气液传质设备

化工原理(2)电子课件化工原理（2）第十章汽液传质设备Chart10Theequipmentformasstransferbetweenvaporandliquid化工原理(2)电子课件第十章气-液相传质设备分类(1)逐级接触式——板式塔板式塔：内装塔板，气液传质在板上液层空间内进行；(2)连续接触式——填料塔、湍球塔填料塔：内装填料，气液传质在填料润湿表面进行。(3)其它传质设备湿壁塔；鼓泡塔；文丘里混合器……功能气液相传质的场所提供足够大的传质接触面积强化气液两相的湍流强度化工原理(2)电子课件塔设备的研发思路：(1)总体上保证气液两相呈逆流流动提供最大的传质推动力(2)每块板上或填料层内保证气液两相充分接触尽可能减小传质阻力(3)提供足够大的气液两相通道保证大通量、低压降、合适的弹性化工原理(2)电子课件10.1板式塔一、板式塔构造1.总体结构外观立式筒体结构；内部设置塔板；塔板上设置了降液管、工作区、溢流堰、受液盘等部件。汽液流向：液体自上而下，气体自下而上；塔体总体上气液两相逆流流动；塔板上气液两相错流流动。化工原理(2)电子课件2．塔板结构塔板的主要构造包括：气体通道、溢流堰、降液管、入口堰等降液管受液区溢流堰安定区开孔区(1)气体通道即开孔区的传质元件。各种塔板主要区别就在于气体通道型式不同。最简单的是筛板塔。⑵溢流堰作用：保证塔板上有一定的液层高度。型式：平直堰、齿型堰塔板板面布置如右图：化工原理(2)电子课件⑶降液管塔板间液体流动通道，也是溢流液体释放夹带气体的场所。降液管类型：降液管有圆形和弓形两类。降液管规定了液体的流动途径，常用的液流型式有下列几种：U型流程（回转流）、单程流型（又称直径流）；双程流型（半径流）；四程流型；阶梯流型；化工原理(2)电子课件U型降液板单程降液板化工原理(2)电子课件流型单程流型双程流型四程流型阶梯化工原理(2)电子课件200-300230-350250-400250-45090-160110-200110-230110-250110-2504570901101101101107911111111111.01.42.03.04.05.06.0阶梯流程双流程单流程U形流程m液体流量m3/h塔径化工原理(2)电子课件二、常用塔板类型及其特点1.泡罩塔板（Bubble-captray）优点：弹性大、操作稳定可靠。缺点：结构复杂，成本高，压降大。对于大直径塔，塔板液面落差大，导致塔板操作不均匀。现状：近二、三十年来已趋于淘汰。化工原理(2)电子课件化工原理(2)电子课件F1型浮阀：圆形，直径50mm，3个向下定距片，3只阀脚操作特点：随蒸气量变化上下移动，调节阀孔气体流速。2.浮阀塔板20世纪50年代问世。结构：在开孔处安装一个可以上下浮动的阀片；阀片形式多样，最常用的是F1型浮阀、V-4型和T-型。化工原理(2)电子课件化工原理(2)电子课件优点：对负荷波动的适应强，弹性大(可到6)；压降较低，通量可增大20%~40%。结构比泡罩塔板简单，造价低20%左右。缺点：阀片易松动或卡住(生锈)，多用不锈钢制做，造价高。现状：是目前使用最广泛的板型之一。我国标准：重阀33g轻阀25g（真空塔用）在F1浮阀基础上发展了多种形式的浮阀，如右图。化工原理(2)电子课件3.筛孔塔板Sieveplate1830年问世。结构：塔板上均匀分布许多小孔(多呈正三角形)，形似筛孔，简称筛板。根据孔径大小分为：小孔筛板（3~8mm）大孔筛板（10~25mm）化工原理(2)电子课件优点：构造简单，制作方便，成本低(造价约为泡罩塔的60%)；压降小、处理量大(可比泡罩塔提高10%~15%)，清洗和修理也比较容易。缺点：操作弹性小；筛孔容易堵塞；安装要求高；化工原理(2)电子课件导向筛板导向筛板Flow-guideSieveplate（Lindesieveplate）结构：有导向筛孔，并设置鼓泡促进装置。特点：塔板上液层均匀，压降小；塔板效率高；操作弹性比筛孔大；是一种优良的真空塔板。