第十一章气液传质设备

1第一节板式塔一、板式塔的主要类型与结构1、概述板式塔是一种应用极为广泛的气液传质设备，它由一个通常呈圆柱形的壳体及其中按一定间距水平设置的若干塔板所组成。如图11-1所示，板式塔正常工作时，液体在重力作用下自上而下通过各层塔板后由塔底排出；气体在压差推动下，经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出，在每块塔板上皆贮有一定的液体，气体穿过板上液层时，两相接触进行传质。为有效地实现气液两相之间的传质，板式塔应具有以下两方面的功能：①在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，减小传质阻力；②在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。由吸收章可知，当气液两相进、出塔设备的浓度一定时，两相逆流接触时的平均传质推动力最大。在板式塔内，各块塔板正是按两相逆流的原则组合起来的。但是，在每块塔板上，由于气液两相的剧烈搅动，是不可能达到充分的逆流流动的。为获得尽可能大的传质推动力，目前在塔板设计中只能采用错流流动的方式，即液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层。由此可见，除保证气液两相在塔板上有充分的接触之外，板式塔的设计意图是，在塔内造成一个对传质过程最有利的理想流动条件，即在总体上使两相呈逆流流动，而在每一块塔板上两相呈均匀的错流接触。2、板式塔的类型按照塔内气液流动的方式，可将塔板分为错流塔板与逆流塔板两类。①错流塔板塔内气液两相成错流流动，即流体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，但对整个塔来说，两相基本上成逆流流动。错流塔板降液管的设置方式及堰高可以控制板上液体流径与液层厚度，以期获得较高的效率。但是降液管占去一部分塔板面积，影响塔的生产能力；而且，流体横过塔板时要克服各种阻力，因而使板上液层出现位差，此位差称之为液面落差。液面落差大时，能引起板上气体分布2不均，降低分离效率。错流塔板广泛用于蒸馏、吸收等传质操作中。②逆流塔板亦称穿流板，板间不设降液管，气液两相同时由板上孔道逆向穿流而过。栅板、淋降筛板等都属于逆流塔板。这种塔板结构虽简单，板面利用率也高，但需要较高的气速才能维持板上液层，操作范围较小，分离效率也低，工业上应用较少。下面介绍一下塔的类型。⑴泡罩塔塔板上设有许多供蒸气通过的升气管，其上覆以钟形泡罩，升气管与泡罩之间形成环形通道。泡罩周边开有很多称为齿缝的长孔，齿缝全部浸在板上液体中形成液封。操作时，气体沿升气管上升，经升气管与泡罩间的环隙，通过齿缝被分散成许多细小的气泡，气泡穿过液层使之成为泡沫层，以加大两相间的接触面积。流体由上层塔板降液管流到下层塔板的一侧，横过板上的泡罩后，开始分离所夹带的气泡，再越过溢流堰进入另一侧降液管，在管中气、液进一步分离，分离出的蒸气返回塔板上方究竟，流体流到下层塔板。一般小塔采用圆形降液管，大塔采用弓形降液管。泡罩塔已有一百多年历史，但由于结构复杂、生产能力较低、压强降等特点，已较少采用，然而因它有操作稳定、技术比较成熟、对脏物料不敏感等优点，故目前仍有采用。⑵筛板塔筛板是在带有降液管的塔板上钻有3~8mm直径的均布圆孔，液体流程与泡罩塔相同，蒸气通过筛孔将板上液体吹成泡沫。筛板上没有突起的气液接触元件，因此板上液面落差很小，一般可以忽略不计，只有在塔径较大或液体流量较高时才考虑液面落差的影响。