通常,把导致两相流动非理想性,并使两相停留时间分布偏离活塞流动的各种现象, 统称为轴向混合,它包括返混、前混等各种现象 轴向混合在一定程度上改变了两相浓度沿轴向的分布,从而大大降低了传质的推动 力,对萃取塔的传质速率产生不利的影响 5.2.3萃取塔效率 萃取塔的效率常以HEIS(一个理论级的当量高度)和HTU(传质单元高度)表示 、HETS 设逆流萃取所需要的平衡级数为NrNT,则塔高H为: H=N,(HETS) (5-42) 影响HETS的主要物理性质有界面张力、相的粘度和相间密度差 、HTU (1)活塞流模型 假定两相在塔内作活塞流动。轻相为萃取相,重相是萃余相,相间的传质仅在水 平方向上发生,在轴向方向上每一相内都不产生传质。如图5-22所示。以塔顶为基准 面计算塔高L。设塔内任意高度处萃取相和萃余相的浓度分别为y和x,萃取相和萃余相的 流率分别为E和R,在高度为必Z的微元塔段内作物料衡算,被萃物质在dZ内的传质速率 为: dn Rdx= edy (5-43) 根据传质速率方程又可表示为 k,(x-x)=k,(-y (5-44) 若塔的横截面积为A,传质比表面积为a, 则:dF=a·A,·dZ =KaA KaA ly'-yHi 由(5-43)、(5-44)、(5-45)得: Rdx=K,aA, (x-x')z 5-46) 及Eb=K,a4(v2-y (5-47) 6
6 通常，把导致两相流动非理想性，并使两相停留时间分布偏离活塞流动的各种现象， 统称为轴向混合，它包括返混、前混等各种现象。 轴向混合在一定程度上改变了两相浓度沿轴向的分布，从而大大降低了传质的推动 力，对萃取塔的传质速率产生不利的影响。 5．2．3 萃取塔效率 萃取塔的效率常以 HETS(一个理论级的当量高度)和 HTU(传质单元高度)表示。 一、HETS 设逆流萃取所需要的平衡级数为 NT NT，则塔高 H 为： H N (HETS) = T （5-42） 影响 HETS 的主要物理性质有界面张力、相的粘度和相间密度差。 二、HTU (1)活塞流模型 假定两相在塔内作活塞流动。轻相为萃取相，重相是萃余相，相间的传质仅在水 平方向上发生，在轴向方向上每一相内都不产生传质。如图 5—22 所示。 以塔顶为基准 面计算塔高 L。设塔内任意高度处萃取相和萃余相的浓度分别为 y 和 x ，萃取相和萃余相的 流率分别为 E 和 R，在高度为 dZ 的微元塔段内作物料衡算，被萃物质在 dZ 内的传质速率 为： dN = Rdx = Edy （5-43） 根据传质速率方程又可表示为： dN = Kx (x − x )dF = Ky (y − y)dF （5-44） 若塔的横截面积为 At ，传质比表面积为 a， 则： dF = a • At • dZ 得： dN = KxaAt(x − x )dZ = KyaAt(y − y)dZ （5-45） 由 （５－４３）、（5-44）、（5-45）得： Rdx KxaAt(x x )dZ = − 5-46） 及 Edy = KyaAt(y − y)dZ （5-47）
R e dx (5-49) K, aA, ly 对于两相不相溶的稀溶液,R和E可视为常数,则: L KaA, J(x L (5-51) 令:(N7U)=」 dx C)=-y (5-53) NTU称为传质单位数 R 令:(HTU)=K2aA (5-54) (HT KaA HTU称为传质单位高度。 在一般的情况下,萃取平衡关系不是直线,则传质单元高度的表达式为 (HTU) K,a(l-x)umA (5-56) (1-x0)+(1-x) )+(-x) (2)扩散模型 参见图5-23,假定在逆流传质过程中,除了相际传质以外,每一相还存在由于轴向混合引 起的塔高方向的溶质传递,该物质的传递量为:
7 即： ( ) − = x x dx K aA R dZ x t （5-48） (y - y) dx K aA E dZ y t = （5-49） 对于两相不相溶的稀溶液，R 和 E 可视为常数，则： ( ) − = 0 1 x x x t x x dx K aA R L （5-50） ( ) = 0 1 y y y t y - y dy K aA E L （5-51） 令： ( ) ( ) − = 0 1 x x x x x dx NTU （5-52） ( ) ( ) = 0 1 y y y y - y dy NTU (5-53) NTU 称为传质单位数。 令： ( ) x t x K aA R HTU = (5-54) ( ) y t y K aA E HTU = (5-55) HTU 称为传质单位高度。 在一般的情况下，萃取平衡关系不是直线，则传质单元高度的表达式为： ( ) ( ) x ln,m t x K a - x A R HTU 1 = (5-56) ( ) ( ) ( ) 2 1 1 1 0 ln 1 ln ln,m - x - x - x + = (5-56a) ( ) ( ) ( ) ( ) ( - x) - x ln - x - x - x ln 1 1 1 1 1 + = (5-56b) （２）扩散模型 参见图 5-23，假定在逆流传质过程中，除了相际传质以外，每一相还存在由于轴向混合引 起的塔高方向的溶质传递，该物质的传递量为：
