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1、第十一章第十一章 气液传质设备气液传质设备一、板式塔的构造一、板式塔的构造二、塔板效率二、塔板效率第第一一节节 板式塔板式塔2023/12/291气液传质设备逐级接触式连续接触式板式塔填料塔2023/12/292一、板式塔的构造一、板式塔的构造进料回流液塔顶气相塔底液相板式塔内流体的流动板式塔内流体的流动2023/12/2931、板式塔的结构、板式塔的结构2023/12/2941）塔板的构造筛孔降液管溢流堰（剖面图）2023/12/295降液管受液区溢流堰安定区开孔区俯视图2023/12/2962023/12/2972023/12/2982）塔板类型）塔板类型a）泡罩塔板泡罩塔板2023/12
2、/299优点：塔板操作弹性大，塔效率比较高，不易堵。缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大,生产能力小。2023/12/2910b）筛孔塔板筛孔塔板2023/12/2911优点：结构简单、造价低、塔板阻力小缺点：操作弹性小。2023/12/2912c）浮阀塔板浮阀塔板2023/12/29132023/12/29142023/12/2915优点：浮阀可以根据气体流量，自动调节阀的开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，并具有较高塔板效率，在生产中应用广泛。缺点：浮阀易脱落或损坏。浮阀的工作原理浮阀的工作原理2023/12/2916d）舌型塔板 2023/12/2917右图是一种喷射型塔板。其
3、结构是在塔板上冲出若干按一定排列的舌形孔，舌片向上张角 以20左右为宜。20=a aoo5050R25R25气相气相优点：气流由舌片喷出并带动液体沿同方向流动。气液并流避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。气流方向近于水平。相同的液气比下，舌形塔板的液沫夹带量较小，故可达较高的生产能力。缺点：张角固定，在气量较小时，经舌孔喷射的气速低，塔板漏液严重，操作弹性小。液体在同一方向上加速，有可能使液体在板上的停留时间太短、液层太薄，板效率降低。2023/12/2918斜孔塔板是在舌形塔板上发展的，斜孔的开口方向与液流垂直且相邻两排开孔方向相反，既保留了气体水平喷出、气液高度湍动的优点，
4、又避免了液体连续加速，可维持板上均匀的低液面，从而既能获得大的生产能力，又能达到好的传质效果。e)斜孔塔板斜孔塔板浮舌塔板浮舌塔板为使舌形塔板适应低负荷生产，提高操作弹性，研制出了可变气道截面的浮舌塔板。1 19 9R R2020R16R168 837373 31 1oo2020降降液液管管a a 斜孔结构斜孔结构b b 塔板布置塔板布置受受液液区区导导向向孔孔2023/12/29193）塔板的比较 塔板性能比较 塔板类型 相对生产能力 相 对板效率 操作弹性 压降 结构相对成本 泡罩板 1.0 1.0 45 高 复杂 1.0 筛板 1.21.4 1.1 23 低 最简单 0.40.5 浮阀板
5、 1.21.3 1.11.2 34中 一般 0.70.8 舌型塔板 1.31.5 1.1 23 低 简单 0.50.6 斜孔板 1.51.8 1.1 23低 简单 0.5 2023/12/2920各种塔板的优点及适用范围 优 点 缺 点 适用范围 塔板类型 泡罩板 较成熟，操 作范围宽 结构复杂，阻力大，生产能力低 某些要求操作弹性好的特殊塔 浮阀板 效率高，操 作范围宽 采用不锈钢，浮阀易脱落 分离要求高，负荷变化大筛板 效率较高，成本低 安装要求水平,易堵,操作范围窄 分离要求高,塔板较多舌型板 结构简单,生产能力大 操作范围窄，效率较低 分离要求较低 的闪蒸塔 斜孔板 生 产 能 力大,
6、效率高 操作范围比浮阀塔和泡罩塔窄 分离要求高，生产能力大 2023/12/2921二、塔板效率二、塔板效率1、塔板效率的表示法、塔板效率的表示法 1）总板效率总板效率E(全塔效率）全塔效率）达到指定分离效果所需理论板数与实际板数的比值。达到指定分离效果所需理论板数与实际板数的比值。简单地反映了整个塔内的平均传质效果。简单地反映了整个塔内的平均传质效果。2）单板效率单板效率EM(默弗里效率默弗里效率)直接反映该层塔板的传质效果直接反映该层塔板的传质效果 2023/12/2922单板效率的数值有可能大于单板效率的数值有可能大于100%吗？吗？3）点效率点效率EO 操作线操作线平衡线平衡线ynyn
7、-yn+12023/12/2923点效率与单板效率的区别：点效率中的y、y*为塔板上某点的气相组成和平衡组成；单板效率中的yn为离开塔板的气相平均组成、yn*为与xn成相平衡的气相平均组成。单板效率与全塔效率的区别：单板效率反映的是该层塔板的传质效果，全塔效率反映的是整个塔板的平均传质效果。2023/12/29242、塔板效率的估算 1）塔板效率的影响因素 a）物系性质：粘度、密度、表面张力及相对挥发度等。b）塔板结构：塔径、板间距、堰高及开孔率等。c）操作条件：温度、压强、气体上升速度及气液流量比 2）板效率的估算 奥康内尔（Oconnell）关联方法 精馏塔：采用相对挥发度 与液相粘度 L