塔板上有许多筛孔——提供气体上升的通道；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；降液管——作为液体从上层塔板流至下层塔板的通道⑶浮阀塔浮阀塔是50年代开发的一种较好的塔。在带有降液管的塔板上开有若干直径较大（标准孔径为39mm）的均布圆孔，孔上覆以可在一定范围内自由活动的3浮阀。浮阀形式很多，常用的有F1型，V－4型，T型浮阀。操作时，液相流程和前面介绍的泡罩塔一样，气相经阀孔上升顶开阀片、穿过环形缝隙、再以水平方向吹入液层形成泡沫，随着气速的增减，浮阀能在相当宽的范围内稳定操作。因此目前获得较广泛的应用。⑷喷射型塔板筛板上气体通过筛孔及液层后，夹带着液滴垂直向上流动，并将部分液滴带至上层塔板，这种现象称为雾沫夹带。雾沫夹带的产生固然可增大气液两相的传质面积，但过量的雾沫夹带造成液相在塔板间返混，进而导致塔板效率严重下降。在浮阀塔板上，虽然气相从阀片下方以水平方向喷出，但阀与阀间的气流相互撞击，汇成较大的向上气流速度，也造成严重的雾沫夹带现象。此外，前述各类塔板上存在或低或高的液面落差，引起气体分布不均，不利于提高分离效率。基于这些缺点，开发出若干种喷射型塔板，在这类塔板上，气体喷出的方向与液体流动的方向一致或相反。充分利用气体的动能来促进两相间的接触，提高传质效果。气体不必再通过较深的液层，因而压强降显著减小，且因雾沫夹带量较小，故可采用较大的气速。(5)穿流板塔塔板上全部为开孔区。气液同时从孔中逆流穿越通过。开孔可为栅缝(称为穿流栅板)或筛孔(称为穿流筛板)。有时亦可用扁钢做成栅板，或将管子组成管栅板(必要时管子内可通入冷却介质)。穿流板塔结构简单，生产能力大，可比泡罩塔提高50％以上；压降小；不易堵阻及沉淀。用于一般的蒸馏及吸收外，还用于除尘、中和、洗涤、气液相直接传热等场合。三、设计要领筛板塔设计的主要项目包括：1、板上液流型式；2、板距；3、塔径；4、板面布置；5、核验项目。四、板效率1、板效率的各种表示方法及其应用⑴点效率1*1OGnnyyyyE式中y——离开塔板上某点的气相组成；1ny——进入第n块板的气相组成；*y——与被考察点液相组成x成平衡的气相组成。为计算实际板数，必须知道离开同一块实际塔板的两相平均组成的关系。点4效率不能满足此要求。⑵默弗里板效率1*1nmV,nnnnyyyyE，*11nmL,nnnnxxxxE不仅考虑了塔板上两相之间的接触状况，同时也计入了塔板上气液两相的非理想流动，但未考虑塔板间的非理想流动，即液沫夹带和漏夜。mVE、mLE均小于1。⑶理论板效率1*1annnYyYYEaE考虑了液沫夹带的影响即Ve。一般据修正平衡线的概念，实验经常考（设各板mVE均相等为0.6，全回流求实际塔板数）。⑷全塔效率（设计时最常用）NNETT式中TN——理论板数；N——实际板数。2、提高板效率的措施⑴结构参数影响塔板效率的结构参数很多，塔径、板间距、堰高、堰长以及降液管尺寸等对板效率皆有影响，必须按某些经验规则恰当地选择。此外，有以下两点得特别指出。①合理选择塔板的开孔率和孔径造成适应于物系性质的气液接触状态塔板上存在着两种气液接触状态——泡沫状态和喷射状态。不同的孔速下将出现不同的气液接触状态，不同的物系适宜于不同的接触状态。轻组分表面张力小于重组分的物系宜采用泡沫接触状态，轻组分表面张力大于重组分的物系宜采用喷射接触状态。这一点可解释如下：在泡沫接触状态，气泡密集，板上液体呈液膜状态而介于气泡之间。在传质过程中，液膜是否稳定左右着实际相界面的大小。如果液膜不稳定，则易被撕裂而发生气泡的合并，相界面将减少。设有液膜，其表面张力为。若液膜的某一局部发生质量传递，该处膜厚减薄，轻组分浓度减小，重组分浓度增加，表面张力发生变化。