化工原理(2)电子课件4.喷射型塔板喷射型塔板克服了减压或气量大时雾沫夹带严重的影响。4.1垂直筛板：结构：塔板开上开设100~200mm的大孔；孔上安装侧壁开有筛孔的泡罩；泡罩底边留有间隙。工作原理：液体由间隙进入大孔，上升到气体将这些液体拉成液膜形成两相上升流动，经泡罩侧壁筛孔喷出后，气体上升，液体落回塔板。液体从塔板入口流至降液管将多次经历上述过程。化工原理(2)电子课件4.2舌形塔板结构：在塔板上冲出若干按一定排列的舌形孔，舌片向上张角α以20°左右为宜。优点：(1)气流经舌片喷出带动液体沿同方向流动。气液并流避免返混，减小液面落差，塔板上液层较低，塔板压降小。(2)气流方向近于水平，其液沫夹带量较小。缺点：(1)张角固定，气量较小时，喷射气速低，塔板漏液严重，操作弹性小。(2)液体加速后，可能使液体在板上的停留时间太短、液层太薄，板效率降低。20=αo50R25气相化工原理(2)电子课件4.3浮舌塔板：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。19R20R1683731o20化工原理(2)电子课件4.4斜孔塔板降液管a斜孔结构b塔板布置受液区导向孔舌形塔板→斜孔塔板保留气体水平喷出、气液高度湍动的优点避免液体连续加速既能获得大的生产能力，又能达到好的传质效果。特点：开口方向与液流垂直，相邻两排开孔方向相反。化工原理(2)电子课件4.5网孔塔板由冲有倾斜开孔的薄板制成，具有舌形塔板的特点。塔板上装有倾斜挡沫板，作用是避免液体被直接吹过塔板，并提供气液分离和气液接触的表面。网孔塔板生产能力大，压降低，加工制造容易。挡沫板塔板AA降液管A-A剖视图受液盘化工原理(2)电子课件S形塔板化工原理(2)电子课件角钢塔板化工原理(2)电子课件5.各种塔板性能评价及选择(1)工业对塔设备的一般要求通量大通量大：空塔气速大，即生产能力大：空塔气速大，即生产能力大效率高效率高压降小：气体通过塔板的压降低：气体通过塔板的压降低弹性宽弹性宽：操作范围宽：操作范围宽32−≥=最小负荷最大负荷操作弹性结构简单：操作维修方便、制做安装容易、造价…...塔板研发的目标是：高效率、大通量、高操作弹性、低压降化工原理(2)电子课件常见塔板的性能比较塔板类型相对生产能力相对板效率操作范围压强降结构成本泡罩板1.01.010～100高复杂1.0筛板1.2～1.41.135～100低简单0.4～0.5浮阀板1.2～1.31.1～1.210～100中一般0.7～0.8舌型塔板1.3～1.501.150～100低最简单0.5~0.6斜孔板1.5～1.81.130～100低简单0.5化工原理(2)电子课件各种塔板的优点及适用范围优点缺点适用范围塔板类型泡罩板较成熟，操作范围宽结构复杂，阻力大，生产能力低某些要求弹性好的特殊塔浮阀板效率高，操作范围宽采用不锈钢，浮阀易脱落分离要求高,负荷变化大;原油常压分馏塔筛板效率较高，成本低安装要求水平,易堵,操作范围窄分离要求高,塔板较多;化工中丙烯塔舌型板结构简单,生产能力大操作范围窄，效率较低分离要求较低的闪蒸塔斜孔板生产能力大,效率高操作范围比浮阀塔和泡罩塔窄分离要求高，生产能力大化工原理(2)电子课件表中符号说明：A—不合适，B—尚可，C—合适，D—较满意，E—很好，F—最好。序号内容泡罩条形泡罩S形泡罩溢流式筛板导向筛板圆形浮阀条形浮阀栅板穿流式筛板穿流式管排纹纹筛板异孔径塔板条孔网状搭板舌形板文丘里式塔板1高气液负荷CBDEEEEEEEEEEEE2低气液负荷DDDCDFFCDCDDEDB3操作弹性大EBEDFFFBBBCDEDD4阻力降小AAADCDCEDEDDECE5液沫夹带量少BBCDDDEEEEEEEEF6板上滞液量少AAADEDDEDECDDFF7板间距小DCDEFEEFFEEFFEE8效率高EDEEEFEEEDEEEDE9生产能力大CBDEFEEEEEEEEEF10负荷的可变性DCEDEFFBBACCDDD11价格低廉CBDEDEDDFCDEEEE12金属消耗量少CCDEDEEFFCEFEFF13易于装卸BBDECBEFFCDFFEE14易于检查清洗维修CBDDCDDFEEEEDDD16开工和停工方便EEECDEFCDCDDDDD17加热冷却的可能性BBBDACCDDFDDCAA18耐腐蚀性BBCDCCCEEDCEDCC化工原理(2)电子课件三、板式塔的流体力学性能四种不同接触状态:鼓泡状态：u小，液体连续、气体分散；稳定的气泡表面接触。