化工原理第十章氣液傳質(zhì)設(shè)備課件

化工原理§11氣液傳質(zhì)設(shè)備（1）towerequipments§11.氣液傳質(zhì)設(shè)備分類板式塔填料塔──逐級(jí)接觸式，塔內(nèi)裝有塔板氣液傳質(zhì)在塔板上液層內(nèi)進(jìn)行──連續(xù)接觸式，塔內(nèi)裝有填料氣液傳質(zhì)在填料濕潤(rùn)表面上進(jìn)行其它傳質(zhì)設(shè)備—濕壁塔鼓泡塔文丘里混合器……§11.1.

板式塔一.

板式塔結(jié)構(gòu)以降液管形狀分類—園管和弓形⑵

降液塔板

以液體流程分類—單程流型

U形流型雙程流型 四程流型階梯流型單程降液板U型降液板塔徑液體流量m3/hmU形流程單流程雙流程階梯流程1.01.42.03.04.05.06.0<7<9<11<11<11<11<11<45<70<90<110<110<110<110

90-160110-200110-230110-250110-250

200-300230-350250-400250-450篩孔塔板Sieveplate1830年問世。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。

設(shè)計(jì)良好的篩板塔通量比泡罩塔板大20-40%效率比泡罩塔板高10-25%壓降比泡罩塔板低30%彈性比泡罩塔板略低現(xiàn)狀：目前使用最廣泛的一種板型。導(dǎo)向篩板Flow-guideSieveplate（Lindesieveplate）結(jié)構(gòu)：有導(dǎo)向篩孔，并設(shè)置鼓泡 促進(jìn)裝置。特點(diǎn)：塔板上液層均勻，壓降小塔板效率高操作彈性比篩孔大

是一種優(yōu)良的真空塔板S形塔板浮動(dòng)塔板垂直篩板VST角鋼塔板浮舌塔板網(wǎng)孔塔板■通量大：空塔氣速大，即生產(chǎn)能力大■效率高1.工業(yè)對(duì)塔設(shè)備的一般要求二.

塔板選擇■阻力小：氣體通過塔板的壓降低■

彈性寬：操作范圍寬■成本低：長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性、操作維修方便、制做 安裝容易、造價(jià)低…...表中符號(hào)說明：A—不合適，B—尚可，C—合適，D—較滿意，E—很好，F(xiàn)—最好。序號(hào)內(nèi)容泡罩條形泡罩S形泡罩溢流式篩板導(dǎo)向篩板圓形浮閥條形浮閥柵板穿流式篩板穿流式管排紋紋篩板異孔徑塔板條孔網(wǎng)狀搭板舌形板文丘里式塔板

1高氣液負(fù)荷CBDEEEEEEEEEEEE2低氣液負(fù)荷DDDCDFFCDCDDEDB3操作彈性大EBEDFFFBBBCDEDD4阻力降小AAADCDCEDEDDECE5液沫夾帶量少BBCDDDEEEEEEEEF6板上滯液量少AAADEDDEDECDDFF7板間距小DCDEFEEFFEEFFEE8效率高EDEEEFEEEDEEEDE9生產(chǎn)能力大CBDEFEEEEEEEEEF10負(fù)荷的可變性DCEDEFFBBACCDDD11價(jià)格低廉CBDEDEDDFCDEEEE12金屬消耗量少CCDEDEEFFCEFEFF13易于裝卸BBDECBEFFCDFFEE14易于檢查清洗維修CBDDCDDFEEEEDDD16開工和停工方便EEECDEFCDCDDDDD17加熱冷卻的可能性BBBDACCDDFDDCAA18耐腐蝕性BBCDCCCEEDCEDCC一.

板式塔水力學(xué)性能1.