显然，对于重组分表面张力较小的物系，局部传质处的表面张力'将小于，液体被拉向四周，导致液膜破裂气泡合并。反之，对于重组分表面张5力较大的物系，局部蒸发处的表面张力'将大于，可吸引周围的液体，使液膜得以恢复，液膜比较稳定。因此，重组分表面张力较大的物系，宜采用泡沫接触状态。若以x表示重组分的摩尔分数，这种物系的0ddx，故可称为正系统。在喷射状态中，液相被分散成液滴而形成界面。与泡沫接触状态中的液膜相反，此时，液滴的稳定性越差，液滴越容易分裂，相界面越大。如图所示，由于局部质量传递，液滴表面的某个局部将出现缺口，此处重组分摩尔分数增加，表面张力发生变化。对于正系统，缺口处的表面张力'大于，缺口得以弥合，液滴稳定不易分裂。对于重组分表面张力较小的物系，缺口处的表面张力'小于，缺口将自动扩展加深，导致液滴分裂。因此，重组分表面张力较小的物系，宜采用喷射接触状态。同样，若以x表示重组分的摩尔分数，这种物系的0ddx，故可称为负系统。总之，正系统的液滴或液膜的稳定性皆好，宜采用泡沫接触状态而不宜采用喷射接触状态；负系统的液滴或液膜稳定性差，宜采用喷射接触状态而不宜采用泡沫接触状态。②设置倾斜的进气装置，使全部或部分气流斜向流入液层在塔板上适当地设置倾斜进气装置，使全部或部分气体沿倾斜于液体流动的方向进入液层，具有以下优点：a、斜向进气时，气体将给液体以部分动量。这样，液体将在该部分动量推动下沿塔板流动，而不必依靠液面落差。适当地分配斜向进入的气量。即可维持一定的液层厚度，还可以消除液面落差，促使气流的均布。b、适当地安排斜向进气装置，即在塔板边缘处适当增加斜向进气装置的数量，可使液体沿圆形塔板表面流动均匀。c、斜向进气时造成的液滴具有倾斜的初速度，其垂直分量较小，因而液膜夹带量有所下降。总之，适量采用斜向进气装置，可减少气液两相在塔板上的非理想流动，提高塔板效率。实现斜向进气的塔结构有多种形式。例如，舌形塔板、斜孔塔板、网孔塔板等使全部气体倾向进入液层；而林德筛板则使部分气体斜向进入液层。6第二节填料塔一、填料塔与塔填料1、填料塔的结构及其结构特性7如图所示为填料塔的结构示意图，填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。2、塔填料类型填料塔的操作性能，关键在于填料。性能优良的填料应该有较大的比表面积、良好的润湿性能、较高的空隙率以及重量轻、造价低、坚牢耐用等。图示是几种填料的形状。8拉西环是开发最早应用最广泛的环形填料，常用的拉西环为外径与高相等的圆筒。拉西环的主要优点是结构简单、制造方便、造价低廉，缺点是气液接触面小，液体的沟流及塔壁效应较严重，气体阻力大，操作弹性范围窄等。对拉西环加以改进后，开发了鲍尔环、阶梯环、共轭环等填料，这些填料在增大传质表面、提高传质通量、降低传质阻力等方面都有所改善。鞍形（弧鞍和矩鞍）填料，是一种像马鞍形的敞开填料，在塔内不易形成大量的局部不均匀区域，空隙率大，气流阻力小，是一种性能较好的工业填料。鞍环填料则综合了鞍形填料液体再分布性能较好和环形填料通量较大的优点，是目前性能最优良的散装填料。波纹填料由许多层高度相同但长短不等的波纹薄板组成，波纹薄板搭配排列成圆饼状，各饼竖直叠放于塔内，波纹与水平方向成45°倾角，相邻两饼反向叠靠，组成90°交错。这种填料属于整砌结构，流体阻力小，通量大、分离效率高，但不适合有沉淀物、易结焦和粘度大的物料，且装卸、清洗较困难，造价也高。用金属丝网来制造填料，无疑会增加填料的比表面积和减少气流阻力，从而提高传质效率。这类填料有网环、鞍形网、波纹网、三角线圈等。3、填料特性的评价⑴比表面积a