汽液传质设备.docx

1、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。* * * * * * * * * * * *9.1 气液传质设备类型与基本

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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：PP=PC+PL+P塔板本身的干板阻力PC板上充气液层的静压力PL液体的表面张力P折合成塔内液体的液柱高度M，则PP/ L g=PC/ L g +PL / L g +P/ L g 即hp=hc+hL+h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290490 N/m2 .在减压塔中为了减少塔的真空度损失，一般约为98245Pa 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

7、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、不易准确求得，所以用C代替，即：

8、（1）史密斯关联图横坐标：液气动能参数纵坐标：C20参数：HThL（2）板间距HT一般D1.5m HT=0.40.6m （3）板上液层高度hL常压 hL=0.050.1m 通常取0.050.08m减压 hL0.025m（4）C20：由图653查得的负荷稀疏值。C：操作物系的负荷系数。：操作物系的表面张力，N/m。（5）适宜的空塔气速u，即：u=(0.60.8)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

9、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eV0.1kg（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eV0.1kg（液）/kg（气）。大塔 F18082%负压塔 F17577%D900mm的塔, F16575% 式中，F1：泛点率，%。 CV：气相负荷系数，m3/s.

10、 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=D2Wd.。 Ab：板上也流面积，对单溢流塔板AB=ATAf。 CF：泛点负荷系数，可根据气相密度V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=56时，泄漏量常接近10%。故取F0=56作为控制泄漏量的操作下限。当浮阀

11、在刚全开操作，气体通过阀孔处的动能因数F0=811。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 = 0.5 发泡暗中物系 =0.30.4不发泡物系 = 0.60.8在降液观被11和下一层板上液面22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应不小于35S。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

12、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VSLS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eV0.1kg（液）/kg（气）时的VSLS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eVh0,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h

13、1h0.4、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=811。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=811之间。（3）开孔率 常压塔（减压塔

14、）开孔率常在1013%。加压塔开孔率 10%，常见的为69%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 ：=s/v=m2/m3=单位体积填料层所具有的表面积 传质面积空隙率：单位体积填料层所具有的空隙体积应尽可能大,以提高气液通过能力和减小气液阻力填料因子：把有液体喷淋条件下实测的/2相应数值称湿填料因子,也称填料因子,单位:l/m 填料阻

15、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 气流阻力 填料造价填料尺寸 塔壁处 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

16、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,Pu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

17、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

18、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/sD2=4VS/uu: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）min润湿率L

19、W: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/一般D75mm （LW）min=0.08m3/mh D75mm （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: P 78Pa/

20、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

21、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

22、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510倍。常用的液体再分布器为截锥形。如考虑分

23、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（50100Pa），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