塔板結(jié)構(gòu)與氣液兩相接觸狀態(tài)

⑴板面結(jié)構(gòu)：如圖所示

受液區(qū)—接受上一塊板的液體淚孔—停產(chǎn)排液進(jìn)口緩沖區(qū)—防止氣體短路

工作區(qū)—?dú)庖簜髻|(zhì)交換區(qū)出口緩沖區(qū)—防止氣體夾帶溢流堰—維持塔板液體層高度Prince實(shí)驗(yàn)（80塔）三種流型：鼓泡狀態(tài)—液體連續(xù)氣體分散

泡沫狀態(tài)—液體連續(xù)氣體分散

噴射狀態(tài)—?dú)怏w連續(xù)液體分散⑵塔板上氣液兩相接觸狀態(tài)或Ht=h0＋hl

⑴干板壓降h0氣體通過板孔的阻力損失(篩孔)2.氣體通過塔板壓降m液柱co～孔流系數(shù)～由實(shí)驗(yàn)確定篩板的孔流系數(shù)如圖在阻力平方區(qū)c0與u0無關(guān)一般情況：c0與u0有關(guān)有些實(shí)驗(yàn)報(bào)道:ho=cu0A其中A=1～2hwhowD⑵氣體通過液層壓降hl —不同的塔板有各自的內(nèi)涵，對(duì)于篩板有：克服板上液層靜壓；與液層摩擦的動(dòng)量損失；形成泡沫的動(dòng)量損失

hl

～u02、hw、how(L)、…h(huán)l=(hw+how)對(duì)于平直堰h(yuǎn)ow可用Francis公式計(jì)算：hwhowD～充氣系數(shù)，與動(dòng)能因子F的關(guān)系由圖11-12關(guān)聯(lián),其中ua以工作區(qū)面積計(jì)算的氣速Fw～弓形堰校正系數(shù)——液體收縮系數(shù)3.液體通過降液管流動(dòng)Hd=Ht+hw+how+＋hdHdZ21P2P1221降液管液位高度⑴降液管內(nèi)清液高度：在1-1及2-2面之間列柏努利方程:忽略u(píng)2變化Z2=hw+how+降液管內(nèi)液體流動(dòng)阻力：

（2）降液管泡沫液體高度降液管存在大量泡沫時(shí)密度lf降液管液層高度HdH'dAflHd=AffH'dH'd=lHd/f=Hd/其中：=

rf/rl

一般取0.5易起泡物料取0.3～0.4Hd降液管液位高度H'd四.

氣液通過塔板流動(dòng)的非理想性1.

理想模型NAA=KyADym傳質(zhì)速率=傳質(zhì)系數(shù)×傳質(zhì)面積×平均推動(dòng)力平均推動(dòng)力大—盡可能保持總體上逆流流動(dòng)、塔板上的錯(cuò)流流動(dòng)，減小氣體和液體返混;傳質(zhì)系數(shù)大—?dú)庖航佑|充分、表面不斷更新；傳質(zhì)面積大—盡可能保持泡沫或液滴狀態(tài)。2.非理想流動(dòng)

原因：液滴被氣體帶入上層塔 板(大液滴被彈濺、小液滴 沉降速度ut<u0)；后果：降低效率、嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn) 生液泛；改進(jìn)：改變氣體噴射方向—垂 直篩板、舌形塔板、斜孔 塔板…；增加板間距或塔徑⑴空間的反向流動(dòng)液體—霧沫夾帶～L、G、板間距、…正常值eG0.1kg液/kg干氣Hdp空間液滴直徑分布原因：液體在降液管停留時(shí)間不足，泡沫隨液體通過降 液管流入下層塔板；后果：降低效率、嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生降液管液泛；改進(jìn)：增大降液管面積Af,保持液體在降液管的停留時(shí)間氣體—?dú)馀輮A帶：或：增大塔板上液體出口處緩沖區(qū)—出口安定區(qū)；或：采用噴射狀態(tài)的板型—垂直篩板、舌形塔板、 斜孔塔板…3～5s原因：塔板液層高度的不均勻性(液 面落差～塔板上液體流動(dòng)推 動(dòng)力)引起；后果：效率下降、嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生漏液；改進(jìn)：⑵空間上的非均勻流動(dòng)氣體—不均勻分布：降低液面梯度、縮短液體流程使: <0.5采用新型塔板篩板氣速分布hwhowD液體—非均勻分布：原因：圓形通道、流體阻力分布不同、氣體的攪拌等原因造 成液體的不均勻流動(dòng)或小尺度反向流動(dòng)；～在液體流 量較低時(shí)影響較大;平推流P全混流m幾種流型返混流(xn)m(xn)p

