第二节 萃取设备的处理能力和效率 第六章 分离过程的节能 第七章 其它分离技术和分离过程的选择

③具有同样传质效能的填料层压降要低 ④单位体积填料的表面积要大,传质的表面利用率要高 ⑤填料应具有较大的操作弹性; ⑥填料的单位重量强度要高 ⑦填料要便于塔的拆装、检修,并能重复使用。 (3)填料尺寸的选择 填料尺寸对塔的操作和设备投资有直接的影响。一般推荐塔径与填料公称尺寸的 比值D/dn为: 拉西环填料D/d>8-10 鲍尔环,矩鞍D/d2>8 5.3.2萃取设备的选择 、萃取设备的选择 设备选型应同时考虑系统性质和设计特性两方面的因素,选择原则如下 (1)所需的理论级数 对某一萃取过程,当所需的理论级数为2~3级,各种萃取设备均可选用。当所需的理论级 数4-5级时,一般可选择转盘塔、往复振动筛板塔和脉冲塔。当需要的理论级数更多时 一般只能采用混合一澄清器。 (2)处理量 处理量较大,可选用转盘塔、筛板塔甚至混合-澄清器。如果处理量较小,可选用填料 塔、脉冲塔以及离心萃取器。 (3)停留时间 停留时间短可选用离心萃取器;若要求有足够长的停留时间,可选混合一澄清器。 (4)两相流量比简称流比) 如果流比过大,不宜釆用喷洒塔、填料塔和筛板塔。可选混合一澄清器 (5)系统的物理性质 若物系的密度差小,粘度髙,界面张力大,不可采用喷洒塔、填料塔和筛板塔等无外加能量 的设备。可选离心萃取器及其它有外加能量的萃取设备

11 ③具有同样传质效能的填料层压降要低； ④单位体积填料的表面积要大，传质的表面利用率要高； ⑤填料应具有较大的操作弹性； ⑥填料的单位重量强度要高； ⑦填料要便于塔的拆装、检修，并能重复使用。 (3)填料尺寸的选择 填料尺寸对塔的操作和设备投资有直接的影响。一般推荐塔径与填料公称尺寸的 比值 D dp 为： 拉西环填料 D dp >8～10 ， 鲍尔环，矩鞍 D dp >8 5．3．2 萃取设备的选择 一、萃取设备的选择 设备选型应同时考虑系统性质和设计特性两方面的因素，选择原则如下： (1) 所需的理论级数 对某一萃取过程，当所需的理论级数为 2～3 级，各种萃取设备均可选用。当所需的理论级 数 4—5 级时，一般可选择转盘塔、往复振动筛板塔和脉冲塔。当需要的理论级数更多时， 一般只能采用混合一澄清器。 (2)处理量 处理量较大，可选用转盘塔、筛板塔甚至混合---澄清器。如果处理量较小，可选用填料 塔、脉冲塔以及离心萃取器。 (3)停留时间 停留时间短可选用离心萃取器；若要求有足够长的停留时间，可选混合一澄清器。 (4)两相流量比(简称流比) 如果流比过大，不宜采用喷洒塔、填料塔和筛板塔。可选混合一澄清器 。 (5)系统的物理性质 若物系的密度差小，粘度高，界面张力大，不可采用喷洒塔、填料塔和筛板塔等无外加能量 的设备。可选离心萃取器及其它有外加能量的萃取设备

