第四章气液传质设备概要

1、第四章 气液传质设备,4.1.1 概述,4.1.2 板式塔的类型,4.1.3 气体通过塔板压力降,4.1.4 筛板塔内气液两相的 非理想流动,4.1.5 不正常操作现象,4.1.6 塔板负荷性能图,4.1.7 塔板效率,4.1.1 概述,一、板式塔的设计意图 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，以减小传质阻力； 2. 在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提 供较大的传质推动力。,板式塔：总体上气液呈逆流流动； 每块塔板上呈均匀错流。,降液管,受液区,俯视图,开孔区（有效传质区）：塔板上布置有筛孔的区域，提供主要汽液传质区域。 降液区：每根降液管所占用的塔板区域，液体自上一层塔板流至其下一层塔板的通道。 安定区 ：此区域不开孔是为了防止因这部位液层较厚而造成倾向性漏液，同时也防止气泡窜入降液管。 边缘固定区：在塔板边缘有宽度为Wc的区域不开孔，这部分用于塔板固定。,二、气液两相接触状态,鼓泡接触状态,稳定的气泡表面,泡沫接触状态,更新的液膜表面,喷射接触状态,更新的液滴表面,1. 鼓泡接触状态 液体连续相 气体分散相 两

2、相接触面积：气泡表面,2. 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,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,生产上对塔器的要求 生产上对塔器在工艺上及结构上提出的要求有下列几方面： 1 分离效率高-达到一定分离程度所需塔的高度低。 2 生产能力大-单位塔截面积处理量大。 3 操作弹性（flexibility）大-对一定的塔器，操作时气液流量（亦称气液负荷）的变化会影响分离效率。若分离效率最高时的气液负荷作为最佳负荷点，可把分离效率比最高效率下降15%的最大负荷与最小负荷之比称为操作弹性。工程上常用的是液、气负荷比, 作为气相与液相的操作弹性。操作弹性大的塔必然适应性强，易于稳定操作。,4 气体阻力小-气体阻力小可使气体输送的功率消耗小。对真空精馏来说，降低塔器对气流的阻力可减小塔顶，底间的压差，降低塔的操作压强，从而可降低塔底溶液泡点，降低对塔釜加热剂的要求，还可防止塔底物料的分解。 5 结构简单，设备取材面广-便于加工制造与维修，价格低廉，使用面广。,对于一块塔板，气液间的相对流向有两种类型： 错流式 液体

3、沿水平方向横过塔板，气体则沿与塔板垂直方向由下而上穿过板上的孔通过塔板，气液呈错流。筛板塔、浮阀塔及泡罩塔等的操作均属此类型。这种类型塔的结构特点是具有降液管。降液管提供了液体从一块塔板流至其下一块塔板的通道。 逆流式 气液皆沿与水平塔板相垂直的方向穿过板上的孔通过塔板。气体由下而上，液体由上而下，气液呈逆流。淋降筛板塔即属此类型。此类型塔板没有降液管。,4.1.2 板式塔的类型,这两种类型的塔，就全塔而言，气液皆呈逆流。两种类型的塔在操作时板上都有积液，气体穿过板上小孔后在液层内生成气泡。板上泡沫层便是气液接触传质的区域。,板式塔的塔板类型,一、泡罩塔,泡罩塔是Cellier于1813年提出的最早工业规模应用的板式塔型式 。,二、筛板塔（筛板塔约于1832年开始用于工业生产）,筛板塔的主要结构及功能： 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。,生产实践说明： 1、只要筛板塔设计合理，操作得当，筛板塔不仅可稳定操作，而且操作弹性可达23，能满足生产要求。 2、筛板

