(8.7)-氣液傳質(zhì)設(shè)備化工原理緒論化工原理

第十一章

氣液傳質(zhì)設(shè)備一、板式塔的構(gòu)造二、塔板效率第一節(jié)

板式塔2023/12/291氣液傳質(zhì)設(shè)備逐級接觸式連續(xù)接觸式板式塔填料塔2023/12/292一、板式塔的構(gòu)造進料回流液塔頂氣相塔底液相板式塔內(nèi)流體的流動2023/12/2931、板式塔的結(jié)構(gòu)2023/12/2941）塔板的構(gòu)造篩孔降液管溢流堰（剖面圖）2023/12/295降液管受液區(qū)溢流堰安定區(qū)開孔區(qū)俯視圖2023/12/2962023/12/2972023/12/2982）塔板類型a）泡罩塔板2023/12/299優(yōu)點：塔板操作彈性大，塔效率比較高，不易堵。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，塔板阻力大,生產(chǎn)能力小。2023/12/2910b）篩孔塔板2023/12/2911優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低、塔板阻力小缺點：操作彈性小。2023/12/2912c）浮閥塔板2023/12/29132023/12/29142023/12/2915優(yōu)點：浮閥可以根據(jù)氣體流量，自動調(diào)節(jié)閥的開度，提高了塔板的操作彈性、降低塔板的壓降，并具有較高塔板效率，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。缺點：浮閥易脫落或損壞。浮閥的工作原理2023/12/2916d）舌型塔板

2023/12/2917右圖是一種噴射型塔板。其結(jié)構(gòu)是在塔板上沖出若干按一定排列的舌形孔，舌片向上張角

以20°左右為宜。20=ao50R25氣相優(yōu)點：氣流由舌片噴出并帶動液體沿同方向流動。氣液并流避免了返混和液面落差，塔板上液層較低，塔板壓降較小。氣流方向近于水平。相同的液氣比下，舌形塔板的液沫夾帶量較小，故可達較高的生產(chǎn)能力。缺點：張角固定，在氣量較小時，經(jīng)舌孔噴射的氣速低，塔板漏液嚴(yán)重，操作彈性小。液體在同一方向上加速，有可能使液體在板上的停留時間太短、液層太薄，板效率降低。2023/12/2918斜孔塔板是在舌形塔板上發(fā)展的，斜孔的開口方向與液流垂直且相鄰兩排開孔方向相反，既保留了氣體水平噴出、氣液高度湍動的優(yōu)點，又避免了液體連續(xù)加速，可維持板上均勻的低液面，從而既能獲得大的生產(chǎn)能力，又能達到好的傳質(zhì)效果。e)斜孔塔板浮舌塔板為使舌形塔板適應(yīng)低負荷生產(chǎn)，提高操作彈性，研制出了可變氣道截面的浮舌塔板。19R20R1683731o20降液管a斜孔結(jié)構(gòu)b塔板布置受液區(qū)導(dǎo)向孔2023/12/29193）塔板的比較

塔板性能比較

塔板類型

相對生產(chǎn)能力

相

對板效率

操作彈性壓降

結(jié)構(gòu)相對成本

泡罩板

1.0

1.0

4～5

高

復(fù)雜

1.0

篩板

1.2～1.4

1.1

2～3

低

最簡單

0.4～0.5

浮閥板

1.2～1.3

1.1～1.2

3～4中

一般

0.7～0.8

舌型塔板

1.3～1.5

1.1

2～3

低

簡單

0.5~0.6

斜孔板

1.5～1.8

1.1

2～3低

簡單

0.5

2023/12/2920各種塔板的優(yōu)點及適用范圍

優(yōu)點缺點適用范圍塔板類型

泡罩板

較成熟，操作范圍寬

結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻力大，生產(chǎn)能力低

某些要求操作彈性好的特殊塔

浮閥板

效率高，操作范圍寬

采用不銹鋼，浮閥易脫落

分離要求高，負荷變化大篩板

效率較高，成本低

安裝要求水平,易堵,操作范圍窄

分離要求高,塔板較多舌型板

結(jié)構(gòu)簡單,生產(chǎn)能力大

操作范圍窄，效率較低

分離要求較低的閃蒸塔

斜孔板

生產(chǎn)能力大,效率高

操作范圍比浮閥塔和泡罩塔窄

分離要求高，生產(chǎn)能力大

2023/12/2921二、塔板效率1、塔板效率的表示法

1）總板效率E(

全塔效率）達到指定分離效果所需理論板數(shù)與實際板數(shù)的比值。

簡單地反映了整個塔內(nèi)的平均傳質(zhì)效果。2）單板效率EM(默弗里效率)

