汽液傳質設備

1、第八章 汽液傳質設備本 章 學 習 要 求1熟練掌握的內容板式塔內氣液流動方式；板式塔塔板上氣液兩相非理想流動；板式塔的不正常操作，全塔效率和單板效率；板式塔塔高和塔徑的計算；填料塔內流體力學特性；氣體通過填料層的壓降；泛點氣速的計算；填料塔塔徑的計算。2理解的內容板式塔的主要類型與結構特點，板式塔塔板上氣液兩相接觸狀況；篩板塔溢流裝置的設計及踏板板面布置；篩板塔塔板校核；篩板塔負荷性能圖的繪制及其作用；填料塔的結構；填料及其特性。3了解的內容氣液傳質設備類型與基本要求；填料塔的附件；板式塔與填料塔的比較。§8.1 氣液傳質設備類型與基本要求塔設備是化工、石油等工業(yè)中廣泛使用的重要生

2、產(chǎn)設備。塔設備的基本功能在于提供氣、液兩相以充分接觸的機會，使熱、質兩種傳遞過程能夠迅速有效地進行；還能使接觸之后的氣、液兩相及時分開，互不夾帶。根據(jù)塔內氣液接觸部件的結構型式，塔設備可分為板式塔與填料塔兩大類。目前在工業(yè)生產(chǎn)中，當處理量大時多采用板式塔，而當處理量較小時多采用填料塔。蒸餾操作的規(guī)模往往較大，所需塔徑常達一米以上，故采用板式塔較多；吸收操作的規(guī)模一般較小，故采用填料塔較多。氣液傳質設備的性能通常由以下幾個要素表示：1塔設備的生產(chǎn)能力或通過能力要大：指單位時間單位塔截面積上的處理量或氣液流量。2傳質效率要高：板式塔的傳質效率通常用塔板效率來衡量，即實際塔板與理論塔板分離能力之比；

3、填料塔的傳質效率通常用傳質單元高度，即完成一個傳質單元所需要的填料層高度來表示。3流體阻力要?。褐笟怏w通過每層塔板或每米填料層高度的壓降。4塔設備的操作彈性要大：指最大氣速負荷與最小氣速負荷之比，其值的大小表明塔對負荷變化的適應能力。5塔的結構簡單、設備投資少、操作成本低、安裝及維修方便。§8.2 板式塔板式塔內沿塔高裝有若干層塔板(或稱塔盤)，液體靠重力作用由頂部逐板流向塔底，并在各塊板面上形成流動的液層；氣體則靠壓強差推動，由塔底向上依次穿過各塔板上的液層而流向塔頂。氣、液兩相在塔內進行逐級接觸，兩相的組成沿塔高呈階梯式變化。工業(yè)上常用的板式塔有：篩板塔、泡罩塔、浮閥塔、穿流柵孔

4、板塔等。8.2.1 篩板塔的結構及其作用1.篩孔：有效傳質區(qū)內，常按正三角形排列篩孔直徑 d0 : 3 8 mm (一般)，12 25 mm (大篩孔)孔中心距 t : (2.55) d0 取整。開孔率: 通常為 0.08 0.12。板厚：碳鋼（3 4mm）、不銹鋼2.溢流堰作用：維持塔板上一定液層，使液體均勻橫向流過。 型式：平直堰、溢流輔堰、三角形齒堰及柵欄堰。主要尺寸堰高 hW：直接影響塔板上液層厚度過小，相際傳質面積過??； 過大，塔板阻力大，效率低。常、加壓塔：40 80 mm ； 減壓塔：25 mm 左右。 堰長 lW ：影響液層高度。堰上方液頭高度 hOW ： 要求3.降液管 降液

5、管：弓形、圓形。降液管截面積：Af由Ad/AT = 0.06 0.12 確定；底隙 hb ：通常在 30 40 mm。4.塔板上液流的的安排依據(jù)：塔徑 、流量； 型式：單流型、U 形流型、雙流型、階梯流型等。8.2.2 塔板上氣液流動和接觸狀況1.塔板上氣液兩相接觸狀況塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)是決定板上兩相流流體力學及傳質和傳熱規(guī)律的重要因素。如圖所示，當液體流量一定時，隨著氣速的增加，可以出現(xiàn)四種不同的接觸狀態(tài)。 （1）鼓泡接觸狀態(tài)鼓泡接觸狀態(tài)穩(wěn)定的氣泡表面泡沫接觸狀態(tài)更新的液膜表面噴射接觸狀態(tài)更新的液滴表面當氣速較低時，氣體以鼓泡形式通過液層。由于氣泡的數(shù)量不多，形成的氣液混合物基本上以液