dx N 式中E,称为某一相的轴向扩散系数。作微元体积dZ的物料衡算得: K,alx-x') E K, 0 d E B=LdF,Z=Z/L 因此:PeB=1 E 将它们代入式(5-59)、(5—60)得 die-Pe, B dC-Na,Pe, B(Cr-c:)=0 (5-61) d-c dc d22+Pe B-y +n pe B(C C:)=0 (5-62) kal K.aL 式中 方程组的边界条件为 Pe,B(C.-Cx) 0 d dz dc Z=1 0 P dz dz 该方程组的求解比较复杂。常用近似解法,例已知两相进、出口浓度x、xy和y两相空 塔速度:平衡关系式:y=mx,轴向扩散系数E3,E,求塔高L。计算步骤如下: ①求(NTU)2m1(NTO)=mx[根据分离要求及平衡关系求(NT)
8 dZ dx Nx = −Ex (5-57) dZ dy Ny = −Ey (5-58) 式中 Ei 称为某一相的轴向扩散系数。作微元体积 dZ 的物料衡算得： ( ) 0 2 2 − − − = K a x x dZ dx u dZ d x Ex x x (5-59) ( ) 0 2 2 + + − = K a x x dZ dy u dZ d y Ey y y (5-60) 令： i F i i E d u Pe = ， B = L dF ， Z = Z L 0 C x x x = ， 0 C y y y = 因此： i i i E Lu Pe B = ， 将它们代入式（５－５９）、（５－６０）得： ( ) 0 2 2 − − − = 0x x x x x x x N Pe B C C dZ dC Pe B dZ d C (5-61) ( ) 0 2 2 + + − = 0y y x x y y y N Pe B C C dZ dC Pe B dZ d C (5-62) 式中： x x 0x u K aL N = ， y y 0y u K aL N = 方程组的边界条件为： ( ) ( ) = − = = = = − = , - - 0 , - ;- 1 1 0 0 1 0 , x x 0 y y y x y y x x Pe B C C dZ dC dZ dC Z dZ dC Pe B C C dZ dC Z (5-63) 该方程组的求解比较复杂。常用近似解法，例已知两相进、出口浓度 0 0 1 x x y y 、 1、 和 两相空 塔速度；平衡关系式： y = mx ，轴向扩散系数 , E E x y ，求塔高Ｌ。计算步骤如下： ① 求 ( ) ( ) 0 , , 1 , x x eff x eff x dx NTU NTU x x = − ［根据分离要求及平衡关系求 ( )x eff , NTU ］
②求E=mE/R=1时的(HrU) E 采用(HU)m=(HU2+x+ (MTU)为有效传质单元数: (HTU)2,为有效传质单元高度 E为萃取因子。 ③求萃取塔高的初值L0:采用Lo=(HTU)2/(NTU)2(5-66计算 ④求真实传质单元数(NTU),采用(NTU)=L0/(HU)2(5-67) 求扩散单元高度(HDU)2,根据扩散模型,(HDU)2公式如下 (HDU ) "InE_4+(Pe)o' (5-68) 式中:(Pe)2= (5-69) f,Pe, e f , Pe f (NTU)2+6. (NTU) (NTU)2+6.8 (NTU)2+6.85 (5-71) φ=1-(NT 0.05E )°(Pe (5-72) ⑥求出(HTU)采用 (HTU_efr=(HTU)+(HDU) ⑦求出塔高L (HTU-er NTU) ⑧比较L与L若满足要求则计算结束;若相差较大,令L=L+△Z,重复④-⑦直至满足 误差要求