直接反映該層塔板的傳質(zhì)效果

2023/12/2922單板效率的數(shù)值有可能大于100%嗎？

3）點效率EO

操作線平衡線ynyn-yn+12023/12/2923點效率與單板效率的區(qū)別：點效率中的y、y*為塔板上某點的氣相組成和平衡組成；單板效率中的yn為離開塔板的氣相平均組成、yn*為與xn成相平衡的氣相平均組成。單板效率與全塔效率的區(qū)別：單板效率反映的是該層塔板的傳質(zhì)效果，全塔效率反映的是整個塔板的平均傳質(zhì)效果。2023/12/29242、塔板效率的估算

1）塔板效率的影響因素

a）物系性質(zhì)：粘度、密度、表面張力及相對揮發(fā)度等。b）塔板結(jié)構(gòu)：塔徑、板間距、堰高及開孔率等。

c）操作條件：溫度、壓強、氣體上升速度及氣液流量比

2）板效率的估算

奧康內(nèi)爾（O’connell）關(guān)聯(lián)方法①精餾塔：采用相對揮發(fā)度

與液相粘度

L

的乘積為參數(shù)來表示全塔效率

ET：2023/12/2925

與

L

取塔頂與塔底平均溫度下的值。對多組分物系，取關(guān)鍵組分的

。液相的平均粘度

L

可按下式計算②吸收塔：采用HP/

L

作為參數(shù)來表示全塔效率ET：H—塔頂塔底平均溫度下溶質(zhì)的溶解度系數(shù)，kmol/(m3

kPa)P—操作壓強，kPa；

L

—塔頂塔底平均組成及平均溫度下的液相粘度，mPas

。2023/12/2926三、板式塔的流體力學(xué)性質(zhì)1、塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)

當(dāng)氣速較低時，氣體以鼓泡形式通過液層。由于氣泡的數(shù)量不多，板上為以液體為主的氣液混合物，氣液兩相接觸的表面積不大，傳質(zhì)效率很低。1）鼓泡接觸狀態(tài)2023/12/29272）蜂窩接觸狀態(tài)

隨著氣速的增加，氣泡的數(shù)量不斷增加。當(dāng)氣泡的形成速度大于氣泡的浮升速度時，氣泡在液層中累積。小氣泡相互合并形成各種多面體的大氣泡，板上為以氣體為主的氣液混合物。由于氣泡不易破裂，表面得不到更新，因此該狀態(tài)不利于傳熱和傳質(zhì)。2023/12/29283）泡沫接觸狀態(tài)

氣速繼續(xù)增加，氣泡數(shù)量急劇增加，氣泡不斷發(fā)生碰撞和破裂，此時板上液體大部分以液膜的形式存在于氣泡之間，形成一些直徑較小，擾動十分劇烈的泡沫。由于泡沫接觸狀態(tài)的表面積大，并不斷更新，為兩相傳熱與傳質(zhì)提供了良好的條件，是一種較好的接觸狀態(tài)。2023/12/29294）噴射接觸狀態(tài)

當(dāng)氣速繼續(xù)增加，氣體把板上的液體向上噴成大小不等的液滴，直徑較大的液滴受重力作用又落回到板上，直徑較小的液滴被氣體帶走，形成液沫夾帶。此時塔板上的氣體為連續(xù)相，液體為分散相，兩相傳質(zhì)的面積是液滴的外表面。由于液滴回到塔板上又被分散，這種液滴的反復(fù)形成和聚集，使傳質(zhì)面積大大增加，而且表面不斷更新，也是一種較好的接觸狀態(tài)。2023/12/29302、氣體通過塔板的壓降塔板壓降干板壓降液層阻力壓降增大接觸時間↑板效率↑板數(shù)↓設(shè)備費↓塔釜溫度↑能耗↑操作費↑

