体进料 图：汽液混合物进料 图：饱和蒸汽进料 图：过热蒸汽进料
q＞1 q=1 q=0—1 q=0 q＜0
△精馏段与提留段液体摩尔流量与进料量及进料热状态参数的关系：Lˊ=L+qF
△精馏段与提留段气体摩尔流量与进料量及进料热状态参数的关系：V=Vˊ+（1-q）F
△进料热状态参数q：q==1kmol原料变为饱和蒸汽所需热量/原料液的千摩尔汽化热
=
2．进料方程（q线方程）：精馏段操作线与提馏段操作线交点的轨迹方程。——方便绘提留段操作线。
y=

三：理论塔板数：
1．理论板：塔板上汽液两相充足混合，无传热及传质阻力，离开该板时汽液两相达平衡状态。
2．理论塔板数：
（1）汽液平衡关系：
△拉乌尔定律：汽液平衡时，溶液上方组分的蒸汽压与溶液中该组分的摩尔分率成正比
pA= pAºxA pB= pBºxB=pBº（1-xA）
△道尔顿分压定律：p= pA+ pB
（2）操作线方程：塔内相邻两板汽、液相组成关系
精馏段操作线方程：yn+1=
提馏段操作线方程：ym+1ˊ=
进料方程（q线方程）：y=
（3）理论塔板数：再沸器相称于一层理论板
△逐板计算法：
△图解法：
（4）最佳进料位置：
△逐板计算法：塔内液相或汽相组成与进料组成相近或相同的塔板。
△图解法：跨越两操作线交点所相应的阶梯。
△影响：进料位置↑→馏出液难挥发物比例↑
进料位置↓→釜底液易挥发物比例↑（馏出液易挥发物收率↓）

四：塔高与塔径：
1．塔高：
△全塔效率：ET=（NT/NP）×100%——不易准确计算——奥康奈尔关联法——ET=0.49（αμL）-0.245
—奥康奈尔曲线
△塔高：板式塔Z=(NP-1)HT 填料塔Z=NT(HETP)
2．塔径：Vs=(π/4)D2u

五：回流比：

图：全回流最小理论塔板数（最大回流比） 图：最小回流比
1．全回流与最小理论板数：
全回流：D=O、F=O、W=O→R=∞→操作线方程yn+1=xn（对角线）→操作线距平衡相最远→最小理论板数
2．最小回流比：
R↓↓→两操作线交点处在平衡线→理论塔板数∞→Rmin=（xD-yq）/（yq- xq）
3．最佳回流比：（操作费用+设备费用）min R=（1.1—2.1）Rmin
（1）难分离物系：较大回流比
（2）能源紧张：较小回流比

六：间歇精馏：一次进料
1．特点：非稳态操作（塔内各处温度、组分不同），只有精馏段，塔内存液量对精馏过程及产品有影响。但操作灵活。
2．类型：
（1）恒回流比操作：时间↑→馏出液、釜残液组分↓
（2）恒馏出液组分操作：加大回流比

七：精馏装置热量衡算：

1．精馏塔热平衡：QF+QB= QD+QW+QC
2．再沸器热负荷：热平衡QB+L′ILm=V′IVW+WILW+QL
热负荷（加热介质消耗量）Wh=QB/（IB1- IB2）
3．冷凝器热负荷：QC+LILD+DILD）=VIVD
热负荷（冷却介质消耗量）WC=QC/cp（t2- t1）

§1—4 多组分精馏
一：关键组分：
1．定义：指定的两个组分。其中相对易挥发的那一个为轻关键组分；不易挥发的那一个为重关键组分。
2．精馏目的：轻关键组分尽也许多地进入馏出液；重关键组分尽也许多地进入釜液。

二：多组分精馏特点：
1．汽液平衡关系：F（自由度）=C（组分数）-Ф（相数）+2；
组分数↑→自由度↑→相平衡计算复杂（n组分溶液需要n-1个独立变量同时拟定，才干拟定物系平衡关系）
2．设备：组分数↑→精馏塔数量↑（n组分溶液需要n-1个精馏塔）
3．全塔液体含量分布：

