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汽液传质设备

第九章汽液传质设备

本章学习要求

1．熟练掌握的内容

板式塔内气液流动方式；板式塔塔板上气液两相非理想流动；板式塔的不正常操作，全塔效率和单板效率；板式塔塔高和塔径的计算；填料塔内流体力学特性；气体通过填料层的压降；泛点气速的计算；填料塔塔径的计算。

2．理解的内容

板式塔的主要类型与结构特点，板式塔塔板上气液两相接触状况；筛板塔溢流装置的设计及踏板板面布置；筛板塔塔板校核；筛板塔负荷性能图的绘制及其作用；填料塔的结构；填料及其特性。

3．了解的内容

气液传质设备类型与基本要求；填料塔的附件；板式塔与填料塔的比较。

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§9.1气液传质设备类型与基本要求

塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。

塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。

因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。

根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。

板式塔内沿塔高装有若干层塔板（或称塔盘），液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。

气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。

填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。

液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。

气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。

目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。

蒸馏操作的规模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。

气液传质设备的性能通常由以下几个要素表示：

1．塔设备的生产能力或通过能力：

指单位时间单位塔截面积上的处理量或气液流量。

2．传质效率：

对板式塔而言，传质效率通常用塔板效率来衡量，即实际塔板与理论塔板分离能力之比；对填料塔而言，传质效率通常用传质单元高度，即完成一个传质单元所需要的填料层高度来表示。

3．流体阻力：

指气体通过每层塔板或每米填料层高度的压降。

4．塔设备的操作弹性：

指最大气速负荷与最小气速负荷之比，其值的大小表明塔对负荷变化的适应能力。

5．塔的设备投资与操作成本、安装及维修方便等因素。

本章重点介绍板式塔的塔板类型，分析操作特点并讨论浮阀塔的设计，同时还介绍各种类型填料塔的流体流体力学特性和计算。

§9.2板式塔

9.2.1板式塔主要类型的结构和特点

工业上常用的板式塔有：

泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流栅孔板塔

浮阀塔具有的优点：

生产能力大，塔板效率高，操作弹性大，结构简单，安装方便。

9.2.2板式塔的流体力学特性

1、塔内气、液两相的流动

A使气液两相在塔板上进行充分接触以增强传质效果

B使气液两相在塔内保持逆流，并在塔板上使气液量相保持均匀的错流接触，以获得较大的传质推动力。

2、气泡夹带：

液体在下降过程中，有一部分该层板上面的气体被带到下层板上去，这种现象称为气泡夹带。

3、液（雾）沫夹带：

气体离开液层时带上一些小液滴，其中一部分可能随气流进入上一层塔板，这种现象称为液（雾）沫夹带。

4、液面落差

液体从降液管流出的横跨塔板流动时，必须克服阻力，故进口一侧的液面将比出口这一侧的高。

此高度差称为液面落差。

液面落差过大，可使气体向上流动不均，板效率下降。

5、气体通过塔板的压力降

压力降的影响：

A气体通过塔板的压力降直接影响到塔低的操作压力，故此压力降数据是决定蒸馏塔塔底温度的主要依据。

B压力降过大，会使塔的操作压力改变很大。

C压力降过大，对塔内气液两相的正常流动有影响。

压力降：

ΔPP=ΔPC+ΔPL+ΔPδ

塔板本身的干板阻力ΔPC

板上充气液层的静压力ΔPL

液体的表面张力ΔPδ

折合成塔内液体的液柱高度M，则

ΔPP/Lg=ΔPC/Lg+ΔPL/Lg+ΔPδ/Lg

即hp=hc+hL+hδ

浮阀塔的压力降一般比泡罩塔板的小，比筛板塔的大。

在正常操作情况，塔板的压力降以290—490N/m2.在减压塔中为了减少塔的真空度损失，一般约为98—245Pa通常应在保证较高塔板效率的前提下，力求减少塔板压力降，以降低能耗及改善塔的操作性能。