保證較高效率的前提下，力求減小塔板壓降，以降低能耗和改善塔的操作?？朔迳吓菽瓕拥撵o壓力克服氣液界面的表面張力通過液層的摩擦阻力損失2023/12/29313、塔板上的液面落差液面落差Δ：塔板進、出口側(cè)的清液高度差液面落差氣流的不均勻分布嚴(yán)重漏液板效率下降與塔板結(jié)構(gòu)、塔徑、流量有關(guān)。2023/12/2932四、板式塔的操作特性1、塔板上的異常操作現(xiàn)象1）漏液2023/12/2933漏液兩相在塔板上的接觸時間↓板效率↓嚴(yán)重漏液：漏液量大于液體流量的10%。漏液氣速：發(fā)生嚴(yán)重漏液時的氣體速度。——板式塔操作的下限氣速原因：氣速太小、板面上液面落差引起的氣流分布不均勻2023/12/29342）液沫(霧沫)夾帶現(xiàn)象：液滴隨氣體進入上層塔板。影響因素空塔氣速：空塔氣速減小，液沫夾帶量減小塔板間距：板間距增大，液沫夾帶量減小后果：過量液沫夾帶，造成液相在板間的返混，板效率下降控制：液沫夾帶量eG＜0.1kg(液)/kg(氣)。2023/12/29353）液泛液泛液沫夾帶液泛降液管液泛原因：氣液兩相流速過大影響因素：流量、塔板結(jié)構(gòu)板間距增大液泛速度提高G過大L過大2023/12/29362、塔板的負荷性能圖GL線1:

液沫夾帶線線2:

液泛線線3:

液相負荷上限線線4:

漏液線線5:

液相負荷下限線1，2，3，4，5五條線所包圍的區(qū)域，即是一定物系在一定的結(jié)構(gòu)尺寸塔板上正常操作區(qū)。

2023/12/2937負荷性能圖的分析

C操作點操作線操作極限VGL2023/12/2938操作彈性：兩極限的氣體/液體流量之比

操作點位于操作區(qū)內(nèi)的中間位置可獲得良好的操作適應(yīng)性不同的塔板，操作情況不同，控制負荷上下限的因素也不同物系一定時，負荷性能圖中各線的相對位置隨塔板尺寸而變例：加大板間距或增大塔徑可使液泛線上移，

增加降液管截面積可使液相上限線右移，

減少塔板開孔率可使漏液線下移。2023/12/2939塔板的操作彈性：或2023/12/2940第七章

氣液傳質(zhì)設(shè)備一、填料塔的結(jié)構(gòu)與填料特性

二、填料塔的附件第二節(jié)

填料塔2023/12/2941一、填料塔的結(jié)構(gòu)與填料特性

1、填料塔的結(jié)構(gòu)

2023/12/29422、填料特性

1）比表面積

單位體積填料層的填料表面積，以σ表示

；單位：m2/m3。

同一種填料，尺寸愈小，比表面積愈大。

2）空隙率

單位體積填料層空隙的體積，以ε表示；單位為m3/m3。

填料的空隙率大，氣液通過能力大，氣體流動阻力小。

3）填料因子

表示填料的流體力學(xué)性能，以干填料因子

濕填料因子

2023/12/29433、填料類型

堆放方式

亂堆填料

規(guī)整填料

拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、鞍形、θ網(wǎng)環(huán)

波紋板、波紋網(wǎng)

基材

實體填料

網(wǎng)體填料

環(huán)形填料（拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)）、鞍形填料（弧鞍、矩鞍）、柵板

θ網(wǎng)、波紋網(wǎng)

