《板式塔與填料塔》PPT課件.ppt

1、化工原理,任課教師：張洪流,Principles of Chemical Engineering,第八章 氣液傳質(zhì)設(shè)備Chapter 8 Mass Transfer Equipments,概述（Introduction,氣液傳質(zhì)設(shè)備的基本功能：形成氣液兩相充分接觸的相界面，使質(zhì)、熱的傳遞快速有效地進(jìn)行，接觸混合與傳質(zhì)后的氣、液兩相能及時(shí)分開，互不夾帶等,氣液傳質(zhì)設(shè)備的分類：氣液傳質(zhì)設(shè)備的種類很多，按接觸方式可分為連續(xù)（微分）接觸式（填料塔）和逐級接觸式（板式塔）兩大類，在吸收和蒸餾操作中應(yīng)用極廣,填料塔,在圓柱形殼體內(nèi)裝填一定高度的填料，液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料層頂部上，依靠重力作用沿

2、填料表面自上而下流經(jīng)填料層后自塔底排出；氣體則在壓強(qiáng)差推動下穿過填料層的空隙，由塔的一端流向另一端。氣液在填料表面接觸進(jìn)行質(zhì)、熱交換，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化,散裝填料 塑料鮑爾環(huán)填料,規(guī)整填料 塑料絲網(wǎng)波紋填料,板式塔,在圓柱形殼體內(nèi)按一定間距水平設(shè)置若干層塔板，液體靠重力作用自上而下流經(jīng)各層板后從塔底排出，各層塔板上保持有一定厚度的流動液層；氣體則在壓強(qiáng)差的推動下，自塔底向上依次穿過各塔板上的液層上升至塔頂排出。氣、液在塔內(nèi)逐板接觸進(jìn)行質(zhì)、熱交換，故兩相的組成沿塔高呈階躍式變化,DJ 塔盤,新型塔板、填料,填料塔和板式塔的主要對比,填料塔和板式塔都可用于吸收或蒸餾操作,新型填料及規(guī)整填料塔

3、競爭力較強(qiáng),塔型選擇,塔徑在0.60.7米以上的塔，過去一般優(yōu)先選用板式塔。 隨著低壓降高效率輕材質(zhì)填料的開發(fā)，大塔也開始采用各種新型填料作為傳質(zhì)構(gòu)件，顯示了明顯的優(yōu)越性。 塔型選擇主要需考慮以下幾個(gè)方面的基本性能指標(biāo),1) 生產(chǎn)能力 即為單位時(shí)間單位塔截面上的處理量； (2) 分離效率 對板式塔指每層塔板的分離程度；對填料塔指單位高度填料層所達(dá)到的分離程度； (3) 操作彈性 指在負(fù)荷波動時(shí)維持操作穩(wěn)定且保持較高分離效率的能力，通常以最大氣速負(fù)荷與最小氣速負(fù)荷之比表示； (4) 壓強(qiáng)降 指氣相通過每層塔板或單位高度填料的壓強(qiáng)降； (5) 結(jié)構(gòu)繁簡及制造成本,板式塔 Plate (tray)

4、tower,塔板類型,塔板是板式塔的基本構(gòu)件，決定塔的性能,溢流塔板 (錯(cuò)流式塔板)：塔板間有專供液體溢流的降液管 (溢流管)，橫向流過塔板的流體與由下而上穿過塔板的氣體呈錯(cuò)流或并流流動。板上液體的流徑與液層的高度可通過適當(dāng)安排降液管的位置及堰的高度給予控制，從而可獲得較高的板效率，但降液管將占去塔板的傳質(zhì)有效面積，影響塔的生產(chǎn)能力,溢流式塔板應(yīng)用很廣，按塔板的具體結(jié)構(gòu)形式可分為： 泡罩塔板、篩孔塔板、浮閥塔板、網(wǎng)孔塔板、舌形塔板等,塔板類型,逆流塔板（穿流式塔板）： 塔板間沒有降液管，氣、液兩相同時(shí)由塔板上的孔道或縫隙逆向穿流而過，板上液層高度靠氣體速度維持。 優(yōu)點(diǎn)：塔板結(jié)構(gòu)簡單，板上無液面

5、差，板面充分利用，生產(chǎn)能力較大； 缺點(diǎn)：板效率及操作彈性不及溢流塔板,與溢流式塔板相比，逆流式塔板應(yīng)用范圍小得多，常見的板型有篩孔式、柵板式、波紋板式等,泡罩塔板（ Bubble-cap Tray,在工業(yè)上最早（1813年）應(yīng)用的一種塔板，其主要元件由升氣管和泡罩構(gòu)成，泡罩安裝在升氣管頂部，泡罩底緣開有若干齒縫浸入在板上液層中，升氣管頂部應(yīng)高于泡罩齒縫的上沿，以防止液體從中漏下,液體橫向通過塔板經(jīng)溢流堰流入降液管，氣體沿升氣管上升折流經(jīng)泡罩齒縫分散進(jìn)入液層，形成兩相混合的鼓泡區(qū)。 優(yōu)點(diǎn)：操作穩(wěn)定，升氣管使泡罩塔板低氣速下也不致產(chǎn)生嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象，故彈性大。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，塔板壓降大，

6、生產(chǎn)強(qiáng)度低,篩孔塔板（ Sieve Tray,篩孔塔板即篩板出現(xiàn)也較早（1830年），是結(jié)構(gòu)最簡單的一種板型。但由于早期對其性能認(rèn)識不足，為易漏液、操作彈性小、難以穩(wěn)定操作等問題所困，使用受到極大限制。 1950 年后開始對篩孔塔板進(jìn)行較系統(tǒng)全面的研究，從理論和實(shí)踐上較好地解決了有關(guān)篩板效率，流體力學(xué)性能以及塔板漏液等問題，獲得了成熟的使用經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法，使之逐漸成為應(yīng)用最廣的塔板類型之一,浮閥塔板（ Valve Tray,自1950 年代問世后，很快在石油、化工行業(yè)得到推廣，至今仍為應(yīng)用最廣的一種塔板。 結(jié)構(gòu)：以泡罩塔板和篩孔塔板為基礎(chǔ)基礎(chǔ)。有多種浮閥形式，但基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相似，即在塔板上按一

7、定的排列開若干孔，孔的上方安置可以在孔軸線方向上下浮動的閥片。閥片可隨上升氣量的變化而自動調(diào)節(jié)開啟度。在低氣量時(shí)，開度??；氣量大時(shí)，閥片自動上升，開度增大。因此，氣量變化時(shí)，通過閥片周邊流道進(jìn)入液體層的氣速較穩(wěn)定。同時(shí)，氣體水平進(jìn)入液層也強(qiáng)化了氣液接觸傳質(zhì)。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)能力和操作彈性大，板效率高。綜合性能較優(yōu)異,浮閥塔板（ Valve Tray,F1型浮閥結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，應(yīng)用最普遍，為定型產(chǎn)品。閥片帶有三條腿，插入閥孔后將各腿底腳外翻 90，用以限制操作時(shí)閥片在板上升起的最大高度；閥片周邊有三塊略向下彎的定距片，以保證閥片的最小開啟高度。 F1型浮閥分輕閥和重閥。輕閥塔板漏液稍嚴(yán)