腐蚀性大的物系可采用喷洒塔和填料塔,不可采用离心萃取器和混合一澄清器。 有固体悬浮物的物系,可选用转盘塔或混合一澄清器。 (6设备费用 无外加能量的设备的制造、操作和维修费用均低,离心萃取器的设备费用最高 (7)设备安装场地 若安装面积有限,不适宜采用混合一澄清器。若安装高度有限,不适宜采用塔式设 备 2.分散相的选择 萃取设备内的分散相按以下原则选择: (1)当两相流量比相差较大时,为增加相际接触面积,一般应将流量大者作为分散相 (2)当两相流量比相差很大,而且所选用的设备又可能产生严重的轴向混合,为减小轴 向混合的影响,应将流量小者作为分散相。 (3)为减小液滴尺寸并增加液滴表面的湍动,对于a/c>0的系统,分散相的选择应 使溶质从液滴向连续相传递;对于O/Oc<0的系统,分散相的选择应使溶质从连续相传向 液滴 (4)为提高设备能力,减小塔径,应将粘度大的液体作为分散相。因为连续相液体的粘 度愈小,液滴在塔内沉降或浮升速度愈大 (5对于填料塔、筛板塔等传质设备,连续相优先润湿填料或筛板是极为重要的,此时 应将润湿性较差的液体作为分散相。 6)从成本和安全考虑,应将成本高和易燃易爆的液体作为分散相

12 腐蚀性大的物系可采用喷洒塔和填料塔，不可采用离心萃取器和混合一澄清器 。 有固体悬浮物的物系，可选用转盘塔或混合一澄清器。 (6)设备费用 无外加能量的设备的制造、操作和维修费用均低，离心萃取器的设备费用最高 (7)设备安装场地 若安装面积有限，不适宜采用混合一澄清器。若安装高度有限，不适宜采用塔式设 备 。 2．分散相的选择 萃取设备内的分散相按以下原则选择： (1)当两相流量比相差较大时，为增加相际接触面积，一般应将流量大者作为分散相。 (2)当两相流量比相差很大，而且所选用的设备又可能产生严重的轴向混合，为减小轴 向混合的影响，应将流量小者作为分散相。 (3)为减小液滴尺寸并增加液滴表面的湍动，对于     c 0 的系统，分散相的选择应 使溶质从液滴向连续相传递；对于     c 0 的系统，分散相的选择应使溶质从连续相传向 液滴 (4)为提高设备能力，减小塔径，应将粘度大的液体作为分散相。因为连续相液体的粘 度愈小，液滴在塔内沉降或浮升速度愈大。 (5)对于填料塔、筛板塔等传质设备，连续相优先润湿填料或筛板是极为重要的，此时 应将润湿性较差的液体作为分散相。 6)从成本和安全考虑，应将成本高和易燃易爆的液体作为分散相

第六章分离过程的节能 第一节分高的最小功和热力学效率 达到一定分离目的所需的最小功称分离的最小功。最小功的数值决定于要分离的混合 物的组成、压力和温度以及分离所得产品的组成、压力和温度。 6.1.1等温分离的最小功 参考图6-1,在此系统中,将若干流入的单相物流在无化学反应的情况下,分离成 多股单相物流。设物流的摩尔流率为n,摩尔组成,摩尔焓为H,摩尔熵为S,传入系统 的总热量流率为Q,系统对环境作功W。若忽略过程引起的动能、位能、表面能和其它能 量的变化,则按热力学第一定律: nH+=∑nkHk+W (6-1) 对于等温可逆过程,进出系统的物流与环境的温度均为了,根据热力学第二定律: O n 式种∑nS、∑nSk分别为的进出系统的物流嫡总和 由(6-1)、(6-2)得: W min ∑nHk-∑nH1-7∑nSk-∑nS (6-3) 即-Wnmr=1H1-T(4S) (6-4) 由G=H-7S得: ngok (6-5) G 1=p+R hn-h门