xn進(jìn)口出口xn-1塔板液體濃度變化示意圖液相默菲兒板效率表示為:后果：效率降低；改進(jìn)：采用平直堰時(shí)應(yīng)保證how6mm； 對(duì)于how<6mm時(shí)采用齒形堰；或:采用U型流動(dòng)降液塔板…;或:采用氣體導(dǎo)向塔板,促進(jìn)液體流動(dòng)。3.不正常操作⑴

液泛與淹塔

原因：后果：產(chǎn)生液泛；夾帶液泛：e'G+L+e'改進(jìn)：采用新型塔板降低霧沫 夾帶；

或：采用較大的板間距…。保障：設(shè)計(jì)時(shí)取合適的操作氣速HdHTC20—表面張力為20dyn/cm的氣體負(fù)荷參數(shù) 對(duì)于篩板塔，見P138圖11-8液泛氣速：氣體負(fù)荷參數(shù)設(shè)計(jì)氣速：u=0.7～0.8uf或u=0.5～0.6uf—易起泡的液體。塔徑：現(xiàn)象：降液管內(nèi)液面持續(xù)上升到溢流堰頂部；原因：降液管排液能力不足，大量的氣泡夾帶；后果：惡性循環(huán)，產(chǎn)生降液管液泛；采用低壓降塔板,且降低降液管流動(dòng)阻力…。

改進(jìn)：設(shè)計(jì)時(shí)?。?lt;HT+hw溢流液泛：Hd=Ht+hw+how+＋hd⑵

嚴(yán)重漏液：原因：較大的液面落差及較 低的氣速；后果：最大處D附近區(qū)域，產(chǎn) 生大量漏液；改進(jìn)： 設(shè)計(jì)值D/h0<0.5；

采用較高的氣速 取uo＝1.5漏液氣速； 多程降液或新型塔板 降低D;

設(shè)入口安定區(qū)。傾向性漏液示意圖D傾向性漏液：隨機(jī)性漏液：原因：較低的氣速及板上液面 波峰；后果：波峰處漏液；改進(jìn)：采用較大的氣速； 獲降低開孔率。精餾塔操作范圍─用負(fù)荷性能圖表示─效率較高的范圍①漏液線──氣速下限VSm3/hLSm3/h①②③④⑤②最低液量線以how=0.006m確定③過量液沫夾帶線以eV=0.1確定1.篩板塔負(fù)荷性能圖五.

塔板負(fù)荷性能圖以確定④液泛線

⑤最高液量線以τ=3～5s確定VSm3/hLSm3/h①②③④⑤五條線圍成的區(qū)域─操作區(qū)，p點(diǎn)為操作點(diǎn)。區(qū)域大小及各條線的位置可通過塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整。pVmaxVmin操作彈性=Vmax/Vmin根據(jù)操作線與區(qū)域邊界的關(guān)系，可以分析塔板的操作上限控制和下限控制，作為調(diào)整塔板結(jié)構(gòu)的依據(jù)。2.塔板操作彈性1.原始數(shù)據(jù)溫度、壓力、Vs、Ls、ρG、ρL、μL、σ2.塔徑初選①選定HT及hL②求取允許空塔氣速uF③操作氣速u=(0.6～0.8)umax(空塔氣速)④估算塔徑D六.