8、重，除真空操作時(shí)選用外，一般均采用重閥,JCV浮閥塔板（雙流噴射浮閥塔板 Jet Co-flow Valve Tray,結(jié)構(gòu)：閥籠與塔板固定，閥片在閥籠內(nèi)上下浮動。 將單一鼓泡傳質(zhì)，變?yōu)殡p流傳質(zhì)，一部分為鼓泡、另一部分為噴射湍動傳質(zhì)，使塔的分離效率和生產(chǎn)能力都大大提高。 該塔板可作為化工過程中的氣液傳質(zhì)、換熱設(shè)備。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、閥片開啟靈活、高效、高通量、壽命長、耐堵塞,JCV浮閥 （改進(jìn)型雙流噴射浮閥,普通型JCV浮閥,與塔板固定方法,JCV浮閥塔板（雙流噴射浮閥塔板 Jet Co-flow Valve Tray,低負(fù)荷下閥片工作狀態(tài),JCV浮閥塔板效率曲線,中負(fù)荷下閥片工作狀態(tài),高負(fù)荷

9、下閥片工作狀態(tài),JCV浮閥閥片,JCV浮閥塔板（雙流噴射浮閥塔板 Jet Co-flow Valve Tray,2400 JCV浮閥塔板,1800 JCV浮閥塔板,JCPT塔板（并流噴射填料塔板 Jet Co-flow Packing Tray,塔板上的液體通過提液管與塔板之間的間隙被氣體提升，氣液并流通過提液管，在提液管內(nèi)高速湍動混合、傳質(zhì)，然后氣液并流進(jìn)入填料中進(jìn)一步強(qiáng)化傳質(zhì)，并完成氣液分離。氣體靠壓差繼續(xù)上升，進(jìn)入上一層塔板；液體基本以清液的形式回落到塔板上，沿流道進(jìn)入降液管，下降到下一層塔板,與普通塔板在傳質(zhì)機(jī)理上的區(qū)別：它是填料與塔板的復(fù)合體，靠填料實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)，靠塔板實(shí)現(xiàn)多級并流,JC

10、PT塔板（并流噴射填料塔板 Jet Co-flow Packing Tray,不同結(jié)構(gòu)型式的JCPT塔板,舌形塔板,一種斜噴射型塔板。結(jié)構(gòu)簡單，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,優(yōu)點(diǎn)：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(dá)較高的生產(chǎn)能力。 缺點(diǎn)：張角固定，在氣量較小時(shí)，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(shí)間太短、液層太薄，板效率降低,在舌形塔板上發(fā)展的斜孔塔板，斜孔的開口方向與

11、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(diǎn)，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(dá)到好的傳質(zhì)效果,斜孔塔板,浮舌塔板,為使舌形塔板適應(yīng)低負(fù)荷生產(chǎn)，提高操作彈性，研制出了可變氣道截面（類似于浮閥塔板）的浮舌塔板,網(wǎng)孔塔板,網(wǎng)孔塔板由沖有傾斜開孔的薄板制成，具有舌形塔板的特點(diǎn)。這種塔板上裝有傾斜的擋沫板，其作用是避免液體被直接吹過塔板，并提供氣液分離和氣液接觸的表面。 網(wǎng)孔塔板具有生產(chǎn)能力大，壓降低，加工制造容易的特點(diǎn),垂直篩板（Vertical Sieve Tray,在塔板上開按一定排列的若干大孔(直徑100200mm)，孔上

12、設(shè)置側(cè)壁開有許多篩孔的泡罩，泡罩底邊留有間隙供液體進(jìn)入罩內(nèi),氣流將由泡罩底隙進(jìn)入罩內(nèi)的液體拉成液膜形成兩相上升流動，經(jīng)泡罩側(cè)壁篩孔噴出后兩相分離，即氣體上升液體落回塔板。液體從塔板入口流至降液管將多次經(jīng)歷上述過程。 與普通篩板相比，垂直篩板為氣液兩相提供了很大的不斷更新的相際接觸表面，強(qiáng)化了傳質(zhì)過程；且氣液由水平方向噴出，液滴在垂直方向的初速度為零，降低了液沫夾帶量，因此垂直篩板可獲得較高的塔板效率和較大的生產(chǎn)能力,浮閥塔板的流體力學(xué)性能,浮閥塔板上的氣、液流程,浮閥塔板的板面結(jié)構(gòu)： 鼓泡區(qū)（有效區(qū)、開孔區(qū)） 降液管區(qū) 受液盤區(qū) 液體安定區(qū) 邊緣區(qū) 溢流堰,液體從上一塔板的降液管流入板面上的受

13、液盤區(qū)，經(jīng)進(jìn)口安定區(qū)進(jìn)入鼓泡區(qū)與浮閥吹出的氣體進(jìn)行質(zhì)、熱交換后，再由溢流堰溢出進(jìn)入降液管流入下一塔板,浮閥塔板上的氣、液流程,來自下一塔板的氣體經(jīng)鼓泡區(qū)的閥孔分散成小股氣流，并由各閥片邊緣與塔板間形成的通道以水平方向進(jìn)入液層。 由于閥片具有斜邊，氣體沿斜邊流動具有向下的慣性，因此只有進(jìn)入液層一定距離待慣性消失后氣體才會折轉(zhuǎn)上升。 氣體在板面上與液體相互混合接觸進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，而后逸出液面上升到上一層塔板。塔板上氣液主體流向?yàn)殄e(cuò)流流動,氣體通過浮閥塔板的壓降,氣體進(jìn)、出一塊塔板（包括液層）的壓強(qiáng)降即為氣體通過該塔板的阻力損失（左側(cè)壓差計(jì)所測的 hf 值）。 hf 是以液柱高度表示的塔板的壓強(qiáng)降或阻

14、力損失，因此,式中，L 為塔內(nèi)液體的密度，kg/m3。 板壓降 hf 可視為由氣體通過干板的阻力損失 hd 和氣體穿過板上液層的阻力損失 hl 兩部分組成，即,干板阻力損失 hd,浮閥塔板的干板阻力損失壓降隨空塔氣速 u 的提高而增大,區(qū)域：全部浮閥處于靜止?fàn)顟B(tài)，氣體由閥片與塔板之間由定距片隔開的縫隙通過?？p隙處的氣速與壓降隨氣體流量的增大而上升,區(qū)域：氣速增至A點(diǎn)，閥片開始升起。浮閥開啟的個(gè)數(shù)及開啟度隨氣體流量不斷增加，直至所有浮閥全開 (B點(diǎn))，氣體通過閥孔的氣速變化很小，故壓降上升緩慢。 區(qū)域：氣體通過浮閥的流通面積固定不變，閥孔氣速隨氣體流量增加而增加，且壓降以閥孔氣速的平方快速增加。

