化工原理 蒸餾和吸收塔設(shè)備

化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備第1頁/共64頁2②在塔內(nèi)氣、液兩相具有最大限度的接近逆流，以提供最大的傳質(zhì)推動力。1.塔設(shè)備的基本功能和性能評價指標3.1概述塔設(shè)備應(yīng)該滿足的兩條基本功能：①使氣、液兩相充分接觸，適當湍動，以提供盡可能大的傳質(zhì)面積和傳質(zhì)系數(shù)，接觸后的兩相又能及時分離；第2頁/共64頁3①通量——單位塔截面的生產(chǎn)能力，表征塔設(shè)備的處理能力和允許的空塔氣速；從工程目的出發(fā)，塔設(shè)備的性能評價指標：②分離效率——單位壓降塔的分離效果，對板式塔以板效率表示，對填料塔以等板高度表示；③適應(yīng)能力——操作彈性，表現(xiàn)為對物料的適應(yīng)性及對負荷波動的適應(yīng)性；④還應(yīng)滿足流動阻力低、結(jié)構(gòu)簡單、金屬耗量少、造價低、易于操作控制等要求。第3頁/共64頁4板式塔：逐級接觸式，內(nèi)裝塔板，氣液傳質(zhì)在板上液層空間內(nèi)進行；填料塔：連續(xù)接觸式，內(nèi)裝填料，氣液傳質(zhì)在填料潤濕表面進行。2.塔設(shè)備的類型根據(jù)塔內(nèi)氣、液接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式板式塔填料塔根據(jù)塔內(nèi)氣、液的接觸方式逐級（逐板）接觸式微分（連續(xù)）接觸式第4頁/共64頁53.2板式塔板式塔為逐級接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，它主要由圓柱形殼體、塔板、溢流堰、受液盤及降液管等部件構(gòu)成。板式塔的空塔速度較高，因而生產(chǎn)能力較大，塔板效率穩(wěn)定，操作彈性大，且造價低，檢修、清洗方便，故工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛。第5頁/共64頁63.2.1塔板類型

塔內(nèi)氣、液兩相成錯流流動，即液體溢流橫向流過塔板，而氣體垂直穿過液層，但對整個塔來說，兩相基本上成逆流流動。

錯流塔板應(yīng)用很廣，按塔板具體結(jié)構(gòu)形式可分為：泡罩塔板、篩孔塔板、浮閥塔板、舌形塔板等。液相降液管堰氣相錯流塔板（溢流塔板）：按照塔內(nèi)氣、液流動的方式錯流塔板逆流塔板第6頁/共64頁7

塔板上不設(shè)降液管，氣、液兩相同時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：塔板結(jié)構(gòu)簡單，板上無液面差，板面充分利用，生產(chǎn)能力較大；缺點：操作彈性及板效率不及錯流塔板。

與錯塔板相比，逆流塔板應(yīng)用范圍小得多，常見的有柵板、降淋篩板等。液相氣相逆流塔板（穿流塔板）：第7頁/共64頁8

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。1.泡罩塔板第8頁/共64頁9優(yōu)點：操作穩(wěn)定，因升氣管高出液層，使泡罩塔板低氣速下也不致產(chǎn)生嚴重的漏液現(xiàn)象，故彈性大；塔板不易堵塞，適用于處理各種物料。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，塔板壓降大，生產(chǎn)能力及板效率低。

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)泡罩齒縫分散進入液層，形成兩相混合的鼓泡區(qū)。第9頁/共64頁102.篩板①篩孔——提供氣體上升的通道；②溢流堰——維持塔板上一定高度的液層，以保證在塔板上氣液兩相有足夠的接觸面積；③降液管——作為液體從上層塔板流至下層塔板的通道。篩板塔的主要結(jié)構(gòu)：第10頁/共64頁11降液管受液盤

篩板塔的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，氣體壓降低，板上液面落差小，生產(chǎn)能力及板效率高。其缺點是操作彈性小，篩孔小時易堵塞。第11頁/共64頁12

自20世紀50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)。有多種浮閥形式，但基本結(jié)構(gòu)特點相似，即在塔板上按一定的排列開若干大孔，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，開度??；氣量大時，閥片自動上升，開度增大。因此，氣量變化時，通過閥片周邊流道進入液體層的氣速較穩(wěn)定。同時，氣體水平進入液層也強化了氣液接觸傳質(zhì)。3.浮閥塔板浮閥塔的優(yōu)點：生產(chǎn)能力和操作彈性大，塔板效率高，氣體壓強降及液面落差小，造價低。其缺點是處理易結(jié)焦、高粘度的物料時，閥片易與塔板粘結(jié)；在操作過程中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。第12頁/共64頁13F1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扳轉(zhuǎn)90°，用以限制操作時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。輕閥塔板漏液稍嚴重，一般均采用重閥。第13頁/共64頁14三種塔板的比較:①