9 ② 求 = mE R =1 时的 ( )x eff , HTU ， 采用 ( ) ( ) y y x x x,eff x u E u E HTU = HTU + + (5-65) ( ) NTU x,eff 为有效传质单元数； ( )x eff , HTU ，为有效传质单元高度； 为萃取因子。 ③ 求萃取塔高的初值 L0 ：采用 ( ) ( ) L0 = HTU x,eff NTU x,eff (5-66)计算。 ④ 求真实传质单元数 ( )x NTU ，采用 ( ) ( ) NTU x = L0 HTU x (5-67) ⑤ 求扩散单元高度 ( )x HDU ，根据扩散模型， ( )x HDU 公式如下： ( ) (Pe) B ln L HDU x 0 0 1 1 + − = (5-68) 式中： ( ) 1 0 1 1 − = + x x yPey f Pe f Pe (5-69) ( ) ( ) .5 0.5 6.8 6.8 ε1 ε + + = x x x NTU NTU f (5-70) ( ) ( ) .5 0.5 6.8 6.8 ε-0 ε + + = x x y NTU NTU f (5-71) ( ) ( ) 0.5 0.25 0.25 0.5 0.05 NTU x Pe 0 B 1 = − (5-72) ⑥求出 ( )x eff , HTU 采用 ( ) ( ) ( ) ,eff HTU HTU HDU x x x = + (5-64) ⑦求出塔高Ｌ： ( ) ( ) L = HTU x,eff NTU x,eff (5-73) ⑧比较Ｌ与 L0 若满足要求则计算结束；若相差较大，令 L L Z 0 = + ，重复④－⑦直至满足 误差要求
第三节传质设备的选择 5.3.1气液传质设备的选择 板式塔和填料塔型的选择 板式塔与填料塔的选择应从下述几方面考虑: (1)系统的物性 对于:①有腐蚀性的物质②发泡的物质,③热敏性的物质,④需要在真空下操作 的物质,⑤粘度高的物料,宜采用填料塔。 若①分离过程的热效应大,②含有悬浮物的物系宜采用板式塔 (2)塔的操作条件 操作弹性大的宜采用板式塔 (3)塔的操作方式 对间歇精馏过程,可采用填料塔 对多进料口和有侧线采出的精馏塔,宜采用板式塔。 二、填料的选择 填料的性能对填料塔的操作性能及应用范围有很大影响。近年来开发了许多新型 结构、新型材质的填料,在工业生产中取得了很好的应用效果。 (1)填料材质的选择 瓷质填料具有很好的耐腐蚀性能,可在一般的高温、低温场合下操作。价格便宜,。 所以瓷质填料仍应是优先选用的填料材质。缺点是质脆、易碎。 金属填料的材质主要包括碳钢、铝、铝合金、OCrl3、1Crl3低合金钢和lCrl8Nij9Ti 不锈钢等,根据物料的腐蚀性选用。金属填料的特点是壁薄、空隙率大,比瓷质填料的通量 大、压降小。特别适用于真空精馏 塑料填料材质主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。塱料填料的耐腐蚀性能极 好、质轻、具有良好的韧性、耐冲击、不易破碎,可以制成薄壁结构。塑料填料的通量大、 压降低,但耐高温性能差。多用于吸收塔 (2)填料种类的选择 可通过下述诸项对填料性能进行综合评价: ①填料的传质效率要高 ②填料的通量要大,在同样的液体负荷条件下,填料的泛点气速要高
10 第三节 传质设备的选择 ５．３．１气液传质设备的选择 一、板式塔和填料塔型的选择 板式塔与填料塔的选择应从下述几方面考虑： (1)系统的物性 对于：①有腐蚀性的物质②发泡的物质，③热敏性的物质，④需要在真空下操作 的物质，⑤粘度高的物料，宜采用填料塔。 若①分离过程的热效应大，②含有悬浮物的物系宜采用板式塔。 (2)塔的操作条件 操作弹性大的宜采用板式塔。 (3)塔的操作方式 对间歇精馏过程，可采用填料塔。 对多进料口和有侧线采出的精馏塔，宜采用板式塔。 二、填料的选择 填料的性能对填料塔的操作性能及应用范围有很大影响。近年来开发了许多新型 结构、新型材质的填料，在工业生产中取得了很好的应用效果。 (1)填料材质的选择 瓷质填料具有很好的耐腐蚀性能，可在一般的高温、低温场合下操作。价格便宜，。 所以瓷质填料仍应是优先选用的填料材质。缺点是质脆、易碎。 金属填料的材质主要包括碳钢、铝、铝合金、OCrl3、1Crl3 低合金钢和 1Crl8Ni9Ti 不锈钢等，根据物料的腐蚀性选用。金属填料的特点是壁薄、空隙率大，比瓷质填料的通量 大、压降小。特别适用于真空精馏。 塑料填料材质主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。塑料填料的耐腐蚀性能极 好、质轻、具有良好的韧性、耐冲击、不易破碎，可以制成薄壁结构。塑料填料的通量大、 压降低，但耐高温性能差。多用于吸收塔。 (2)填料种类的选择 可通过下述诸项对填料性能进行综合评价： ①填料的传质效率要高； ②填料的通量要大，在同样的液体负荷条件下，填料的泛点气速要高；