塔设备.docx

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塔设备

10气液传质设备

一、分类：

（一）、按接触方式分：

逐级接触式、微分接触式。

（二）、按结构分：

板式塔、填料塔。

10．1板式塔

10．1．1概述

一、分类：

逆流式塔板：

又称穿流塔板（如栅板、淋降筛板）。

没有降液管、结构简单，操作弹性差，效率低

错流式塔板：

泡罩塔：

不易漏液，操作弹性好，复杂，价高、压降大、气速低，生产能力不大。

筛板塔：

结构简单，价低，压降小，生产能力及效率较高，操作弹性较小。

浮阀塔：

生产能力大，操作弹性大，效率高，结构复杂，对材料要求高。

舌形塔：

开孔率较大，生产能力较大，气液接触较充分，易泄漏，气相夹带严重。

浮动喷射塔：

生产能力大，弹性大，压降小，持液量少，入口易漏。

易吹干，结构复杂。

浮舌塔：

操作弹性大，压降小，易损，性能不稳定。

二、板式塔组成

（一）、设计原则：

①．在总体上使两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。

②．在每一块塔板上两相呈均匀的错流接触，在塔内形成一个对传质过程最有利的理想流动条件，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，减小传质阻力。

为了实现这一个设计意图（原则）板式塔必须有以下4个构件：

1．塔板：

提供气液相充分接触的场所。

其有下列几部分。

1．气体通道—筛孔：

提供气体上升通道。

2．溢流堰：

保证清液高度，提供充分的接触表面。

3．降液管：

提供液体下降通道。

2．塔筒：

固定塔板，保证气液在一定范围内接触。

3．再沸器：

提供热量，加热液体，产生气相。

4．冷凝器：

冷凝气相，产生回流液及产品。

10．1．2塔板上气液接触状态：

1．鼓泡接触状态：

当孔速很低时，此因塔板上存在大量清液，故气泡数量较少，液层内气泡之间很少相互合并，只有在表面才有，此时，接触面积为气泡表面，由于气泡少，湍动程度低，故传质阻力大。

2．泡沫接触状态：

随孔速增大，气泡数量急剧增加，从而不断碰撞、合并与破裂，此时，液体大部分是以液膜形式存在于气泡之间，故传质面积是液膜表面。

这种液膜高度湍动不断合并和破裂，为两相传质创造良好的流体力学条件。

此时，液体仍为连续相，气体为分散相。

3．喷射接触状态：

当孔速继续增加时，塔板上的液体被破碎成许多大小不相等的液滴，而抛于塔板上空，此时，两相传质面积是液滴的外表面。

液滴的多次形成与合并使传质表面不断更新，也为两相传质创造了良好的流体力学条件，此时，液体为分散相，气体为连续相。

可见，工业上经常利用的两种接触状态，其特征分别是不断更新的液膜表面和不断更新的液滴表面。

10．1．3气体通过筛板的阻力损失

不同塔板有不同的计算公式，其大小主要与下列因素有关：

1．板间距

2．塔板上、下两侧的压差，即板压降，其由下列两大部分组成：

板压降：

hf=hd+hl

干板压降hd：

其与孔速平方成正比。

穿过板上液层的阻力损失：

①克服板上泡沫层的静压的压降。

②形成气液界面的能量消耗。

③通过液层的摩擦阻力损失。

10．1．4筛板塔内气液两相的非理想流动

一、空间上的反向流动

1、液沫夹带：

下层小液滴的一部分被上升的气流夹带到上层塔板的现象

2、气泡夹带：

由于下流液体在降液管内的停留时间不够，其所含气泡来不及破裂解脱而被卷入层塔板的现象。

二、空间上的不均匀流动

1、气体沿塔板的不均匀流动

2、液体沿塔板的不均匀流动

10．1．5板式塔的不正常操作现象

1、夹带液泛，产生原因是气速过大

2、溢流液泛，产生原因是下降的液体流量过大或降液堵塞

3、漏液，产生原因是气速过小

10．1．6板效率的各种表示方法及其应用

yn

n

一、点效率

n+1xnyn+1

xn+1

基本假定：

在垂直方向上混合均匀

二、单板效率（默弗里板效率）

当板上液体完全混合时EOG=EMV

就EMV而言以（yn* —yn）作为衡量气相增浓程度的标准，而yn*是与第n块板液相最终组成xn成平衡的气相组成，xn-1>xn故当板上液体混合不均匀时,yn有可能大于yn* 

