第十一章传质设备

《化工原理》任课教师：闫志谦PrinciplesofChemicalEngineering气液传质设备MassTransferEquipments概述（Introduction）气液传质设备的基本功能：形成气液两相充分接触的相界面，使质、热的传递快速有效地进行，接触混合与传质后的气、液两相能及时分开，互不夹带等。气液传质设备的分类：气液传质设备的种类很多，按接触方式可分为连续（微分）接触式（填料塔）和逐级接触式（板式塔）两大类，在吸收和蒸馏操作中应用极广。填料塔在圆柱形壳体内装填一定高度的填料，液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出；气体则在压强差推动下穿过填料层的空隙，由塔的一端流向另一端。气液在填料表面接触进行质、热交换，两相的组成沿塔高连续变化。溶剂填料塔气体散装填料塑料鲍尔环填料规整填料塑料丝网波纹填料板式塔在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层；气体则在压强差的推动下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。板式塔溶剂气体DJ塔盘新型塔板、填料填料塔和板式塔的主要对比板式塔填料塔压降较大小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整填料较小空塔气速较大小尺寸填料较小；大尺寸填料及规整填料较大塔效率较稳定，效率较高传统填料低；新型乱堆及规整填料高持液量较大较小液气比适应范围较大对液量有一定要求安装检修较易较难材质常用金属材料金属及非金属材料均可造价大直径时较低新型填料投资较大填料塔和板式塔都可用于吸收或蒸馏操作。新型填料及规整填料塔竞争力较强。塔型选择塔径在0.6~0.7米以上的塔，过去一般优先选用板式塔。随着低压降高效率轻材质填料的开发，大塔也开始采用各种新型填料作为传质构件，显示了明显的优越性。塔型选择主要需考虑以下几个方面的基本性能指标：(1)生产能力即为单位时间单位塔截面上的处理量；(2)分离效率对板式塔指每层塔板的分离程度；对填料塔指单位高度填料层所达到的分离程度；(3)操作弹性指在负荷波动时维持操作稳定且保持较高分离效率的能力，通常以最大气速负荷与最小气速负荷之比表示；(4)压强降指气相通过每层塔板或单位高度填料的压强降；(5)结构繁简及制造成本。板式塔Plate(tray)tower塔板类型塔板是板式塔的基本构件，决定塔的性能。液相降液管堰气相溢流塔板(错流式塔板)：塔板间有专供液体溢流的降液管(溢流管)，横向流过塔板的流体与由下而上穿过塔板的气体呈错流或并流流动。板上液体的流径与液层的高度可通过适当安排降液管的位置及堰的高度给予控制，从而可获得较高的板效率，但降液管将占去塔板的传质有效面积，影响塔的生产能力。溢流式塔板应用很广，按塔板的具体结构形式可分为：泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、网孔塔板、舌形塔板等。塔板类型逆流塔板（穿流式塔板）：塔板间没有降液管，气、液两相同时由塔板上的孔道或缝隙逆向穿流而过，板上液层高度靠气体速度维持。优点：塔板结构简单，板上无液面差，板面充分利用，生产能力较大；缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。与溢流式塔板相比，逆流式塔板应用范围小得多，常见的板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。液相气相泡罩塔板（Bubble-capTray）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，泡罩安装在升气管顶部，泡罩底缘开有若干齿缝浸入在板上液层中，升气管顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。液体横向通过塔板经溢流堰流入降液管，气体沿升气管上升折流经泡罩齿缝分散进入液层，形成两相混合的鼓泡区。优点：操作稳定，升气管使泡罩塔板低气速下也不致产生严重的漏液现象，故弹性大。缺点：结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低。