图：苯—甲苯精馏塔内液体含量分布 图：苯—甲苯—异丙苯精馏塔内液体含量分布
重要任务：苯、甲苯分离（苯在馏出液中回收率高）；轻关键组分（苯）、重关键组分（甲苯）、重非关键组分（异丙苯：挥发度最低）、无轻非关键组分；
（1）轻关键组分（苯）：相对挥发度最大→它在进料板以下仅几板就降到很低的含量
（2）重非关键组分（异丙苯）：相对挥发度最小→它在进料板以上仅几板就降到很低的含量→在再沸器液相含量最高；从再沸器向上，重非关键组分含量下降；但由于进料中有一定重非关键组分并且它必须从釜液中排出，限制了它含量继续下降；→恒浓区（进料板一下相称长一塔段）
（3）重关键组分（甲苯）：相对挥发度居中
△再沸器以及第1、2块板：苯含量很低→重关键组分与重非关键组分精馏→甲苯：易挥发，甲苯含量沿塔向上增长。
△第3—10块板：异丙苯恒浓区→重、轻关键组分精馏→甲苯：难挥发，沿塔向上减少。（最高点：第3块板）
△第11—13块板：异丙苯↓↓→重关键组分与重非关键组分精馏→甲苯：易挥发，甲苯含量沿塔向上增长。（最高点：第12块板）
△第14—以后块板：异丙苯消失→重、轻关键组分精馏→甲苯：难挥发，沿塔向上减少直至冷凝器
综述：*关键组分含量分布有极大值
*非关键组分通常是非分派的——重非关键组分仅出现在釜液；轻非关键组分仅出现在馏出液。
*重、轻非关键组分分别在进料板下、上形成恒浓区。
*所有组分均存在于进料板上，但进料板含量不等于进料含量。
4．全塔温度变化：

图：苯—甲苯精馏塔内温度分布 图：苯—甲苯—异丙苯精馏塔内温度分布
（1）相同：再沸器到冷凝器→温度↓
（2）相异：*三组分精馏接近塔顶和接近塔底处以及进料板附近→温度变化大（塔底重关键组分含量↓↓，重非关键组分含量↑↑→泡点↑）
*非关键组分→温度跨度加宽
5．全塔汽、液流量分布：汽液流量只在进料板处有变化。

图：苯—甲苯精馏塔内汽、液流量分布 图：苯—甲苯—异丙苯精馏塔内汽、液流量分布

§1—5 蒸馏与精馏操作
一：影响精馏操作的重要因素：
1．物料平衡影响：D、W、D/F、W/F受制于xD、xW——精馏塔稳态操作
2．塔顶回流：
（1）回流比：
回流比R↑→精馏段操作线斜率↑→该段传质推动力↑→xD↑→
→提馏段操作线斜率↓→该段传质推动力↑→xW↑→→分离效果好→
→上升蒸汽量↑、下降液体量↑→操作费用↑→→→→→→→→→→→R=（1.1—2.0）Rmin
（2）回流液热状况：回流液温度变化→塔内循环量变化
3．进料组成和进料热状况：
（1）组成：进料组成改变→塔顶或塔釜产品质量
保证质量：进料中难挥发组成↑→加料口下移
进料中易挥发组成↑→加料口上移
（2）流量：流量↑→蒸汽流速↑→夹带（或液泛）
→分离产量↑
（3）进料热状况影响塔顶、塔底产品质量，产品质量，塔釜加热蒸汽消耗量。——泡点进料最佳。
4．温度、压力：
（1）精馏塔温度：塔顶低、塔底高。
（2）塔釜温度：
塔釜温度↑→塔内液相易挥发组分↓、上升蒸汽流速↑→传质效率↑→塔顶产品产量高（塔釜易挥发组分↓，损失↓）、纯度较差（上升蒸汽夹带难挥发组分量↑）
（3）压力：压力↑→塔釜难挥发产品中易挥发组分含量↑→塔顶产品纯度↑

