气液传质设备.ppt

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第三章 气液传质设备,(Mass Transfer Equipments),第三章 气液传质设备,主要内容,第一节 概 述,,第二节 板式塔,,第三节 填料塔,,第四节 填料塔与板式塔的比较,第一节 概 述（,Introduction,）,一、气、液传质设备,(,塔设备,),的作用,,基本作用有两个：,⒈,提供气、液两相充分接触的场所，使传热、传质两种传递过程能够迅速有效地进行；,⒉,使接触后的汽液两相及时分开，互不夹带二、塔设备的分类,,板式塔,填料塔,第一节 概 述（,Introduction,）,三、评价塔设备的基本性能指标,,,1.,生产能力,：单位塔截面单位时间的处理量,,2.,分离效率,：,,板式塔：每层塔板的分离程度,,填料塔：单位高度填料层所能达到的分离程度,,3.,操作弹性,：塔的最大处理量与最小处理量之比,4.,流动阻力,：主要指气相阻力,第一节 概 述（,Introduction,）,一、塔板类型,（二）有溢流塔板（溢流型塔板）,,,特点：气液相有各自的通道，相对比较稳定，便于操作，技术上也比较成熟，所以目前的塔设备多采用这种方式。

一）无溢流塔板（穿流型塔板）,,,特点：气液相有共同的通道，汽液两相逆流，传质推动力最大，但由于这种塔板不稳定，现在在现场很少使用第二节 板式塔,Plate (tray) tower,,1.,泡罩塔板（,Bubble-cap Tray,）,,,,,,,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,气相鼓泡元件：泡罩（泡帽）,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,泡罩塔,,缺点：生产能力小、结构复杂，造价高、压降大、 效率低优点：操作弹性大，操作稳定，不易堵塞第二节 板式塔,Plate (tray) tower,2.,浮阀塔板,,自二十世纪五十年代问世后，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特点：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第二节 板式塔,Plate (tray) tower,①F1,型浮阀,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,②,十字架型浮阀,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,3.,筛孔塔板（,Sieve Tray,）,,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第二节 板式塔,Plate (tray) tower,,,20,=,a,o,50,R25,气相,4.,喷射,/,舌型塔板,,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,,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，板效率降低舌型塔板特点：,,优点：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第二节 板式塔,Plate (tray) tower,浮舌塔板,浮阀塔板的最新进展,由于浮阀塔板的气体流通面积能随气体负荷变动自动调节，因而能在较宽的气体负荷下保持稳定操作；同时气液接触时间长，雾沫夹带少，具有良好的操作弹性和较高的塔板效率，在工业中得到了较为广泛地应用。

下面重点介绍一下浮阀塔板的最新进展传统的,F1,型浮阀塔板存在的,不足,：,F1,型浮阀塔板依然存在着不足,:(1),浮阀阀盖上方无鼓泡区,,,其上方气液接触状况较差,,,造成塔板传质效率降低,;(2),塔板上液面梯度较大,,,气体在液体流动方向上分布不均匀,;(3),从阀孔出来的气体向四周吹出,,,导致塔板上液体返混程度较大,;(4),在操作中,,,浮阀和阀孔易被磨损,,,浮阀易脱落ＡＤＶ微分浮阀,ＡＤＶ微分浮阀如图所示该浮阀在阀盖上开小阀孔,,,充分利用浮阀上部的传质空间,,,使气体分散更细密均匀,,,气液接触更充分，提高了气液分布的均匀度,;,阀脚采用新的结构设计,,,使浮阀安装快捷方便,,,操作时浮阀不易旋转,,,不会脱落与Ｆ,1,型浮阀相比,,,微分浮阀的塔板效率提高了,10%,～,20%,,塔板处理能力提高约,40%,二、塔板的结构,,,1.,塔板的分区,鼓泡区：,气液两相传热、传质,,降液区：,液体通道，小气泡聚合成大气泡再返回,,受液区：,接受降液管的液体,,安定区：,减少降液管气泡夹带量,,边缘区：,支撑塔板及塔板上液体,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,2.,主要构件,气体通道,,,鼓泡元件,：形成气液两相传热传质的主要构件，型式有筛板型、泡罩型、浮阀型、喷射型等等,,降液管,溢流堰,受液盘,,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,,(1),降液管,,作用：液体通道，让液体在其中停留一段时间，使液体所夹带的汽泡有充分的时间得以从液体中溢出。