4、塔比起泡罩塔，生产能力可增大10%15%，板效率约提高15%，单板压降可降低30%左右，造价可降低20%50%。,三、浮阀塔：浮阀塔是廿世纪五十年代初开发的一 种新塔型。,阀片上各部件的作用：,阀脚：浮阀有三条带钩的腿。将浮阀放进筛孔后，将其腿上的钩扳转，可防止操作时气速过大将浮阀吹脱。 定距片：浮阀边沿冲压出三块向下微弯的“脚”。当筛孔气速降低浮阀降至塔板时，靠这三只“脚”使阀片与塔板间保持2.5mm左右的间隙；在浮阀再次升起时，浮阀不会被粘住，可平稳上升。 能力比较：浮阀塔的生产能力比泡罩塔约大20%40%，操作弹性可达49，板效率比泡罩塔约高15%，制造费用为泡罩塔的60%80%，为筛板塔的120%130%。,三种常用浮阀的主要尺寸,三种塔板的比较:,1. 生产能力： 筛板 浮阀 泡罩； 2. 压降： 泡罩 浮阀 筛板； 3. 操作弹性： 浮阀 泡罩 筛板； 4. 造价： 泡罩 浮阀 筛板； 5. 板效率： 浮阀、筛板相当 泡罩。,四、其他类型塔板,1. 舌形塔板与浮动舌形塔板,2. 导向筛板,3. ADV浮阀塔板,ADV塔盘的鼓泡状态,4. JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板 ）

5、,从根本上改变了传统浮阀塔板的传质机理，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。 JCV浮阀塔板具有结构简单、阀片开启灵活、高效、高通量、寿命长、耐堵塞的特点。,普通型JCV浮阀,改进型双流喷射浮阀,JCV浮阀的基本结构,JCV浮阀的工作状态,低负荷下阀片工作状态,中等负荷下阀片工作状态,高负荷下阀片工作状态,4.1.3 气体通过塔板的压力降,气量 Ht 液量 Ht 板结构：开孔率u0 Ht ,总压力降：Ht = h0 + he,干板压降 h0 液层阻力 he,影响因素,液沫夹带 气泡夹带,气体 液体,反向流动,不均匀流动,4.1.4 筛板塔内气液两相的非理想流动,一、液沫夹带,气量 夹带量 板间距HT 夹带量,要求液沫夹带量 eG0.1kg液沫/kg干气,主要影响因素,二、气泡夹带,原因：液体在降液管中停留时间过短，气泡来 不及解脱，而被液体卷入下层塔板。,三、气体沿塔板的不均匀流动,1. 液面有落差和液层波动，引起气体分布不均匀； 2. 液层厚，阻力大，气速小； 3. 液层薄，阻力小，气速大。,四、液体沿塔板的不均匀流

6、动,4.1.5 不正常操作现象,定义：液体进塔量大于出塔量，结果使塔内不 断积液，直至塔内充满液体，破坏塔内 正常操作，称为液泛。,一、液泛,液泛包括：夹带液泛、溢流液泛。,1. 夹带液泛,原因：由液沫夹带引起 气速过大。,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=(0.40.8)uF u/uF 液泛分率,2. 溢流液泛（降液管液泛）,原因：由降液管通过液体能力不够而引起 液量过大。,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。,气量过小 ； 塔板开孔率大。,二、严重漏液,当气体孔速过小或气体分布不均匀时，使有的筛孔无气体通过，从而造成液体短路，大量液体由筛孔漏下。,V,4.1.6 塔板负荷性能图,雾沫夹带线（气体流量上限线）线1 液泛线（线2） 液相负荷上限线（线3） 漏液线（气体流量下限线，线4） 液相负荷下限线（线5）,1）负荷性能图中各线的意义,1，2，3，4，5五条线所包围的区域，既是一定物系在一定的结构尺寸塔板上正常操作区。,一、漏液线 由发生漏液时的干

7、板压降计算。 二、液体流量下限线 由how = 6mm 确定。 三、液体流量上限线 由液体在降液管内的停留时间=3 5s计算。 四、（溢流）液泛线 由Hd = (HT + hw)确定。 五、过量液沫夹带线 由液沫夹带量eG = 0.1kg液沫/kg干气确定。,2）负荷性能图的分析,V,操作弹性:,两极限的气体流量之比,操作点位于操作区内的适中位置,可获得稳定良好的操作效果,同一层塔板，操作情况不同，控制负荷上下限的因素也不同,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上移， 增加降液管截面积可使液相上限线右移， 减少塔板开孔率可使漏液线下移。,1、塔板效率的表示法,1）总板效率ET( 全塔效率）,达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比值。,将影响传质过程的动力学因素全部归纳到总板效率内， 简单地反映了整个塔内的平均传质效果。,2）单板效率EM(默弗里效率 ),直接反映该层塔板的传质效果,4.1.4 塔板效率,分析：单板效率的数值有可能大于100%吗？,的关系：,单板效率与全塔效率的区别：单板效率可直接反映该层塔板的传质效果，二者定义

