傳輸原理在化工中的應用

傳輸原理在化工中的應用精餾分離過程中的三傳現(xiàn)象1引言傳遞現(xiàn)象是自然界和生產(chǎn)中普遍存在的現(xiàn)象只要物系內部或物系之間存在速度，溫度，濃度梯度，即可發(fā)生動量、熱量、質量傳遞，直到平衡為止。動量，熱量和質量傳遞既可由分子的微觀運動引起，也可由漩渦混合造成的流體微團的宏觀運動引起，前者稱為分子傳遞，后者稱為湍流傳質。三種傳遞現(xiàn)象的機理和數(shù)學模型相似。以動量傳遞為基礎的單元操作有：流體輸送，沉降，過濾，攪拌，液態(tài)化。以熱量傳遞為遞基礎的單元操作有：換熱和蒸發(fā)。以質量傳遞為基礎的化工單元操作有：吸收，蒸餾，萃取，浸取，吸附，離子交換，膜分離。有些化工過程是由兩種傳輸組成的，比如熱質傳輸都有的的單元操作有干燥，增濕，結晶。2024/3/52精餾過程中的三傳現(xiàn)象精餾是化工過程中最重要的化工單元過程之一，它又是一類高能耗的單元過程。精餾塔是利用被分離混合液體中各組分揮發(fā)度不同而進行依次分離的設備。在精餾塔及其冷凝器和再沸器內，熱、質傳遞同時進行，而且又伴有動量傳遞。其傳遞方式，既有分子傳遞，包括熱傳導、層流流動和分子擴散，也有湍流傳遞包括湍流傳熱、湍流流動和湍流傳質。對單塔精餾操作的傳遞機理和過程作簡要分析,可以為精餾塔的設計和工藝參數(shù)的選擇提供一些理論依據(jù)。使分離效率提高，并減少精餾過程中的能耗。2.1精餾塔內的熱量傳遞由于填料是連續(xù)堆放的，因此，整個精餾塔的傳熱過程也是連續(xù)的。在塔內，進行著以下所說的的傳熱、傳質過程。塔釜再沸器上升的蒸汽，溫度較高，而從冷凝器來的回流液，溫度較低。高溫蒸汽將熱量傳遞給低溫液體，蒸汽自身得到冷凝。液相中的易揮發(fā)組分被氣化，難揮發(fā)組分繼續(xù)自上而下流動。2024/3/5為了強化精餾塔內的熱量傳遞，所要采取的措施是:一、必須加大其推動力。二、盡量降低冷凝液的溫度，提高再沸器的溫度。但是，塔底釜液溫度的提高時，還要必須考慮到被分離物質的熱敏性以及由由升溫而帶來的聚變和熱分解。并且，冷凝液溫度的降低會導致冷凝器換熱面積或動力消耗增加過大。2024/3/5對于網(wǎng)體填料，在它和液相接觸之后，粘附于填料上面的液體形成很薄的液膜，它們在不斷地破裂和再形成的過程中，為氣液相的傳熱、傳質提供了巨大的空間，同時也增加了塔內的湍動程度，使熱、質傳遞更好的進行。2024/3/52.2冷凝器的熱量傳遞

由于產(chǎn)品從塔頂取出，所以冷凝器選用間壁式換熱器，一般采用的是列管式換熱器。在冷凝器內進行的是一個伴有相變的傳熱過程，由塔內來的蒸汽的冷凝方式有兩種可能：一種是是膜狀冷凝，一種是滴狀冷凝。膜狀冷凝：當蒸汽與低于其飽和溫度的冷凝表面接觸時，就在該表面上冷凝成液體。并把顯熱和冷凝潛熱傳給冷凝表面，冷凝液在冷凝表面上形成液膜。2024/3/5滴狀冷凝：冷凝液不能潤濕全部壁面而只能在壁面上凝結為水珠。冷凝液在壁面上不能形成完整的液膜將蒸汽與壁面隔開，大部分冷壁直接暴露在蒸汽中。滴狀冷凝的傳熱效率是膜狀冷凝的傳熱效率的十倍。這是因為冷凝液膜是冷凝傳熱的主要熱阻，液膜愈厚，熱阻愈大。而滴狀冷凝時，只在局部冷凝表面上形成露珠占據(jù)著一部份傳熱表面，大部份冷凝面都能與蒸汽接觸。所以，滴狀冷凝熱阻遠比膜狀冷凝的小。2024/3/5