生產(chǎn)能力：篩板>浮閥塔板>泡罩塔板；②壓降：泡罩塔板>浮閥塔板>篩板；③操作彈性：浮閥塔板>泡罩塔板>篩板；④造價：泡罩塔板>浮閥塔板>篩板；⑤板效率：浮閥塔板、篩板>泡罩塔板。第14頁/共64頁154.噴射型塔板1）舌形塔板與浮舌塔板

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：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，故可達較高的生產(chǎn)能力。缺點：張角固定，在氣量較小時，經(jīng)舌孔噴射的氣速低，塔板漏液嚴重，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間太短、液層太薄，板效率降低。50R25氣相=20°第15頁/共64頁16

為使舌形塔板適應(yīng)低負荷生產(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。

特點為操作彈性大、壓強降小、結(jié)構(gòu)簡單、效率高。第16頁/共64頁172）斜孔塔板

斜孔的開口方向與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，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，又能達到好的傳質(zhì)效果。

第17頁/共64頁183.2.2板式塔的流體力學(xué)性能板式塔的流體性能包括：

塔板壓降、液泛、霧沫夾帶、漏液及液面落差等。1.塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)第18頁/共64頁19（1）干板阻力（2）充氣液層的靜壓強（3）液體的表面張力總壓降由三部分構(gòu)成氣量↑→塔板壓降↑液量↑→塔板壓降↑板結(jié)構(gòu)：開孔率↑→u0↓

→塔板壓降↓影響因素2.塔板壓降第19頁/共64頁20定義：液體進塔量大于出塔量，結(jié)果使塔內(nèi)不斷積液，直至塔內(nèi)充滿液體，破壞塔內(nèi)正常操作，稱為液泛，亦稱淹塔。3.液泛液泛包括：夾帶液泛、溢流液泛。1）夾帶液泛原因：由液沫夾帶引起—氣速過大。液泛時的氣速uF是塔操作的上限氣速。第20頁/共64頁21

與板間距HT有關(guān)：HT↑

→uF↑

與液量有關(guān)：VL↑

→uF↓

與物系性質(zhì)有關(guān)：易發(fā)泡，uF↓影響液泛氣速uF的因素：適宜氣速：u=(0.7-0.8)uF

u/uF——泛點率

2）溢流液泛（降液管液泛）原因：由降液管通過液體能力不夠而引起

——液量過大。

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。第21頁/共64頁224.霧沫夾帶控制霧沫夾帶量

eV<0.1kg(液)/kg(氣)空塔氣速↑→霧沫夾帶量↑板間距HT↑

→霧沫夾帶量↓主要影響因素定義：上升氣流穿過塔板上液層時，將板上液體帶入上層塔板的現(xiàn)象稱為霧沫夾帶。

返混是指霧沫夾帶的液滴與液體主流作相反方向流動的現(xiàn)象。第22頁/共64頁235.漏液定義：當氣體孔速過小或氣流分布不均勻時，使有的篩孔無氣體通過，大量液體由篩孔漏下的現(xiàn)象，稱為漏液。氣速太?。粴饬鞣植疾痪鶆?。產(chǎn)生原因

漏液量達10%的氣流速度為漏液速度，這是塔操作的下限氣速。控制漏液量<液體流量的10%第23頁/共64頁24

當液體橫向流過塔板時，為克服板上的摩擦阻力和板上部件（如泡罩、浮閥等）的局部阻力，需要一定的液位差，則在板上形成由液體進入板面到離開板面的液面落差，以Δ表示。6.液面落差第24頁/共64頁25單流型雙流型多流型階梯流型

在塔徑或液體流量很大時采用雙溢流或階梯溢流等溢流形式可減少液面落差。第25頁/共64頁26氣泡夾帶原因：液體在降液管中停留時間過短，氣泡來不及解脫，而被液體卷入下層塔板。氣體沿塔板的不均勻流動1.液面有落差和液層波動，引起氣體分布不均勻。2.液層厚，阻力大，氣速??；3.液層薄，阻力小，氣速大。第26頁/共64頁277.負荷性能圖

線1為霧沫夾帶線，又稱氣相負荷上限線；線2為液泛線；線3為液相負荷上限線，又稱降液管超負荷線；線4為漏液線，又稱氣相負荷下限線；線5為液相負荷下限線。圖3-4塔板負荷性能圖第27頁/共64頁28

