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1、教学要求内蒙古工业大学化工学院1/37重重 点点：板式塔与填料塔的特点，塔设备的选用与：板式塔与填料塔的特点，塔设备的选用与设计原则。设计原则。覆盖内容覆盖内容：塔设备的：塔设备的性能参数性能参数；典型塔板的；典型塔板的结构特点结构特点及分类及分类，塔板上的，塔板上的流体力学特性流体力学特性，正常与非正常操作正常与非正常操作情况及调节情况及调节；板式塔的设计原则及步骤；填料及填料；板式塔的设计原则及步骤；填料及填料塔的结构特点，塔的结构特点，填料塔的流体力学特性，填料塔的设填料塔的流体力学特性，填料塔的设计原则及步骤计原则及步骤；板式塔与填料塔的比较，塔的选用原；板式塔与填料塔的比较，塔的选用
2、原则。则。第1页/共37页7-0 7-0 概述内蒙古工业大学化工学院2/37 气液传质设备的基本功能 提供气液传质场所 有效分离气液两相 气液传质设备的分类 连续（微分）接触式（填料塔）、逐级接触式（板式塔）性能评价指标性能评价指标 通量通量生产能力生产能力 分离效率分离效率 适应能力适应能力操作弹性操作弹性第2页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院3/37一一 板式塔的结构板式塔的结构 按按塔内气、液流动的方式分类塔内气、液流动的方式分类泡罩塔泡罩塔 筛板塔筛板塔 浮阀塔浮阀塔 喷射塔喷射塔二二 性能评价性能评价错流塔板、逆流塔板三三 按塔板类型分类按塔板类型分类处理
3、能力处理能力 板效率板效率 塔板压降塔板压降7-1-17-1-1塔板类型塔板类型第3页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院4/37液相降液管堰气相液相气相 逆流塔板逆流塔板优点：结构简单，无液面差，充分利用板面，生产能力较大；优点：结构简单，无液面差，充分利用板面，生产能力较大；缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。应用范围小，常见的缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。应用范围小，常见的板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。错流式塔板错流式塔板(溢流塔板溢流塔板)液体流动液体流动 板间板间 板上板上气体流动气体流动溢流堰溢流堰 进口堰进口堰特
4、特点点：获获得得较较高高的的板板效效率率，但但降降液液管管将将占占去去塔塔板板的的传传质质有有效效面面积积，影影响响塔塔的生产能力。的生产能力。第4页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院5/37 泡罩塔泡罩塔的的结构结构 主主要要元元件件：升升气气管管、泡泡罩罩，泡泡罩罩安安装装在在升升气气管管顶顶部部，泡泡罩罩底底缘缘开开有有若若干干齿齿缝缝浸浸入入在在板板上上液液层层中中，升升气气管管顶顶部部应应高高于于泡泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。特点：特点：优点：操作稳定，不会产生严优点：操作稳定，不会产生严重的漏液现象，故弹性大。重的
5、漏液现象，故弹性大。缺点：结构复杂，造价高，塔缺点：结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低板压降大，生产强度低。泡罩塔第5页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院6/37浮阀塔浮阀塔 浮阀的结构形式：圆形、方形、条形及伞形浮阀的结构形式：圆形、方形、条形及伞形F-1型 V-4型 A型 方形浮阀十字架型 安装特点：阀孔安装特点：阀孔 浮阀浮阀 最小开度最小开度 最大开度最大开度 阀片开启高度与操作气速的关系阀片开启高度与操作气速的关系第6页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院7/37 优点：结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板优点：结构简
6、单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。效率较高。缺点：处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；缺点：处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降和操作弹性下降。几种新型浮阀塔板双流喷射浮阀塔板导向浮阀塔盘第7页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院8/37筛板塔 结构结构 特点：结构简单，造价低廉，塔特点：结构简单，造价低廉，塔板阻力小。板阻力小。垂直筛板 结构 两相流动特点：提供更大的不断更新的接触表面，强化传质过程；气液由水平方
7、向喷出，液滴在垂直方向的初速度为零，降低了液沫夹带量，垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的生产能力。第8页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院9/37 结构喷射型塔板舌形塔板 优点：避免返混、液面落差小，塔板压降较小；气流方向近于水平；液沫夹带量较小，可达较高的生产能力。缺点：张角固定，可导致塔板漏液严重；操作弹性小；板效率较低。喷射型塔板浮舌塔板 结构 特点：处理能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适宜于热敏性物系的减压分离过程。第9页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院10/377-1-27-1-27-1-27-1-2板式塔的流体力学性能板