第二章 特殊精馏
§2—1 恒沸精馏
一：恒沸物：
1．定义：多组分体系在某一组成时具有相同的泡点。

图：常压下—水溶液的t—x—y图 图：常压下—水溶液的x—y图
2．产生条件：各组分沸点接近、化学结构不相似、混合时与抱负溶液产生偏差

二：恒沸精馏原理：
1．原理：在接近沸点或具有恒沸点的溶液中加入新组分（夹带剂），使新组分与混合物中某一个或几个组分形成恒沸物（最低共沸物），用精馏法进行分离。——多组分非抱负溶液精馏
2．夹带剂特点：
（1）显著影响关键组分的汽液平衡关系（与被分离组分形成新的恒沸物，且沸点比纯组分沸点低，相差大于10℃）；
（2）共沸剂容易回收和分离；
（3）用量少、汽化潜热低；
（4）与进料组分互溶；不与进料组分发生化学反映；
（5）无毒、无腐蚀、价低；
（
3．恒沸精馏流程：

（1）二元非均相恒沸物的分离流程：原料自身具有二元非均相恒沸物的物系，分离时不加恒沸剂，只要两个精馏塔。

图：二元非均相恒沸物（正丁醇—水） 气液平衡关系图
原料液组成xF，恒沸组成M，xRⅠ、xRⅡ分别表达沸点下两液相组成；
原料液xF（正丁醇）→丁醇塔→→塔底：正丁醇xWⅠ
→塔顶：近于恒沸组成M的yDⅠ→冷凝器→富含丁醇相xRⅠ+富含水相xRⅡ→分层器→丁醇相xRⅠ返回丁醇塔回流（丁醇塔中：易挥发组分—水、难挥发组分—丁醇）
→水相xRⅡ→水塔（水塔中：易挥发组分—丁醇、难挥发组分—水）→→
→塔底：水xWⅡ
→塔顶：近于恒沸组成M的yDⅡ→冷凝器→富含丁醇相xRⅠ+富含水相xRⅡ→分层器→→→
（2）塔顶为非均相恒沸物的分离流程：硝基甲烷与烷烃形成二元非均相恒沸物。

图：用硝基甲烷分离甲苯—烷烃的流程 图：用苯分离乙醇—水的流程

料液+硝基甲烷→恒沸精馏塔→→塔底：甲苯
→塔顶：恒沸物→冷凝器→富含烷烃的上层液相+富含硝基甲烷的下层液相
→分层器→富含烷烃的上层液相→部分→返回恒沸精馏塔回流
→部分→烷烃回收塔→→塔底：烷烃
→塔顶：恒沸物→返回恒沸精馏塔回流
→富含硝基甲烷的下层液相→返回恒沸精馏塔回流
（3）塔顶为三元非均相恒沸物的分离流程：苯从乙醇—水溶液中制取无水乙醇
三元非均相恒沸物：64.86℃，苯53.9%，水23.3%，乙醇22.8%，
进料（乙醇—水共沸物）+苯→主塔→→塔底：乙醇
→塔顶：三元恒沸物→冷凝器→富含苯的上层液相+富含水的下层液相
→分层器→富含苯的上层液相→返回主塔回流
→富含水的下层液相→苯回收器→→塔底：水+乙醇→乙醇回收器→塔底：水
→塔顶：水—乙醇共沸物→主塔
→塔顶：三元恒沸物→冷凝器

§2—2 萃取精馏
一：原理：
向原料液中加入第三组分（萃取剂或溶剂），以改变原有组分间的相对挥发度而达成分离（该组分沸点较原有组分高，从釜底离开精馏塔）
溶剂P的选择性lg=xP［］
xP溶剂摩尔分率↑→→→溶剂P的选择性↑→→→→→→
→→精馏设备费用+操作费用↑→→→→0.6～0.8
萃取顺利进行：＞0 ＞0 端值常数
溶剂P与塔顶组分（组分1）形成具有正偏差的非抱负溶液（＞0），且正偏差越大越好；
溶剂P与塔底组分（组分2）形成具有负偏差的非抱负溶液（＜0）或抱负溶液（=0），且负偏差越大越好；

二：萃取剂选择：
1．实验方法：等质量原料液和萃取剂混合，测定汽液两相的平衡组成，计算相对挥发度。（相对挥发度↑→萃取剂选择性↑）
2．溶剂溶解度：溶剂溶解度大小→影响萃取剂用量、动力和热量消耗
3．三组分活度系数方程式：见原理
4．同系物：