操作線與負荷性能圖上曲線的兩個交點分別表示塔的上下操作極限，兩極限的氣體流量之比稱為塔板的操作彈性。操作點C優(yōu)于點C′。操作線：通過原點、斜率為Vs/Ls的直線。操作點：操作時的氣相流量Vs與液相流量Ls在負荷性能圖上的坐標點。圖3-4塔板負荷性能圖第28頁/共64頁293.2.3板式塔的工藝設(shè)計板式塔的設(shè)計步驟：①根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝條件，確定設(shè)計方案；②根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝條件，選擇塔板類型；③確定塔徑、塔高等工藝尺寸；④進行塔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計；⑤進行流體力學(xué)驗算；⑥繪制塔板的負荷性能圖；⑦根據(jù)負荷性能圖，對設(shè)計進行分析，若設(shè)計不夠理想，可對某些參數(shù)進行調(diào)整，重復(fù)上述設(shè)計過程，一直到滿意為止。第29頁/共64頁303.3填料塔

填料塔為連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。主要由塔殼、填料、液體分布器、液體再分布器、填料壓板、填料支承板、除沫器等組成。3.3.1填料塔的結(jié)構(gòu)與特點第30頁/共64頁31①填料

——提供氣液接觸的場所。②液體分布器

——均勻分布液體，以避免發(fā)生溝流現(xiàn)象。③液體再分布器

——避免壁流現(xiàn)象發(fā)生。④填料支撐板

——支撐填料層，使氣體均勻分布。⑤除沫器

——防止塔頂氣體出口處夾帶液體。第31頁/共64頁323.3.2填料

填料作用（1）提供氣液接觸界面；（2）強化氣體湍動，降低氣相傳質(zhì)阻力；（3）更新液膜表面，降低液相傳質(zhì)阻力。

1.填料特性（1）比表面積σ

定義：單位體積填料層的填料表面積，[m2/m3]。

填料的σ愈大，所提供的氣液傳質(zhì)面積愈大；對同種填料，填料尺寸愈小，σ愈大，但氣體流動的阻力也要增加。第32頁/共64頁33（2）空隙率

定義：單位體積填料層的空隙體積，[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。=0.45~0.95（3）干填料因子

與濕填料因子Φ

Φ代表了實際操作時填料的流體力學(xué)特性，Φ值小，表明流動阻力小，液泛速度可以提高，流體力學(xué)性能好。第33頁/共64頁34（4）堆積密度ρP

定義：單位體積填料所具有的質(zhì)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。在選擇填料時，一般要求σ、大，ρP小，造價低，并有足夠的機械強度。第34頁/共64頁352.填料類型環(huán)形（拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)）鞍形（矩鞍形、弧鞍形）波紋形（波紋板、波紋網(wǎng)）形狀材質(zhì)：陶瓷、金屬、塑料整砌（規(guī)整）填料裝填方法亂堆填料第35頁/共64頁36拉西環(huán)鮑爾環(huán)階梯環(huán)環(huán)第36頁/共64頁37波紋板波紋網(wǎng)鞍形環(huán)第37頁/共64頁38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(nèi)得到了廣泛的應(yīng)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，致使傳質(zhì)速率低；且拉西環(huán)填料層的液體滯留量大，氣體流動阻力大高，氣體通過能力低。

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)。（1）拉西環(huán)拉西環(huán)1）散裝填料第38頁/共64頁39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。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。可由陶瓷、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，且傳質(zhì)效率高，操作彈性大，溝流現(xiàn)象也大大降低，但價格較高。（2）鮑爾環(huán)鮑爾環(huán)第39頁/共64頁40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接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象。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45°的十字形葉片，但階梯環(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。（3）階梯環(huán)階梯環(huán)第40頁/共64頁41均屬敞開型填料。特點是表面全部敞開，不分內(nèi)外，液體在表面兩側(cè)均勻流動，表面利用率高，氣體流動阻力小，制造方便。

矩鞍填料的兩端為矩形，結(jié)構(gòu)不對稱，且填料兩面大小不等，堆積時不會重疊。液體分布均勻，氣液傳質(zhì)速率得到提高。性能優(yōu)于拉西環(huán)，瓷矩鞍填料是目前采用最多的一種瓷質(zhì)填料?；“靶吞盍鲜莾擅鎸ΨQ結(jié)構(gòu)，相鄰填料易發(fā)生套疊，致使一部分填料表面被重合，使傳質(zhì)效率降低。弧鞍填料強度較差，易破碎，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用不多。（4）弧鞍和矩鞍第41頁/共64頁42第42頁/共64頁43金屬鞍環(huán)填料綜合了環(huán)形填料通量大及鞍形填料的液體再分布性能好的優(yōu)點，其性能優(yōu)于環(huán)形填料和鞍形填料。（5）金屬鞍環(huán)第43頁/共64頁442）規(guī)整填料