8、式塔的流体力学性能板式塔的流体力学性能板式塔的流体力学性能一 塔板上气液两相的接触状态 气液两相的接触状态是决定板上两相流流体力学及传质和传热规律的重要因素。蜂窝状态 气泡的形成速度大于气泡的浮升速度，气泡在液层中累积。气泡之间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡，板上是以气体为主的气液混合物。气泡不易破裂，表面得不到更新，此种状态不利于传热和传质。鼓泡状态 气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。第10页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院11/37泡沫状态 泡沫接触状态的表面积大，不断更新，为两相传热与传质提供了良好的条件，是一种
9、较好的接触状态。喷射状态 气体为连续相，液体为分散相，两相传质的面气体为连续相，液体为分散相，两相传质的面积是液滴的外表面。积是液滴的外表面。液滴的反复形成和聚集，液滴的反复形成和聚集，使传质面积增加，表面不断更新，有利于传质使传质面积增加，表面不断更新，有利于传质与传热进行，是一种较好的接触状态。与传热进行，是一种较好的接触状态。二二 气体通过塔板的压降气体通过塔板的压降总压降包括干板压降、静压强及液体表面张力引起的压降影响因素 压降与效率第11页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院12/37三 塔板上的液面落差 流体阻力与液面落差 塔板结构与液面落差改善措施：单溢双
10、溢流或阶梯溢流四 塔板上的异常操作现象 漏液、液泛和液沫夹带等，应尽量避免异常操作现象的出现。五 塔板的负荷性能图通常由五条线组成：通常由五条线组成：漏液线（漏液线（1 1）液沫夹带线（液沫夹带线（2）液相负荷下限线（液相负荷下限线（3）液相负荷上限线（液相负荷上限线（4）液泛线（液泛线（5）第12页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院13/37六板式塔的操作分析五条线所包围的区域称为塔板的适宜操作区。操作点A A操作线OAOA操作弹性Vmax/VminVmax/Vmin设计时，应使操作点尽可能位于适宜操作区的中央，若操作点紧设计时，应使操作点尽可能位于适宜操作区的中央
11、，若操作点紧靠某一条边界线，则负荷稍有波动，塔的正常操作即被破坏。靠某一条边界线，则负荷稍有波动，塔的正常操作即被破坏。第13页/共37页7-1 7-1 板式塔板式塔内蒙古工业大学化工学院14/377-1-3 7-1-3 7-1-3 7-1-3 板式塔的工艺设计板式塔的工艺设计板式塔的工艺设计板式塔的工艺设计设计分析设计分析根据设计任务和工艺要求，确定设计方案根据设计任务和工艺要求，确定设计方案根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型确定塔高和塔径确定塔高和塔径塔板的结构设计：溢流装置、塔板布置、升气道设计及排列塔板的结构设计：溢流装置、塔板布置、升气道设计及排
12、列流体力学验算流体力学验算负荷性能图负荷性能图第14页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院15/37填料塔填料塔塔体塔体 填料填料 塔内件塔内件填料支承与压紧装置、液体与气体填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器分布器、液体再分布器以及气体除沫器操作原理操作原理 7-2-1 填料塔的结构与特点 7-2-2 填料填料一 填料特性：比表面积 空隙率 填料因子 (/3)表示填料的流体的流体力学性能。二二 填料类型填料类型散装填料和规整填料散装填料和规整填料第15页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院16
13、/371 1 散装填料 拉西环填料优点：易于制造，价格低廉，研究较为充分。缺点：高径比大，易形成线接触，存在严重的沟流和壁流 现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，改进：衍生的环、十字环及螺旋环等。鲍尔环（Pall ring）填料金属鲍尔环填料 塑料鲍尔环填料 改型鲍尔环填料 第16页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院17/37 阶梯环填料金属阶梯环填料塑料阶梯环 鞍形(Berl saddle)填料矩鞍、弧鞍、金属鞍换优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好。缺点：相邻填料易套叠。第17页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学
14、化工学院18/372 2 规整填料格栅填料 格栅填料优点：格栅填料层整体性好，空隙率高。优点：格栅填料层整体性好，空隙率高。缺点：但比表面积较低。缺点：但比表面积较低。波纹填料 金属丝网波纹填料按结构按结构网波纹填料和板波纹填料网波纹填料和板波纹填料按材质按材质金属、塑料、陶瓷等金属、塑料、陶瓷等第18页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院19/37金属压延孔板波纹填料金属孔板波纹填料各种陶瓷规整填料 脉冲填料 特点:处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。第19页/共37页7-2 7-2 填料