15、 臨界孔速 uoc：所有浮閥恰好全開時(shí) (B點(diǎn)) 的閥孔氣速,液層阻力 hl,氣體通過液層的阻力損失 hl 由以下三個(gè)方面構(gòu)成： (1) 克服板上充氣液層的靜壓； (2) 氣體在液相分散形成氣液界面的能量消耗； (3) 通過液層的摩擦阻力損失。 其中(1)項(xiàng)遠(yuǎn)大于后兩項(xiàng)之和。如果忽略充氣液層中所含氣體造成的靜壓，則可由清液層高度代表 hl?？捎孟率接?jì)算,式中： 充氣系數(shù)，反映液層充氣的程度，無因次。 水 =0.5；油 =0.50.35；碳?xì)浠衔?=0.40.5。 hw 和 how 分別為堰高和堰上液流高度，m,hf 總是隨氣速的增加而增加，但不同氣速下，干板阻力和液層阻力所占的比例有所不同。

16、氣速較低時(shí)，液層阻力為主；氣速高時(shí)，干板阻力所占比例增大,塔板上的不正常操作現(xiàn)象,漏液：部分液體不是橫向流過塔板后經(jīng)降液管流下，而是從閥孔直接漏下。 原因：氣速較小時(shí)，氣體通過閥孔的速度壓頭小，不足以抵消塔板上液層的重力；氣體在塔板上的不均勻分布也是造成漏液的重要原因。 后果：嚴(yán)重的漏液使塔板上不能形成液層，氣液無法進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)，塔板將失去其基本功能,若設(shè)計(jì)不當(dāng)或操作時(shí)參數(shù)失調(diào)，輕則會引起板效率大降低，重則會出現(xiàn)一些不正常現(xiàn)象使塔無法工作,漏液（Weeping,氣體分布均勻與否，取決于板上各處阻力均等否。氣體穿過塔板的阻力由干板阻力和液層阻力兩部分組成。當(dāng)板上結(jié)構(gòu)均勻、各處干板阻力相等時(shí)，板

17、上液層阻力即液層厚度的均勻程度將直接影響氣體的分布,漏液（Weeping,板上液層厚度不均勻：液層波動和液面落差。 液層波動：波峰處液層厚，閥孔氣量小、易漏液。由此引起的漏液是隨機(jī)的?？稍谠O(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增大干板阻力。 液面落差：塔板入口側(cè)的液層厚于塔板出口側(cè)，使氣流偏向出口側(cè)，入口側(cè)的閥孔則因氣量小而發(fā)生漏液。塔板上設(shè)入口安定區(qū)可緩解此現(xiàn)象,雙流型、多流型或階梯型塔板,在塔徑或液體流量很大時(shí)可減少液面落差,漏液（Weeping,雙流型,多流型,液沫夾帶和氣泡夾帶（Entrainment,液沫夾帶：氣體鼓泡通過板上液層時(shí)，將部分液體分散成液滴，而部分液滴被上升氣流帶入上層塔板。由兩部分組成,1) 小

18、液滴的沉降速度小于液層上方空間上升氣流的速度，夾帶量與板間距無關(guān)； (2) 較大液滴的沉降速度雖大于氣流速度，但它們在氣流的沖擊或氣泡破裂時(shí)獲得了足夠的向上初速度而被彈濺到上層塔板。夾帶量與板間距有關(guān),氣泡夾帶：液體在降液管中停留時(shí)間太短，大量氣泡被液體卷進(jìn)下層塔板,后果：液沫夾帶是液體的返混，氣泡夾帶是氣體的返混，均對傳質(zhì)不利。嚴(yán)重時(shí)可誘發(fā)液泛，完全破壞塔的正常操作。 液沫夾帶和氣泡夾帶是不可避免的，但夾帶量必需嚴(yán)格地控制在最大允許值范圍內(nèi),液泛（Dumping of liquid,塔內(nèi)液體不能順暢逐板流下，持液量增多，氣相空間變小，大量液體隨氣體從塔頂溢出。 夾帶液泛：板間距過小，操作液量

19、過大，上升氣速過高時(shí)，過量液沫夾帶量使板間充滿氣、液混合物而引發(fā)的液泛。 溢流液泛：液體在降液管內(nèi)受阻不能及時(shí)往下流動而在板上積累所致,為使液體能由上層塔板穩(wěn)定地流入下層塔板，降液管內(nèi)必須維持一定的液柱高度,式中：hf 板壓降。 h 液體經(jīng)過降液管的阻力損失,液泛（Dumping of liquid,氣速一定，液體流量時(shí)，、how、hf 及 h ，Hd ，即塔板具有自動調(diào)節(jié)功能。 上層塔板溢流堰上緣為 Hd 極限。若再加大液體流量， Hd 與板上液面同時(shí)升高，降液管調(diào)節(jié)功能消失，板上累積液量增加，最終引起溢流液泛。 若氣速過高，液體中的氣泡夾帶加重，降液管內(nèi)的泡沫層隨之增高，也易造成溢流液泛。

20、 hf 過大必導(dǎo)致 Hd 大，易發(fā)生液泛。如降液管設(shè)計(jì)過小或發(fā)生部分堵塞， h 急劇增大，也會導(dǎo)致溢流液泛。 夾帶液泛與溢流液泛互為誘因，交互影響。過量液沫夾帶阻塞氣體通道，板阻急增，降液管中泡沫層堆積，從而引發(fā)溢流液泛。而溢流液泛發(fā)生時(shí)，塔板上鼓泡層增高，分離空間降低，夾帶液泛也將隨之發(fā)生。 液泛使整個(gè)塔不能正常操作，甚至發(fā)生嚴(yán)重的設(shè)備事故，要特別注意防范,浮閥塔的設(shè)計(jì),板式塔的工藝設(shè)計(jì)主要包括兩大方面： (1) 塔高、塔徑以及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算； (2) 塔板的流體力學(xué)校核以及塔板的負(fù)荷性能圖的確定,浮閥塔工藝尺寸的計(jì)算,實(shí)際塔板數(shù),可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或用經(jīng)驗(yàn)公式估算,塔高主要取決于實(shí)際塔板數(shù)

21、和板間距。 給定任務(wù)所需實(shí)際塔板數(shù)可通過平衡級(理論板)假設(shè)求得所需的理論板數(shù) N，然后由全塔效率(總板效率)修正,實(shí)際塔板數(shù)與全塔效率關(guān)聯(lián)式,實(shí)際塔板數(shù),實(shí)際板數(shù)和板間距，塔高,式中：Z1 最上面一塊塔板距塔頂?shù)母叨龋琺； Z2 最下面一塊塔板距塔底的高度，m,HT 對塔的生產(chǎn)能力、操作彈性以及塔板效率均有影響。 HT，允許的操作氣速，塔徑，但塔高。 HT ，塔高 ，但允許的操作氣速 ，塔徑。 對D0.8m的塔，為了安裝及檢修需要，需開設(shè)人孔。 人孔處的板間距一般不應(yīng)小于 0.6m,全塔效率的關(guān)聯(lián)式,塔板效率是氣、液兩相的傳質(zhì)速率、混合和流動狀況、以及板間返混(液沫夾帶、氣泡夾帶和漏液等所致