板效率与点效率的区别：

1.EMV中yn*系与离开板上的液体的平均组成成平衡之气相组成，而EOG中y*为与板上某点液体组成x成平衡之气相组成。

2.EOG中y为离开板上某点气体组成，而EMV中yn是板上各点离开液层的气体的平均组成。

所以，当液体在垂直方向和水平方向混合均匀时，板上各点液体组成相同，则①消失，塔板上各处液相相同，必使进入塔板的气体组成相同→各点效率相同→②消失。

可见，板效率的数据不仅与点效率（即两相接触状况）有关，而且与下述两种流动因素也有关。

（1）塔板上液体的返混。

（2）塔板上两相的不均匀流动。

由此可知：

减少返混，增加气液流动的均匀性都能提高EMV。

*湿板效率：

在回流下，Yn+1=Xn,Yn=Xn-1

三、全塔效率：

10．1．7提高塔板效率的措施

从设计上考虑：

1、结构参数的恰当选择：

D、HT、堰长、降液管尺寸等，其中以下两点应特别注意：

1）孔率及孔径→适应物系性质的气液接触状态：

表面张力接触状态

δ轻<δ重泡沫接触状态

δ轻>δ重喷射接触状态

2）置倾斜进气装置，使全部或部分气液斜向进入液层,优点：

（a）动量→落差↓

（b）流动均匀

（c）液沫夹带↓

2、从上考虑操作：

根据负荷性能图确定合理的操作参数

1—过量液沫夹带线

V2—漏液线

13—液泛线

4—液量下限线

435—液量上限线，大于此经，液体

在降液管内停留时间太短。

5

2

L

当塔在一定的液气比L/V下操作时，塔内两相流量关系为过原点，斜率为V/L的直线与图之两个交点，分别表示塔的上、下操作极限，上、下操作极限气体流量之比称为塔板的操作弹性。