蜂窝状态：u↑，液体连续、气体分散；气泡表面稳定不易破裂。泡沫状态：u↑↑，液体连续、气体分散；液膜表面不断更新的。喷射状态:u↑↑↑，气体连续、液体分散，液滴表面不断更新，雾沫夹带量大。1.塔板上气液两相的接触状态化工原理(2)电子课件2.气体通过塔板的压力降气量↑→ΔHt↑液量↑→ΔHt↑板结构：开孔率↑→u0↓→ΔHt↓ΔHt影响因素压降↑接触时间↑板效率↑板数↓设备费↓塔釜温度↑能耗↑操作费↑工作区泡沫ΔHthowhe干板压降h0塔板压降液层阻力he克服板上泡沫层的静压形成气液界面的能量消耗通过液层的摩擦阻力损失保证较高效率，减小塔板压降，降低能耗和改善操作。化工原理(2)电子课件3.液面落差与气流分布Δ=hei-heo。液体横向流过塔板，克服摩擦阻力及绕过塔部件等障碍物的局部阻力和气流造成的阻力，需要一定的液位差。问题：△↑，气体趋向在液层薄的一侧通过，在液层厚的一侧很少通过不通过，导致气体分布不均，如右图所示。问题的解决：将Δ控制在一定限度之内。一般令：Δ/h0＜0.5h0——干板压力降，以清液柱表示。化工原理(2)电子课件4.液体通过降液管流动Hd=ΔHt+hw+how+Δ＋hddlldhgugPZgugPH+++=++222222211ρρtlHgppΔ=−ρ12HdZ21p2p1221降液管液位高度⑴降液管内清液高度：在1-1及2-2面之间列柏努利方程:忽略Δu2变化Z2=hw+how+Δ降液管内液体流动阻力：2361⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=doLdAVg.hAd0——降液管下沿与塔板之间的缝隙的截面积化工原理(2)电子课件(2)降液管泡沫液体高度降液管存在大量泡沫时密度ρl→ρf降液管液层高度Hd→H'dAfρlHd=AfρfH''dH'd=ρlHd/ρf=Hd/φ其中：φ=ρf/ρl一般取0.5易起泡物料取0.3～0.4Hd降液管液位高度化工原理(2)电子课件四、板式塔的操作特性1.理想流动模型传质速率=传质系数×传质面积×平均推动力提高传质速率的途径：⑴提高平均推动力：尽可能保持总体上逆流流动、塔板上的错流流动，减小气体和液体返混；⑵提高传质系数，保证气液接触充分、表面不断更新；⑶增加传质面积，尽可能保持泡沫或液滴状态。2.塔内汽液两相的非理想流动⑴空间反向流动化工原理(2)电子课件①液体—雾沫夹带原因：液滴被气体带入上层塔板(大液滴被弹溅、小液滴沉降速度utu0)；后果：降低效率、严重时将产生液泛；改进：改变气体喷射方向—垂直筛板、舌形塔板、斜孔…；或增加板间距或塔径气量↑→夹带量↑板间距HT↓→夹带量↑雾沫夹带影响因素表示雾沫夹带的指标：GGeGLeeLeΨ+=+=～L、G、板间距、…雾沫夹带分率：化工原理(2)电子课件eG=e/G——每千克干蒸气所夹带的液沫的物质的质量。要求液沫夹带量eG≯0.1kg液沫/kg干气原因：降液管停留时间不足，泡沫中气体没完全释放，随液体流入下层塔板；后果：降低效率、严重时产生降液管液泛；改进：增大降液管面积Af，保持液体在降液管的停留时间②气体—气泡夹带或：增大塔板上液体出口处缓冲区—出口安定区；或：采用喷射状态的板型—垂直筛板、舌形塔板、斜孔塔板…≥=LAHfdτ3～5s化工原理(2)电子课件⑵空间上的非均匀流动原因：塔板液层高度的不均匀性(液面落差Δ～塔板上液体流动推动力)引起；后果：效率下