塔板設(shè)計(jì)步驟圓整：D<1m時(shí)，間隔100mm；D>1m時(shí)，間隔200mm3.塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.流體力學(xué)計(jì)算5.確定操作彈性并繪制負(fù)荷性能圖根據(jù)3、4、5結(jié)果調(diào)整參數(shù)HT、DT的數(shù)值，必要時(shí)應(yīng)選不同的HT、DT值進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)比，選取最佳方案七.

塔板效率1.

點(diǎn)效率

⑴

定義：如圖：假設(shè):塔板上液體濃度只隨塔 徑變化,陰影處yn+1xnxn-1xHfyn(yn)*對(duì)液相，也可得到類似公式：可以證明：EoL～傳質(zhì)面積、兩相流動(dòng)……⑵

點(diǎn)效率與傳質(zhì)單元數(shù)關(guān)系:在陰影柱中取微元dHf,作氣相物料衡算有: Gdy=Kya(y*-y)dHf沿Hf，x不變，y*也不變。積分得yn+1xHfyn(yn)*=NOG在本例中：y=y'2.

干板效率～默菲爾板效率⑴

定義:(略)⑵

與點(diǎn)效率的關(guān)系:～與塔板液體流動(dòng)分布有關(guān);

當(dāng)塔板液體完全混合時(shí)(全混流)

EmV

=EOG

當(dāng)塔板液體均勻流動(dòng)時(shí)(平推流) 若EOG接近1,A較小時(shí),EmV可以大于100%.

實(shí)際流動(dòng)～介于上述情況之間～稱為反混流動(dòng)

～Lewis式

EmV=f(EOG)～與塔板上液體停留時(shí)間分布有關(guān)3.

濕板效率⑴

定義:如圖:考慮液體的空間反向運(yùn)動(dòng)ev,定義:

Yn+1=yn+1+ev(xn-xn+1)則: Yn+1=Lxn/V+Dxd/V那么濕板效率定義為:L+VeVxnnVyn+1VeVxn+1DxD取第n塊板與塔頂做物料衡算,有:yn+1+ev(xn-xn+1)=Lxn/V+Dxd/V式中：e'kmol/m2h

L'kmol/m2h當(dāng)e'>0.1L'時(shí),L'=L+e⑵

與默菲爾板效率的關(guān)系:當(dāng)A=1時(shí),有Colbwin式:

Ea=EmV+液體返混～包括板上返混和空間返混.4.總板效率⑴全塔效率定義如下：其中：N

──為完成一定任務(wù)所需的理論板數(shù)；

Ne──為完成一定任務(wù)所需的實(shí)際板數(shù)。若能得到全塔效率，并計(jì)算出理論板數(shù)，即可用上式求得所需的實(shí)際板數(shù)。全塔效率是板式塔分離性能的綜合度量，其影響因素眾多，關(guān)系難以搞清。因此，全塔效率的可靠數(shù)據(jù)只能靠實(shí)驗(yàn)測(cè)得。⑵與板效率的關(guān)系不同的基準(zhǔn)Ea=f(x)～與濕板效率及濃度分布有關(guān) 即使Ea1=Ea2=…=Ean

ETEa Lewis式(平衡線為直線)⑶全塔效率的求取P156頁(yè)圖11-21(精餾)和圖11-22（吸收）4.A.I.Ch.E.虛擬平衡線法求實(shí)際塔板數(shù)xiNG、NL

EoG塔板液相反混EmV空間液相反混Ea作虛擬平衡線在虛擬平衡線和操作線之間求塔板數(shù)填料層：氣液兩相接觸傳質(zhì)場(chǎng)所液體分布器：使入塔液體均勻分布液體再分布器：匯集近壁液體于中 央?yún)^(qū)域除霧器：防止液滴帶出（通常為填 料層或絲網(wǎng)層)支承板：支承填料層，使進(jìn)氣均勻 分布液體分布裝置液體再分布器填料支承柵板填料壓網(wǎng)液體氣體§11.2.填料塔一.

填料塔結(jié)構(gòu)與工業(yè)要求1.

總體結(jié)構(gòu)2.