22、)的綜合結(jié)果。 板效率是設(shè)計(jì)重要數(shù)據(jù)。由于影響因素很多且關(guān)系復(fù)雜，至今還難以正確可靠地對其進(jìn)行預(yù)測。 工業(yè)裝置或?qū)嶒?yàn)裝置的實(shí)測數(shù)據(jù)是板效率最可靠的來源。 全塔效率實(shí)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)式可用于塔板效率的估算。 奧康內(nèi)爾（Oconnell）關(guān)聯(lián)方法 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,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(jì)算,全塔效率的關(guān)聯(lián)式,橫坐標(biāo) HP/L中： H 塔頂塔底平均溫度下溶質(zhì)的亨利系數(shù)，kmol/(m3kPa)； P 操作壓強(qiáng)，kPa； L 塔頂塔底平均組成及平均溫度下的液相粘度，mPas,板

23、式塔,吸收塔,塔徑,溢流式塔板的塔截面分為兩個(gè)部分： 氣體流通截面和降液管所占截面（液體下流截面,求 A 得與 Af / AT 后，即可求得 AT ，而塔徑,設(shè)適宜氣速為 u，當(dāng)體積流量為 Vs 時(shí)， A =Vs / u。求 A 的關(guān)鍵在于確定流通截面積上的適宜氣速 u 。 塔板的計(jì)算中，通常是以夾帶液泛發(fā)生的氣速（泛點(diǎn)氣速）作為上限。一般取,A 的計(jì)算,AT -塔板總截面積，A-氣體流道截面積，Af -降液管截面積,A 的計(jì)算,液泛氣速：在重力場中懸浮于氣流中的液滴所受的合力為零時(shí)的氣速。 當(dāng) uut 時(shí)，液滴將被氣流帶出。對直徑為 dp 的液滴,索德爾斯和布朗（Souders and Br

24、own）公式,L 、 V 氣、液相的密度，kg/m3； 阻力系數(shù)； C 氣體負(fù)荷因子，m/s,C 取決于dp和。因氣泡破裂形成的液滴的直徑和阻力系數(shù)都難以確定，故 C 需由實(shí)驗(yàn)確定。 實(shí)驗(yàn)研究表明，C 值與氣、液流量及密度、板上液滴沉降高度以及液體的表面張力有關(guān),史密斯（Smith, R. B）關(guān)系曲線,HThL：液滴沉降高度，HT 可根據(jù)塔徑選取，hL 為板上清液層高度，若忽略板上液面落差,常壓塔 hL=50100 mm； 減壓塔 hL=2530 mm,注意：液相表面張力 = 210-2 N/m,若實(shí)際液相表面張力不同，按下式校正,u，A,Af / AT 的確定,Af /AT：降液管面積與塔

25、截面積之比，與液體溢流形式有關(guān),求取方法： (1)按D和液體流量選取溢流形式，由溢流形式確定堰長 lw 與D 的比值。 單流型：lw/D =0.60.8 雙流型：lw/D =0.50.7 易起泡物系 lw/D 可高一些，以保證液體在降液管中的停留時(shí)間。 (2)由選定的 lw/D 值查圖得 Af /AT 。 (3)由確定的 A 與 Af /AT 求得塔板面積 AT 和塔徑 D ，并進(jìn)行圓整,注意：塔高和D的計(jì)算涉及的參數(shù)(HT、hL、lw/D) 是按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)在一定范圍選取的，故所得塔高和D是初估值，需根據(jù)后面介紹的流體力學(xué)原則進(jìn)行校核,塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),鼓泡區(qū)：取決于所需浮閥數(shù)與排列； 溢流區(qū)：與所

26、選溢流裝置類型有關(guān)。 上兩區(qū)均需根據(jù)塔板上的流體力學(xué)狀況進(jìn)行專門計(jì)算。 進(jìn)口安定區(qū)(分布區(qū))：保證進(jìn)塔板液體的平穩(wěn)均勻分布，也防止氣體竄入降液管。Ws = 50100 mm。 出口安定區(qū)(脫氣區(qū))：避免降液管大量氣泡夾帶。Ws = 70100 mm,塔板布置,D900mm 分塊式塔板,邊緣區(qū)：塔板支撐件塔板連接。 D 2.5 m WC 60 mm,溢流裝置,溢流裝置：由降液管、溢流堰和受液盤組成。 降液管：連通塔板間液體的通道，也是供溢流中所夾帶的氣體分離的場所。常見的有弓形、圓形和矩形降液管 弓形降液管：有較大容積，能充分利用塔板面積，一般塔徑大于800mm的大塔均采用弓形。 降液管的布置確

27、定了液體在塔板上的流徑以及液體的溢流形式。液體在塔板上的流徑越長，氣液接觸時(shí)間就越長，有利于提高塔板效率；但是液面落差也隨之加大，不利于氣體均勻分布，使板效率降低。 溢流形式的選擇：根據(jù)塔徑及流體流量等條件全面考慮。 D 2.0 m 雙溢流式或階梯流式,液體在降液管中的停留時(shí)間 為,單溢流弓形降液管結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算,降液管的寬度 Wd 和截面積 Af,計(jì)算塔徑時(shí)已根據(jù)溢流形式確定了堰長與塔徑的比值 lw/D。 由 lw/D 查圖可得 Wd /D 和 Af /AT，D 和 AT 已確定，故降液管的寬度 Wd 和截面積 Af 也可求得,為降低氣泡夾帶， 一般不應(yīng)小于 35s，對于高壓塔以及易起泡沫的

28、物系，停留時(shí)間應(yīng)更長些。 若計(jì)算出的 過短，不滿足要求，則應(yīng)調(diào)整相關(guān)的參數(shù)，重新計(jì)算,出口溢流堰與進(jìn)口溢流堰,出口堰：維持板上液層高度，各種形式的降液管均需設(shè)置。 出口堰長 lw：弓形降液管的弦長，由液體負(fù)荷及溢流形式?jīng)Q定。 單溢流 lw=(0.60.8)D，雙溢流 lw=(0.50.7)D。 出口堰高 hw：降液管上端高出板面的高度。堰高 hw 決定了板上液層的高度 hL,對于平堰,弗朗西斯（Francis）公式,液流收縮系數(shù) E,出口溢流堰與進(jìn)口溢流堰,進(jìn)口堰：保證液體均勻進(jìn)入塔板，也起液封作用。一般僅在較大塔中設(shè)置。進(jìn)口堰高一般與降液管底隙高度 h0 相等。 進(jìn)口堰與降液管間的水平距離

29、w0 h0，以保證液體由降液管流出時(shí)不致受到大的阻力,降液管底隙高度及受液盤,降液管底隙高度應(yīng)保證溢流液順暢并防止沉淀物堵塞(不可太小) ，但也應(yīng)防止氣體進(jìn)入降液管(不可太大)。 對于弓形降液管可按下式計(jì)算,式中：uoL 液體通過降液管底端出口處的流速，m/s。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取 uoL = 0.070.25 m/s。 D 800 mm，h0 = 40 mm。最大時(shí)可達(dá) 150 mm,降液管底隙高度及受液盤,受液盤：承接來自降液管的液體。 凹形受液盤：用于大塔（D800mm）。在液體流量低時(shí)仍能形成良好的液封，對改變液體流向有緩沖作用，且便于液體的側(cè)線抽出，但不適于易聚合及有懸浮固體的情況。凹形