15、塔填料塔填料塔填料塔填料名称填料名称评估值评估值语言值语言值排序排序丝网波纹填料丝网波纹填料0.860.86很好很好1 1孔板波纹填料孔板波纹填料0.610.61相当好相当好2 2金属金属IntaloxIntalox0.590.59相当好相当好3 3金属鞍形环金属鞍形环0.570.57相当好相当好4 4金属阶梯环金属阶梯环0.530.53一般好一般好5 5金属鲍尔环金属鲍尔环0.510.51一般好一般好6 6瓷瓷IntaloxIntalox0.410.41较好较好7 7瓷鞍形环瓷鞍形环0.380.38略好略好8 8瓷拉西环瓷拉西环0.360.36略好略好9 9内蒙古工业大学化工学院20/37第
16、20页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院21/37包括持液量、压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。一 气体通过填料层的压强降压降与气速的关系L=0L=0、L0L0的情况载点、泛点恒持液量区、载液区、液泛区持液量载液区高液量低液量CCBBAAL=L=0 0L L1 1L L2 2lg ulg p载点气速液泛气速7-2-3 7-2-3 7-2-3 7-2-3 填料塔的流体力学性能填料塔的流体力学性能填料塔的流体力学性能填料塔的流体力学性能第21页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院22/37压降：在一定的液体喷淋密度下，填料
17、持液量与气速无关，气体压降与气速的关系为直线且基本与 L=0 的直线平行。载液和液泛对传质的影响：载点(B)(B)后，持液量，气液相互作用，相界面积，湍动增强，传质过程，填料效率 (HETP HETP )；P点后，液沫夹带量，液相返混可导致填料效率，(HETP )。填填料料塔塔的的操操作作控控制制在在偏偏离离泛泛点点一一定定距距离离的的载载液液区区内内，可可得得到到较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。lg u高液量低液量载点线lg LPB泛点C载液区空塔气速 u等板高度HETP第22页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化
18、工学院23/37压降对填料塔操作的可靠性和经济性有着决定性的影响；选择填料和确定塔径时，不同系统应控制的压降范围不同。吸收（吸收（mmHmmH2 2O/mO/m）蒸馏（蒸馏（mmHmmH2 2O/mO/m）系统不起泡系统不起泡系统起泡系统起泡常压或加压常压或加压真空真空20358203565835压降表面摩擦阻力、形体阻力影响因素：填料特性(几何形状、比表面积、等)，流体物性(、等)、操作条件(气液流量、T T 等)。由各种经验关联式或关联图进行估算。二二二二 压降与气速的关联图压降与气速的关联图压降与气速的关联图压降与气速的关联图第23页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙
19、古工业大学化工学院24/37埃克特 (Eckert)(Eckert)压降通用关联图G GG G,G,GL L：kg/(mkg/(m2 2.s).s)；u u ：m/sm/s；L L ：mPa.smPa.s；V V,L L：kg/mkg/m3 3；W WG G,W,WL L：kg/skg/s；：湿填料因子(泛点填料因子)，1/m1/m；g g：重力加速度 9.81m/s9.81m/s2 2；V Vs s,L,Ls s：m m3 3/s/s；：液体密度校正系数(水与液相密度之比=/L L)。横坐标：纵坐标：第24页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院25/37适
20、用范围：乱堆填料(Random packings)(Random packings)最上方的三条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线。其余为乱堆填料的等压降线。第25页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院26/37三、三、三、三、液泛液泛液泛液泛与泛点气速与泛点气速与泛点气速与泛点气速 防止液泛：u u0max 0max 0.95u0.95uF F，设计点时取u0=0.50.8uF。故正确估算泛点气速对填料塔的设计和操作都十分重要。填料的种类，物系的物性以及气、液相负荷等因素对泛点都有一定的影响。泛点气速的估算式通常仍是借助于实验数据所得的各种经验关联
21、式或关联图。对于散装填料，目前广泛采用埃克特(Eckert)(Eckert)压降和气速通用关联图中的泛点曲线。规整填料有类似的泛点实验关联图，可参考有关文献。根据两相流动参数即可由埃克特(Eckert)(Eckert)关联图中的泛点线查纵坐标值，若填料因子已知，即可求得泛点气速。第26页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院27/377-2-4 7-2-4 7-2-4 7-2-4 填料塔的内件填料塔的内件填料塔的内件填料塔的内件填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。一 填料支承装置作用：支承填料要求：机械强度、自由面积第27页/共37