6、液泛（淹塔）

汽液量相中之一的流量增大到某一数值，上、下两层板间的压力降便会增大到使降液管内的液体不能畅顺地下流。

当降液管内的液体满到上一层塔板溢流堰顶之后，便漫但上层塔板上去，这种现象，称为液泛（淹塔）

如气速过大，便有大量液滴从泡沫层中喷出，被气体带到上一层塔板，或有大量泡沫生成。

如当液体流量过大时，降液管的截面便不足以使液体及时通过，于是管内液面即行升高。

上述两种情况导致液泛的情况中，比较常遇到的气体流量过大，故设计时均先以不发生过量液沫夹带为原则，定出气速的上限，在此限度内再选定一个合理的操作气速。

当气速增大到液滴所受阻力恰等于其净重时，液滴便在上升气流中处于稳定的悬浮状态。

因为d、ζ不易准确求得，

所以用C代替，即：

（1）史密斯关联图

横坐标：

 液气动能参数

纵坐标：

C20

参数：

HT－hL

（2）板间距HT

一般D<1.5m   HT=0.2～0.4m

   D>1.5m    HT=0.4～0.6m

（3）板上液层高度hL

常压 hL=0.05～0.1m   通常取0.05～0.08m

减压 hL≤0.025m

（4）

C20：

由图6—53查得的负荷稀疏值。

C：

操作物系的负荷系数。

δ：

操作物系的表面张力，N/m。

（5）适宜的空塔气速u，即：

u=（0.6～0.8）umax

对于直径较大、板间距较大及加压或常压操作的塔以及不易起泡物系，安全系数可取较高的数值，而对直径较小及减压操作的塔以及严重起泡的物系，安全系数应取较低的数值。

7、液沫夹带

是指板上液体被上升气流带入上一层塔板的现象。

为了保证板式塔能维持正常的操作效果，应使每千克上升气体夹埃到上一层塔板的液体联不超过0.1kg，即控制雾沫夹带量eV<0.1kg（液）/kg（气）。

影响雾沫夹带的因素很多，最主要的是空塔气速和塔板间距。

对于浮阀塔板上雾沫夹带量的计算，迄今尚无适用于一般工业塔的确切公式。

通常是间接地用操作时的空塔气速与发展液泛时的空塔气速的比值作为估算雾沫夹带量大小的指标。

此比值称为泛点百分数或称泛点率。

在下列泛点率数值范围内，一般可保证雾沫夹带量达到规定的指标，即eV<0.1kg（液）/kg（气）。

大塔         F1<80～82%

负压塔       F1<75～77%

D<900mm的塔,F1<65～75%

式中，F1：

泛点率，%。

     CV：

气相负荷系数，m3/s.

     VS,LS：

气相及液负荷，m3/s.

     ZL：

板上液体流径长度，对单溢流塔板ZL=D－2Wd.。

     Ab：

板上也流面积，对单溢流塔板AB=AT－Af。

     CF：

泛点负荷系数，可根据气相密度ρV及板间距HT查得。

     K：

物系系数。

依上式算得的泛点率不在上述范围内，则应当调整有关参数，如板间距、塔径，重新计算，直至符合上述泛点率规定的范围为准。

8、泄漏

但气相符合减少，致使上升气体通过阀孔的动压不足以阻止流体经阀孔流下时，便会出现泄漏现象。

泄漏发生，塔板效率严重下降，正常操作时，泄漏应不大于液体流量的10%。

经验证明，但阀孔动能因数F0=5～6时，泄漏量常接近10%。

故取F0=5～6作为控制泄漏量的操作下限。

当浮阀在刚全开操作，气体通过阀孔处的动能因数F0=8～11。

9、降液管内液面高度与液体停留时间

为了防止液泛现象的发生，须控制降液管中的清液层和泡沫层高度不能高出上层塔板的出口堰顶，否则年内液体便会漫回本层塔板，令：

一般物系取     Φ=0.5  

发泡暗中物系   Φ=0.3～0.4

不发泡物系     Φ=0.6～0.8

在降液观被1—1’和下一层板上

液面2—2’之间列柏努利方程，得：

要保证气相夹带不超过允许的程度，降液观内液体停留时间θ应不小于3—5S。

10、塔板的负荷性能图

确定了塔板的工艺尺寸，再按前述的各项进行流体力学验算，便可确认所设计的塔板能在的任务规定的气液负荷下正常操作，此时，还要进一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操作所允许的气液负荷波动，这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示，在以VS，LS分别为纵横轴的直角坐标系中，标绘出各种不正常流体力学条件下的VS—LS关系曲线，在以这些曲线为界的范围之内，才是塔的适宜操作区。

（1）、液沫夹带上限线AA’

液沫夹带上限线表示雾沫夹带量eV<0.1kg（液）/kg（气）时的VS—LS关系，塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将因过多的液沫夹带而使效率下降。

此线可根据下式作出，即：

对于一定的物系及一定的塔板结构尺寸CV，ZL，Ab，CF，K均为已知值，相应于雾沫夹带量eV<0.1kg（液）/kg（气）时的泛点率F1值亦可确定，将已知值代入，便可得出一个