工業(yè)要求

單位體積傳質(zhì)界面大,即a大；

單位填料高度壓降小，即e大；

效率高；

機(jī)械強(qiáng)度高；

耐腐蝕；

造價(jià)低

重量輕；二.

填料及內(nèi)部構(gòu)件1.

填料類型

依構(gòu)成填料的材料分類：實(shí)體填料 網(wǎng)體填料

依填料的外形分類：顆粒填料—亂堆填料 規(guī)整填料—整砌填料顆粒填料實(shí)體網(wǎng)體規(guī)整填料實(shí)體網(wǎng)體顆粒填料RaschigringPallring階梯環(huán)鞍形填料弧鞍矩鞍矩鞍環(huán)IntaloxRing扁環(huán)填料茵派克多面空心球γ環(huán)共軛環(huán)海爾環(huán)（Hillis)聚丙烯半軟性填料聚丙烯花環(huán)

規(guī)整填料2.

填料塔內(nèi)部構(gòu)件

液體分布器蓮蓬頭式支管液體分布器

填料支撐板用于散裝填料的氣液分流式填料支承用于散裝填料的填料壓圈龜甲網(wǎng)

液體再分布器1.填料塔的流體力學(xué)性能(1)流動(dòng)特征塔內(nèi)氣、液兩相流動(dòng)呈交互作用，互相影響。參考下面圖示：三.

填料塔的水力學(xué)性能和傳質(zhì)性能比表面積—a

空隙率—e

填料因子—f

—濕填料因子

a/e3—干填料因子氣氣液液液液體呈液膜向下流動(dòng)，氣體通過空隙上升氣速↑液體下流受阻，液膜↑實(shí)際ε↓塔內(nèi)持液量↑壓降↑液量↑液膜↑實(shí)際ε↓載點(diǎn)和液泛這種交互作用在正常情況下能自動(dòng)調(diào)解，達(dá)到平衡，即一定的氣、液量對(duì)應(yīng)一個(gè)液膜厚度lgΔp0uL=0L1>L2干填料載點(diǎn)泛點(diǎn)L=0，無液體噴淋，填料為干填料層──Δp∝u釹L≠0，有液體噴淋，填料為濕填料層低氣速下：交互作用不明顯隨u↑：交互作用開始顯著──載點(diǎn)氣速u↑↑：至一定值，形成惡性循環(huán)──泛點(diǎn)氣速在正常情況下：一個(gè)氣量變一個(gè)液膜厚度在極限情況下：氣速↑液膜↑液泛，淹塔噴淋密度L（m3液/m2.h）↑載點(diǎn)氣速，泛點(diǎn)氣速↓在高L（高液負(fù)荷）下，雖然氣速不高，也容易造成液泛液泛發(fā)生時(shí)，塔內(nèi)兩相接觸狀態(tài)發(fā)生了變化操作狀態(tài)液泛前液泛后氣液接觸傳質(zhì)場(chǎng)所

氣體連續(xù)相分散相在液膜表面液體分散相連續(xù)相在氣泡表面液泛點(diǎn)也稱轉(zhuǎn)相點(diǎn)，它給出了填料塔操作負(fù)荷上限。G’、L’─分別為氣、液的質(zhì)量流量，kg/m2.sρG、ρL─分別為氣、液密度，kg/m3φ─填料因子，1/mμL─液體粘度，cPψ─水的密度和液體密度之比Δp─每米填料壓降，Pa/m亂堆填料泛點(diǎn)線整砌拉西環(huán)泛點(diǎn)線Δp1Δp2Δp3Δp4Δp5(2)液泛氣速關(guān)聯(lián)圖(3)填料塔操作范圍氣體下限—載點(diǎn)氣速上限—泛點(diǎn)氣速實(shí)際空塔氣速u0=0.5～0.8uF液體下限—最小潤(rùn)濕率上限—泛點(diǎn)(4)潤(rùn)濕率定義：?jiǎn)挝惶盍现苓吷系囊后w流量