強化冷凝傳熱的措施歸結到一點：盡量降低膜狀冷凝的液膜厚度。例如，采用順流冷凝而不用逆流冷凝，采用臥式冷凝器而不用立式冷凝器，采用湍流膜狀冷凝而不用層流膜狀冷凝等等。這些方法僅從傳熱角度考慮，而如果從其傳質和傳熱綜合的效果考慮，上述方法又未必適合。例如，從傳質的觀點出發(fā)，則又以逆流冷凝為好。所以，在選擇傳質傳熱的方式時，要綜合全面考慮，選擇最佳方案。2024/3/52.3再沸器的熱量傳遞在再沸器內，發(fā)生的也是有相變的傳熱過程。外供蒸汽在管內被冷凝，待分離液體被部分氣化。工業(yè)上再沸器內液體沸騰的方式有兩種方式，一種是大容積飽和沸騰，一種是管內沸騰。大容積飽和沸騰：加熱壁面(列管或蛇管)全部浸沒在液體中,液體受熱后在外壁面沸騰。管內沸騰：液體在壓差作用下，以一定流速流經(jīng)加熱管時所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。2024/3/5釜內再沸器一般采用大容積飽和沸騰。實驗表明，任何液體的大容積飽和沸騰是隨著溫度差，也就是壁溫與操作壓強下液體的飽和溫度之差的變化而變化。2024/3/52024/3/5

隨著山t的遞增，傳熱可分為三個階段：當立t較小時，緊貼加熱面的過熱度很小，不足以產(chǎn)生氣泡，加熱面與液體之間的給熱是靠自然對流進行的，在此階段汽化現(xiàn)象只是在液體表面發(fā)生，嚴格來說，還不是沸騰，是表面汽化。此階段所給熱系數(shù)和熱通量也較小。

當t逐漸升高時，加熱面表面有氣泡產(chǎn)生，氣泡數(shù)量越多，就會不斷的離開壁面而升至蒸汽空間。給熱系數(shù)a隨t的增加急劇上升。這是由于氣泡的產(chǎn)生和脫離對加熱面附近的液體的擾動越來越劇烈的緣故，此階段稱為核狀沸騰。此時熱通量也急劇增大。2024/3/5當△t再增大,加熱面上產(chǎn)生的氣泡數(shù)量也大大增加,也就是汽化核心不斷增加，且氣泡產(chǎn)生的速度大于它們脫離管壁表面的速度。氣泡在脫離壁面前連接起來,隨時可能裂變變成大氣泡離開加熱表面，形成一個不穩(wěn)定的汽膜層,使液體不能和加熱表而直接接觸。因氣體的導熱率遠小于液體，所以給熱系數(shù)和熱通量下降。以后,隨著乙t的增加,加熱面表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，把液體和加熱面完全隔開，由于壁溫升高,輻射傳熱的作用變得越來越強，傳熱系數(shù)和熱通量隨著溫度的升高而迅速增加。此階段就是穩(wěn)定的膜狀沸騰。2024/3/5顯然,核狀沸騰傳熱系數(shù)較膜狀沸騰傳熱系數(shù)大，而且壁溫低。因此，工業(yè)上一般總是設法控制在核狀沸騰下操作。為保證沸騰裝置在核狀沸騰下工作，必須控制t不大于其臨界值。否則，核狀沸騰就將轉變?yōu)槟罘序v。使傳熱系數(shù)a和熱通量急劇下降。也就是說，不適當?shù)奶岣邿崃黧w的溫度，反而使沸騰裝置的效率降低。2024/3/52.3精餾塔內的質量傳遞塔頂回流液中易揮發(fā)份含量較高，而由再沸器上來的氣體中，難揮發(fā)份含量較高。這樣就形成了不平衡的氣一液相，產(chǎn)生了濃度差，從而使傳質有了推動力。易揮發(fā)份從液相轉入到氣相，其歷程是：液相主體-液膜-相界面-氣膜-氣相主體。與此同時，難揮發(fā)份從氣相轉入液相，其歷程是上述過程的逆過程。氣一液兩相就這樣連續(xù)地、周而復始地進行著重排，直至塔頂和塔釜的產(chǎn)品都達到純化的要求為止。2024/3/5盡管傳質設備千差萬別，但傳質的方式不外乎兩種：分子擴散和對流傳質。前者是在分子尺度范圍內,由于流體分子不規(guī)則的微觀運動所引起，其傳遞的通量可用費克第一定理描述:而對于對流傳質，則是由于流體分子微團的宏觀運動所引起。按照流體的流型，它又可分為層流傳質和湍流傳質。這時的傳質系數(shù)，可用氣相傳質系數(shù)ky或液相傳質系數(shù)kx表示：2024/3/5