三：萃取精馏流程：

图：萃取精馏流程
溶剂：沸点最高（从塔釜排出）
溶剂进料口在原料口以上（保证塔绝大部分塔板上均能维持较高溶剂浓度）
溶剂进料口离塔顶有若干块塔板（溶剂回收段：使馏出物从塔顶引出前能将其中的溶剂浓度降到最低）

四：萃取精馏塔特点：
1．溶剂加入板物料流速有突变
2．溶剂量在塔内的变化：塔内各板下流的溶剂量均大于溶剂加入量
3．溶剂浓度在再沸器内发生跃升：

第三章 （气体）吸取
§3—1 概述
一：定义：气体混合物一种或多种组分从气相转移到液相
二：工艺流程

图：具有吸取再生的连续吸取流程
三：吸取剂选择：
1．溶解度：对被分离组分溶解度大（吸取质平衡分压低）
2．选择性：大
3．挥发性：低（操作温度下吸取剂蒸汽压低）
4．粘度：低（粘度低→流动好→传质和传热好）
5．再生性：强（温度↑→吸取质溶解度↓↓→吸取质平衡分压↑↑）
6．稳定性：化学稳定
7．经济性：价低、易得、无毒、不易燃烧、冰点低
四：吸取分类：
1．物理吸取：气体单纯溶解于液相。——过程可逆、热效应小（放热）、解吸方便（吸取剂与吸取质结合力弱）
——加压、升温有助于吸取
2．化学吸取：用酸、碱吸取气体中的溶质——过程可逆、热效应大（放热）——吸取质的扩散速率、化学反映速率

§3—2 吸取平衡
一：吸取平衡（汽液平衡）——亨利定律
1．气体在液体中的溶解度：
C=f（pA） pe：平衡时，吸取质（被吸取气体）在溶液面上的分压；C：平衡时，吸取质在溶液中浓度
稀溶液、低压，C与pA为直线——亨利定律
2．亨利定律：
（1）亨利一：非抱负溶液、总压低（＜5×105Pa＝，稀溶液
pA=H x H：亨利系数（易溶解气体：H小，曲线平；难溶解气体：H大，曲线陡）
x：溶质在溶液中的摩尔分率%
c=h pA h：溶解度系数kmol·m-3·atm-1
c：溶质在溶液中的浓度kmol·m-3
（2）亨利二：相平衡方程式
ye=m x m：相平衡常数（m大，溶解度小）
ye：平衡气相中溶质摩尔分率%
3．道尔顿分压定律：pe=P ye
4．相平衡方程式在吸取操作上的应用：
相平衡方程式→判断→吸取、解吸
ye=m xe→混合气体中，某组分摩尔分率y→→→y＞ye或x＜xe该组分被溶液吸取
→→y＜ye或x＞xe该组分从溶液中解吸出来
§3—3 吸取传质机理
1．双膜理论：

（1）汽液两相接触面附近，存在气膜和液膜（滞流）
（2）滞流膜厚度极小，在膜中和膜界面上无溶质积累，吸取为通过气液膜的稳定扩散
（3）界面上气液两相平衡
（4）被吸取组分从气相转入液相依次分为五步：
*滞流扩散从气相主体到气膜表面
*分子扩散通过气膜到达两相界面
*界面上被吸取组分从气相转入液相
*分子扩散通过两相界面到达液膜
*滞流扩散从液膜表面到达液相主体
（5）两相主体中吸取质浓度均匀不变，仅在薄膜中发生浓度变化
气膜：传质推动力：y-yi 液膜：传质推动力：xi-x

