前 环境的污染控制与治理技术中常常会采用分离过程,而且许多分离过程都在气态和液态 中进行,气态和液态物质也可以称为流体,今书把流体间的传质与分离过程认为是均相分离 技术,或称流体相分离技术,如吸收、解吸、精馏、萃取等单元操作。均相分离技术分离的 对象为流体混合物,在环境化工中的研究对象主要为废气或废水,而采用的分离剂也将是流 体,即气体或液体 社会的发展对环境造成了严重的污染,人们也在不断地反思,并将环境问题提到了程 ,通过几年的努力使自然环境得到了明显的改善。在这个过程中分离技术起到了举足轻 重的作用,如废水屮挥发性有机物、重金属的回收,废气中二氧化硫、硫化氮、氧化氮等的 脱除等,都要釆用分离技术使资源得到有效的回收利用,达到防治污染的的。 本书重点讨论流体相或均相间的传质与分离技术,并通过列举环境污染治理的大量实例 加深读者对均相分离技术的理解。本书的主要内容有均相分离技术中的传质原理、气液传 质吸收与汽提技术及应用、汽液传质-精馏技术及应用、液液传质-萃取技术及应用。本书的 出版对关心和从事环境污染治理的工作者将起到-定的参考作用 本书编写过程屮参考、引用了同行的文献资料,在此谨向他们致以诚挚的谢意。参加木 书编写的人员还有乇敏、张景涛、蔡滨、李志东、杨全、王文、缑泽明、金!东、翁下 友、张绢宁、于梦蛟、杨微、樊蓉。 随着新型技术的开发,坏境化技术也将不断发展,限于作者的知识水平,书中难免有 疏漏之处,希望专家同行和广大读者批评指正 编著者 2004年1月于清华大学
录 第1章均相分离技术中的传质原理…… 1.1均相分离技术……… 均相分离技术的概念 1.1.2均相分离技术的特点 1.2传质基本概念与原理… 1.2.1分子扩散传质 2,2对流传质理论 28 1.2.3相间传质与总传质系数 1.3气泡、液滴的流动与传质 50 1.3.1气泡、液滴的基本流动行为 …50 L.3.2液液两相流动和设备… L.3.3气液接触设备… 1.4污染物的扩散传质原理 1.41污染的扩歉方程…………… 1.4.2河流的污染与净化 1.5传质过程的应用实例…… 第2章气液传质吸收与汽提技术及应用 2.1吸收技术 2.2吸收装置的工艺设计… 2.2.1吸收过程的工艺设计 2.2填充吸收塔的设计 2.2.3板式吸收塔的设计 2.2.4反应吸收塔的设计 2.2.5吸收过程的热效应 3汽提技术 2.3.泡沫分离操作的简介 …126 2.3.2疏水性与浮选 127 2.3.3浮选系统中气泡的形成 127 2.3.4固体颗粒尺寸与浮选能力 2.3.5气泡·颗粒的聚集…… 浮选剂 2.3.7吸附平衡与吸附速度 129 2.3.8泡沬分离设备 129 2.3.9有浮选剂的设备计算 130 2.3.10无浮选剂的简单汽提过程的计算
2.4吸收技术的应用实例… 2.5汽提分离技术的应用实例… 第3章汽液传质精馏技术及应用 .1蒸馏的基本原理 …162 3.1.l汽液相平衡的分类 3.1.2汽液平衙关系的表达……… ……163 1.3筒单蒸馏 3.1,4精馏的基本原理 l65 .1.5多组分蒸馏过程的简介…… 3.1.6多组分精馏的经验计算方法-FUG方法 3.2精馏塔的设计… 3.2.1塔径计算· 176 2.2液泛的校验…… 3.2.3液沫夹带校核… l78 3.2.4液点的校核………………………… 3.2.5压降 79 3.2.6降液管内的停留时问 ……….179 3.2.7精馏塔设计步骤 180 3.3特殊馏简介 3.3.1萃取惰馏 3.3.2间歇精馏 181 3.3.3恒沸精馏 3.3.4加盐精馏 3.3.5水蒸气蒸馏 3.3.6反应蒸馏 ……183 3.3.7分子蒸馏 3.3.8精馏过桯模拟软件PKO)/Ⅱl …183 3.4精馏技术的应用实例 184 第4章液液传质萃取技术及应用…… 214 4.1萃取机理的分类 4.1.1简单分子萃取 …211 4.1.2中性溶剂络合萃取 4.!.3酸性络合萃取(或螯合萃取) 216 4.1.4离子缔合萃取 216 4.1.5协同莘取 1.2液液萃取过程的基本原理 2]7 1.2.1液液相平衡关系 1.2.2单级萃取过程的计算… 1.2.3多级萃取 4.2.4带回流的多级逆流萃取……… 230
