页数：77页文件大小：715.0 KB来源： 化工原理ppt课件
本课件讲授气液传质设备，介绍板式塔的设计意图、筛板上气液接触状态、气体通过筛板的阻力损失与不正常操作现象，给出板效率的表示方法与提高措施，并讲解溢流塔板、筛板、浮阀塔等塔板型式及填料塔的结构与特性。
气液传动设备
板式塔
概述板式塔的设计意图板式塔
是一种应用极为广泛的气液传质设备，它由一个通常呈圆柱形的壳体及其中按一定间距水平设置的若干塔板所组成。如图所示，板式塔正常工作时，液体在重力作用下自上而下通过各层塔板后由塔底排出；气体在压差推动下，经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出，在每块塔板上皆贮有一定的液体，气体穿过板上液层时，两相接触进行传质。
概述
概述
但是，在每块塔板上，由于气液两相的剧烈搅动，是不可能达到充分的逆流流动的。为获得尽可能大的传质推动力，目前在塔板设计中只能采用错流流动的方式，即液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层。由此可见，除保证气液两相在塔板上有充分的接触之外，板式塔的设计意图是，在塔内造成一个对传质过程最有利的理想流动条件，即在总体上使两相呈逆流流动，而在每一块塔板上两相呈均匀的错流接触。
筛板上的气液接触状态
塔板上气液两相的接触状态是决定板上两相流流体力学及传质和传热规律的重要因素。如图所示，当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现四种不同的接触状态。（1）鼓泡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，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。
10.1.2 筛板上的气液接触状态
筛板上的气液接触状态
（2）蜂窝状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。气泡之间相互碰撞，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，所以此种状态不利于传热和传质。
筛板上的气液接触状态
（3）泡沫接触状态当气速继续增加，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，扰动十分剧烈的动态泡沫，在板上只能看到较薄的一层液体。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。
筛板上的气液接触状态
（4）喷射接触状态当气速继续增加，由于气体动能很大，把板上的液体向上喷成大小不等的液滴，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，有利于传质与传热进行，也是一种较好的接触状态。如上所述，泡沫接触状态和喷射状态均是优良的塔板接触状态。因喷射接触状态的气速高于泡沫接触状态，故喷射接触状态有较大的生产能力，但喷射状态液沫夹带较多，若控制不好，会破坏传质过程，所以多数塔均控制在泡沫接触状态下工作。
气体通过筛板的阻力损失
气体通过塔板的压降（塔板的总压降）包括：塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力），板上充气液层的静压力及液体的表面张力。塔板压降是影响板式塔操作特性的重要因素。塔板压降增大，一方面塔板上气液两相的接触时间随之延长，板效率升高，完成同样的分离任务所需实际塔板数减少，设备费降低；另一方面，塔釜温度随之升高，能耗增加，操作费增大，若分离热敏性物系时易造成物料的分解或结焦。因此，进行塔板设计时，应综合考虑，在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。
板式塔的不正常操作现象筛板
塔内气体两相的非理想流动包括漏液、液泛和液沫夹带等，是使塔板效率降低甚至使操作无法进行的重要因素，因此，应尽量避免这些异常操作现象的出现。（1）漏液在正常操作的塔板上，液体横向流过塔板，然后经降液管流下。当气体通过塔板的速度较小时，气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下时，便会出现漏液现象。漏液的发生导致气液的两相在塔板上的接触时间减少，塔板效率
板式塔的不正常操作
现象下降，严重时会使塔板不能积液而无法正常操作。通常，为保证塔的正常操作，漏液量应不大于液体流量的10%。漏液量达到10%的气体速度称为漏液速度，它是板式塔操作气速的下限。造成漏液的主要原因是气速太小和板面上液面落差所引起的气流分布不均匀。在塔板液体入口处，液层较厚，往往出现漏液，为此常在塔板液体入口处留出一条不开孔的区域，称为安定区。
板式塔的不正常操作现象
板式塔的不正常操作现象