的关系的函数式，据以作出AA’线。

（2）液泛线BB’（淹塔线）

此线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时的VS—LS关系，塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将可能发生液泛现象，破坏塔的正常操作。

将hc，hL，hl及hd的计算式代入上式，便可得出一个

的关系的函数式，据以作出BB’线，据以作出BB’。

（3）液相负荷上限线CD

亦称降液管超负荷线，此线表明液体流量大小应保证液体在降液管内停留时间的起码条件。

   θ不应小于3～5S，而按θ=5S计算，则：

依上式求得液相负荷上限LS的数值（常数），据以作出液相负荷上限线。

（4）泄漏线

气相负荷上限线，此线表明不发生严重泄漏现象的最低气相负荷，再低将产生超过液体量的10%泄漏量。

对于FI重阀，当阀孔动能因数F0=5～6时，泄漏量接近10%，即以此阀孔动能因数作为气相负荷下限的依据，按F0=5计算，则

式中ρV，N，d都为已知值，故可依上式求出气相负荷VS的下限值，据以作出一条水平的泄漏线DE。

（5）液相负荷下限线EE’

对于平堰，一般取堰上液层高度how=0.06mm作为液相符合下限条件，低于此限时，便不能保证板上恩流的均匀分布，见低气液接触效果。

式中：

Lh—塔内液体流量，m3/h.

      Lw—堰长，m。

      E—液流收缩稀疏，可从图6—57查得。

一般情况下可取E值为1。

所引起的误差不大。

将已知的LW值及hOW的下限值，便可求得的下限值（常数），据以作出EE’。

在负荷性能图上有五条线所包围的阴影区域，应是塔四用于出力指定物系时的适宜操作区域。

在此区域内，塔四上的流体力学状态是正常的，但区域内各点的板效率并不完全相同。

如果塔的预定气液负荷的设计点P能落在该区域内的适中位置，则可望获得良好的操作效果，如果操作电紧靠某一条标界线，则当负荷稍有变动便会使效率急剧下降，甚至破坏塔的操作。

三、板式塔的设计原则

带有降液管的板式塔型虽多，但各种结构塔型的设计原则大致相同，下面一浮阀塔为例来说明。

1、板上液体的流动形式

板上液体流动形式，主要根据塔径与液体流量来确定，常用的形式有：

U形流：

流体流径最长，塔板面积利用率也最高，但液面落差大，仅用于小塔。

单溢流：

又称直径流，液体流径长，塔板效率较高，塔板结构简单，广泛用于直径2.2m以下的塔。

双溢流：

又称半径流，可减小液面落差，但塔板结构复杂，一般用于直径2m以上的大塔。

阶梯式双溢流：

结构最复杂，只宜于塔径很大，流量很大的特殊场合。

总之，液体在塔板上的流径愈长，气液接触时间就愈长，有利于提高分离效果；但是液面落差也随之增大，不利于气体均匀分布，使分离效果降低。

目前，凡直径在2.2m以下的浮阀塔，一般都采用单溢流。

但在大塔中，由于液面落差大或造成浮阀开启不均，使气体分布不均匀及出现泄漏现象，应采用双遗留以及阶梯流。

见表6—5。

2、降液管

确定降液管底隙高度的原则是：

保证液体流经此处时的阻力不太大，同时要有良好的液封。

h0=Ls/（Lwu0`）

式中：

Ls––塔内液体流量；

      uo`––液体通过降液管时流速，一般可取0.07～0.25m/s

有时为了简单，可用下式：

h0=hW-0.006

         hw––外堰高度

3、溢流堰

（1）外堰（出口堰）

堰长:

单溢流取为（0.6～0.8）D；双溢流取为（0.5～0.7）D，其中D为塔径。

堰高:

 hL=hW+h0W

式中：

hL––板上清液层高度

      hOW––堰上清液层高度。

（2）内堰（进口堰）及受液盘

若hW>h0,hW`=hW

若hWh0。

此外，为了保证液体有降液管流出时不致于受很大阻力,进口堰与降液管间水平距离h1>h0.