8、 的乘积为参数来表示全塔效率 ET：2023/12/2925 与 L 取塔顶与塔底平均温度下的值。对多组分物系，取关键组分的 。液相的平均粘度 L 可按下式计算 吸收塔：采用HP/L 作为参数来表示全塔效率 ET：H 塔顶塔底平均温度下溶质的溶解度系数，kmol/(m3kPa)P 操作压强，kPa；L 塔顶塔底平均组成及平均温度下的液相粘度，mPas。2023/12/2926三、板式塔的流体力学性质1、塔板上气液两相的接触状态 当气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，板上为以液体为主的气液混合物，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。1）鼓泡接触状态2023/12/2927
9、2）蜂窝接触状态 随着气速的增加，气泡的数量不断增加。当气泡的形成速度大于气泡的浮升速度时，气泡在液层中累积。小气泡相互合并形成各种多面体的大气泡，板上为以气体为主的气液混合物。由于气泡不易破裂，表面得不到更新，因此该状态不利于传热和传质。2023/12/29283）泡沫接触状态 气速继续增加，气泡数量急剧增加，气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，形成一些直径较小，扰动十分剧烈的泡沫。由于泡沫接触状态的表面积大，并不断更新，为两相传热与传质提供了良好的条件，是一种较好的接触状态。2023/12/29294）喷射接触状态 当气速继续增加，气体把板上的液体向上喷成
10、大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用又落回到板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。此时塔板上的气体为连续相，液体为分散相，两相传质的面积是液滴的外表面。由于液滴回到塔板上又被分散，这种液滴的反复形成和聚集，使传质面积大大增加，而且表面不断更新，也是一种较好的接触状态。2023/12/29302、气体通过塔板的压降塔板压降干板压降液层阻力压降增大接触时间板效率板数设备费塔釜温度能耗操作费 保证较高效率的前提下，力求减小塔板压降，以降低能耗和改善塔的操作。克服板上泡沫层的静压力克服气液界面的表面张力通过液层的摩擦阻力损失2023/12/29313、塔板上的液面落差液面落差：塔板进、出口
11、侧的清液高度差液面落差气流的不均匀分布严重漏液板效率下降与塔板结构、塔径、流量有关。2023/12/2932四、板式塔的操作特性四、板式塔的操作特性1、塔板上的异常操作现象、塔板上的异常操作现象1）漏液漏液2023/12/2933漏液两相在塔板上的接触时间板效率 严重漏液：漏液量大于液体流量的10%。漏液气速：发生严重漏液时的气体速度。板式塔操作的下限气速原因：气速太小、板面上液面落差引起的气流分布不均匀2023/12/29342）液沫(雾沫)夹带现象：液滴随气体进入上层塔板。影响因素空塔气速：空塔气速减小，液沫夹带量减小塔板间距：板间距增大，液沫夹带量减小后果：过量液沫夹带，造成液相在板间的
12、返混，板效率下降控制：液沫夹带量eG0.1 kg(液)/kg(气)。2023/12/29353）液泛液泛液沫夹带液泛降液管液泛原因：气液两相流速过大影响因素：流量、塔板结构板间距增大液泛速度提高G过大L过大2023/12/29362、塔板的负荷性能图GL线1:液沫夹带线线2:液泛线线3:液相负荷上限线线4:漏液线线5:液相负荷下限线1，2，3，4，5五条线所包围的区域，即是一定物系在一定的结构尺寸塔板上正常操作区。2023/12/2937负荷性能图的分析 C 操作点操作线操作极限VGL2023/12/2938操作弹性：两极限的气体/液体流量之比 操作点位于操作区内的中间位置可获得良好的操作适应
13、性不同的塔板，操作情况不同，控制负荷上下限的因素也不同 物系一定时，负荷性能图中各线的相对位置随塔板尺寸而变例：加大板间距 或增大塔径可使液泛线上移，增加降液管截面积 可使液相上限线右移，减少塔板开孔率 可使漏液线下移。2023/12/2939塔板的操作弹性：或2023/12/2940第第七七章章 气液传质设备气液传质设备一、一、填料塔的结构与填料填料塔的结构与填料特性特性 二、二、填料塔的附件填料塔的附件第第二二节节 填料塔填料塔2023/12/2941一、填料塔的结构与填料特性一、填料塔的结构与填料特性 1、填料塔的结构、填料塔的结构 2023/12/29422、填料特性 1）比表面积 单