4.3萃取设备 4.3.【萃取设备的简介… 4.3.2混合澄清槽的计算… 4.4萃取技术的开发 4.4.1溶剂选择… 4.4.2中试研究…… 242 4.4.3设备放大 4.1.4萃取技术的应用 24 5萃取技术的应用实例 主要参考文献
第1章均相分离技术中的传质原理 1.1均相分离技术 1.1.1均相分离技术的概念 生态环境中的每一种物质都有固态、液态和气态三种不同的相态。当机械力、温度或浓 度形成梯度时,均一相内或相间就会产生传递现象,例如浓度梯度就会产生质量传递。不同 相态之间的传质可以通过气-液、液液、气固、液固之间的扩散操作来实现。传递过程可 分为分子扩散和对流扩散。利用传质过程来实现环境污染的治理是环境化工技术的核心问题 之一,由不同相态之间的传质形成了各自不同的分离技术。以废水处理为例,不同的处理技 术反映了不同相态之间的传质过程,表1-1为废水处理中常用的传质与分离技术 表1-1废水处理中的传质过程与分离技术 传质过程 分离技术 气态一液态 吸收 O2、(氧化及气体中SO2、Cl2、NⅠ的脱除 →气态 解吸 挥发性有机化合物(VOCs)的脱除 气态 污沉浆的干燥 液态一→气态 精馏 稀酸废水及氨氮废水处理 液态一液态 萃取 重金属离子脱除 气态一→固态 吸附 用活性炭吸附气体中的有机物 脱附 活性炭再生,昇味、臭味脱除 液态-→固态 离子交换 饮用水中微量金属离子的脱除 液态→固态 结晶沉淀 悬浮颗粒物的脱除 从表1-1中可以看到,许多分离过程都是在气态和液态中进行,气态和液态物质也可以 称为流体。我们把流体间的传质与分离过程定义为均相分离技术,正如在表1-1中列出的吸 收、解吸、精馏、萃取等单元操作,因此本书把一相或多相流体间的分离技术称为均相分离 技术,或称流体相分离技术,而表1-1中气态与固态、液态与固态之间的传质过程均涉及固 体介质。我们把涉及固体介质传质过程的分离技术称为非均相分离技术,正如表1-1中的吸 附、离子交换、结晶沉淀等单元操作。本书重点讨论流体相或均相间的传质与分离技术及其 在环境工程中的应用 11.2均相分离技术的特点 分离技术和工程是化工产品提取和纯化中的重要过程,它所研究的任一分离过程一般可 表示为 混合物 产品1 分离设备 一分离剂(能量)
正如上一节所述,均相分离技术是分离的对象为流体混合物,即废气或废水,而采用的 分离剂也将是流体,即气体或液体,因此可以看出,均相分离技术们如下特点 ①分离对象为均相混合物,分离介质为流体,因此均相分离技术首先涉及的是流体的 物性,如密度、黏度、扩散系数等。气体和液体的性质是均相分离技术的基础,对流体物性 的推算可杏阅有关专著。 均相分离过程涉及动量、热量和能量传递,是典型的传质分离过程。传质过程大部 分在两相流体的相间,因此传递的现象和相间传递理论是均相分离技术的理论基础。 ③均相分离过程是一个平衡操作分离过程,分离原理主要是蒸气压、溶解度的不同造 成的传质推动力,因此流体相平衡是均相分离技术的热力学基础,可以坩化工热力学模型来 推算分离过程所需娈的相平衡常数,如相对挥发度、卓利常数或分聞系数等 ④均相分离过程在平衡状态吋的某--组分在两个不同相中的摩尔分数之比弥为相半衡 常数,定义为 K -X, K-x 不同组分i与j平衡常数之比称为分离因子,可以表示为 K X Y! K,XⅡ 因此分离因子的大小反吹了两种不同组分i与j的分离难易程度,分离閃子的值远大于 L,说明组分与j能得到有效的分离 均相分离过程屮的主体流体间往往是不互容的,在分离设备中,·相被分散到另 相屮,如果气相被分散则形成气泡,如果液相被分散则形成液滴。气泡和液滴又被称为流体 颗粒,囚此在均相分离过程屮要涉及流体粒子(气泡和液滴)在另一相(连续相)中的运动 和传质,要研究流体粒子的运动行为和传质规律。 1.2传质基本概念与原理 2.1分子扩散传质 1.2.1.1浓度、速度和通量 在传质计算中,对于一个混合物,常用的浓度表小方法有质最浓度和摩尔浓度两种,它 的定义式和相互关系列在表1-2中。 表1-2混合物的浓度关系 质 关系式 关系式 释 P为i组分质量浓度 为t组分摩尔浓度 为混合物体积 M为组分相对分子质 为组分质量 r为混合物摩尔浓度 0=> 为混合物的质量浓度 x,为组分摩尔分数 u;为t红分质量分数 =2—p