4、弓形降液管的宽度和截面积

降液管应有足够的横截面积，保证液体在降液管内有足够的沉将时间分离其中夹带的气泡。

因此要验算降液管内液体停留时间θ

5、浮阀的数目与布置

（1）数目：

浮阀塔的操作性能以浮阀刚刚全开时的最好。

此时F0=8～11。

所以设计时可在此范围内选择合适的F0，然后计算出U0

（2）排列：

正三角形

等腰三角形

对于整块塔板多采用正三角形排列，孔心距t为75mm,100mm,125mm,150mm等。

对于分块式塔板，宜采用等腰三角形叉排，t为75mm,t`为65mm,80mm,100mm等几种尺寸，必要时还可以调整孔心距，阀数，重新作图。

否则验算F0=8～11之间。

（3）开孔率

常压塔（减压塔）开孔率常在10～13%。

加压塔开孔率＜10%，常见的为6～9%

四、塔板的流体力学验算

目的：

验算所确定的塔，在设计任务规定的气液两相负荷下，能否正常操作。

内容：

压降、液泛、液沫夹带、泄漏等项，直到合适为止。

§9.3填料塔

一、填料塔的结构

1塔体

金属或陶瓷塔体一般均为圆柱形

大型耐酸石或耐酸砖则以砌成放形或年多角形为便

2填料

对操作影响较大的填料特性有：

比表面积δ：

δ=s/v=m2/m3=单位体积填料层所具有的表面积

δ 传质面积

空隙率ε：

单位体积填料层所具有的空隙体积

ε应尽可能大,以提高气液通过能力和减小气液阻力

填料因子φ：

把有液体喷淋条件下实测的δ/2相应数值称湿填料因子,也称填料因子φ,单位:

l/m

φ↓ 填料阻力↓ 发生液泛时的气速 亦即流体力学性能好

单位堆积体积的填料数目：

填料尺寸↓ 数目 δ ε↓气流阻力 填料造价

填料尺寸 塔壁处ε 气流易短路,为控制气流不均匀,填料尺寸不应大于（1/10----1/8）D

填料的种类:

：

分实体填料和网体填料两大类

常用填料有:

：

拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍与矩鞍填料、网体填料

3填料支承装置：

删板填料支承、升气管式支承

4液体的分布装置：

塔顶液体分布装置：

a莲蓬头式喷洒器b盘式分布器c齿槽式分布器

液体再分布器：

a截锥式液体再分布器b升气管式支承板作液体再分布器

二、填料塔的流体力学特性

1塔内气液两相的流动

当液体自塔顶向下借重力在填料表面作膜状流动时,膜内平均流速决定于流动的阻力。

而此阻力来自于液膜与填料表面,及液膜与上升气流之间的摩擦

液膜厚度不仅取决于液体流量,而且与气体流量有关

气量 液膜厚 填料内的持液量

图8-31为不同液体喷淋量下取得的填料层压力降与空塔气速的双对数关系线

线A:

气体通过干填料层时,压力降与空塔气速的关系,为直线

线B:

有液体喷淋,液体量小

线C:

有液体喷淋,液体量大

以线B为例:

u较低（点L以下）:

线与A线大致平行。

u ∆P 液体下流与流速无关

u大于uL以后:

线斜率增大,上升气流开始阻碍液体顺利下流,∆P

u大于uF以后:

∆P与u成垂直关系,表明上升气体足以阻止液体下流,于是液体填料层充满填料层空隙,气体只能鼓泡上升,随之液体被气流带出塔顶,发生液泛。

载点（L点）:

空塔气速u增大到uL以后,气速以使上升气流与下降液体间摩擦力开始阻碍液体顺利下流,使填料表面持液量增多,战去更多空隙,气体实际速度与空塔气速的比值显著提高,故压力降比以前增加的快,这种现象称载液,L点称载点。

泛点F:

u增大到uF以后∆P与u成垂直关系,表明上升气体足以阻止液体下流,于是液体填料层充满填料层空隙,气体只能鼓泡上升,随之液体被气流带出塔顶,塔的操作极不稳定,甚至被完全破坏,这种现象称液泛,F点称为泛点。

线C的载点和泛点气速都比线B的更低

目前一般认为填料塔的正常操作状态只到泛点为止。

2填料层的压力降

吸收操作中,需知压力降以确定动力消耗；精馏操作中,需知压力降以确定釜压

目前多用埃克特的通用图而重新绘制的填料层压降和填料塔泛点的通用关联图求∆P。

3泛点气速

用图8-32计算

（1）先求横坐标

（2）过横坐标点作垂线,交泛点线得泛点纵坐标

（3）由泛点纵坐标求泛点气速

三、填料塔的设计原则

1填料的选择

 填料尺寸的选定

 填料材质方面的选定

2塔径

塔径取决于气体的体积流量和适宜的空塔气速。

前者由生产条件决定,后者则在设计时规定

泛点率:

适宜空塔气速与泛点气速之比

u适宜=（50%--80%）u泛点

一般填料塔的操作气速大致在0.2--1.0m/s

D2=4VS/πu

u:

适宜的空塔气速

用上法计算出的塔径要进行圆整,且要验算塔内液体的喷淋密度是否大于最小喷淋密度

喷淋密度Umin=（LW）minδ

润湿率LW:

指塔的横截面上,单位长度的填料周边上,液体的体积流量

LW=U/δ

一般D≤75mm （LW）min=0.08m3/mh

   D>75mm （LW）min=0.12m3/mh

如果限于生产条件,所采用的喷淋密度使润湿率低于上述规定数值时,就要增高填料层作为补偿,即按正常方法算出的填料层高度再除以填料表面效率η表

此外,为保证填料润湿均匀,还应注意使塔径与填料尺寸之比大于8,即选用填料不宜过大,以免使填料与塔壁之间存在额外空隙,而易于出现壁流现象

3压力降

以图8-32计算P。

若P超出工艺要求时,则按P由图8-31反求气速u,再重算塔径D

普通常压塔:

P=147--490Pa/m填料层

真空塔:

P78Pa/m填料层

4填料高度

 传质单元法

 等板高度法

四、填料塔的附件

支承板支承板的主要用途是支承板内的填料，同时又能保证气液两相顺利通过。

支承板若设计不当，填料塔的液泛可能首先在支承板上发生。

对于普通填料，支承板的自由截面积应不低于全塔面积的50%，并且要大于填料层的自由截面积，常用的支承板有栅板和各种具有升气管结构的支承板。

液体分布器液体分布器对填料塔的性能影响极大。

分布器设计不当，液体预分布不均，填料层内的有效润湿面积减少而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。

填料塔内产生向壁偏流是因为液体触及塔壁之后，其流动不再具有随机性而沿壁流下。

既然如此，直径越大的填料塔，塔壁所占的比例越小，向壁偏流现象应该越小才是。

然而，长期以来填料塔确实由于偏流现象而无法放大。

现已基本搞清，除填料本身性能方面的原因外，液体初始分布不均，特别是单位塔截面上的喷淋点数太少，是产生上述状况的重要因素。

近一、二十年来，许多直径几米至十几米的大型填料塔的操作实践表明，填料塔只要设计正确，保证液体预分布均匀，特别是保证单位塔截面的喷淋点数与小塔相同填料塔的放大效应并不显著，大型塔和小型塔将具有一致的传质效率。

常用的液体分布器结构如所示。

多孔管式分布器能适应较大的遗体流量波动，对安装水平度要求不高，对气体的阻力也很小。

但是，由于管壁上的小孔容易堵塞，被分散的液体必须是洁净的。

槽式分布器多用于直径较大的填料塔。

这种分布器不易堵塞，对气体的阻力小，但对安装水平要求较高，特别是当液体负荷较小时。

孔板型分布器对液体的分布情况与槽式分布器差不多，但对气体阻力较大，只适用于气体负荷不太大的场合。

除以上介绍的几种分布器外，各种喷洒式分布器也是比较常用的（如莲蓬头），特别是在小型填料塔内。

这种分布器的缺点是，当气量较大时会产生较多的液沫夹带。

液体再分布器为改善向壁偏流效应造成的液体分布不均，可在填料层内部每隔一定高度设置一液体分布器。

每段填料层的高度因填料种类而异，偏流效应越严重的填料，每段高度越小。

通常，对于偏流现象严重的拉西环，每段高度约为塔径的5~10倍。

常用的液体再分布器为截锥形。

如考虑分段卸出填料，再分布器之上可另设之承板。

除沫器除沫器是用来除去填料层顶部逸出的气体中的液滴，安装在液体分布器上方。

当塔内气速不大，工艺过程由无严格要求时，一般可不设除沫器。

除沫器种类很多，常见的有折板除沫器，丝网除沫器，旋流板除沫器。

折板除沫器阻力较小（50~100Pa），只能除去50

的微小液滴，压降不大于250Pa,但造价较高。

旋流板除沫器压降为300Pa以下，其造价比丝网除沫器便宜，除沫效果比折板好。

五、填料塔与板式塔的比较

1操作范围

2物料要求和清洗

3温度要求装置的安装难易

4规模

5准确可靠性

6造价

7对易气泡的物系的适用情况

8对物系的腐蚀性的适用情况

9热敏性物系

10板压降,耗能

11对气膜控制的适用