第11章气液传质设备

化工原理1一、分类：•板式塔：•填料塔：逐级接触式，内装塔板，气液传质在板上液层空间内进行；连续（微分）接触式，内装填料，气液传质在填料润湿表面进行。化工原理2二、评价塔设备性能的指标1.生产能力大；2.分离效率高；3.阻力小，压降低；4.操作弹性大；5.满足工业对生产设备的一般要求：结构简单、造价低、安装维修方便等。化工原理3三、塔设备研制开发思路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保证传质充分，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4§11.1板式塔一、板式塔类型、结构、作用及特点：降液管平顶型溢流堰受液区开孔区有溢流塔板化工原理5塔板的作用：气液两相传质，传热的场所。总体上气液呈逆流流动；每块塔板上呈均匀错流。§11.1板式塔化工原理6（一）泡罩塔在工业上最早（1813年）应用的一种塔板，其主要元件由升气管和泡罩构成操作示意图§11.1板式塔化工原理7筛板塔的主要结构：1.筛孔——提供气体上升的通道；2.溢流堰——维持塔板上一定高度的液层，以保证在塔板上气液两相有足够的接触面积；3.降液管——作为液体从上层塔板流至下层塔板的通道。（二）筛板塔§11.1板式塔化工原理8（三）浮阀塔工作原理§11.1板式塔化工原理9阀型：F1型、V型、T型、A型各种浮阀：§11.1板式塔化工原理10三种塔板的比较:1.生产能力：2.压降：3.操作弹性：4.造价：5.板效率：筛板浮阀泡罩；泡罩浮阀筛板；浮阀泡罩筛板；泡罩浮阀筛板；浮阀、筛板相当泡罩。（四）喷射型塔板如：舌形塔板与浮舌塔板（五）穿流塔板§11.1板式塔化工原理11二、板式塔的水力学性能（一）塔板上气液两相的接触状态§11.1板式塔鼓泡状态、蜂窝状态、泡沫状态、喷射状态化工原理121.鼓泡接触状态液体——连续相气体——分散相两相接触面积：气泡表面§11.1板式塔化工原理132.泡沫接触状态液体——连续相气体——分散相两相接触面积：不断更新的液膜表面§11.1板式塔化工原理14气体——连续相液体——分散相两相接触面积：不断更新的液滴表面3.喷射接触状态§11.1板式塔泡沫状和喷射状均为优良的塔板工作状态为减小液沫夹带，大多数塔都控制在泡沫接触状态下操作化工原理15（二）气体通过塔板的压力降气量↑→ΔHt↑液量↑→ΔHt↑板结构：开孔率↑→u0↓→ΔHt↓总压力降：ΔHt=h0+he干板压降h0液层阻力he压降由两部分构成影响因素一般，常压塔：单板压降40~65mmH2O减压塔：单板压降10~35mmH2O§11.1板式塔液层静压力液体表面张力化工原理16（三）塔板上的液面落差液面落差△：塔板进、出口侧的清液高度差液面落差气流的不均匀分布严重漏液板效率下降与塔板结构、塔径、流量有关。有溢流塔板产生原因：液体在塔板上横向流动时要克服流动阻力§11.1板式塔（板面上的摩擦阻力、障碍物上的形体阻力和气流造成的阻力）直径较大的塔，可采用双溢流和阶梯溢流减小液面落差化工原理17§11.1板式塔化工原理18三、板式塔的操作特性（一）塔板上的异常操作现象1.漏液当气速过小或气液分布不均匀时，有的筛孔无气体通过，造成液体短路，大量液体由筛孔漏下。气量过小；塔板开孔率大。产生原因漏液两相在塔板上的接触时间↓板效率↓§11.1板式塔化工原理19控制：漏液量不大于液体流量的10%。漏液气速：漏液量达到10%的气体速度。——板式塔操作的气速下限2.液沫夹带影响因素•空塔气速：空塔气速减小，液沫夹带量减小•塔板间距：板间距增大，液沫夹带量减小现象：液滴随气体进入上层塔板。后果：过量液沫夹带，造成液相在板间的返混，板效率下降§11.1板式塔化工原理20（淹塔）3.液泛定义：液体进塔量大于出塔量，塔内不断积液，直至塔内充满液体，破坏塔内正常操作液泛夹带液泛降液管液泛由液沫夹带引起—气速过大。由降液管通过液体能力不够而引起——液量过大。§11.1板式塔化工原理21•与板间距HT有关：HT↑→uF↑，•与液量有关：VL↑→uF↓•与物系性质有关：易发泡，uF↓影响液泛气速uF的因素：适宜气速：u=(0.7-0.8)uFu/uF——液泛分率不易液泛综上所述，造成液泛的原因主要是液量过大、板压降过大（即气量过大）或降液管堵塞。§11.1板式塔化工原理224.气泡夹带：液体在降液管中停留时间太短，大量气泡被液体卷进下层塔板。液沫夹带是液体的返混，气泡夹带是气体的返混。液沫夹带和气泡夹带夹带量需严格地制在最大允许值范围内。