14、位体积填料层的填料表面积，以表示；单位：m2/m3。同一种填料，尺寸愈小，比表面积愈大。2）空隙率 单位体积填料层空隙的体积，以表示；单位为m3/m3。填料的空隙率大，气液通过能力大，气体流动阻力小。3）填料因子 表示填料的流体力学性能，以干填料因子 湿填料因子 2023/12/29433、填料类型 堆放方式 乱堆填料 规整填料 拉西环、鲍尔环、鞍形、网环 波纹板、波纹网 基材 实体填料 网体填料 环形填料（拉西环、鲍尔环、阶梯环）、鞍形填料（弧鞍、矩鞍）、栅板 网、波纹网 2023/12/29441）拉西环（Rasching ring）最早使用的一种填料，为高径比相等的陶瓷和金属等制成的空心
15、圆环。1、乱堆填料2023/12/2945优点：易于制造，价格低廉，研究较为充分，在过去得到了广泛的应用。缺点：形状规则，堆积时填料间易形成线接触，故液体常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，因而传质速率也不高。为此，在拉西环基础上衍生了环、十字环及螺旋环等，其基本改进是在拉西环内增加一些结构，以增大填料的比表面积。2023/12/2946环环十字环十字环2023/12/29472）鲍尔环(Pall ring)在环的侧壁上开两层长方形小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。上下两层长方形小孔位置交错。2023/12/2948鲍尔环因为具有优良性能，因而应用十分广
16、泛。可由金属或塑料制成。由于侧壁上开有小孔可供气液流通，与拉西环相比，鲍尔环内壁面得以充分利用。因此，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。2023/12/29493）弧鞍与矩鞍（berl saddle and intolox saddle）弧鞍一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质填料(马鞍填料)。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道。2023/12/2950优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，填料性能优于拉西环。缺点：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影响传质速率。并且强度较差，容易破碎。2023/12/2951矩鞍环的形
17、状介于环形与鞍形之间，因而兼有两者之优点，这种结构有利于液体分布和增加气体通道。矩鞍填料克服了弧鞍填料相互套叠的缺点，填料的均匀性得到改善。液体分布均匀，气液传质速率高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料。矩鞍2023/12/29524）阶梯环(cascade mini rings)阶梯环的结构与鲍尔环相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。2023/12/2953这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象
18、。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。2023/12/29545）金属鞍环 有环形与鞍形的结构特点，生产能力大、压降低、液体分布性能好、传质速率高、操作弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。2023/12/2955波纹板2、规整填料规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内装砌。波纹网2023/12/2956优点：空隙大，生产能力大，压降小。流道规则，只要液体初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。缺点：造价较高，易堵塞、难
19、清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。2023/12/2957二、填料塔的附件二、填料塔的附件 1、填料支承装置、填料支承装置 2023/12/29582023/12/29592、液体分布装置、液体分布装置a)管式喷淋器管式喷淋器 2023/12/2960b)弹溅式喷淋器弹溅式喷淋器2023/12/2961b)齿槽式喷淋器齿槽式喷淋器2023/12/29623、液体再分布装置、液体再分布装置 升气管式液体再布器升气管式液体再布器2023/12/2963齿槽式液体再布器齿槽式液体再布器2023/12/29644、液体收集装置、液体收集装置 斜板式液体收集器斜板式液体收集器2023