2023/12/29441）拉西環(huán)（Raschingring）

最早使用的一種填料，為高徑比相等的陶瓷和金屬等制成的空心圓環(huán)。1、亂堆填料2023/12/2945優(yōu)點：易于制造，價格低廉，研究較為充分，在過去得到了廣泛的應(yīng)用。缺點：形狀規(guī)則，堆積時填料間易形成線接觸，故液體常存在嚴(yán)重的溝流和壁流現(xiàn)象。且拉西環(huán)填料的內(nèi)表面潤濕率較低，因而傳質(zhì)速率也不高。為此，在拉西環(huán)基礎(chǔ)上衍生了θ環(huán)、十字環(huán)及螺旋環(huán)等，其基本改進是在拉西環(huán)內(nèi)增加一些結(jié)構(gòu)，以增大填料的比表面積。2023/12/2946θ環(huán)十字環(huán)2023/12/29472）鮑爾環(huán)(Pallring)

在環(huán)的側(cè)壁上開兩層長方形小孔，小孔的母材并不脫離側(cè)壁而是形成向內(nèi)彎的葉片。上下兩層長方形小孔位置交錯。2023/12/2948鮑爾環(huán)因為具有優(yōu)良性能，因而應(yīng)用十分廣泛?？捎山饘倩蛩芰现瞥伞Ｓ捎趥?cè)壁上開有小孔可供氣液流通，與拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)內(nèi)壁面得以充分利用。因此，鮑爾環(huán)不僅具有較大的生產(chǎn)能力和較低的壓降，且分離效率較高，溝流現(xiàn)象也大大降低。2023/12/29493）弧鞍與矩鞍（berlsaddleandintoloxsaddle）

弧鞍一種表面全部展開的具有馬鞍形狀的瓷質(zhì)填料(馬鞍填料)。弧鞍填料在塔內(nèi)呈相互搭接狀態(tài)，形成弧形氣體通道。2023/12/2950優(yōu)點：空隙率高，氣體阻力小，液體分布性能較好，填料性能優(yōu)于拉西環(huán)。缺點：相鄰填料易相互套疊，使填料有效表面降低，從而影響傳質(zhì)速率。并且強度較差，容易破碎。2023/12/2951矩鞍環(huán)的形狀介于環(huán)形與鞍形之間，因而兼有兩者之優(yōu)點，這種結(jié)構(gòu)有利于液體分布和增加氣體通道。矩鞍填料克服了弧鞍填料相互套疊的缺點，填料的均勻性得到改善。液體分布均勻，氣液傳質(zhì)速率高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一種瓷質(zhì)填料。矩鞍2023/12/29524）階梯環(huán)(cascademinirings)

階梯環(huán)的結(jié)構(gòu)與鮑爾環(huán)相似，環(huán)壁上開有長方形小孔，環(huán)內(nèi)有兩層交錯45°的十字形葉片，環(huán)的高度為直徑的一半，環(huán)的一端成喇叭口形狀的翻邊。2023/12/2953這樣的結(jié)構(gòu)使得階梯環(huán)填料的性能在鮑爾環(huán)的基礎(chǔ)上又有提高，其生產(chǎn)能力可提高約10%，壓降則可降低25%，且由于填料間呈多點接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象。階梯環(huán)一般由塑料和金屬制成，由于其性能優(yōu)于其它側(cè)壁上開孔的填料，因此獲得廣泛的應(yīng)用。2023/12/29545）金屬鞍環(huán)

有環(huán)形與鞍形的結(jié)構(gòu)特點，生產(chǎn)能力大、壓降低、液體分布性能好、傳質(zhì)速率高、操作彈性大，在減壓蒸餾中其優(yōu)勢更為顯著。2023/12/2955波紋板2、規(guī)整填料規(guī)整填料一般由波紋狀的金屬網(wǎng)絲或多孔板重疊而成。使用時根據(jù)填料塔的結(jié)構(gòu)尺寸，疊成圓筒形整塊放入塔內(nèi)或分塊拼成圓筒形在塔內(nèi)裝砌。波紋網(wǎng)2023/12/2956優(yōu)點：空隙大，生產(chǎn)能力大，壓降小。流道規(guī)則，只要液體初始分布均勻，則在全塔中分布也均勻，因此規(guī)整填料幾乎無放大效應(yīng)，通常具有很高的傳質(zhì)效率。缺點：造價較高，易堵塞、難清洗，因此工業(yè)上一般用于較難分離或分離要求很高的情況。2023/12/2957二、填料塔的附件