30、受液盤深度一般在 50mm 以上,浮閥的數(shù)目與排列,閥孔直徑：由浮閥的型號決定。 浮閥數(shù) N：由氣體負(fù)荷量 Vs 決定?？捎上率接?jì)算,閥孔氣速 u0 可根據(jù)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合的閥孔動能因子 F0 確定,式中：Vs 氣體流量，m3/s； u0 閥孔氣速，m/s； d0 閥孔直徑。對 F1 型浮閥，d0 = 39 mm,根據(jù)工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)，對F1重型浮閥（約33g），當(dāng)塔板上的浮閥剛?cè)_時(shí)，F(xiàn)0 在 812 之間。設(shè)計(jì)時(shí)可在此范圍內(nèi)選擇適宜的 F0 后計(jì)算 u0,浮閥的數(shù)目與排列,浮閥在塔板上常按三角形排列，可順排或叉排,液流方向,順排,t,t,叉排,等腰三角形叉排可使相鄰的浮閥容易吹開，鼓泡更均勻。

31、通常將同一橫排的閥孔中心距定為 75 mm，而相鄰兩排間的距離可取 65、80、100 mm 等幾種規(guī)格,若鼓泡區(qū)面積為 Aa，則一個(gè)閥孔的鼓泡面積 Aa / N 約為 t t，故有,浮閥的數(shù)目與排列,由 t=75mm 及上式計(jì)算的 Aa 值可得 t ，據(jù)此可確定 t 的實(shí)際取值（65、80、100mm）； 根據(jù)已確定的孔距（t 與 t），按等腰三角形叉排方式作圖，確切排出在鼓泡區(qū)內(nèi)可以布置的浮閥總數(shù)； 若作圖排列與計(jì)算所得浮閥數(shù)相等或相近，則按作圖所得浮閥數(shù)重算閥孔氣速，然后校核 F0 (812) 。若 F0 不在該范圍內(nèi)，應(yīng)重新調(diào)整 t 值，再作圖、校核，直到滿足要求為止,對單溢流塔板 A

32、a 可按下式計(jì)算,浮閥的數(shù)目與排列,常壓塔或減壓塔： = 1014% 加壓塔： 10,塔板開孔率 ：塔板上閥孔總面積占塔板總面積的百分?jǐn)?shù),浮閥塔板的流體力學(xué)校核,目的：判斷在設(shè)計(jì)工作點(diǎn)(任務(wù)給定的氣、液負(fù)荷量)下初步設(shè)計(jì)出的塔板能否正常操作，塔板壓降是否超過允許值等，從而確認(rèn)塔的工藝尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性。 原因：在計(jì)算確定浮閥塔的塔高 Z、塔徑 D 及塔板結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，有部分設(shè)計(jì)參數(shù)來源于一定范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如 HT、lw /D、hL 等,塔板壓降的校核,氣體通過塔板的壓強(qiáng)降對塔板的操作性能有著重要影響，通常也是設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)定的指標(biāo)之一。 塔板的壓降等于干板壓降與液層壓降之和，即,塔板壓降的校核

33、,國內(nèi)通用的 F1 型浮閥塔板的 hd 可按如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,閥全開前,閥全開后,式中：u0 閥孔氣速，m/s； uoc 閥恰好全開時(shí)的閥孔氣速(臨界氣速)，m/s； V、 L 分別為塔內(nèi)氣體和液體的密度，kg/m3,由上兩式可得臨界孔速 uoc 的計(jì)算式,以上三式是由閥重 34g 和閥孔直徑 39mm 的重型浮閥測定的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)所得。用于其它重量的浮閥時(shí)需進(jìn)行修正,塔板壓降的校核,液層阻力 hl 為,如果算出的板壓降 hf 值超過規(guī)定的允許值，應(yīng)對相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如增大開孔率 或降低堰高 hw，以使 hf 值下降,液沫夾帶的校核,正常操作時(shí)的液沫夾帶量為： ev 0.1kg液體/kg氣

34、體。 尚無 ev 較準(zhǔn)確的直接計(jì)算式，通常是間接地用泛點(diǎn)率(泛點(diǎn)百分?jǐn)?shù)) Fl 作為估算 ev 大小的依據(jù)。 泛點(diǎn)率 Fl ：操作時(shí)的空塔氣速與發(fā)生液泛時(shí)的空塔氣速之比 D0.9m ：Fl 80%；D0.9m：Fl 70%；減壓塔：Fl 75,經(jīng)驗(yàn)公式,Ls , Vs 分別為塔內(nèi)液、氣相流量，m3/s； L , V 分別為塔內(nèi)液、氣相密度，kg/m3； ZL 板上液相流程長度，m。單溢流：ZL=D - 2Wd； Ab 板上液流面積，m2。單溢流：Ab=AT - 2Af； K 物性系數(shù)； CF 泛點(diǎn)負(fù)荷因子,液沫夾帶的校核,液沫夾帶的校核,若計(jì)算所得泛點(diǎn)率 Fl 不在上述范圍內(nèi)，則可認(rèn)為 ev

35、超過了最大允許值，必須調(diào)整有關(guān)參數(shù)，如增大板間距HT、或增大塔徑 D（降低氣速）等，再重新進(jìn)行校核,溢流液泛的校核,為避免發(fā)生溢流液泛，則應(yīng)保證降液管中泡沫液層的高度不能超過上層塔板的出口堰，即必須滿足,泡沫層相對密度,與降液管中泡沫液層高度相當(dāng)?shù)那逡簩?Hd 可由下式計(jì)算,上式中 hw、how 及 hf 可由前面介紹的公式進(jìn)行計(jì)算。 液面落差在 Hd 計(jì)算式中相對較小，一般可忽略不計(jì)（也可根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行計(jì)算,易起泡物系： = 0.30.4； 一般物系： = 0.5； 不易起泡物系： = 0.60.7,溢流液泛的校核,液體經(jīng)過降液管的阻力損失 h，主要由降液管底隙處的局部阻力所造成，可按下

36、面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,塔板上不設(shè)進(jìn)口堰時(shí),塔板上設(shè)有進(jìn)口堰時(shí),式中：Ls 液體體積流量，m3/s； lw 堰長，亦即降液管底隙長度，m； h0 降液管底隙高度，m； uoL 液體通過降液管底隙時(shí)的流速，m/s,負(fù)荷性能圖及操作彈性,負(fù)荷性能圖,為一定任務(wù)設(shè)計(jì)的塔板，在一定氣、液相負(fù)荷范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)良好的氣、液流動與接觸狀態(tài)，有高的板效率。 當(dāng)氣、液相負(fù)荷超出此范圍，不僅塔板的分離效率大大降低，甚至塔的穩(wěn)定操作也將難以維持。 有必要對已設(shè)計(jì)的塔確定出其氣、液相操作范圍,0,1,2,3,4,5,正常操作范圍,Ls (m3/h,Vs (m3/h,1. 漏液線(氣相負(fù)荷下限線,2. 過量液沫夾帶線(氣相負(fù)