§3—4 传质速率方程
1．气膜中扩散速度：
NA=（p-pi）=kG（p-pi）= ky（y-yi）
2．液膜中扩散速度：
NA=（ci -c）=kL（ci -c）= kx（xi -x）
NA：单位面积上的吸取（扩散）速率kmol/m2 s
P：混合气体总压力kPa
p、pi：气相主体及界面上的组分分压kPa
c、ci：液相主体及界面上的组分浓度kmol/m3
D、DL：组分在气相和液相中的扩散系数m2/s
ZG、ZL：气膜和液膜厚度m
kG、kL：气膜和液膜传质分系数kmol/m2 s kPa及m/s
pBm：惰性气体在气膜中的平均分压kPa
R：通用气体常数8.314kJ/kmol K
T：绝对温度K
3．吸取总传质速率方程：
△气相传质总系数：KG（kmol/m2 s kPa）
NA=KG（p-pe）
△液相传质总系数：KL（m/s）
NA=KL（ce -c）
△KG与KL关系：hKG=KL
4．传质通量G（在t时间内组分通过F界面的量）来表达传质方程）
G=KG F t（p-pe）=KL F t（ce -c）
5．讨论：
△T↓→kG↑→→→
u↑、膜薄→k↑→K↑→NA（G↑）→传质效果↑（喷淋的液滴越细越好）
△接触时间t↑→NA（G↑）→传质效果↑（t质取决于塔的尺寸和气流速度）
△推动力（p-pe）或（ce -c）↑→NA（G↑）→传质效果↑
△易溶气体→h↑↑→KG= kG→气膜控制（水吸取NH3、HCl）
难溶气体→h↓↓→1/KL=1/kL→液膜控制（水吸取Cl2、O2、CO2）
△气膜控制→气相湍动↑→K↑→NA（G↑）→传质效果↑
△液膜控制→液相湍动↑→K↑→NA（G↑）→传质效果↑

§3—5 解吸
一：热解吸：直接蒸汽或间接蒸汽解吸吸取质（吸取质在高温中溶解度小）
二：气提（空气、氮气、水蒸气、二氧化碳）解吸：吹脱吸取质
三：减压解吸：吸取（高压）→解吸（常压） 吸取（常压）→解吸（真空）

§3—6 化学吸取
一：特点：
1．吸取质在液相中与反映组分（吸取剂）→化学反映→→液相中纯吸取质↓→吸取推动力（ce –c）↑
→→吸取系数↑→气、液有效接触面积↑→NA↑
2．溶液表面上被吸取组分的平衡分压↓→（p-pe）↑→NA↑
二：机理：
1．溶质A从气相主体通过气膜到达界面的扩散
2．溶质A在液膜中的扩散
3．溶剂中反映组分B在液膜中的扩散
4．组分A与组分B在反映带的化学反映
5．反映产物从反映带到液相主体的扩散
动力学控制：V扩散＞＞V化学反映 缓慢反映
扩散控制：V化学反映＞＞V扩散 极快反映
普通速度的化学反映：V化学反映与V扩散相同数量级

第四章 气液传质设备
§4—1 概述
一：对塔设备规定：
1．生产能力大（单位塔截面解决量大）
2．分离效率高（达成分离规定的塔高低）
3．操作稳定、弹性大
4．对气体阻力小
5．结构简朴、价低
二：塔选择原则：
1．物料因素：
（1）物料易起泡——填料塔（板式塔会雾沫夹带，甚至泛塔）
（2）悬浮固体或残渣物料——板式塔
（3）高粘度物料——填料塔（板式塔中鼓泡传质效果差）
（4）解决过程中有热量放出或加入热量的系统——板式塔
2．操作条件：
（1）传质速率由气膜控制——填料塔（填料塔中，气相湍动，液相分散为膜状流动）
传质速率由液膜控制——板式塔（板式塔中，液相湍动，气相分散为气泡）
（2）气液比L/V小——板式塔
（3）随着有化学反映的吸取——板式塔（液体在板式塔中停留时间长和反映易控制）
（4）气相解决量大——板式塔（大塔——板式塔便宜；小塔（小于800mm直径——填料塔便宜）