l/A=lH/AH=a則:Lw=L/am3/mh規(guī)定：最小潤(rùn)濕率～0.08m3/mh。液體的分布填料對(duì)液體的分散作用～亂堆填料優(yōu)點(diǎn)：液體分散均勻，對(duì)液體分布器要求不嚴(yán)格；缺點(diǎn)：附壁現(xiàn)象嚴(yán)重；改進(jìn)：填料分段、設(shè)置再分布器。Hi=cDT

c=3～10表示方法：K、HOG、HETP影響因素如下：(1)氣、液的分布填料的平面分布

填料尺寸—d/DT

1/10～1/152.填料塔的傳質(zhì)：(2)持液量m3液體/m3填料靜持液量動(dòng)持液量(3)填料的有效潤(rùn)濕表面校正:aw/a用恩田公式計(jì)算3.填料塔的放大效應(yīng)壓降停留時(shí)間慣性效應(yīng)填料的有效潤(rùn)濕表面4.料塔設(shè)計(jì)計(jì)算步驟⑴選擇填料尺寸⑵確定塔徑D⑶計(jì)算壓降Δp一般在常壓塔中，Δp=(15-50)mmHg/m在真空塔中，Δp≤8mmHg/m。⑷計(jì)算填料層高度H⑸根據(jù)D和H，確定填料層的分段數(shù)目，并選定液相分配裝置。⑹選定支承板及液相噴淋裝置，必要時(shí)還需設(shè)置除霧器。四、填料塔與板式塔比較 理想的塔填料：效率高、能力大、壓降小、成本低。填料結(jié)構(gòu)與幾何尺寸：改進(jìn)的余地不會(huì)太大，除非填料傳質(zhì)機(jī)理研究取得重大突破，否則還是鞍環(huán)型和波紋型填料占主導(dǎo)地位；塔內(nèi)部構(gòu)件的研究：液體分布器、氣體分布器…；填料塔的放大技術(shù)：已獲得重大進(jìn)展，填料塔的大型化，已與板式塔抗衡。據(jù)報(bào)道，美國(guó)Norton公司的金屬環(huán)矩鞍填料塔最大直徑達(dá)20m，瑞士蘇爾壽Sulzzr公司和美國(guó)Glitsch公司的板波紋填料塔最大直徑也達(dá)14m，幾米直徑的填料塔已普遍應(yīng)用了。塑料填料的發(fā)展。五、填料塔研究發(fā)展方向(文獻(xiàn)報(bào)道)以一個(gè)最優(yōu)的板式塔和一個(gè)最優(yōu)的填料塔（相同設(shè)計(jì)條件)比較。所謂最優(yōu)的板式塔 指降液管面積不引起對(duì)通量的限制;最優(yōu)的填料塔則指內(nèi)部構(gòu)件不構(gòu)成通量、限制。1.填料塔和板式塔的差別(文獻(xiàn)報(bào)道)⑴

控制通量和效率的因素

引起壓降和氣液非理想分布的因素:板式塔在于傳質(zhì)元件及板結(jié)構(gòu);填料塔在于填料形狀及氣液初始分布。

(2)

物系及操作的因素 包括物系的結(jié)垢、腐蝕性、發(fā)泡及化學(xué)反應(yīng)性；工藝特點(diǎn)：即停留時(shí)間、操作彈性、多股進(jìn)料與側(cè)線出料、中間取熱（加熱）、回流方式等…。(3)系統(tǒng)變量的因素

溫度、壓力等因素 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出處：（最優(yōu)的塔設(shè)計(jì)） 塔板間距：600mm； 亂堆填料：50的鮑爾環(huán)、階梯環(huán)等…； 規(guī)整填料：一種開槽格珊填料。2.

塔設(shè)備選擇新觀點(diǎn)(文獻(xiàn)報(bào)道)定義流動(dòng)參數(shù)：FP=物理意義為：液體動(dòng)能與