6、體為主，氣液兩相接觸的表面積不大，傳質效率很低。（2）泡沫接觸狀態(tài) 當氣速繼續(xù)增加，氣泡數(shù)量急劇增加，氣泡不斷發(fā)生碰撞和破裂，此時板上液體大部分以液膜的形式存在于氣泡之間，形成一些直徑較小，擾動十分劇烈的動態(tài)泡沫，在板上只能看到較薄的一層液體。由于泡沫接觸狀態(tài)的表面積大，并不斷更新，為兩相傳熱與傳質提供了良好的條件，是一種較好的接觸狀態(tài)。（3）噴射接觸狀態(tài)當氣速繼續(xù)增加，由于氣體動能很大，把板上的液體向上噴成大小不等的液滴，直徑較大的液滴受重力作用又落回到板上，直徑較小的液滴被氣體帶走，形成液沫夾帶。此時塔板上的氣體為連續(xù)相，液體為分散相，兩相傳質的面積是液滴的外表面。由于液滴回到塔板上又被分

7、散，這種液滴的反復形成和聚集，使傳質面積大大增加，而且表面不斷更新，有利于傳質與傳熱進行，也是一種較好的接觸狀態(tài)。如上所述，泡沫接觸狀態(tài)和噴射狀態(tài)均是優(yōu)良的塔板接觸狀態(tài)。因噴射接觸狀態(tài)的氣速高于泡沫接觸狀態(tài)，故噴射接觸狀態(tài)有較大的生產(chǎn)能力，但噴射狀態(tài)液沫夾帶較多，若控制不好，會破壞傳質過程，所以多數(shù)塔均控制在泡沫接觸狀態(tài)下工作。2.塔板上氣液兩相的非理想流動（1）返混現(xiàn)象與主流方向相反的流動稱為返混現(xiàn)象。液沫夾帶：氣體鼓泡通過板上液層時，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。氣泡夾帶：液體在降液管中停留時間太短，大量氣泡被液體卷進下層塔板。原因：液體在降液管中停留時間過短，氣

8、泡來不及解脫，而被液體卷入下層塔板。（2）氣體和液體的不均勻分布氣體沿塔板的不均勻分布：液面有落差和液層波動，引起氣體分布不均勻；液層厚，阻力大，汽速??；液層薄，阻力小，汽速大。液體沿塔板的不均勻分布圓形塔截面，液體在橫穿塔板時在不同部位具有不同的流動行程。（3）漏液若設計不當或操作時參數(shù)失調，輕則會引起板效率大降低，重則會出現(xiàn)一些不正?，F(xiàn)象使塔無法工作。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，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：嚴重的漏液使塔板上不能形成液層，氣液無法進行傳熱、

9、傳質，塔板將失去其基本功能。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。當板上結構均勻、各處干板阻力相等時，板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。3. 板式塔的不正常操作（1）液泛液體進塔量大于出塔量，結果使塔內不斷積液，直至塔內充滿液體，破壞塔內正常操作，稱為液泛。液泛包括：降液管液泛、夾帶液泛。降液管液泛（溢流液泛）原因：由降液管通過液體能力不夠而引起液量過大。夾帶液泛原因：由液沫夾帶引起 汽速過大。開始發(fā)生液泛時的氣速稱之為液泛氣速 。綜上所述，造成液泛的原因主要是液量過大、板壓降過大（即氣量過大）或降液管堵塞。（2）嚴重

10、漏液當氣體孔速過小或氣體分布不均勻時，使有的篩孔無氣體通過，從而造成液體短路，大量液體由篩孔漏下。產(chǎn)生原因：氣量過小 ；或塔板開孔率大。8.2.3 全塔效率與單板效率1. 全塔效率（總板效率）E0 全塔效率為理論板數(shù)與實際板數(shù)之比注：根據(jù)理論板數(shù)和總板效率求實際塔板數(shù)，實際塔板數(shù)應當圓整。2、單板效率（默弗里Murphree板效率） 氣相單板效率： 液相單板效率： 注意：塔板傳質速率的影響因素歸入塔板效率，使精餾計算大大簡化方便，只需由相平衡方程與操作線方程求理論板數(shù)，再由總板效率求實際塔板數(shù)； 塔板效率與汽液相的物性：密度、粘度、擴散系數(shù)、表面張力、揮發(fā)度等，操作參數(shù)：溫度、壓力、流量，塔板