换算关系 M W,/M, (M为混合平均分子量) 在一个混合物中,因浓度分布不匀而引起某个组分(i的分子扩散,它是朝着这个组 分浓度降低的方向进行的。在静止坐标系內,这个扩散组分即具有相庇的宏观速度媛1。对 于。ˉ个多组分的扩散体系,可以根据各个组分的运动速度来定义混合物的平均速度。和浓度 表示方法相对应、常用的有混合物平均速度(v)和摩尔平均速度()两种,其中质量平 均速度可以用皮托管直接测量,其定义式如下。 P (1-2) 当混合物以一定的速度在运动时,扩散组分因分子扩散而具有相对于混合物的运动速 度,此相对速度即称为扩散速度。叮以定义两种扩散速度,即i组分相对于混合物质量平均 速度的扩散速度()和i组分相对于混合物摩尔平均速度的扩散速度(v)。其定义式 如下 L,-U= 式中 组分相对于静止坐标的运动速度。 混合物中某个组分在单位时间内通过单位面积的数量称为通量,通量是矢量。扩散通量 常用质量通量或摩尔通量表示,它们都是浓度和速度的乘积。组分的质量通量[kg/(s· m2)]有以下几种表示方法 相对于静止坐标n,=8 相对于质量平均速度i;=p(l-v) 相对于摩尔平均速度 同样,组分的摩尔通量[kmol/(s:m2)]有 相对于静止坐标N,=c,u 相对于质量平均速度=c;(u1-v)
相对于摩尔平均速度J,=c;(u1-v) 在以上各种定义式中,N:和n;常用于工程计算,此时选择固定在设备内的系统作为运 动參照系统。i和J:常用于扩散的实验和研究中。 以上各种不同的定义式可用来表示不同通量问的关系。例如 对于A和B形成的二二元混合物 =nA -WA(nA +nn) (}-4) 将式(1-3)对所有组分求和后可得i=0 对于二元混合物i+in=0,即混合物中各组分相对于质量平均速度扩散的质量通量之 和等于零。 二元体系质量通量和摩尔通量及相互关系见表上3。 表13二元体系质量通量和摩尔通量 物理量 札对于静止坐标 相对于质量平均速度 对于摩尔平约速度 组分的速度/(m/s) A组分的质量通量kg(s:m2) 4A-0AWA 组分的摩尔通量/kmol/(s:m2) JA-JK=O NA+ NI=N=cAl .2.1.2动量、热量与质量传递 苫物系中存在速度、温度和浓度梯度时,则分别发生动量、热量和质量传递现象。动 量、热量和质量的传递,既订以由分子的微观运动引起,也可H旋涡混合造成流体微团的宏 观运动引起。前者称为分子传递,后者称为涡流传递。由分子运动引起的动量传递,可采用 牛顿黏性定律描述,由分子运动引起的热量传递可采用傅里叶定律描述;而由分子运动引起 的质量传递称为扩散,采用费克定律描述。牛顿黏性定律、傅里叶定律与费克定律都是现象 定律。 (1〉牛顿黏性定律丁程技术中所遇到的流体均为实际流体。实际流体与所谓“理想” 流体的-个根本区别,在于前者具有黏性而后者则无黏性。因此,当理想流体运动时·两个 相接触的流体层之间不会产生剪切力;此外,理想流体流过固体壁面时,还会产生滑脱现 象。但当实际流体运动时,由于黏性作用,流体层之间会产生剪切力,而且当实际流体流过 固体壁面时,它会附着于壁面上不滑脱。 如图1-所示,设想在静止的流体中放置两块彼此平行的无限大平板,上板静止,下板