§4—2 板式塔
一：板式塔重要塔板类型：
1．筛板塔

图：筛板塔 图：浮阀塔
液体→重力（由上而下）→塔板→汽液相接触、传热、传质→分离
气体→由下而上→鼓泡→→
溢流堰：30mm，保持筛板上液层厚度，提高吸取效率
优点：结构简朴、价低、气体压降较小。
缺陷：操作弹性小（操作正常时气体最大流量与最小流量之比2——3），筛孔小时易堵
2．浮阀塔：
阀孔上升阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，增长了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变；
低气量→开度小→气体以足够的气速通过缝隙→避免漏流→
高气量→开度大（阀片自动浮起）→→→→→→→→→→→→操作弹性大（6）
优点：结构简朴、价低、操作弹性大、塔板效率高（上升气流水平吹入液层，气液接触时间长）
缺陷：不易解决结焦、粘度大物料；操作时会发生阀片脱落或卡死
二：板式塔流体力学性能：
1．塔板上气液两相接触状态：
（1）鼓泡接触：气速低→气体以鼓泡通过液层→汽液混合物以液体为主（气泡数量少）→汽液两相接触表面积不大→传质效率低
（2）蜂窝状接触：气速↑→气泡数量↑→气泡形成速率＞气泡浮升速率→气泡在液层积累→多面积大气泡→汽液混合物以气体为主→传质效率低（多面积大气泡）
（3）泡沫接触：气速↑↑→气泡数量↑↑→气泡碰撞和破裂→液体大部分以液膜存在于气泡中→动态泡沫（直径小）→传质效率高
（4）喷射接触：气速↑↑↑→气体将板上液体现上喷成大小不等的液滴→直径较小的液滴被气流带走（液膜夹带）；
直径较大的液滴受重力作用又落到板上（重新被分散形成小液滴）→液滴比表面积大→传质效率高
2．气体通过塔板的压力损失：
压力损失=塔板自身的干板阻力+板上冲气液层静压力+液体表面张力
压力损失↑→气液两相接触时间↑→板效率↑→完毕同样分离任务所需的实际塔板数↓→设备费用↓
→能耗↑→操作费用↑
3．塔板上液面落差与气流分布：
液体→横向流过塔板→克服阻力→液体进口侧液层厚，气速小；出口侧液层薄，气速大→液面落差→气流分布不匀
设立溢流→减少液面落差
三：板式塔操作特性：
1．塔板上异常操作现象：
（1）漏液：气速↓↓→液体从孔口落下→漏液→液体未与气体在板上充足接触→传质效果低
工艺：漏液量=10%液体量→漏液气速（塔操作的下限气速）
（2）液沫夹带：气流↑↑或板间距↓↓→气流到塔孔口→直径较小的液滴被气流带走→液沫夹带→液相在塔板间返混→塔板效率↓↓
（3）泡沫夹带：气泡随板上液流进入降液管→在降液管中停留时间不够→气泡随板上液流进入下一层塔板
工艺：设计时液流在降液管中停留时间≥5s
（4）液泛：
△夹带液泛：液体流量↑↑、气体流量↑↑→液体被气体夹带到上一层塔板上的量↑↑→塔板间充满气液混合物→塔顶液体流不下来→夹带液泛（液沫夹带引起）
△降液管液泛：气相（压差）→自下而上流动→
液相（重力）→自上而下流动→→液相由低压流向高压→降液管液体有足够高度→液体流量↑↑、气体流量↑↑→降液管内阻力↑↑→降液管液体高度越过溢流堰顶部→两板间液体相连→积液
△工艺：液泛速率→塔操作的上限气速
2．塔板负荷性能图：

（1）液沫夹带线：［1］，气体流量超过此线→液沫夹带↑↑→板效率↓
（2）液泛线：［2］，气液相流量超过此线→液泛↑↑→板效率↓
（3）液体流量上限线：［3］，液体流量超过此线→泡沫夹带→气相返混→板效率↓
（4）漏液线：［4］，气体流量低于此线→漏液↑↑→板效率↓
（5）液体流量下限线：［5］，液体流量低于此线→塔板上液体分布不匀→板效率↓
3．塔板负荷性能图应用：操作点远离塔板负荷性能图各线（C比C′好）