（3）液泛塔板正常操作时，在板上维持一定厚度的液层，以和气体进行接触传质。如果由于某种原因，导致液体充满塔板之间的空间，使塔的正常操作受到破坏，这种现象称为液泛。当塔板上液体流量很大，上升气体的速度很高时，液体被气体夹带到上一层塔板上的量剧增，使塔板间充满气液混合物，最终使整个塔内都充满液体，这种由于液沫夹带量过大引起的液泛称为夹带液泛。
板式塔的不正常操作现象
板效率的各种表示方法及其应用
（1）点效率式中——离开塔板上某点的气相组成；——进入第n块板的气相组成；——与被考察点液相组成x成平衡的气相组成。为计算实际板数，必须知道离开同一块实际塔板的两相平均组成的关系。点效率不能满足此要求。
板效率的各种表示方法及其应用
（2）默弗里板效率不仅考虑了塔板上两相之间的接触状况，同时也计入了塔板上气液两相的非理想流动，但未考虑塔板间的非理想流动，即液沫夹带和漏夜。均小于1。，
板效率的各种表示方法及其应用
板效率的各种表示方法及其应用
（4）全塔效率（设计时最常用）式中——理论板数；——实际板数。
结构参数影响塔板效率的结构参数
很多，塔径、板间距、堰高、堰长以及降液管尺寸等对板效率皆有影响，必须按某些经验规则恰当地选择。此外，有以下两点得特别指出。（1）合理选择塔板的开孔率和孔径造成适应于物系性质的气液接触状态塔板上存在着两种气液接触状态——泡沫状态和喷射状态。不同的孔速下将出现不同的气液接触状态，不同的物系适宜于不同的接触状态。
结构参数
已知，轻组分表面张力小于重组分的物系宜采用泡沫接触状态，轻组分表面张力大于重组分的物系宜采用喷射接触状态。这一点可解释如下：在泡沫接触状态，气泡密集，板上液体呈液膜状态而介于气泡之间。在传质过程中，液膜是否稳定左右着实际相界面的大小。如果液膜不稳定，则易被撕裂而发生气泡的合并，相界面将减少。设有液膜如图所示，其表面张力为。若液膜的某一局部发生质量传递，该处膜厚减薄，轻组分浓度减小，重组分浓度增加，表面张力发生变化。
结构参数
结构参数
在喷射状态中，液相被分散成液滴而形成界面。与泡沫接触状态中的液膜相反，此时，液滴的稳定性越差，液滴越容易分裂，相界面越大。如图所示，由于局部质量传递，液滴表面的某个局部将出现缺口，此处重组分摩尔分数增加，表面张力发生变化。对于正系统，缺口处的表面张力大于，缺口得以弥合，液滴稳定不易分裂。对于重组分表面张力较小的物系，缺口处的表面张力小于，缺口将自动扩展加深，导致液滴分裂。
结构参数
结构参数
结构参数
塔板型式
塔板可分为有降液管式塔板（也称溢流式塔板或错流式塔板）及无降液管式塔板（也称穿流式塔板或逆流式塔板）两类，在工业生产中，以有降液管式塔板应用最为广泛，在此只讨论有降液管式塔板。1. 泡罩塔板泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其结构如图所示，它主要由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有f80、f100、f150mm三种尺寸，可根据塔径的大小选择。泡罩的下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。
10.1.7 塔板型式
塔板型式
操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面。泡罩塔板的优点是操作弹性较大，塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价高，板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代，在新建塔设备中已很少采用。
塔板型式
2. 筛孔塔板筛孔塔板简称筛板，其结构如图所示。塔板上开有许多均匀的小孔，孔径一般为3～8mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。操作时，气体经筛孔分散成小股气流，鼓泡通过液层，气液间密切接触而进行传热和传质。在正常的操作条件下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。
10.1.7 塔板型式
塔板型式筛板的优点
是结构简单、造价低，板上液面落差小，气体压降低，生产能力大，传质效率高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。应予指出，筛板塔的设计和操作精度要求较高，过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板塔的操作非常精确，故应用日趋广泛。
塔板型式
3. 浮阀塔板浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，应用广泛。浮阀的类型很多，国内常用的有如图片3-4所示的F1型、V-4型及T型等。浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90°，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。