型式：弓形、圆形、矩形；,圆形,弓形,矩形,液体通道,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,(2),受液盘,,作用：接受由降液管下来的液体，缓冲液体流下时的冲击作用，稳定塔板上液体的流动状态，以确保传质过程的稳定进行型式,：平形、凹形,平形,凹形,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,(3),溢流堰（出口堰）,,作用：维持塔板上有一定的液面高度，以确保传质过程的顺利进行，再者将降液管出口封在液面以下，以免汽体短路从降液管中上升，影响传质过程的进行形式：平形、齿形,平形,齿形,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,(4),溢流型式,单溢流,双溢流,U,型溢流,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,1.,塔板压降,,计算公式：,其中：,h,p,－塔板压降,m,液柱,,,h,C,－干板压降,m,液柱,,,h,l,－气体通过板上液层压降,m,液柱,,,h,σ,－气体克服液体表面张力产生压降,m,液柱,三、板式塔的流体力学特性,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,(1),干板压降,h,C,：,,气体通过阀孔及阀件的阻力所产生的压降，随气速提高而增加。

对不同的塔板有不同的经验公式计算对,F1,型重阀（,33g,）：,阀全开前：,,,阀全开后：,（,m,液柱）,,,（,m,液柱）,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,为判断浮阀是否全开，引入动能因数的概念动能因数,F,计算公式：,动能因数是衡量气体流动时动压大小的指标,阀孔动能因数,F,0,的计算公式：,对,F1,型重阀，,F,0,＝,8,～,11,时阀全开第二节 板式塔,Plate (tray) tower,(2),气体通过板上液层压降,h,l,：,对,F1,型重阀：,式中：,L,s,──,液体体积流量,m,3,/h,,,h,w,──,溢流堰高,,m,,l,w,──,溢流堰长,m,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,(3),克服液体表面张力产生压降,h,σ,:,计算公式：,式中：,σ,l,──,液体表面张力,N/m,,ho ──,阀的最大开度,m,,,ρ,L,──,液体密度,kg/m,3,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,2.,堰上清液层高度,h,l,,,,,,式中：,k,──,收缩系数，对通常物系，,k=1,,L,h,──,液体体积流量,m,3,/h,平口堰计算公式：,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,3.,漏液,,要求：正常操作时，泄漏量不大于塔板上液体流量的,10%,。

判据：阀孔动能因数,F,0,,,对,F1,型重阀，,F,0,＝,5,～,6,时泄漏量已接近,10,％，因此要求,F,0,≥5,～,6,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,4.,降液管内液面高度及液体停留时间,,为防止发生液泛及使气泡分离完全，对,降液管内液面高度,和液体在降液管内的停留时间有一定的要求,,,防止淹塔的限制条件：,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,降液管内液体停留时间,θ,,式中：,A,d,──,降液管面积,m,2,,H,d,──,板间距,m,,L,──,液体流量,m,3,/s,要求：,θ≥3,～,5s,计算公式：,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,5.,雾沫夹带,,要求：雾沫夹带量,e,V,<0.1kg,（液）,/kg,（气）,,判据：泛点率（泛点百分数）,F,1,通常：,,大塔：,F,1,<80,～,82,％,,减压塔：,F,1,<75,～,77,％,,D<0.9m,的塔：,F,1,<65,～,75,％,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,泛点率的经验计算公式,由二式计算后取大的,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,6.,液泛,,泛点气速－最大允许气速的计算,式中：,C,－负荷系数，由史密斯关联图查得。

查得,C,值按物系表面张力进行校核：,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,四、板式塔常见的不正常操作,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,1.,气泡夹带,,,2.,过量漏液,,,3.,雾沫夹带,,,4.,液泛（淹塔）,,1.,溢流型式的选择：液体流过塔板的方式,,单溢流,,（直径流）,,D<2m,双溢流,,（半径流）,,D>2m,U,型溢流,,（回转流）,,液相量非常小的塔,,阶梯溢流,,塔径非常大，液相流量非常大的塔,五、板式塔结构设计,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,溢流型式可根据塔径和液相流量由经验确定在设计计算时由于塔径尚未决定，可先设一种溢流形式，然后再进行核算看是否合适,塔径,/mm,液相流量,/,m,3,.h,-1,,,,,U,流型,单流型,双流型,阶梯型,1000,＜,7,＜,45,,,1400,＜,9,＜,70,,,2000,＜,11,＜,90,90~160,,3000,＜,11,＜,110,110~200,200~300,,板间距对塔的生产能力、操作弹性及板效率都有影响板间距与塔径相互关联：,,,H,T,增加，雾沫分离高度增加，则可在较小的塔径下采用较大的气速；,H,T,减小，则塔径要相应增加。