筛孔塔板（SieveTray）筛孔塔板即筛板出现也较早（1830年），是结构最简单的一种板型。但由于早期对其性能认识不足，为易漏液、操作弹性小、难以稳定操作等问题所困，使用受到极大限制。1950年后开始对筛孔塔板进行较系统全面的研究，从理论和实践上较好地解决了有关筛板效率，流体力学性能以及塔板漏液等问题，获得了成熟的使用经验和设计方法，使之逐渐成为应用最广的塔板类型之一。浮阀塔板（ValveTray）自1950年代问世后，很快在石油、化工行业得到推广，至今仍为应用最广的一种塔板。结构：以泡罩塔板和筛孔塔板为基础基础。有多种浮阀形式，但基本结构特点相似，即在塔板上按一定的排列开若干孔，孔的上方安置可以在孔轴线方向上下浮动的阀片。阀片可随上升气量的变化而自动调节开启度。在低气量时，开度小；气量大时，阀片自动上升，开度增大。因此，气量变化时，通过阀片周边流道进入液体层的气速较稳定。同时，气体水平进入液层也强化了气液接触传质。优点：结构简单，生产能力和操作弹性大，板效率高。综合性能较优异。浮阀塔板（ValveTray）F1型浮阀结构简单，易于制造，应用最普遍，为定型产品。阀片带有三条腿，插入阀孔后将各腿底脚外翻90°，用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度；阀片周边有三块略向下弯的定距片，以保证阀片的最小开启高度。F1型浮阀分轻阀和重阀。轻阀塔板漏液稍严重，除真空操作时选用外，一般均采用重阀。JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板JetCo-flowValveTray）结构：阀笼与塔板固定，阀片在阀笼内上下浮动。将单一鼓泡传质，变为双流传质，一部分为鼓泡、另一部分为喷射湍动传质，使塔的分离效率和生产能力都大大提高。该塔板可作为化工过程中的气液传质、换热设备。特点：结构简单、阀片开启灵活、高效、高通量、寿命长、耐堵塞。JCV浮阀（改进型双流喷射浮阀）普通型JCV浮阀与塔板固定方法JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板JetCo-flowValveTray）低负荷下阀片工作状态JCV浮阀塔板效率曲线中负荷下阀片工作状态高负荷下阀片工作状态JCV浮阀阀片JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板JetCo-flowValveTray）2400JCV浮阀塔板1800JCV浮阀塔板JCPT塔板（并流喷射填料塔板JetCo-flowPackingTray）塔板上的液体通过提液管与塔板之间的间隙被气体提升，气液并流通过提液管，在提液管内高速湍动混合、传质，然后气液并流进入填料中进一步强化传质，并完成气液分离。气体靠压差继续上升，进入上一层塔板；液体基本以清液的形式回落到塔板上，沿流道进入降液管，下降到下一层塔板。与普通塔板在传质机理上的区别：它是填料与塔板的复合体，靠填料实现传质，靠塔板实现多级并流。JCPT塔板（并流喷射填料塔板JetCo-flowPackingTray）不同结构型式的JCPT塔板舌形塔板一种斜喷射型塔板。结构简单，在塔板上冲出若干按一定排列的舌形孔，舌片向上张角以20°左右为宜。20=o50气相优点：气流由舌片喷出并带动液体沿同方向流动。气液并流避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。气流方向近于水平。相同的液气比下，舌形塔板的液沫夹带量较小，故可达较高的生产能力。缺点：张角固定，在气量较小时，经舌孔喷射的气速低，塔板漏液严重，操作弹性小。液体在同一方向上加速，有可能使液体在板上的停留时间太短、液层太薄，板效率降低。在舌形塔板上发展的斜孔塔板，斜孔的开口方向与液流垂直且相邻两排开孔方向相反，既保留了气体水平喷出、气液高度湍动的优点，又避免了液体连续加速，可维持板上均匀的低液面，从而既能获得大的生产能力，又能达到好的传质效果。斜孔塔板浮舌塔板为使舌形塔板适应低负荷生产，提高操作弹性，研制出了可变气道截面（类似于浮阀塔板）的浮舌塔板。1983731o20降液管a斜孔结构b塔板布置受液区导向孔网孔塔板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。