§4—3 填料塔
一：填料塔重要结构：
1．塔体结构：
塔体+塔内件（液体分派器+填料压紧装置+填料+液体收集与再分派器+填料支撑板+气体分派器+排液装置+气体出口装置）
2．塔内件：
（1）填料：提供气液传质界面（比表面积↑、孔隙率↑、强度↑、重量↓、价低、不易破碎）
*拉西环：传统、圆环（外径=高度）、乱堆（直径＜50mm＝）、整砌（直径＞50mm）、陶瓷、金属、塑料、气体阻力大、通量小、液体沟流及壁流大
*鲍尔环：拉西环改善（侧壁上开有两排长方形扇孔，开孔时只断开四边形的三条边，另一边保存，被切开的环壁呈舌状弯入环内）——气体阻力小、液体畅通、金属、塑料
*鞍形填料：敞开型填料、空隙率大、阻力小、不易堵塞、陶瓷
*波纹填料：结构紧密、通道规整、气体阻力小、比表面积大、但价高、填料清洗难、陶瓷、金属、塑料、玻璃钢
（2）填料支撑板：支撑塔内填料
*开孔率＞填料空隙率（否则拦液）
*强度、刚度、耐腐蚀
*有助于气液传质
*栅板型（扁钢条之间的间距为填料外径的0.6—0.8）、孔管型、驼峰型
（3）填料压紧装置：保证填料层高度恒定，保持均匀的空隙结构——操作稳定
*填料压板：自由放置于填料层上端——陶瓷（易压碎）
*床层限制板：固定在床层——金属、塑料（不易压碎）
（4）液体分派器：使液体均匀分布在塔截面
*管式喷淋器：弯管式和缺口式（流出口下面加一块圆形挡板，＜300mm小塔＝）
多孔直管式：＜600mm塔
多孔盘管式：＜1.2m塔
*莲蓬式喷洒器：莲蓬头下部球面上装有小孔，＜600mm塔
*盘式喷洒器：盘直径=0.6—0.8塔直径，＞800mm
*槽式喷洒器：主槽（槽底开孔将液体初提成若干流股）+副槽（槽底或槽壁设孔），分派好、抗堵塞
（5）液体收集与再分派器：减少壁流
*截锥式再分派器：截锥体焊在塔中，截锥上下所有放满填料或分段卸填料时，截锥上加设支撑板，截锥下要隔一段距离再装填料。——只起将壁流汇集中心功能，五液体再分派作用。
*槽盘式液体分布器：集液、分液、分气
（6）气体分布器：防止液体进入进气管，气体分布均匀
*进气管伸入它的中心线附近，管端为45º向下切口或向下的缺口——不能均匀布气，＜500mm塔
*进气管伸入它的中心线附近，管端向下喇叭型扩大口——均匀布气、防止液体进入进气管
*进气管为多孔盘管式：——均匀布气、防止液体进入进气管
（7）排液装置：液体顺利流出、塔内气体不从排液管流出——液封
（8）气体出口装置：气体流动畅通；除去被夹带的液体雾滴
*折板除雾器：除雾板50×50×3mm，除雾阻力50—100Pa
*填料除雾器：环形填料，比塔内填料小
*丝网除雾器：丝网带卷成盘状，盘高100—150mm，分离效果好、阻力小、
二：填料的性能评价：
1．效率：填料比表面积↑、气液分布均匀→表面润湿↑→传质效率↑→→
2．通量：填料空隙率↑、结构敞开→通量↑→→→→→→→→→→→→→
3．压降：压降↓→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→性能↑
三：填料塔特点：
优点：生产能力大、分离效率高、压力降小、持液量小、弹性操作大
缺陷：造价高、小负荷液体不能润湿填料表面（传质效率低）

§4—4 气液传质设备应用分析：
一：气液传质设备效率及影响：
1．板效率存在的因素：
理论板上气液两相完全混合，实际板混合不均匀
实际板液层分布不匀、液面落差、死角
实际板上雾沫夹带、漏液、液沫夹带
2．影响效率的因素：
（1）操作因素：板上各点浓度不匀、气液接触时间不匀→→效率↓
（2）气液两相的物性：
*液体粘度：液体粘度↑→液相扩散↓→传质速率↓→→效率↓
*气液两相密度：气液两相密度相差↑→较重的界面液体向下流和较轻的液体主体向上流的环流→更新扩散界面→液相传质系数↑
*表面张力：易挥发组分表面张力较小：泡沫接触→效率↑
易挥发组分表面张力较大：喷射接触→