22、页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院28/37二 填料压紧装置作用：防止填料层的松动和跳动。分类：填料压板和床层限制板填料压板：自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。床层限制板床层限制板：用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装：用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳
23、固定。于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。第28页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院29/37三 液体分布装置 液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。喷头式分布器：液体由半球形喷头的小孔喷出，小孔直径为3 310mm10mm，作同心圈排列，喷洒角 8080，直径为(1(1/31/5)D D。这种分布器结构简单，只适用于直径小于600mm600mm的塔中。因小孔容易堵塞，一般应用较少。第29页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院30/37盘式分布器筛孔型分布器、盘式溢流管式分布器等。分布盘
24、直径为塔径的0.60.60.80.8倍，适用于D 800mm D 800mm 的塔。第30页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院31/37管式分布器:由不同结构形式的开孔管制成，有排管式、环管式等不同形状。特点：结构简单，供气体流过的自由截面大，阻力小。缺点：小孔易堵塞，弹性一般较小。应用：由于液体分布性能优越，适合于较多喷淋点和较低液体负荷的场合；要求物料中无固体颗粒，在立管进料口应设有过滤网；列管式液体分布器操作弹性好；在高操作弹性的场合，可采用双排管式液体分布器；适合大、中、小型塔中采用。第31页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古
25、工业大学化工学院32/37槽式液体分布器:通常由分流槽（主槽或一级槽）、分布槽（副槽或二级槽）构成的。分布槽的槽底（或槽壁）上设有孔道（或导管），将液体均匀分布于填料层上。具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，适合于大气液负荷及含有固体悬浮物、粘度大的液体的分离场合。由于槽式分布器具有优良的分布性能和抗污堵性能，应用范围非常广泛。第32页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院33/37壁流：液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象。结果：壁流将导致填料层内气液分布不均，使传质效率下降。措施：在填料层内间隔一定高度设置液体再分布装置。截锥式再分布器优点：截锥式
26、再分布器结构简单，安装方便。缺点：但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能。适用塔径：小于0.6m0.6m的塔中。四 液体收集及再分布装置第33页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院34/37 用于大塔径的斜板式液体收集器 38003800液体收集再分布器用于小塔径的斜板式液体收集器 第34页/共37页7-2 7-2 填料塔填料塔填料塔填料塔内蒙古工业大学化工学院35/37塔型选择 塔型选择主要需考虑以下几个方面的基本性能指标：分离效率分离效率：对板式塔指每层塔板的分离程度；对填料塔指单位：对板式塔指每层塔板的分离程度；对填料塔指单位高度填料层所
27、达到的分离程度；高度填料层所达到的分离程度；操作弹性操作弹性：指在负荷波动时维持操作稳定且保持较高分离效率指在负荷波动时维持操作稳定且保持较高分离效率的能力，通常以最大气速负荷与最小气速负荷之比表示；的能力，通常以最大气速负荷与最小气速负荷之比表示；压强降压强降：指气相通过每层塔板或单位高度填料的压强降；：指气相通过每层塔板或单位高度填料的压强降；设备结构与成本设备结构与成本：结构繁简及制造成本。：结构繁简及制造成本。第35页/共37页复习内蒙古工业大学化工学院36/37塔塔设设备备的的性性能能参参数数（生生产产能能力力、塔塔板板效效率率、操操作作弹弹性性、塔塔板板压压降降）；典典型型塔塔（泡
28、泡罩罩、筛筛板板、浮浮阀阀、浮浮舌舌、喷喷射射）板板的的结结构构特特点点及及分分类类，塔塔板板上上的的流流体体力力学学特特性性（压压降降、液液泛泛、雾雾沫沫夹夹带带、漏漏液液、液液面面落落差差、负负荷荷性性能能图图），正正常常与与非非正正常常操操作作情情况况及及调调节节；板板式式塔塔的的设设计计原原则则及及步步骤骤；塔塔板板效效率率；填填料料的的性性能能参参数数；填填料料及及填填料料塔塔的的结结构构特特点点，填填料料塔塔的的流流体体力力学学特特性性（压压降降、液液泛泛及及影影响响因因素素、润润湿湿性性能能）；填填料料塔塔内内件件及及其其作作用用；填填料料塔塔的的设设计计原原则则及及步步骤骤；板板式式塔塔与与填填料塔的比较，料塔的比较，塔的选用原则塔的选用原则。第36页/共37页四川理工学院材化学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备37/37感谢您的观看！第37页/共37页