8、的基准不同，全塔效率是基于所需理论板数的概念，单板效率基于该板理论增浓程度的概念。,3）点效率EOv,点效率与单板效率的区别：点效率中的y、y*为塔板上某点的气相组成和平衡组成；单板效率中的yn、yn*为离开塔板地气相平均组成、与xn成相平衡的气相平均组成。,分析：什么情况下，点效率和单板效率的数值相同？,2、塔板效率的估算,1）影响塔板效率的因素,a）物系性质：粘度、密度、表面张力及相对挥发度等。 b）塔板结构：塔径、板间距、堰高及开孔率等。 c）操作条件：温度、压强、气体上升速度及气液流量比。,2）板效率的估算,图中横坐标为L。是塔顶、底平均温度下物系的相对挥发度。L是塔顶、底平均温度下按进料组成计算的液相粘度。该粘度可用加和法估算：,4.2 筛板塔的结构设计,4.2.1 筛板,4.2.2 溢流堰,4.2.3 降液管,4.2.4 筛板的板面布置,4.2.5 塔板上的液流型式,4.2.6 板间距,4.2.1 筛板,筛板：开有筛孔的板叫筛板。筛孔起均匀分散气体的作用。若孔径小，要求单位面积的孔数多，则加工麻烦且小孔易堵，但孔小不易漏液，操作弹性大；孔径大则反之。,一般孔径为38mm。现

9、在也有采用孔径为1225mm大筛孔的筛板，但操作弹性小，操作要求高。 筛孔的排列是有规则的，以便气泡分布均匀，塔板强度好。通常筛孔是按正三角形方式排列的。如图4-14所示。在开孔区，筛孔总面积与开孔区面积之比称为开孔率 。可按一个小单元计算得。 令孔径为d0，孔心距为t，则,若 值过小，开孔过密，塔板强度下降，且气泡容易经碰撞 生成大气泡，传质面积减小，对传质不利。若 值过大，板上产生气泡的点分布太疏，塔板利用率过低，亦不适宜。 一般采用=2.55，常用值是34。,4.2.2 溢流堰,溢流堰：在液体横向流过塔板的末端，设有溢流堰。溢流堰是一块直条形板。 溢流堰高hw 对板上积液的高度起控制作用。hw 值大，则板上液层厚，气液接触时间长，对传质有利，但气体通过塔板的压降亦大。常压操作时，一般hw =2050mm。真空操作时为1020mm，加压操作时为4080mm。,4.2.3 降液管,降液管：降液管是液体自上一层塔板流至其下一层塔板的通道。降液管横截面有弓形与圆形两种。因塔体多数是圆筒体，弓形降液管可充分利用塔内空间，使降液管在可能条件下截面积最大，通液能力最强，故被普遍采用。,降液管下边缘在操作时必须浸没在液层内，以保证液封，即不允许气体通过降液管“短路”流至上一层塔板的液层上方空间。降液管下缘与下一块塔板的距离称为降液管底隙高度h0，h0为2025mm。若h0值过小则液体流过降液管底隙阻力太大。为保证液封，要求（hw- h0）大于6mm。,4.2.4 筛板的板面布置,有效传质区：塔板上布置有筛孔的区域，称有效传质区。,降液区：每根降液管所占用的塔板区域，称降液区，面积为Af。 降液区内不开孔。,入口安定区：塔板上液流的上游部位有狭长的不开孔区。此区 域不开孔是为了防止因这部位液层较厚而造成倾 向性漏液，同时也防止气泡窜入降液管。 一般Ws=50100mm。,出口安定区：在塔板上液流的下

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