37、荷上限線,3. 液相負(fù)荷下限線,4. 液相負(fù)荷上限線,5. 溢流液泛線,漏液線（氣相負(fù)荷下限線,操作時(shí)防止塔板發(fā)生嚴(yán)重漏液現(xiàn)象所允許的最小氣體負(fù)荷。塔板漏液與閥孔氣速直接相關(guān)，故可用其大小作為判據(jù),式中， d0、N、V 均為已知數(shù)，故由此式求出的氣體負(fù)荷Vs 的下限在負(fù)荷性能圖（Vs-Ls圖）中為一水平線,對 F1 型重閥取閥孔動能因子 F0=5 時(shí)的氣體負(fù)荷為操作的下限值,1,過量液沫夾帶線（氣相負(fù)荷上限線,控制液沫夾帶量 ev 不大于最大允許值的氣體負(fù)荷上限。將與 ev=0.1（kg液體/kg氣體）相對應(yīng)的泛點(diǎn)率Fl（如D0.8m 的大塔，取 Fl = 70%）代入下式后所得的 Vs-Ls

38、 關(guān)系式作圖而得,此線與橫軸并不完全平行，可見發(fā)生液沫夾帶現(xiàn)象與液相負(fù)荷 Ls 也有一定關(guān)系，但主要取決于氣體負(fù)荷,2,液相負(fù)荷下限線,此線為保證塔板上液體流動時(shí)能均勻分布所需的最小液量。 對平頂直堰，取 how = 6 mm 作為液相負(fù)荷下限的標(biāo)準(zhǔn),也稱氣泡夾帶線，由液體在降液管中所需的最小停留時(shí)間決定,E, lw 已知，為一垂直線,液相負(fù)荷上限線,不易起泡的物系：3s，易起泡物系：5s。為一垂直線,3,4,由上述 5 條線所包圍的區(qū)域即一定物系在一定的結(jié)構(gòu)尺寸的塔板上的正常操作區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，氣、液兩相流率的變化對塔板效率的影響不大,溢流液泛線,降液管中泡沫層高度達(dá)最大允許值時(shí)的氣量與液量

39、的關(guān)系,塔板的設(shè)計(jì)點(diǎn)及操作點(diǎn)都必須在正常操作區(qū)內(nèi)，才能獲得較高的塔板效率。 對于一定氣液比的操作過程，Vs/Ls 為一定值，故塔板的操作線在圖上為以 Vs/Ls 為斜率過原點(diǎn) o 的直線,5,OP,操作彈性,塔板的操作彈性：上、下操作極限點(diǎn)的氣體流量之比。 對一定結(jié)構(gòu)尺寸的塔板，采用不同氣液比時(shí)控制塔的操作彈性與生產(chǎn)能力的因素均可能不同,塔板的設(shè)計(jì)點(diǎn)應(yīng)落在負(fù)荷性能圖的適中位置，使塔具有相當(dāng)?shù)目关?fù)荷波動的能力，保證塔的良好穩(wěn)定操作,OP 線（高氣液比）： 上限 a（過量液沫夾帶） 下限 a（低液層,OP,OP,OP,a,a,b,b,c,c,OP 線（較高氣液比）： 上限 b（溢流液泛） 下限 b

40、（漏液,OP 線（低氣液比）： 上限 c（氣泡夾帶） 下限 c（漏液,操作彈性,右圖表明，因降液管流通面積偏小，使液體負(fù)荷成為塔板操作的主要控制因素,液沫夾帶線 2 和溢流液泛線 5 將上移，甚至使線 5 落到正常操作范圍之外,物系一定，負(fù)荷性能圖取決于塔板的結(jié)構(gòu)尺寸。而負(fù)荷性能圖的形狀在一定程度上也反映了塔板結(jié)構(gòu)尺寸的相對情況,減小降液管面積，液相上限流量 Ls 下降(線 4 將左移,塔板的負(fù)荷性能圖可清楚地表示塔板的允許的氣、液相負(fù)荷范圍及塔板操作彈性的大小，對塔板的改造和設(shè)計(jì)以及塔的操作均有一定的指導(dǎo)意義,OP,a,a,4,2,5,填料塔（Packed Tower,塔體：一般取為圓筒形，

41、可由金屬、塑料或陶瓷制成，金屬筒體內(nèi)壁常襯以防腐材料。 填料：大致可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類，是傳熱和傳質(zhì)的場所。 塔內(nèi)件：包括填料支承與壓緊裝置、液體與氣體分布器、液體再分布器以及氣體除沫器等。 操作原理：液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流動，并與在壓強(qiáng)差推動下穿過填料空隙的氣體相互接觸，發(fā)生傳熱和傳質(zhì),填料（Tower packing,填料塔的核心，是氣液兩相接觸進(jìn)行質(zhì)、熱傳遞的場所。 填料的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能與填料的材質(zhì)、大小和幾何形狀緊密相關(guān)，材質(zhì)一定時(shí)，表征填料特性的數(shù)據(jù)主要有： 比表面積 a：單位體積填料層所具有的表面積(m2/m3)。被液體潤

42、濕的填料表面就是氣液兩相的接觸面。大的 a 和良好的潤濕性能有利于傳質(zhì)速率的提高。對同種填料，填料尺寸越小，a 越大，但氣體流動的阻力也要增加。 空隙率 ：單位體積填料所具有的空隙體積(m3/m3)。代表的是氣液兩相流動的通道， 大，氣、液通過的能力大，氣體流動的阻力小。 = 0.450.95。 填料因子 ：填料比表面積與空隙率三次方的比值(1/m)，a/3，表示填料的流體力學(xué)性能，值越小，流動阻力越小。有干填料因子與濕填料因子之分,填料（Tower packing,堆積密度 p ：單位體積填料的質(zhì)量(kg/m3)。在機(jī)械強(qiáng)度允許的條件下，填料壁要盡量薄，以減小填料的堆積密度，從而既可降低成本

43、又可增加空隙率。 機(jī)械強(qiáng)度大，化學(xué)穩(wěn)定性好以及價(jià)格低廉等也是優(yōu)良填料應(yīng)盡量兼有的性質(zhì)。 注意：一些難以定量表達(dá)的因素(幾何形狀)對填料的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能也有重要的影響。新型填料的開發(fā)一般是改進(jìn)填料幾何形狀使之更為合理，從而獲得高的填料效率,常用的填料（Typical tower packing,常用的填料可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。散裝填料在塔內(nèi)可亂堆，也可以整砌,優(yōu)點(diǎn)：易于制造，價(jià)格低廉，且對它的研究較為充分，所以在過去較長的時(shí)間內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。 缺點(diǎn)：高徑比大，堆積時(shí)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,拉西環(huán)（

44、Raschig ring）填料,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),在拉西環(huán)基礎(chǔ)上衍生了環(huán)、十字環(huán)及螺旋環(huán)等，其基本改進(jìn)是在拉西環(huán)內(nèi)增加一結(jié)構(gòu)，以增大填料的比表面積,鮑爾環(huán)（Pall ring）填料,在環(huán)的側(cè)壁上開一層或兩層長方形小孔，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(cuò),鮑爾環(huán)填料的優(yōu)良性能使它一直為工業(yè)所重視，應(yīng)用十分廣泛?？捎商沾?、金屬或塑料制成,同尺寸的鮑爾環(huán)與拉西環(huán)雖有相同的比表面積和空隙率，但鮑爾環(huán)在其側(cè)壁上的小孔可供氣液流通，使環(huán)的內(nèi)壁面得以充分利用。 比之拉西環(huán)，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