11、結構：開孔率、孔徑大小、分布形式、孔結構等因素有關；使得板效率無法理論計算，通常由實驗測定塔板效率；總板效率、單板效率之間定義不同，它們并不相等，即使全塔各板的單板效率相同，總板效率也不等于單板效率； 8.2.4 板式塔設計1. 塔高的計算式中：Z：塔的有效段高度，m； NP：實際塔板數(shù)； HT：板間距，m；2. 塔徑的計算 式中：D：塔徑，m； Vg：塔內氣體的體積流量，m3/s； u：氣體的空塔速度，m/s；3. 塔板負荷性能圖確定了塔板的工藝尺寸，還要進一步揭示該塔板的操作性能，即求出維持該塔板正常操作所允許的氣液負荷波動，這個范圍通常以塔板負荷性能圖的形式表示，在以VS，LS分別為縱橫

12、軸的直角坐標系中，標繪出各種不正常流體力學條件下的VSLS關系曲線，在以這些曲線為界的范圍之內，才是塔的適宜操作區(qū)。（1）氣液流量的流體力學上下限漏液線（氣相負荷下限線）操作時防止塔板發(fā)生嚴重漏液現(xiàn)象所允許的最小氣體負荷。塔板漏液與閥孔氣速直接相關，故可用其大小作為判據(jù)。液體流量下限線亦稱降液管超負荷線，此線表明液體流量大小應保證液體在降液管內停留時間的起碼條件。依上式求得液相負荷上限LS的數(shù)值（常數(shù)），據(jù)此作出液相負荷上限線。液流量上限線也稱氣泡夾帶線，由液體在降液管中所需的最小停留時間決定。過量液沫夾帶線（氣相負荷上限線）液沫夾帶上限線表示霧沫夾帶量eV<0.1kg（液）/kg（氣）

13、時的VSLS關系，塔板的適宜操作區(qū)應在此線以下，否則將因過多的液沫夾帶而使效率下降。此線可根據(jù)下式作出，即：  液泛線（淹塔線）此線表示降液管內泡沫層高度超過最大允許值時的VSLS關系，塔板的適宜操作區(qū)應在此線以下，否則將可能發(fā)生液泛現(xiàn)象，破壞塔的正常操作。（2）塔板工作線或實際負荷線在負荷性能圖上有五條線所包圍的陰影區(qū)域，應是塔四用于出力指定物系時的適宜操作區(qū)域。在此區(qū)域內，塔四上的流體力學狀態(tài)是正常的，但區(qū)域內各點的板效率并不完全相同。如果塔的預定氣液負荷的設計點P能落在該區(qū)域內的適中位置，則可望獲得良好的操作效果，如果操作電緊靠某一條標界線，則當負荷稍有變動便會使效率急劇下降，

14、甚至破壞塔的操作。塔板的操作彈性：上、下操作極限點的氣體流量之比。對一定結構尺寸的塔板，采用不同氣液比時控制塔的操作彈性與生產(chǎn)能力的因素均可能不同。塔板的設計點應落在負荷性能圖的適中位置，使塔具有相當?shù)目关摵刹▌拥哪芰?，保證塔的良好穩(wěn)定操作。8.2.5 其他類型塔板簡述1.泡罩塔板優(yōu)點：塔板操作彈性大，塔效率也比較高，不易堵。缺點：結構復雜，制造成本高，塔板阻力大但生產(chǎn)能力不大。 2.浮閥塔板優(yōu)點：浮閥根據(jù)氣體流量，自動調節(jié)開度，提高了塔板的操作彈性、降低塔板的壓降，同時具有較高塔板效率，在生產(chǎn)中得到廣泛的應用。缺點：浮閥易脫落或損壞。3.垂直篩板優(yōu)點：清夜層薄，壓降低，液沫夾帶小，板效率高，

15、操作彈性高，適用范圍較廣。缺點：低氣量時漏液嚴重。4.無溢流塔板（穿流塔板）優(yōu)點：塔板上清夜層低，壓降??；缺點：操作彈性小，板效率低，使用不普遍。§8.3 填料塔填料塔內裝有各種形式的固體填充物，即填料。液相由塔頂噴淋裝置分布于填料層上，靠重力作用沿填料表面流下；氣相則在壓強差推動下穿過填料的間隙，由塔的一端流向另一端。氣、液在填料的潤濕表面上進行接觸，其組成沿塔高連續(xù)地變化。8.3.1 填料塔的結構及填料特性1. 填料塔的結構塔體：一般取為圓筒形，可由金屬、塑料或陶瓷制成，金屬筒體內壁常襯以防腐材料。 填料：大致可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類，是傳熱和傳質的場所。塔內件：包括填料支