10．1．9筛板塔的设计

1、板面布置：

为了取得良好的设计效果，板面布置必须合理；塔板面积由以下五大部分组成：

3．有效传质区

4．降液区

5．入口安定区

6．出口安定区

7．边缘区

以上各面积的分配比例与塔径及液流形式有关。

在塔板设计时在允许的条件下，应尽量增大有效传质面积。

当堰长及D之比已定时，溢流管面积与总面积之比可以求出。

对弓形降液管。

2．主要设计参数

1．塔直D

2．板间距HT

3．溢流形式，长度lW与高度hW

4．降液管形式，降液管底部出口与塔板距离hO

5．液体进、出口安定区的宽度WS’、WS，边界区宽度WC

6．孔径do、孔距t

3．设计程序

1）定HT、D

2）据初定D对塔板进行详细设计。

3）对所设计的塔板进行各种校核。

（1）HT、D初定

HT选择取决于制造和维修方便，初选定HT后，可根据夹带液泛条件初定D，不同D的HT常有资料提供参考数据。

流量

空速

（2）塔板详细设计

（Ⅰ）溢流堰的形式和高度（hw）（液高）how≤6mm→齿形堰

（Ⅱ）降液管和受液盘的结构及有关尺寸的选择。

（Ⅲ）安定区和边缘区宽度的选择。

入口WS’=50—100mm出口WS一般与WS’相等，但亦可不同。

WC≈25—50mm

（Ⅳ）孔径及开孔率的选择

（3）塔板的校核

（Ⅰ）板压降的校核

（Ⅱ）液沫夹带的校核

（Ⅲ）溢流液泛条件校核

（a）Hfd=Hd/ф

Hfd——降液管内泡沫层高度

Hd——降液管内清液高度

ф——降液管内液体相对泡沫密度，

一般取ф=0.5

（b）液面落差Δ

（C）降液管阻力

（d）液体在降液管内停留时间校核τ>3—5（s）

（e）漏液点校核

10．2填料塔

填料塔是一种应用很广泛的气液传质设备，与板式塔相比，填料的基本特点是结构简单，压降小，填料易用耐腐蚀材料制造，操作弹性大。

10．2．1填料塔的结构及填料特性

（一）填料塔的结构：

填料、支承板、液体分布器、液体再分布器、除沫器、塔筒。

1．填料是填料塔的核心：

其作用是提供气液两相接触的面积即传质面积，以便进行传质，其性能的好坏决定塔操作性能的好坏，故为使填料塔充分发挥应有的效能，填料应符合以下几个特性

1有较大比表面积（a）

2空隙率ε较大

3填料的几何形状

4易制造，造价低、即经济性

填料的类型：

实体填料与网体填料

实体填料：

环形填料：

拉西环、鲍尔环、阶梯环

鞍形填料：

弧鞍、矩鞍。

网体填料：

鞍形网、θ网、波纹网等。

2．支承板：

支承塔内的填料，同时又保证气液两相顺利通过，设计不当液泛可能首先在支承板发生

3．液体分布器：

使液体均匀分布在填料上，防止或减少偏流、沟流现象。

4．液体再分布器：

改善向壁偏流效应造成的液体分布不均。

5．除沫器：

除去由填料顶部逸出的气体中的液滴

10．2.2气液两相在填料层内的流动

一、液体成膜的条件

бLS+бGL〈бGS

бLS、бGL、бGS-分别为液固、气液、气固的界面张力

上式两端的差值越大，表明填料表面越容易被该种液体润湿。

二、填料塔内液膜表面的更新

三、填料塔内的液体分布

由于重力作用液体在填料表面作膜状流动，当液量一定时其流速取决于流动阻力，而流动阻力则来自于液膜与填料表面及液膜与上升气流之间的摩擦。

液膜的厚度与液体流量及气体流量有关，但气速较小时，则主要由液体流量决定。

液体在流经足够长的一段填料后，将形成一个发展了的液体分布，称为填料的特征分布。

喷淋密度越大，特征分布越均匀。

因此，在设计时要注意下列两种分布的不均匀性：

1、初始分布不均匀性；

2、填料层内液流的不均匀性，此时尤其要注意壁流现象。

持液量：

在填料塔中流动的液体占有一定的体积，操作时单位填充体积所具有的液体量。

喷淋密度大，持液量大，气体流量对持液量影响不大。

四、气体在填料层内的流动

通过测定可知：

当气液两相逆流流动时，液膜有一定厚度，占有一定的空间，当气体流量一定时，液体流量大，液膜厚，压降大。

如图：

lgΔΡL3>L2>L1L3

由图可知：

B3L2L=0

i.

对于干填料，ΔΡ∝u1。

8~2。

0泛点B2L1

ii.对湿填料：

B1

A、当气速较低时，ΔΡ∝u1。

8~2。

0A3

此时填料表面液膜厚度不变→载点A2

持液量不变→叫恒持液量区A1

B、当气速增大时，因气速增大引起

的液膜增厚→压降有显著增大，

斜率>2,即说明。

C、当气速增大到一程度时（超过载点lgu

气速），由于气液两相交互作用越

来越强烈，而且当其继续增大，两相交互作用形成恶性循环，持液量上升导致液泛。

此时压降曲线明显变为垂直的转折点即→泛点气速，气相→分散，液相→连续。

10．2．3填料塔的传质（自学）

10．2．4填料塔的计算

（一）塔径：

（二）塔高：

1．传质单元法：

Z=传质单元高度×传质单元数=

2．等板高度法：

Z=等板高度×理论板层数

10．2．5填料塔与板式塔的比较

1、填料塔操作范围较小。

对液体负荷变化更为敏感，而设计良好的板式塔，则具有大得多的操作范围。

2、填料塔不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料

3、填料塔不易除去热量，而板式塔则较方便，填料塔侧线出料不方便。

4、填料塔的资料不如板式塔多，设计也不如板式塔成熟。

5、Ｄ较小时，填料塔简单、便宜。

6、填料塔更适合于易起泡物系、腐蚀物系、热敏性物系。

7、塔压降低→对真空操作有利。