H,T,由塔径选取，但不是随便选择，有标准系列，常用的有,300,，,350,，,450,，,500,，,600,，,800mm,等，对易发泡物系，,H,T,可选择大一些，另外，在有人孔的地方，,H,T,≥600mm,2.,板间距及塔高,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,塔径,/mm,板间距,（,H,T,）,/mm,,,,,600~700,,300,,350,,450,,,,800~1000,,350,,450,,500,,600,,,1200~1400,,350,,450,,500,,600,,800,,1600~3000,,,450,,500,,600,,800,,3200~4200,,,,,600,,800,,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,塔高的计算,,由板间距及实际塔板数计算取,H,顶,=0.9-1.2m,,取,H,底,=1.5-3.0m,,取,H,进,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,3.,塔径,,由塔内气相流量,V,S,及空塔气速,u,来计算式中，,V,S,由工艺计算求得，空塔气速,u,由史密斯方法求得（课程设计时详细介绍）。

计算出的塔径应进行圆整，,D<1m,时，按,100mm,圆整；,D>1m,时，按,200mm,圆整塔的精馏段、提馏段塔径可以不同第二节 板式塔,Plate (tray) tower,4.,塔板的板面布置,,当塔径小于,800mm,时，塔板可整块制作；塔径大于,900mm,时，一般分块制造安装弓形板,弓形板,通道板,矩形板,降液管,受液盘,弓形板：两块,,矩形板：一块或多块,,通道板：一块,,每块塔板宽度为,420mm,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,塔板分区,①,受液区,,②安定区,:,其中,W,S,’,=50-70mm,,W,S,=60-100mm,,③,工作区（鼓泡区）,,④降液区,,⑤边缘区：,,W,e,=50mm(D≤2.5m),,W,e,=60mm(D>2.5m),第二节 板式塔,Plate (tray) tower,5.,溢流装置的设计,,（,1,）降液管,,根据塔内液体流量及降液管中流体流速选择降液管形式及大小单溢流：,L,W,,双溢流：,L,W,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,h,b,↑,，液封不好；,,h,b,↓,，阻力大，一般≯,25mm,液柱。

平形受液盘：小塔,h,b,≥20-25mm,,,大塔,h,b,≥40mm,凹形受液盘：底隙高度,h,b,等于盘深,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,,堰长,lw,：弓形降液管的弦长，由液体负荷和流动形式决定,,一般，单溢流,lw=(0.6-0.8)D,,,双溢流,lw=(0.5-0.7)D,,,堰高,hw,：首先求堰上液层高度,how,，然后根据经验选取0.1-how≥hw≥0.05-how,（,2,）溢流堰,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,（,3,）受液盘,作用：接受降液管的液体,直径,800mm,以上的塔有时可用凹型受液盘，其深度一般为,50mm,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,6.,浮阀的数目与排列,,,(1),浮阀数目,,设计时首先选择合适的阀孔动能因数,F,0,，然后根据阀孔动能因数的计算公式求浮阀数目第二节 板式塔,Plate (tray) tower,式中：,d,0,－阀孔直径,,在,8-14,之间选择一个,F,O,的数值，采用阀孔动能因数来计算阀孔速度,u,o,：,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,(2),浮阀的排列,浮阀在塔板上常按三角形排列，可顺排或叉排。

等腰三角形叉排可使相邻的浮阀容易吹开，鼓泡更均匀第二节 板式塔,Plate (tray) tower,开孔率,,塔板上阀孔总面积与塔截面积之比通常，对常压塔或减压塔，开孔率为,10,％～,13,％，对加压塔，开孔率小于,10,％，常用的为,6,％～,9,％,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,六、塔板负荷性能图,1.,负荷性能图,①,过量雾沫夹带线（气相负荷上限线）,,②过量泄漏线（气相负荷下限线）,,③液相负荷下限线,,④降液管中液体停留时间不足线（液相负荷上限线）,,⑤液泛线,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,2.,负荷性能图的绘制,,（,1,）过量雾沫夹带线,,表示雾沫夹带量,e,V,＝,0.1kg(,液,)/kg(,气,),时的,Vs,～,Ls,关系绘制过程：,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,（,2,）过量泄漏线,,表示不发生严重漏液现象的最低气相负荷绘制过程：对,F1,型重阀，阀孔动能因数,F,0,为,5,～,6,时，泄漏量接近,10,％第二节 板式塔,Plate (tray) tower,（,3,）液相负荷下限线,,能够保证塔板上液体均匀分布的最低液体流量。

绘制过程：,,采用平型堰时，取堰上液头高度,how,＝,0.006m,为限制条件第二节 板式塔,Plate (tray) tower,（,4,）降液管中液体停留时间不足线,,表明能够保证降液管内液体停留时间的最大液体流量绘制过程：,,取降液管内液体停留时间,θ=5s,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,（,5,）液泛线,,表示降液管内泡沫液层的高度超过最大允许值时的,V,S,～,L,S,关系式中：,h,L,－板上清液层高度,,,h,f,－液体流过降液管的压头损失,绘制过程：,第二节 板式塔,Plate (tray) tower,3.,负荷性能图的用途,,,(1),确定塔板的适宜工作区,,五条线包围的区域为适宜工作区图中,P,为操作点P,与原点的连线,OP,为操作线P,位于适宜工作区的中间区域时最为合适，如接近某条边界线，则当气液相量波动时容易发生不正常的操作现象第二节 板式塔,Plate (tray) tower,(2),确定塔板的操作弹性,,操作弹性,K,为可操作气相量的上下限之比，即,K,＝,V,SM,/V,SN,，通常，浮阀塔的,K,＝,3,～,4,。