10.1.7 塔板型式
塔板型式
操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，开度增大，使气速不致过大。浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。
塔板型式
4. 喷射型塔板上述几种塔板，气体是以鼓泡或泡沫状态和液体接触，当气体垂直向上穿过液层时，使分散形成的液滴或泡沫具有一定向上的初速度。若气速过高，会造成较为严重的液沫夹带，使塔板效率下降，因而生产能力受到一定的限制。为克服这一缺点，近年来开发出喷射型塔板，大致有以下几种类型。（1）舌型塔板舌型塔板的结构如图所示，在塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，有18°、20°、25°三种（一般为20°），舌片尺寸有50×50mm和25×25mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管，降液管截面积要比一般塔板设计得大些。
10.1.7 塔板型式
塔板型式
操作时，上升的气流沿舌片喷出，其喷出速度可达20～30m/s。当液体流过每排舌孔时，即被喷出的气流强烈扰动而形成液沫，被斜向喷射到液层上方，喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中，流到下一层塔板。舌型塔板的优点是：生产能力大，塔板压降低，传质效率较高；缺点是：操作弹性较小，气体喷射作用易使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，从而降低塔板效率。
塔板型式
（2）浮舌塔板如图所示，与舌型塔板相比，浮舌塔板的结构特点是其舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，具有处理能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适宜于热敏性物系的减压分离过程。
10.1.7 塔板型式
塔板型式
（3）斜孔塔板斜孔塔板的结构如图所示。在板上开有斜孔，孔口向上与板面成一定角度。斜孔的开口方向与液流方向垂直，同一排孔的孔口方向一致，相邻两排开孔方向相反，使相邻两排孔的气体向相反的方向喷出。这样，气流不会对喷，既可得到水平方向较大的气速，又阻止了液沫夹带，使板面上液层低而均匀，气体和液体不断分散和聚集，其表面不断更新，气液接触良好，传质效率提高。斜孔塔板克服了筛孔塔板、浮阀塔板和舌型塔板的某些缺点。斜孔塔板的生产能力比浮阀塔板大30%左右，效率与之相当，且结构简单，加工制造方便，是一种性能优良的塔板。
10.1.7 塔板型式
填料塔
填料塔的结构及其结构特性
1. 填料塔的结构如图所示为填料塔的结构示意图，填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。
填料塔的结构及其结构特性
填料塔的结构及其结构特性分布装置
包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。
填料塔的结构及其结构特性
2. 填料特性的评价（1）比表面积塔内单位体积填料层具有的填料表面积，m2/m3。填料比表面积的大小是气液传质比表面积大小的基础条件。须说明两点：第一，操作中有部分填料表面不被润湿，以致比表面积中只有某个分率的面积才是润湿面积。据资料介绍，填料真正润湿的表面积只占全部填料表面积的（20～50）%。第二，有的部位填料表面虽然润湿，但液流不畅，液体有某种程度的停滞现象。这种停滞的液体与气体接触时间长，气液趋于平衡态，在塔内几乎不构成有效传质区。为此，须把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。但比表面积仍不失为重要的参量。
填料塔的结构及其结构特性
填料塔的结构及其结构特性
（3）塔内单位体积具有的填料个数根据计算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料的n值，即可确定塔内需要的填料数量。一般要求塔径与填料尺寸之比（此比值在8～15之间为宜），以便气、液分布均匀。若，在近塔壁处填料层空隙率比填料层中心部位的空隙率明显偏高，会影响气液的均匀分布。若值过大，即填料尺寸偏小，气流阻力增大。
气液两相
气液两相
气液两相
在填料层内的流动2. 填料层的压降在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降DP/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸上，可得到如图所示的曲线簇。