45、，溝流現(xiàn)象也大大降低,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(diǎn)接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象,階梯環(huán)填料（Stair ring,階梯環(huán)填料的結(jié)構(gòu)與鮑爾環(huán)填料相似，環(huán)壁上開有長方形小孔，環(huán)內(nèi)有兩層交錯(cuò) 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,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,弧鞍形(Berl saddle)矩鞍形(Intalox saddle)填料,一種表面全部展開的具有馬鞍形狀的瓷質(zhì)型填料 (馬鞍填料)?；“疤盍显谒?nèi)呈相互搭接狀態(tài)

46、，形成弧形氣體通道,優(yōu)點(diǎn)：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),矩鞍填料的兩端為矩形，且填料兩面大小不等。克服了弧鞍填料相互重疊的缺點(diǎn)，填料的均勻性得到改善。液體分布均勻，氣液傳質(zhì)速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一種瓷質(zhì)填料,缺點(diǎn)：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,優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絲細(xì)密，空隙很高，比表面積很大。由于毛細(xì)管作用，填料表面潤濕性能很好。故網(wǎng)體填料氣體阻力小，傳質(zhì)速率高。 缺點(diǎn)：造價(jià)很高，故多用于實(shí)驗(yàn)室中難分離物系的分離,金屬英特洛克斯（Intalox）填料,有環(huán)形與鞍形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，生產(chǎn)能力大、壓降低、液體分布性能好、傳質(zhì)速率高及操作彈

47、性大，在減壓蒸餾中其優(yōu)勢更為顯著,與實(shí)體填料對應(yīng)的另一類填料為網(wǎng)體填料。 有多種形式，如金屬絲網(wǎng)制成的網(wǎng)環(huán)和鞍型網(wǎng)等,網(wǎng)體填料（Wire gauze packings,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(shí)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)砌裝,優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：造價(jià)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,規(guī)整填料,Corrugated Metal Plates Packings

48、 6400金屬板波紋規(guī)整填料,300脈沖規(guī)整填料,各種陶瓷規(guī)整填料,填料的流體力學(xué)性能,壓降,填料塔效率主要取決于填充填料流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能。 壓降、液泛氣速、持液量及氣液分布對填料塔的設(shè)計(jì)和操作參數(shù)的確定至關(guān)重要,壓降與氣速的關(guān)系： 氣體通過干填料層時(shí)的流動與氣體通過顆粒固定床的流動相似，只是通常填料層的空隙率更大，故氣體在空隙中的流速更高而處于湍流,載液區(qū),高液量,低液量,C,C,B,B,A,A,L=0,L1,L2,lg u,lg p,載點(diǎn)氣速,液泛氣速,有一定持液量時(shí)，pu 將不再為簡單的直線關(guān)系(噴淋密度為L1、L2曲線)，且存在兩個(gè)較明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),壓降,氣體通過干填料層的壓降 p

49、 與空塔氣速 u 的關(guān)系在雙對數(shù)坐標(biāo)上為直線，斜率 1.82.0,原因：噴淋液體在填料上形成液膜，占據(jù)部分空隙，減小了氣體的流通截面，對相同空塔氣速壓降升高,P點(diǎn)后，液沫夾帶量，液相返混可導(dǎo)致填料效率，(HETP,載點(diǎn)(B)后，持液量，氣液相互作用，相界面積，湍動增強(qiáng)，傳質(zhì)過程，填料效率 (HETP,載液和液泛對傳質(zhì)的影響,壓降,氣速較低時(shí)，氣液相間相互影響小，在一定的液體噴淋密度下，填料持液量與氣速無關(guān)，氣體壓降與氣速的關(guān)系為直線且基本與 L=0 的直線平行,P,B,泛點(diǎn)C,載液區(qū),空塔氣速 u,等板高度HETP,填料塔的操作一般控制在偏離泛點(diǎn)一定距離的載液區(qū)內(nèi)，這樣，既可得到較高的傳質(zhì)效率

50、，填料層的壓降也不會過大,壓降與氣速的關(guān)聯(lián)圖,壓降對填料塔操作的可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著決定性的影響。 選擇填料和確定塔徑時(shí)，不同系統(tǒng)應(yīng)控制的壓降范圍不同,壓降：表面摩擦阻力+形體阻力，前者是氣體在空隙中流動時(shí)在填料表面和氣液界面上產(chǎn)生的粘性應(yīng)力，后者是由于氣體流道的突然增大或縮小，方向的改變等造成的動能損失。 影響因素：填料特性(幾何形狀、比表面積、 等)，流體物性(、 等)以及操作條件(氣液流量、T 等)。 難以進(jìn)行準(zhǔn)確的理論計(jì)算，迄今仍然只能由各種經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或關(guān)聯(lián)圖進(jìn)行估算,?？颂?(Eckert) 壓降通用關(guān)聯(lián)圖,橫坐標(biāo),GG ,GL 氣體和液體的質(zhì)量流速，kg/(m2.s)； u 空塔氣速

51、，m/s； V , L 氣體和液體的密度，kg/m3； L 液體的粘度，mPa.s； WG ,WL 氣體和液體的質(zhì)量流量，kg/s； 濕填料因子(泛點(diǎn)填料因子)，1/m； Vs ,Ls 氣體和液體的體積流量，m3/s； g 重力加速度 9.81m/s2； 液體密度校正系數(shù)(水與液相密度之比=/L),縱坐標(biāo),?？颂?(Eckert) 壓降通用關(guān)聯(lián)圖,適用范圍：亂堆填料(Random packings)，如拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)等。 與泛點(diǎn)線相對應(yīng)的空塔氣速為空塔液泛氣速。 利用此圖可根據(jù)選定的空塔氣速求壓降，或根據(jù)規(guī)定的壓降求算相應(yīng)的空塔氣速,最上方的三條線分別為弦柵、整砌拉西環(huán)及亂堆填料的泛點(diǎn)

52、線。其余為亂堆填料的等壓降線,泛點(diǎn)氣速,泛點(diǎn)：液泛開始發(fā)生，是填料塔的操作極限。 泛點(diǎn)氣速：開始發(fā)生液泛時(shí)的氣速，泛點(diǎn)的直接表達(dá)參數(shù),為防止液泛發(fā)生，最大操作氣速應(yīng) 95%泛點(diǎn)氣速，設(shè)計(jì)點(diǎn)的氣速通常取泛點(diǎn)氣速的50%80%。故正確估算泛點(diǎn)氣速對填料塔的設(shè)計(jì)和操作都十分重要。 填料的種類，物系的物性以及氣、液相負(fù)荷等因素對泛點(diǎn)都有一定的影響。泛點(diǎn)氣速的估算式通常仍是借助于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的各種經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或關(guān)聯(lián)圖。 對于散裝填料，目前廣泛采用?？颂?Eckert)壓降和氣速通用關(guān)聯(lián)圖中的泛點(diǎn)曲線。 規(guī)整填料有類似的泛點(diǎn)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖，可參考有關(guān)文獻(xiàn)。 根據(jù)兩相流動參數(shù)即可由?？颂?Eckert)關(guān)聯(lián)圖中的