这种塔板上装有倾斜的挡沫板，其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。网孔塔板具有生产能力大，压降低，加工制造容易的特点。挡沫板塔板AA降液管A-A剖视图受液盘垂直筛板（VerticalSieveTray）在塔板上开按一定排列的若干大孔(直径100~200mm)，孔上设置侧壁开有许多筛孔的泡罩，泡罩底边留有间隙供液体进入罩内。气流将由泡罩底隙进入罩内的液体拉成液膜形成两相上升流动，经泡罩侧壁筛孔喷出后两相分离，即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。与普通筛板相比，垂直筛板为气液两相提供了很大的不断更新的相际接触表面，强化了传质过程；且气液由水平方向喷出，液滴在垂直方向的初速度为零，降低了液沫夹带量，因此垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的生产能力。浮阀塔板的流体力学性能浮阀塔板上的气、液流程浮阀塔板的板面结构：鼓泡区（有效区、开孔区）降液管区受液盘区液体安定区边缘区溢流堰塔身溢流堰板降液管塔板受液盘安定区降液管区受液盘区鼓泡区液体从上一塔板的降液管流入板面上的受液盘区，经进口安定区进入鼓泡区与浮阀吹出的气体进行质、热交换后，再由溢流堰溢出进入降液管流入下一塔板。浮阀塔板上的气、液流程来自下一塔板的气体经鼓泡区的阀孔分散成小股气流，并由各阀片边缘与塔板间形成的通道以水平方向进入液层。由于阀片具有斜边，气体沿斜边流动具有向下的惯性，因此只有进入液层一定距离待惯性消失后气体才会折转上升。气体在板面上与液体相互混合接触进行传热传质，而后逸出液面上升到上一层塔板。塔板上气液主体流向为错流流动。气体通过浮阀塔板的压降气体进、出一块塔板（包括液层）的压强降即为气体通过该塔板的阻力损失（左侧压差计所测的hf值）。hf是以液柱高度表示的塔板的压强降或阻力损失，因此式中，L为塔内液体的密度，kg/m3。板压降hf可视为由气体通过干板的阻力损失hd和气体穿过板上液层的阻力损失hl两部分组成，即fLpghp=ldfhhh=有效长度泡沫hlhfhowHTh0塔板上的不正常操作现象漏液：部分液体不是横向流过塔板后经降液管流下，而是从阀孔直接漏下。原因：气速较小时，气体通过阀孔的速度压头小，不足以抵消塔板上液层的重力；气体在塔板上的不均匀分布也是造成漏液的重要原因。后果：严重的漏液使塔板上不能形成液层，气液无法进行传热、传质，塔板将失去其基本功能。若设计不当或操作时参数失调，轻则会引起板效率大降低，重则会出现一些不正常现象使塔无法工作。漏液（Weeping）气体分布均匀与否，取决于板上各处阻力均等否。气体穿过塔板的阻力由干板阻力和液层阻力两部分组成。当板上结构均匀、各处干板阻力相等时，板上液层阻力即液层厚度的均匀程度将直接影响气体的分布。漏液（Weeping）板上液层厚度不均匀：液层波动和液面落差。液层波动：波峰处液层厚，阀孔气量小、易漏液。由此引起的漏液是随机的。可在设计时适当增大干板阻力。液面落差：塔板入口侧的液层厚于塔板出口侧，使气流偏向出口侧，入口侧的阀孔则因气量小而发生漏液。塔板上设入口安定区可缓解此现象。单流型双流型多流型阶梯流型双流型、多流型或阶梯型塔板：在塔径或液体流量很大时可减少液面落差。漏液（Weeping）双流型多流型液沫夹带和气泡夹带（Entrainment）液沫夹带：气体鼓泡通过板上液层时，将部分液体分散成液滴，而部分液滴被上升气流带入上层塔板。由两部分组成：(1)小液滴的沉降速度小于液层上方空间上升气流的速度，夹带量与板间距无关；(2)较大液滴的沉降速度虽大于气流速度，但它们在气流的冲击或气泡破裂时获得了足够的向上初速度而被弹溅到上层塔板。夹带量与板间距有关。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。后果：液沫夹带是液体的返混，气泡夹带是气体的返混，均对传质不利。严重时可诱发液泛，完全破坏塔的正常操作。液沫夹带和气泡夹带是不可避免的，但夹带量必需严格地控制在最大允许值范围内。液泛（Dumpingofliquid）塔内液体不能顺畅逐板流下，持液量增多，气相空间变小，大量液体随气体从塔顶溢出。夹带液泛：板