气液两相
气液两相
气液两相
在填料层内的流动3. 液泛在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。填料特性的影响集中体现在填料因子上。填料因子F值越小，越不易发生液泛现象。流体物性的影响体现在气体密度rV、液体的密度rL和粘度mL上。气体密度越小，液体的密度越大、粘度越小，则泛点气速越大。操作的液气比愈大，则在一定气速下液体喷淋量愈大，填料层的持液量增加而空隙率减小，故泛点气速愈小。
气液两相
气液两相
在填料层内的流动最小喷淋密度通常采用下式计算，即式中Umin ——最小喷淋密度，m3/（m2·h）；(LW)min ——最小润湿速率，m3/（m·h）；a ——填料的比表面积，m2/m3。
气液两相
气液两相
在填料层内的流动5．返混在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同程度的返混。造成返混现象的原因很多，如：填料层内的气液分布不均；气体和液体在填料层内的沟流；液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动；塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。填料塔内流体的返混使得传质平均推动力变小，传质效率降低。因此，按理想的活塞流设计的填料层高度，因返混的影响需适当加高，以保证预期的分离效果。
填料塔的传质干填料
比表面积为，实际操作中润湿的填料比表面积为，由于只有在润湿的填料表面才可能发生气、液传质，故值具有实际意义。下面介绍计算的恩田（Onda）公式，该公式为：式中——液体表面张力，N/m；——填料上液体铺展开的最大表面张力，N/m。要求<，的值见表7-3。——液体空塔质量通率，kg/(s·m2)；，——液体的粘度，N·s/m2和密度，kg/m3。
填料塔的传质
表中不同填料材质的σC值材质σC/（mN/m）材质σC/（mN/m）碳56聚乙烯33陶瓷61钢75玻璃73涂石蜡的表面20聚氯乙烯40
填料塔的传质
2.传质系数恩田（Onda）等关联了大量液相和气相传质数据，分别提出液、气两相传质系数的经验关联式如下：（1）液相传质系数式中——液相传质系数，kmol/（m2 s kmol/m3）；——溶液在液相中的扩散系数，m2/s；——填料的名义尺寸，m。
填料塔的传质
填料塔的传质
恩田提出的关联式（10-45）和式（10-46）是以式（10-44）计算的润湿表面积为基准整理的。因此，将算出的、乘以式（10-44）算出的即得体积传质系数和，从而可进一步计算传质单元高度或填料塔高度。填料塔的传质速率也可以直接用体积传质总系数、传质单元高度和等板高度表示。关于这些表示方法的经验关联式很多，此处不再举例。
10.2.4填料塔的附属结构支承板：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（图10-56）。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。
10.2.4填料塔的附属结构常用的液体分布器结构如图10-57所示。多孔管式分布器（图10-57a）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（图10-57b）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（图10-57c）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。
10.2.4填料塔的附属结构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（图10-58）。
10.2.4填料塔的附属结构除沫器种类很多，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。
填料塔与板式塔的比较
对于许多逆流气液接触过程，填料塔和板式塔都是可以适用的，设计者必须根据具体情况进行选用。填料塔和板式塔有许多不同点，了解这些不同点对于合理选用塔设备是有帮助的。填料塔操作范围较小，特别是对于液体负荷变化更为敏感。当液体负荷较小时，填料表面不能很好地润湿，传质就效果急剧下降；当液体负荷过大时，则容易产生液泛。设计良好的板式塔，则具有大得多的操作范围。
填料塔与板式塔的比较
填料塔与板式塔的比较
下载地址：{{downurl}}
{{{a}}}
{{#b}}{{{b}}}
{{/b}} {{/title}} {{#nolog}}登陆注册
{{/nolog}} {{#djsx}}点我刷新
{{/djsx}} {{#gocz}} {{/gocz}} {{#ffqr}} {{/ffqr}}