53、泛點(diǎn)線查縱坐標(biāo)值，若填料因子已知，即可求得泛點(diǎn)氣速,持液量（Liquid holdup,填料的持液量：操作時(shí)單位體積填料在表面和空隙中所積存的液體體積量。由靜持液量和動持液量兩部分組成。 動持液量：停止氣液兩相進(jìn)料后從填料中排放出來的液體。與填料特性，物性及氣液兩相流量有關(guān)。 靜持液量：液體排放完后仍保留在填料層內(nèi)的那部分液體。與填料表面積，表面特征及潤濕性有關(guān)。 持液量對填料的壓降、氣液通量以及分離效率均有影響。 液體在填料層中的停留時(shí)間與持液量成正比，故熱敏性物系分離不宜采用持液量大的填料。 對間歇蒸餾不宜采用持液量大的填料。 填料塔穩(wěn)定操作時(shí)持液量越小，靈敏度越高。 理想的操作：大傳質(zhì)表

54、面，較小持液量,填料塔內(nèi)的氣、液分布,氣、液兩相分布不均勻?qū)λ蕰a(chǎn)生不利的影響。 小尺度不良分布：單個(gè)填料尺度或規(guī)整填料的通道尺度上的不均勻分布。 原因：由于氣體的彌散性，氣體在小尺度上容易分布均勻。而液體能否在填料表面擴(kuò)展成膜與填料的潤濕性直接相關(guān)。即使填料潤濕性很好，液體的初始分布也很均勻，但在向下流過一定高度的填料層后部分液體必然會匯集為細(xì)股流，使另一部分填料表面不能為液體所潤濕。 小尺度的不良分布是填料的特性，當(dāng)液體流經(jīng)一定距離后，這種不良分布特性保持穩(wěn)定，稱為特征分布。通常散裝填料的小尺度不良分布較規(guī)整填料突出,填料塔內(nèi)的氣、液分布,大尺度不良分布：由液體初始分布不均、填料層結(jié)構(gòu)

55、不均和塔體傾斜等非正常因素所引起。 壁效應(yīng)：若塔壁附近空隙率顯著大于填料主體區(qū)，則會造成液體向壁區(qū)偏流并最終形成沿塔壁垂直向下的壁流，減少了填料氣體區(qū)的液流量。 塔體傾斜會造成液體優(yōu)先流向下方塔壁而匯集，上方塔壁及靠壁區(qū)液體分布則不足。 填料破碎、變形等也會造成大范圍的液流分布不均。 大尺度液流不均還會引發(fā)氣流分布不均，造成氣體走短路，使填料塔操作惡化。 改進(jìn)措施：加強(qiáng)液流入塔的初始分布均勻性，在塔內(nèi)設(shè)置液體再分布器，填料充填均勻，對大型塔填料尺寸與塔徑之比不大于 1/30 以避免壁效應(yīng)等,填料塔塔徑與塔高的計(jì)算,塔徑,填料塔的直徑可根據(jù)圓形管道內(nèi)的流量公式計(jì)算,式中：Vs 操作條件下氣體體積

56、流量，m3/s； u 操作條件下的空塔氣速，m/s。 一般取 u = (0.50.8) uf,對一定氣體負(fù)荷，塔徑計(jì)算關(guān)鍵在于空塔泛點(diǎn)氣速的求取。當(dāng)缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，泛點(diǎn)氣速 uf 可用埃克特(Eckert)壓降關(guān)聯(lián)圖估算。一般填料塔的操作氣速大致在 0.21.0 m/s。 按上式算出的塔徑，應(yīng)按壓力容器公稱直徑進(jìn)行圓整，如圓整為600、800、1000、1200 mm 等,塔徑,驗(yàn)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 a 有關(guān)，其關(guān)系為,式中：Umin 最小噴淋密度，m3/(m2s)； (Lw)min 最小潤濕速率，m3/(ms,最小潤濕速率：在

57、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75mm 的環(huán)形填料，(Lw)min= 0.12 m3/(mh)。 實(shí)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,塔高,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(jì)算的尺寸來確定。 填料層的高度通常采用傳質(zhì)單元法 (第9章吸收計(jì)算) 或等板高度法進(jìn)行計(jì)算。 等板高度(HETP)：與一層理論塔板的分離效果相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨?。等板高度的大小，表明填料效率的高低?等板高

58、度一般由實(shí)驗(yàn)測定，或取生產(chǎn)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 若完成分離任務(wù)所需的理論板數(shù)為 N，則填料層高度 Z 為,默奇 (Murch) 等板高度經(jīng)驗(yàn)公式,GG 氣體的空塔質(zhì)量速度，kg/(m2h)； 相對揮發(fā)度； D 塔徑，m； L 液體粘度，mPas； Z 填料層高度，m； L 液體的密度，kg/m3； c1, c2, c3 常數(shù)，取決于填料類型及尺寸,適用范圍： (1) 常壓操作，操作氣速為泛點(diǎn)氣速的2585%； (2) 高回流比操作； (3) 值不大于3的碳?xì)浠衔镎麴s系統(tǒng)； (4) 填料層高度為0.93.0m，塔徑為0.50.75m，填料尺寸不大于塔徑的1/8,默奇 (Murch) 等板高度經(jīng)驗(yàn)公

59、式,默奇（Murch）等板高度經(jīng)驗(yàn)公式中的常數(shù),填料塔的附屬結(jié)構(gòu),填料支承板（Packing support plate,主要包括：填料支承裝置、液體分布及再分布裝置、氣體進(jìn)口分布裝置及出口除沫裝置等。 附屬結(jié)構(gòu)的選型、設(shè)計(jì)、安裝是否正確合理，對填料塔的操作和傳質(zhì)分離效果都會有直接影響，應(yīng)給予足夠的重視,用以支承填料的部件。它應(yīng)具有： (1) 足夠的機(jī)械強(qiáng)度以承受設(shè)計(jì)載荷量，支承板的設(shè)計(jì)載荷主要包括填料的重量和液泛狀態(tài)下持液的重量。 (2) 足夠的自由面積以確保氣、液兩相順利通過?？傞_孔面積應(yīng)盡可能不小于填料層的自由截面積。開孔率過小可導(dǎo)致液泛提前發(fā)生。一般開孔率在 70% 以上。 常用的支承

60、板有柵板、升氣管式和氣體噴射式等類型,填料支承板（Packing support plate,柵板 (support grid)：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低；缺點(diǎn)是柵板間的開孔容易被散裝填料擋住，使有效開孔面積減小,填料支承板（Packing support plate,升氣管式：具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點(diǎn)。氣體由升氣管側(cè)面的狹縫進(jìn)入填料層,填料支承板（Packing support plate,氣體噴射式 (multibeam packing support plate)： 具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點(diǎn)。氣體由波形的側(cè)面開孔射入填料層,床層限位圈和填料壓板 (Bed l