由于濃度邊界層內的層流底層集中了幾乎全部的傳質阻力,其厚度又與雷諾準數(shù)Re有關，因此，在流體通道尺寸及流體物性參數(shù)不變時，用增大流速的方法使其變薄，從而使精餾傳質效率得以提高。網(wǎng)狀填料的使用,使精餾效率大大提高。這是因為網(wǎng)體填料的空隙率很小，形狀系數(shù)很大，比表面積也大，這就使通過空隙間的流體產(chǎn)生湍動和生成旋渦。此外,網(wǎng)體填料和液體接觸后形成的液膜并非一成不變，它們不斷地形成和破裂，從而使氣一液接觸表面不斷得到更新，這也是網(wǎng)狀填料能使分離效率得到提高的重要原因。2024/3/5但是，網(wǎng)體填料也有易發(fā)生溝流效應和壁流效應的可能，這就要采取設置液體再分布裝置，加大噴淋密度以及裝填要均勻等措施施加以彌補。為了確保網(wǎng)體填料有足夠大的比表面積，每次操作完畢，應當用適當?shù)娜軇缫掖技右韵礈?，防止填料表面結殼硬化。2024/3/52.4精餾塔內的動量傳遞為了強化傳熱和傳質，重要的措施之一就是使塔內的氣一液兩相呈現(xiàn)湍流。這是因為根據(jù)邊界層理論，在固體壁面附近有一層層流底層，層流底層始終粘附于固體壁面上，其傳遞方式是分子傳遞。加大氣相和液相的流速,可以使層流底層變薄，從而使傳熱和傳質得到改善。氣相和液相速度提高后，床層的壓降△p變化如下。在逆流操作的填料塔內,當干填料(液體噴淋量L=O)及有液體噴淋L1，L2，L3時，實測氣體通過填料層的壓降△p與氣速之間的關系,得到如圖3-3所示。4精餾塔的動量傳遞為了強化傳熱和傳質，重要的措施之一就是使塔內的氣一液兩相呈現(xiàn)湍流。這是因為根據(jù)邊界層理論，在固體壁面附近有一層層流底層，層流底層始終粘附于固體壁面上，其傳遞方式是分子傳遞。加大氣相和液相的流速,可以使層流底層變薄，從而使傳熱和傳質得到改善。氣相和液相速度提高后，床層的壓降△p變化如下。在逆流操作的填料塔內,當干填料(液體噴淋量L=O)及有液體噴淋L1，L2，L3時，實測氣體通過填料層的壓降△p與氣速之間的關系,得到如圖3-3所示。2024/3/52024/3/5

由圖中可以看到，圖中最下一條直線代表氣體流經(jīng)沒有液體噴淋的干填料層的情況。當氣體通過干填料(LI=0)時,其壓降△p與氣速u為線性關系,直線斜率為1.8-2.0之間。即壓降與空塔氣速的1.8-2.0成正比。這時壓降主要用來克服流經(jīng)填料層的形體阻力。當噴淋量為L1和L2和L3時，分別如圖所示的三條折線。2024/3/5當填料塔有液體噴淋時，由于表面張力的作用，液體將填料的內外表面潤濕。形成一層液膜，占據(jù)一部分空間。但氣體逆流流動時，液膜使氣體流道截面積減小，提高了氣體在填料層的實際流速。同時，由于液體在塔頂噴淋，從上而下流動，與自下而上的氣體在同一流道中流過，氣體對液體產(chǎn)生一部分曳力，阻礙流體往下流動，使液膜增厚，因此，氣液兩相逆向流動時，填料層對氣體產(chǎn)生的壓降比氣體通過干填料層時要大得多。2024/3/5在較低氣體流速下，氣液兩相相互干擾少，氣體對液體無牽制作用，填料層表面有液膜，使床層的空隙減少，壓降與氣體流速仍遵循線性關系。當氣速增加到某一值時，由于上升氣流與下降液流之間的摩擦力增大，開始阻礙液體下降，以至于填料層內的持液量隨氣速的增加而增加。此種現(xiàn)象稱為攔液現(xiàn)象。開始攔液時，空塔氣速稱為載點氣速，進入載液區(qū)，壓降斜率增大。繼續(xù)增大氣速，達到某一值時，氣液間的摩擦力完全阻止液體的向下流動，填料層的壓力降急劇增高，由于床層中的液體積累，就會發(fā)