規(guī)整填料是一種在塔內(nèi)按均勻幾何圖形排列、整齊堆砌的填料。其特點規(guī)定了氣、液流徑，改善了氣、液分布狀況，在低壓降下，提供了很大的比表面積和高孔隙率，使塔的傳質(zhì)性能和生產(chǎn)能力得到大幅度提高。規(guī)整填料格柵填料脈沖填料波紋填料第44頁/共64頁45波紋填料實體填料網(wǎng)體填料：波紋絲網(wǎng)填料波紋板填料金屬孔板波紋填料金屬壓延孔板波紋填料優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，比表面積很大，傳質(zhì)速率高；流動阻力小，空塔氣速高。缺點：不適于處理粘度大、易聚合或有沉淀物的物料，而且，裝卸、清洗困難，造價高。波紋填料是一種整砌結(jié)構(gòu)的新型高效填料。陶瓷孔板波紋填料第45頁/共64頁46金屬孔板波紋填料第46頁/共64頁473.填料的選擇

選擇的內(nèi)容包括填料的種類、規(guī)格（尺寸）和材質(zhì)三個方面。

選擇的依據(jù)是分離工藝的要求、被處理物料的性質(zhì)、各種填料本身的特性。

選擇的標準是使設(shè)備的投資費用和操作費用之和最低。第47頁/共64頁483.3.3填料塔的流體力學(xué)性能1.填料層的持液量

持液量是指在一定的操作條件下，單位體積填料層內(nèi)在填料表面和填料空隙中所積存的液體體積。

靜持液量Hs是指當塔停止氣、液兩相供料，經(jīng)適當時間排液，直至無滴液時積存于填料層中的液體體積。

動持液量HC是指填料塔停止氣、液兩相進料的瞬間起流出的液體體積。第48頁/共64頁492.氣體通過填料層的壓強降

同一氣速下，噴淋量L↑，空隙率ε↓，氣體流通通道減小，壓降大。A——載點B——泛點L=0干填料L3>L2>L1>0—恒持液量區(qū)—載液區(qū)—液泛區(qū)第49頁/共64頁50(1)恒持液量區(qū)

A點以上，B點以下。u大，上升氣流與下降液體間的摩擦力開始阻礙液體順暢下流，持液量增加，此為攔液現(xiàn)象。開始發(fā)生攔液現(xiàn)象時的氣速為載點氣速，超過載點氣速后，ΔP/Z–u的斜率大于2。

A點以下。u小，液體流動幾乎與氣速無關(guān)。氣體通過單位填料層的壓降p與空塔氣速u的關(guān)系為直線，斜率1.8～2.0，且基本與干填料平行。(2)載液區(qū)—恒持液量區(qū)—載液區(qū)—液泛區(qū)第50頁/共64頁51

Ｂ點以上。u↑,液體在塔內(nèi)積累而發(fā)生液泛，此時的空塔氣速稱泛點氣速。氣體通過單位填料層的壓降p

隨著空塔氣速u的增加而急劇增加，使填料塔不能正常操作。(3)液泛區(qū)液泛、淹塔適宜的操作氣速u應(yīng)在載點氣速和泛點氣速umax之間。u＝（０.６～０.８）umax—恒持液量區(qū)—載液區(qū)—液泛區(qū)第51頁/共64頁523.液泛濕填料因子Φ值越小，氣體密度越小，液體的密度越大、粘度越小，液氣比越小，則泛點氣速越大。圖３-18?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖應(yīng)用：求泛點氣速根據(jù)允許壓降值計算空塔氣速或根據(jù)空塔氣速計算壓降。

此圖顯示出壓降與泛點、填料因子、液汽比等參數(shù)的關(guān)系。第52頁/共64頁534.填料的潤濕性能和液體噴淋密度Umin──最小噴淋密度，m3/（m2·s）；(LW)min──最小潤濕速率，m3/（m·s）；

σ

──填料的比表面積，m2/m3。式中

潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的液體體積流量。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(LW)min為0.08m3/(m·h)；對于直徑大于75mm的散裝填料，取(LW)min

為0.12m3/(m·h)。

噴淋密度是指單位時間內(nèi)單位塔截面積上噴淋的液體體積。第53頁/共64頁543.3.5填料塔附件1.填料支承裝置應(yīng)具有：(1)足夠的機械強度以承受設(shè)計載荷量，支承板的設(shè)計載荷主要包括填料的重量和液泛狀態(tài)下持液