13 第六章 分离过程的节能 第一节 分离的最小功和热力学效率 达到一定分离目的所需的最小功称分离的最小功。最小功的数值决定于要分离的混合 物的组成、压力和温度以及分离所得产品的组成、压力和温度。 6．1.1 等温分离的最小功 参考图 6—l, 在此系统中，将若干流入的单相物流在无化学反应的情况下，分离成 多股单相物流。设物流的摩尔流率为 n，摩尔组成 i z ，摩尔焓为 H，摩尔熵为 S，传入系统 的总热量流率为 Q，系统对环境作功 W。若忽略过程引起的动能、位能、表面能和其它能 量的变化，则按热力学第一定律：  + =  + 进 出 n jH j Q nK HK W （6-1） 对于等温可逆过程，进出系统的物流与环境的温度均为了，根据热力学第二定律： Q T n S - n S K K j j       =   出 进 （6-2） 式种  进 n j S j 、  出 nK SK 分别为的进出系统的物流熵总和。 由（6-1）、（6-2）得： W n H - n H T n S - n S min,T K K j j K K j j       − =   −   出 进 出 进 （6-3） 即 W H -T( S) − min,T =   （6-4） 由 G = H −TS 得： W n G - n G − min,T =  K K  j j 出 进 （6-5） 因： =  i i i G z  (6-6)   0 i i i i f ˆ f ln ˆ = + RT ln −    (6-7)

则:-Wmr=R∑nh1)∑n,∑=hf (6-8) 分离理想气体混合物 对于理想气体,三=y,f=y!P,则 ∑nCy n乙ymy 对于二元气体混合物,若分离成纯A、B气体产品,则 mz=-VAF In yr yar In ya 分高分离低压下的液体混合物 对于在接近或者低于环境压力下等温分离液体混合物的情况,式(6-8)中 二=x,f=yxP`,y是液相活度系数,P}是饱和蒸汽压,则: mn-R1∑xbMx)Cyhy)-∑∑,b,x 对于二元液体混合物,若分离成纯A、B溶体产品,则: Wmin r =-RTnF [xAF In(yAF-x4F)+xB In(YB 2-B, F )I (6-12) 为计算最小功,可将式(6-11)分解为一个理想溶液部分和一个由于与理想溶液的偏差而产 的过剩部分之和 Hm=R∑∑xxx∑n∑xx 进 R{∑∑xbmk∑∑xh 旦确定了最小功,就可用式(6-1)给出的能量衡算式来计算相应的传热速率。 对于理想气体分离过程,气流在环境温度和相同的压力下进入和离开系统,混合热为零,故 不发生焓变。从过程向环境的传热速率等于环境对系统所作的最小功。 对于形成理想溶液的液相混合物,在环境温度和接近于环境压力下进入和离开过程

14 则： ( ) ( f ) ˆ f n z ln ˆ Wmin,T RT nK zi,k ln i,K j i,j i, j       − =   −  出 进 (6-8) 一、分离理想气体混合物 对于理想气体， ˆ , i i i i z y f y P = = ，则： W RT n ( y ln y ) n ( y ln y ) min,T K i,k i,K j i, j i, j       − =   −  出 进 (6-9) 对于二元气体混合物，若分离成纯 A、B 气体产品，则： y ln y y ln y  n RT W A,F A,F B,F B,F F min,T = − + − (6-10) 二、分离分离低压下的液体混合物 对于在接近或者低于环境压力下等温分离液体混合物的情况，式(6—8)中 ˆ , S i i i i i i z x f x P = =  ；，  是液相活度系数， S Pi 是饱和蒸汽压，则： W RT n x ln( x )( y ln y ) n x ln( x ) min,T K i,K i,K i,K i,k i,K j i, j i, j i, j             −      − =      出 i 进 i   (6—11) 对于二元液体混合物，若分离成纯 A、B 溶体产品，则： ln ln − = − + W RTn x x x x min, , , , , B, , T F A F A F A F B F F B F   (  ) ( )   （6-12） 为计算最小功，可将式(6—11)分解为一个理想溶液部分和一个由于与理想溶液的偏差而产 的过剩部分之和。             −      +             −      − =         出 进 出 进 i j i, j i, j i K i,K i,K i j i, j i, j i min,T K i,K i,K RT n x ln n x ln W RT n x ln x n x ln x   (6-13) 一旦确定了最小功，就可用式(6-1)给出的能量衡算式来计算相应的传热速率。 对于理想气体分离过程，气流在环境温度和相同的压力下进入和离开系统，混合热为零，故 不发生焓变。从过程向环境的传热速率等于环境对系统所作的最小功。 对于形成理想溶液的液相混合物，在环境温度和接近于环境压力下进入和离开过程