以恒速向右运动,于是紧贴在运动平板表面上(y=0)的一层流体,将跟着平板一起运动 并获得一定的沿x方向的动量(表示为x-动量)。由 于实际流体有黏性,所以板面上的这层流体必然会将 其动量的一部分传递给与之毗邻的上层流体,而使后 者亦沿x方向运动起来。当然,后者的流速要低一些。 出此可知,在流体的黏性作用下,x-动量会沿y方向 ne-du 层层传递,而使两板间的全部流体沿x方向产生运动, 最后建立一个一定的速度分布。如果流速不很大时, 两板间的流体作层流流动,此时,动量传递量可用两 图1-1牛顿黏性定律示意 流体层之间的剪应力(单位面积上的剪切力)表示。实验证明,剪应力与速度梯度成正比, 用公式表述为 (1-5) 式屮 剪应力 动力黏度(黏度) da/dy—速度梯度或剪切速率 式(1-5)称为牛顿黏性定律( Newton' s law of viscosity)。剪应力τ是作用在垂直于y方向 单位面积上的力,或x-动量在y方向上的通量。式屮的负号表示动量通量的方向与速度梯 度的方向相反,即动量要朝着速度降低的方向传递。比例常数μ是流体的动力黏度,一般简 称为黏度。 式(1-5)可以写为 式中 运动黏度,m2/ 2)傅里叶定律对于导热现象,可用傅里叶定律( Fourier'slaw)描述: dt k (1-7) 式屮q/A-导热通量; k——物质的热导率 T/dy一温度梯度 q-沿y方向的导热速率; A…-垂直于热流方向(y方向)的导热面积。式中负号表示热通量方向与温度梯 度的方向相反,即热量是朝着湜度降低的方向传递的。 3)费克(Fick)定律在混合物中若各组分存在浓度梯度时,发生分子扩散。对于炳 组分系统,组分1在组分2中由于分子扩散所产生的质量通量,可用下式描述: do (1-8) 式中 组分1的质量通量,即组分1在单位时间内通过垂直于扩散方向(y方向)的 单位面积的质量; D12—组分1在组分2中的扩散系数;
d1dy组分1的质量浓度(密度)梯度 式(1-8)称为费克定律(Fick'slaw)。式中负号長示质量通量方向与浓度梯度方向相反 即组分]总是朝着浓度降低的方向传递的。扩散系数D2与组分的种类、压力、温度、组成 等因素有关 对于等温等压下的二组分混合物,式(1-8)可写成 根据表1-3,可以得到组分A在静止坐标内的z方向的传质通量式, n1,=t(m1,x+n2,:)-pD1 (1-10) (1-11) 以上两式可认为是费克定律的另一种表示形式。可以看出,组分相对于静止坐标系的传质通 量由两部分组成:等式石厅第一项是随混合物整体运动被携带的对流通暈,第二项是因浓度 梯度引起的扩散通量。对于稀溶液,第一项的影响很小,通常可以忽略。 通过对组分进行质量衡算,可得用R1和c表示的适用于二元混合物的对流扩散方程, rI (1-12) c aNg dNI, a i+R 式中n--反应生成1的速率,kg/(s·m3); R1-反应生成1的速率,kmol/(s·mn3)。 它们可用来描述在流动和具有化学反应的体系内组分的浓度分布。 牛顿黏性定律、傅里叶定律和费克定律都用来描述由于分子无规则运动所引起的三类传 递现象。由各定律的数学表达式(]5)、式(1-7)和式(18)可看出动量、热量与质量传 递规律的类似性,即各过程所传递的物埋量均与其相应强度因数的梯度成正比,并且都沿着 负梯度(降度)方向传递。各式中的系数只是状态的函数,与传递的物理量或梯度无关。因 此通常将黏度、热导率和扩散系数视为传递性质的物性常数。由于上述三式中,传递的物理 量与相应的梯度均存在线性关系,故上述的三个定律又常称为分子传递的线性现象定律 在均相分离技术中传质分离是我们的研究重点,也是分离技术的理论基础。 1.21,3马克士威尔-斯蒂芬( Maxwell Stefan)方程 假设两组分理想气体保持恒温恒压,由动量平衡关系描述组分1和组分2的碰撞,可以 得到压降与速度之间的关系。 vpI=-f12y1 y(ui-u (1-14) 式中f2~经验参数,类似于摩擦系数或曳力系数; 气相摩尔分数。 为方便起见,我们定义反曳力系数丹=P/f12,则式(114)可写为 (u;-l2) (1-15) 式中d1-恒温恒压下组分1在理想气体混合物中的扩散推动力