16、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。 2. 填料及其特性（1）填料特性填料塔的核心，是氣液兩相接觸進行質、熱傳遞的場所。填料的流體力學和傳質性能與填料的材質、大小和幾何形狀緊密相關，材質一定時，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

17、隙率e：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，e 大，氣、液通過的能力大，氣體流動的阻力小。 e = 0.450.95。填料因子f：填料比表面積與空隙率三次方的比值(1/m)，a/e3，表示填料的流體力學性能，值越小，流動阻力越小。有干填料因子與濕填料因子之分。堆積密度 rp ：單位體積填料的質量(kg/m3)。在機械強度允許的條件下，填料壁要盡量薄，以減小填料的堆積密度，從而既可降低成本又可增加空隙率。機械強度大，化學穩(wěn)定性好以及價格低廉等也是優(yōu)良填料應盡量兼有的性質。注意：一些難以定量表達的因素(幾何形狀)對填料的流體力學和傳質性能也有重要的影響。新型填料

18、的開發(fā)一般是改進填料幾何形狀使之更為合理，從而獲得高的填料效率。 （2）常用填料常用的填料可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。散裝填料在塔內可亂堆，也可以整砌。 拉西環(huán)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)。優(yōu)點：易于制造，價格低廉，且對它的研究較為充分，所以在過去較長的時間內得到了廣泛的應用。缺點：高徑比大，堆積時填料間易形成線接觸，故液體常存在嚴重的溝流和壁流現(xiàn)象。且拉西環(huán)填料的內表面潤濕率較低，因而傳質速率也不高。鮑爾環(huán)填料在環(huán)的側壁上開一層或兩層長方形小孔，小孔的母材并不脫離側壁而是形成向內彎的葉片。上下兩層長方形小孔位置交錯。同尺寸的鮑爾環(huán)與拉西環(huán)雖有相同的比表

19、面積和空隙率，但鮑爾環(huán)在其側壁上的小孔可供氣液流通，使環(huán)的內壁面得以充分利用。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，溝流現(xiàn)象也大大降低。鮑爾環(huán)填料的優(yōu)良性能使它一直為工業(yè)所重視，應用十分廣泛?？捎商沾?、金屬或塑料制成。階梯環(huán)填料階梯環(huán)填料的結構與鮑爾環(huán)填料相似，環(huán)壁上開有長方形小孔，環(huán)內有兩層交錯 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。這樣的結構使得階梯環(huán)填料的性能在鮑爾環(huán)的基礎上又有提高，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接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象。階梯環(huán)一般由塑料和金屬制成，由

20、于其性能優(yōu)于其它側壁上開孔的填料，因此獲得廣泛的應用?；“靶吞盍弦环N表面全部展開的具有馬鞍形狀的瓷質型填料 (馬鞍填料)?；“疤盍显谒瘸氏嗷ゴ罱訝顟B(tài)，形成弧形氣體通道。優(yōu)點：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)。缺點：相鄰填料易相互套疊，使填料有效表面降低，從而影響傳質速率。矩鞍形填料矩鞍填料的兩端為矩形，且填料兩面大小不等?？朔嘶“疤盍舷嗷ブ丿B的缺點，填料的均勻性得到改善。液體分布均勻，氣液傳質速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一種瓷質填料。金屬環(huán)矩鞍形填料有環(huán)形與鞍形的結構特點，生產(chǎn)能力大、壓降低、液體分布性能好、傳質速率高及操作彈性大，在減壓蒸餾中其優(yōu)勢更

21、為顯著。波紋填料優(yōu)點：網(wǎng)絲細密，空隙很高，比表面積很大。由于毛細管作用，填料表面潤濕性能很好。故網(wǎng)體填料氣體阻力小，傳質速率高。缺點：造價很高，故多用于實驗室中難分離物系的分離。 8.3.2 填料塔的流體力學特性填料塔的流體力學特性包括：壓降、液泛氣速、持液量及氣液兩相流體的分布等1.氣體通過填料層的壓降載液區(qū)高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg Dp載點氣速液泛氣速當液體自塔頂向下借重力在填料表面作膜狀流動時,膜內平均流速決定于流動的阻力。而此阻力來自于液膜與填料表面,及液膜與上升氣流之間的摩擦液膜厚度不僅取決于液體流量,而且與氣體流量有關。圖為不同液體噴淋量下取得的填料層壓力