则从过程到环境的传热速率也等于对过程作的最小功。 当液体形成非理想溶液时,因为出口物流焓的总和不等于进口物流焓的总和,故传热 速率将不等于最小功。在这种情况下,传热速率: Q=-(-Hm)+∑nHk-∑nH (6-14) 式中H2为过剩焓。∑nkH-∑nH为过剩焓的变化 非等温分离和有效能 当分离过程的产品温度和进料温度不同时,应根据有效能的概念计算最小功。对于类似 于图6-1的连续稳态过程,从热力学第一定律得到类似于式(6-1)的能量衡算式 Q=-(-Wm)+∑nHk-∑nH1=Q-W (6-15) 式中Q是从温度为T的热源向过程传递的热量;Ws为过程对环境所作的轴功 根据热力学第二定律建立上述过程的熵平衡,得: 一"S,-下,、9+△S生=0 式中ΔS产生是由于不可逆过程而引起的熵变。设7是环境温度,用乘70式(6-16)并与式(6 15)合并,得 ∑04)2(1+不)=(一形c1 根据流动系统物流有效能的定义B=H-TS,得稳态下的有效能平衡方程 ∑nkBk-∑ 气B,+7045生=1 T 式中有效能B是温度、压力和组成的函数。由卡诺循环可知,等式右侧第一项是热量Q自 温度T的热源向温度为T0的环境传热所产生的等当功。即 W To 由(6-18)可知:净功消耗-W净(总攻)为等当功和轴功之和: W净=H-W=∑nkBk-∑n,B,+74S=生=AB分离+T045产生(6-20)

15 则从过程到环境的传热速率也等于对过程作的最小功。 当液体形成非理想溶液时，因为出口物流焓的总和不等于进口物流焓的总和，故传热 速率将不等于最小功。在这种情况下，传热速率： ( min, ) E E Q W n H n H = − − + − T K K j j   出 进 (6-14) 式中 E H 为过剩焓。 E E K K j j   n H n H − 出 进 为过剩焓的变化。 6．1．2 非等温分离和有效能 当分离过程的产品温度和进料温度不同时，应根据有效能的概念计算最小功。对于类似 于图 6—1 的连续稳态过程，从热力学第一定律得到类似于式(6—1)的能量衡算式 = −(− )+ − = − 出 进 Q Wmin,T nK HK n jH j Q WS (6-15) 式中 Q 是从温度为 T 的热源向过程传递的热量； WS 为过程对环境所作的轴功。 根据热力学第二定律建立上述过程的熵平衡，得： j j K K Q n S n S S T  − + +  = 产生 出 0 (6-16) 式中 S产生 是由于不可逆过程而引起的熵变。设 T0 是环境温度，用乘 T0 式(6—16)并与式(6 —15)合并，得：  ( )  ( )  −      − − − + = − 出 进 K K K j j j 产 生 Q WS T T n H T S n H T S T S 0 0 0 0 1 (6-17) 根据流动系统物流有效能的定义 B H T S = − 0 ，得稳态下的有效能平衡方程    −      − + = − 出 进 K K j j 产 生 Q WS T T n B n B T S 0 0 1 (6-18) 式中有效能 B 是温度、压力和组成的函数。由卡诺循环可知，等式右侧第一项是热量 Q 自 温度 T 的热源向温度为 T0 的环境传热所产生的等当功。即 Q T T Wc       = − 0 1 (6-19) 由（6-18）可知：净功消耗 −W净 （总攻）为等当功和轴功之和： 产 生 出 进 −W净 = Wc −WS = nK BK −n jBj + T0S产 生 = B分 离 + T0S (6-20)