20、/12/29655、除沫装置、除沫装置 折板式除沫器折板式除沫器2023/12/2966丝网除沫器丝网除沫器2023/12/2967lg(p/z)lgu三、填料塔的流体力学性能三、填料塔的流体力学性能 1、气体通过填料层的压强降、气体通过填料层的压强降 载点载点泛点泛点恒持液恒持液量区量区载液区载液区液泛区液泛区2023/12/29682023/12/29692、压降的计算、压降的计算埃克特通用关联图埃克特通用关联图100.011.00.10.060.040.020.20.40.6234680.0010.010.10.080.060.020.040.80.0061.00.0020.0080.0
21、040.60.40.24050200015020030040050010001001500整砌拉西环泛点线整砌拉西环泛点线散堆填料泛点线散堆填料泛点线p/z2023/12/29703、润湿性能 液体的喷淋密度：单位时间在单位塔截面上喷淋的液体体积。润湿速率：在塔的截面上，单位长度的填料周边上液体的体积流量。泛点率：塔内操作气速与液泛气速的比值，一般要求在0.5 0.8。2023/12/29714、填料塔的持液量 在一定的操作条件下，单位体积填料层内的液体体积。静持液量：填料表面被充分润湿后，在静止状态下能附着在 填料表面的液体体积。总持液量：在一定操作条件下，单位体积填料层中液体总体积。动持液
22、量：总持液量与静持液量间的差值。5、气体动能因子定义式：气体动能因子是填料塔重要的操作参数。2023/12/29721、塔径 填料塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算式中：Vs 操作条件下气体体积流量，m3/s；u 操作条件下的空塔气速，m/s。一般取 u=(0.50.8)uF。液泛气速 uF 可用埃克特(Eckert)压降关联图估算。一般填料塔的操作气速大致在 0.21.0 m/s。按上式算出的塔径，应按压力容器公称直径进行圆整，如圆整为600、700、800、1000、1200 mm 等。四、填料塔塔径与塔高的计算 2023/12/2973验算液体喷淋密度，以确保填料能得到充分的润湿。填
23、料塔的液体最小喷淋密度与填料的比表面积有关，其关系为：式中：Umin 最小喷淋密度，m3/(m2s)；(Lw)min 最小润湿速率，m3/(ms)。最小润湿速率：在塔横截面上，单位长度的填料周边上润湿填料所需最少液体的体积流量。直径45mm 的环形填料，(Lw)min=0.12 m3/(mh)。实际喷淋密度应大于最小喷淋密度。若不能满足此条件，可采用增大回流比或液体再循环等方法加大塔内液体流量，或适当提高气速，减小塔径等。2023/12/2974取决于所需的填料层高度及塔内附属构件所需的高度。附属构件(如气液分布装置，除沫器及液体再分布器等)的高度要由所选的类型和计算的尺寸来确定。填料层的高度
24、通常采用传质单元法或等板高度法进行计算。等板高度(HETP)：等价为一层理论板的填料层高度。等板高度的大小，反映了填料传质效率的高低。若完成分离任务所需的理论板数为 N，则填料层高度 h 为2、塔高 2023/12/2975等板高度一般要通过实验来测定当缺乏实验数据时，也可以采用默里奇经验公式来估算：G 气体的空塔质量速度，kg/(m2h)；相对挥发度；D 塔径，m；L 液体粘度，mPas；Z 分段填料层高度，m；L 液体的密度，kg/m3；A,B,C 常数，取决于填料类型及尺寸。2023/12/2976默里奇（默里奇（Murch）等板高度经验公式中的常数等板高度经验公式中的常数填料类型填料类
25、型尺寸尺寸mmABC陶瓷拉西环陶瓷拉西环91.36104-0.341.2412.54.48104-0.241.24252.39103-0.101.24501.510301.24弧鞍弧鞍12.52.55104-0.451.11252.11103-0.141.112023/12/2977默里奇经验公式适用范围：(1)常压操作，操作气速为液泛气速的2585%；(2)高回流比操作；(3)相对挥发度不大于4，组分扩散系数相近；(4)分段填料层高度为1.02.0m，塔径为0.10.8m，填料尺寸不大于塔径的1/8。2023/12/2978填料塔与板式塔比较与选用填料塔与板式塔比较与选用填料塔操作范围比较小
26、，对于液体负荷的变化特别敏感。当液体负荷较小时，填料表面不能很好地润湿；当液体负荷过大时，容易产生液泛。板式塔具有较大的操作范围。填料塔不宜处理含固体悬浮物的物料，而某些类型的板式塔（如大孔径穿流板塔）可以有效地处理这种物料。另外，板式塔的清洗亦比填料塔方便。当气液接触过程中需要冷却以移除反应热或溶解热时，填料塔因涉及液体均布问题而使结构复杂化，板式塔可方便地在塔板上安装冷却盘管。填料塔直径可以很小。板式塔直径一般不小于0.6m。2023/12/2979填料塔与板式塔比较与选用填料塔与板式塔比较与选用板式塔的设计比较准确可靠，可以取较小的安全系数。塔径不大时，填料塔因结构简单而造价便宜。填料塔适用于易起泡物系和腐蚀性物系，因填料对泡沫有限制和破碎的作用。对热敏性物系宜采用填料塔，因为填料塔内的滞液量比板式塔少，物料在塔内的停留时间相对短。填料塔的压降比板式塔的小，因而对真空操作更为适宜。2023/12/2980*812023/12/2981