22、降與空塔氣速的雙對數(shù)關系線。線A：氣體通過干填料層時，壓力降與空塔氣速的關系，為直線-恒持液量區(qū)線B：有液體噴淋，液體量小載液區(qū)線C：有液體噴淋，液體量大-液泛區(qū)u較低（點L以下）:線與A線大致平行。u大于uL以后：線斜率增大,上升氣流開始阻礙液體順利下流。u大于uF以后：P與u成垂直關系,表明上升氣體足以阻止液體下流，于是液體填料層充滿填料層空隙，氣體只能鼓泡上升,隨之液體被氣流帶出塔頂,發(fā)生液泛。載點（L點）：空塔氣速u增大到uL以后，氣速以使上升氣流與下降液體間摩擦力開始阻礙液體順利下流,使填料表面持液量增多，戰(zhàn)去更多空隙，氣體實際速度與空塔氣速的比值顯著提高，故壓力降比以前增加的快，這

23、種現(xiàn)象稱載液，L點稱載點。泛點F：u增大到uF以后P與u成垂直關系，表明上升氣體足以阻止液體下流，于是液體填料層充滿填料層空隙，氣體只能鼓泡上升，隨之液體被氣流帶出塔頂，塔的操作極不穩(wěn)定，甚至被完全破壞，這種現(xiàn)象稱液泛，F(xiàn)點稱為泛點。目前一般認為填料塔的正常操作狀態(tài)只到泛點為止。吸收操作中,需知壓力降以確定動力消耗；精餾操作中,需知壓力降以確定釜壓。目前多用?？颂氐耐ㄓ脠D而重新繪制的填料層壓降和填料塔泛點的通用關聯(lián)圖求DP。2. 泛點氣速的計算用下圖計算（1）先求橫坐標；（2）過橫坐標點作垂線,交泛點線得泛點縱坐標；（3）由泛點縱坐標求泛點氣速。Ø 為防止液泛發(fā)生，最大操作氣速應 &

24、lt; 95%泛點氣速，設計點的氣速通常取泛點氣速的50%80%。故正確估算泛點氣速對填料塔的設計和操作都十分重要。Ø 填料的種類，物系的物性以及氣、液相負荷等因素對泛點都有一定的影響。泛點氣速的估算式通常仍是借助于實驗數(shù)據(jù)所得的各種經(jīng)驗關聯(lián)式或關聯(lián)圖。Ø 對于散裝填料，目前廣泛采用?？颂?Eckert)壓降和氣速通用關聯(lián)圖中的泛點曲線。Ø 規(guī)整填料有類似的泛點實驗關聯(lián)圖，可參考有關文獻。Ø 根據(jù)兩相流動參數(shù)即可由?？颂?Eckert)關聯(lián)圖中的泛點線查縱坐標值，若填料因子已知，即可求得泛點氣速。 3. 持液量填料的持液量：操作時單位體積填料在表面和空隙

25、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。靜持液量：液體排放完后仍保留在填料層內的那部分液體。與填料表面積，表面特征及潤濕性有關。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)定操作時持液量越小，靈敏度越高。理想的操作：大傳質表面，較小持液量。 8.3.3 塔徑的計算塔徑取決于氣體的體積流量和適宜的空塔氣速，填料塔的直徑可根據(jù)圓形管道內的流量公式計算。式中：Vs 操作條件

26、下氣體體積流量，m3/s； u 操作條件下的空塔氣速，m/s ；一般取 u = (0.50.8) uf 。對一定氣體負荷，塔徑計算關鍵在于空塔泛點氣速的求取。當缺乏實測數(shù)據(jù)時，泛點氣速 uf 可用?？颂?Eckert)壓降關聯(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，應按壓力容器公稱直徑進行圓整，如圓整為600、800、1000、1200 mm 等。8.3.4 填料塔的附件主要包括：填料支承裝置、液體分布及再分布裝置、氣體進口分布裝置及出口除沫裝置等。附屬結構的選型、設計、安裝是否正確合理，對填料塔的操作和傳質分離效果都會有直接影響，應給予足夠的重視。 1. 填料支承板用以支承填料的部件。它應具有：(1) 足夠的機械強度以承受設計載荷量，支承板的設計載荷主要包括填料的重量和液泛狀態(tài)