第二节 板式塔,Plate (tray) tower,(3),确定塔板的控制因素,,,即塔最容易发生那些不正常的操作状况与操作线相交的两条边界线即为塔板的控制因素如图，最容易发生的为过量漏液和液泛第二节 板式塔,Plate (tray) tower,,（一）塔体,,（二）填料及其特性,一、填料塔结构,第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,填料,,散装填料,规整填料,（,1,）,拉西环（,Raschig ring,）填料,,优点：易于制造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用缺点：液体常存在严重的沟流和壁流现象且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高在拉西环基础上衍生了,θ,环、十字环等，其基本改进是在拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积拉西环,第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,1.,常见散装填料,,鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广泛可由陶瓷、金属或塑料制成同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使环的内壁面得以充分利用比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。

鲍尔环,（,2,）,鲍尔环（,Pall ring,）填料,第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,(3),阶梯环填料,（,Stair ring,）,,阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约,10%,，压降则可降低,25%,，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,(4),弧鞍形,(Berl saddle),矩鞍形,(Intalox saddle),填料,,优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，填料性能优于拉西环矩鞍填料的两端为矩形，且填料两面大小不等克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，填料的均匀性得到改善液体分布均匀，气液传质速率得到提高瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料缺点：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影响传质速率第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,,优点：空隙大，生产能力大，压降小液体分布均匀，几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率缺点：造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。

规整填料一般由波纹状的金属网或多孔板重叠而成2.,规整填料,第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,,6400,金属板波纹,规整填料,,300,脉冲规整填料,各种陶瓷规整填料,,单位体积填料层的空隙体积称为空隙率，其单位为,m,3,/m,3,值大，气液通过能力大，流动阻力小，压强降低3),填料因子,(σ/ε,3,) :,,填料因子代表填料的流体力学特性值小，表明流动阻力小，液泛速度较高2),空隙率,ε :,第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,,单位体积填料层的填料表面积称为比表面积，单位为,m,2,/m,3,显然，值大有利于增大传质面积1),比表面积,(σ),3.,填料的特性,,4.,填料的流体力学性能,压降与气速的关系：,,压降、液泛气速、持液量及气液分布对填料塔的设计和操作参数的确定至关重要气体通过干填料层时的流动与气体通过颗粒固定床的流动相似，只是通常填料层的空隙率更大，故气体在空隙中的流速更高而处于湍流载液区,高液量,低液量,C,C’,B,B’,A,A’,L=,0,L,1,L,2,lg,u,lg,,p,载点气速,液泛气速,第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,,有一定持液量时，,,p-u,将不再为简单的直线关系,(,喷淋密度为,L,1,、,L,2,曲线,),，且存在两个较明显的转折点。

气体通过干填料层的压降,,p,与空塔气速,u,的关系在双对数坐标上为直线，斜率原因：喷淋液体在填料上形成液膜，占据部分空隙，减小了气体的流通截面，对相同空塔气速压降升高载液区,高液量,低液量,C,C’,B,B’,A,A’,L=,0,L,1,L,2,lg,u,lg,,p,载点气速,液泛气速,第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,,（三）填料支承板（,Packing support plate,）,栅板支承,升气管式支承,第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,（四）,液体分布装置（,Liquid distributor,）,,,,,,,,莲蓬头分布器,,多孔管式分布器,1.,塔顶,液体分布装置,第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,2.,液体再分布器（,Liquid redistributor,）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,盘式液体再分布器,截锥式再分布器,第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,（五）气体出口的除雾装置（,Demister,）,丝网除沫器,折板除沫器,第三节 填料塔 （,Packed Tower,）,1.,板式塔和填料塔的比较,,板式塔,填料塔,浓度变化,阶跃式,连续式,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,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,小直径时较低,应用场所,大型工业装置,小直径塔,第四节,板式塔和填料塔的比较,（,1,）塔径较大时采用板式塔；,,（,2,）当所需的传质单元数或理论板数较多时考虑用板式塔；,,（,3,）需取出热量时需用板式塔；,,（,4,）液相流量较小时适用板式塔；,,（,5,）液体中含有固体颗粒时宜用板式塔；,,（,6,）侧线出料时宜用板式塔；,,（,7,）减压塔可考虑用填料塔；,,（,8,）有腐蚀，易发泡的物系可采用填料塔。

2.,选用原则：,第四节,板式塔和填料塔的比较,。