（二）塔板的负荷性能图§11.1板式塔化工原理23塔板的负荷性能图VGVL54321O液相下限线——液相上限线漏液线过量液沫夹带线液泛线正常操作区操作弹性=气量上限/气量下限操作弹性要求大于2～3操作点§11.1板式塔化工原理241.液体流量下限线由how=6mm确定。2.液体流量上限线由液体在降液管内的停留时间τ=35s计算。3.漏液线由发生漏液时的干板压降计算。4.过量液沫夹带线由液沫夹带量eG=0.1kg液沫/kg干气确定。5.液泛线由Hd=φ(HT+hw)确定。§11.1板式塔各条线的确定见P141化工原理25物系一定时，负荷性能图中各线的相对位置随塔板尺寸而变例：加大板间距或增大塔径可使液泛线增加降液管截面积可使液相上限线减少塔板开孔率可使漏液线空塔气速增加，液沫夹带线板间距增大，液沫夹带线上移，右移，下移，下移，上移。§11.1板式塔化工原理26§11.2填料塔一、填料塔与塔填料化工原理27（一）填料塔的结构与作用§11.2填料塔化工原理28*填料层：提供气液传质面—填料表面形成的液膜面。*液体分布器：均匀分布液体，以避免发生沟流现象。*液体再分布器：避免壁流现象发生。*支撑板：支撑填料层，使气体均匀分布。*除沫器：防止塔顶气体出口处夹带液体。（二）填料类型环形鞍形波纹形形状（拉西环、鲍尔环、阶梯环）（矩鞍形、弧鞍形）（板波纹、网状波纹）§11.2填料塔化工原理29材料：陶瓷、金属、塑料堆放方式乱堆填料：整砌填料：拉西环、鲍尔环、鞍形、θ网环波纹板、波纹网1）拉西环（Raschingring）§11.2填料塔化工原理30鲍尔环Pallring阶梯环Cascadering§11.2填料塔化工原理31陶瓷弧鞍Berlsaddle矩鞍Intaloxsaddlering§11.2填料塔化工原理32θ环丝网波纹板波纹§11.2填料塔化工原理33（三）填料作用及特性1、填料作用（1）提供气液接触面；（2）强化气体湍动，降低气相传质阻力；（3）更新液膜表面，降低液相传质阻力。2、填料特性（1）比表面积a定义：单位堆积体积所具有的表面积，[m2/m3]、[1/m]。传质面积a填料尺寸小§11.2填料塔化工原理34（2）空隙率ε定义：单位体积填料中所具有的空隙体积，[m3/m3]。生产能力阻力大，水力学性能好。阻力小，达到液泛时值小Fu（3）干填料因子a/ε3与（湿）填料因子（湿）填料因子——液泛条件下测得的a/ε3。（4）堆积密度ρP单位体积填料所具有的质量，[kg/m3]。p§11.2填料塔化工原理35二、填料塔的水力学特性（一）气体通过填料层的压降L=0干填料L↑，空隙率ε↓，气体流通通道减小，同一气速下，喷淋密度大，压降大。p，kPaL3L2L1干塔32L3L2L110u,m/s填料层的p~u关系（双对数坐标系）L---喷淋量大（空塔气速）载点—恒持液量区—载液区—液泛区泛点§11.2填料塔化工原理361、恒持液量区L点以上，u大，阻碍液体顺畅下流，持液量增加，此为拦液现象，出现拦液现象时的气速为载点气速，超过载点气速后，ΔP∝u2.0。载点以下，u小，ΔP∝u1.82.0，基本上与干填料平行。2、载液区§11.2填料塔载液区为塔的正常操作区化工原理37适宜操作应在载点气速和泛点气速之间Fuu)8.0~6.0(u↑↑，液体在塔内积累而发生液泛，此时的气速称泛点气速。ΔP~u斜率急剧增加,填料塔不能正常操作。3、液泛区§11.2填料塔影响泛点气速的因素：填料特性、流体物性、液气比化工原理38二、泛点气速的计算图11-27埃克特通用关联图0.5埃克特（Eckert）通用关联图§11.2填料塔化工原理39应用：求泛点气速根据允许压降值计算空塔气速或根据空塔气速计算压降。常压塔：ΔP=15~50mmH2O/m填料；真空塔：ΔP8mmH2O/m填料此图显示出压降与泛点、填料因子、液汽比等参数的关系。§11.2填料塔化工原理40三、持液量定义：操作时单位体积填料层内持有的液体体积。总持液量（静持液量与动持液量之和）静持液量：指填料层静止接受喷淋液体并经过规定的滴液时间后，仍然停留在填料层中的液体量。取决于填料本身及液体性质。动持液量：指一定喷淋条件下持于填料层中的液体总量与静持液量之差。§11.2填料塔化工原理41三、板式塔与填料塔比较（一）板式塔1、适用于塔径较大；2、所需传质单元数或理论板数较多；3、热量需从塔内移除；4、适于较小液量；5、适于处理有悬浮物的液体；6、板式塔便于侧线采出。§11.2填料塔化工原理42（二）填料塔1、适用于处理有腐蚀性的物料；2、填料塔压力降较小，适用于真空蒸馏；3、适用于间歇蒸馏或热敏性物料的蒸馏；4、适用于处理易发泡的液体。§11.2填料塔