1、填料支承裝置

2023/12/29582023/12/29592、液體分布裝置a)管式噴淋器

2023/12/2960b)彈濺式噴淋器2023/12/2961b)齒槽式噴淋器2023/12/29623、液體再分布裝置

升氣管式液體再布器2023/12/2963齒槽式液體再布器2023/12/29644、液體收集裝置

斜板式液體收集器2023/12/29655、除沫裝置

折板式除沫器2023/12/2966絲網(wǎng)除沫器2023/12/2967lg(Δp/z)lgu三、填料塔的流體力學(xué)性能

1、氣體通過填料層的壓強降

載點泛點恒持液量區(qū)載液區(qū)液泛區(qū)2023/12/29682023/12/29692、壓降的計算

——?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖100.011.00.10.060.040.020.20.40.6234680.0010.010.10.080.060.020.040.80.0061.00.0020.0080.0040.60.40.24050200015020030040050010001001500整砌拉西環(huán)泛點線散堆填料泛點線Δp/z2023/12/29703、潤濕性能

液體的噴淋密度：單位時間在單位塔截面上噴淋的液體體積。

潤濕速率：在塔的截面上，單位長度的填料周邊上液體的體積流量。

泛點率：塔內(nèi)操作氣速與液泛氣速的比值，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條件下，單位體積填料層內(nèi)的液體體積。靜持液量：填料表面被充分潤濕后，在靜止?fàn)顟B(tài)下能附著在填料表面的液體體積。總持液量：在一定操作條件下，單位體積填料層中液體總體積。動持液量：總持液量與靜持液量間的差值。5、氣體動能因子定義式：氣體動能因子是填料塔重要的操作參數(shù)。2023/12/29721、塔徑填料塔的直徑可根據(jù)圓形管道內(nèi)的流量公式計算式中：Vs

——操作條件下氣體體積流量，m3/s；

u——操作條件下的空塔氣速，m/s。

一般取u=(0.5~0.8)uF。液泛氣速uF

可用?？颂?Eckert)壓降關(guān)聯(lián)圖估算。一般填料塔的操作氣速大致在

0.2~1.0m/s。按上式算出的塔徑，應(yīng)按壓力容器公稱直徑進行圓整，如圓整為600、700、800、1000、1200mm等。四、填料塔塔徑與塔高的計算2023/12/2973驗算液體噴淋密度，以確保填料能得到充分的潤濕。填料塔的液體最小噴淋密度與填料的比表面積σ有關(guān)，其關(guān)系為：式中：Umin——最小噴淋密度，m3/(m2

s)；

(Lw)min——最小潤濕速率，m3/(m

s)。最小潤濕速率：在塔橫截面上，單位長度的填料周邊上潤濕填料所需最少液體的體積流量。直徑<45mm的拉西環(huán)及其它填料，(Lw)min=0.08m3/(m

h)；直徑>45mm的環(huán)形填料，(Lw)min=0.12m3/(m

h)。實際噴淋密度應(yīng)大于最小噴淋密度。若不能滿足此條件，可采用增大回流比或液體再循環(huán)等方法加大塔內(nèi)液體流量，或適當(dāng)提高氣速，減小塔徑等。2023/12/2974取決于所需的填料層高度及塔內(nèi)附屬構(gòu)件所需的高度。附屬構(gòu)件(如氣液分布裝置，除沫器及液體再分布器等)的高度要由所選的類型和計算的尺寸來確定。填料層的高度通常采用傳質(zhì)單元法或等板高度法進行計算。等板高度(HETP)：等價為一層理論板的填料層高度。等板高度的大小，反映了填料傳質(zhì)效率的高低。若完成分離任務(wù)所需的理論板數(shù)為N，則填料層高度h為2、塔高2023/12/2975等板高度一般要通過實驗來測定當(dāng)缺乏實驗數(shù)據(jù)時，也可以采用默里奇經(jīng)驗公式來估算：

G

——氣體的空塔質(zhì)量速度，kg/(m2

h)；

——相對揮發(fā)度；

D——塔徑，m；

L——液體粘度，mPa

s；

Z——分段填料層高度，m；

L