化工原理 下册 天津大学柴诚敬 33－34学时.ppt

第九章 蒸 馏 9.9 板式塔 9.9.1 塔板的类型及性能评价 9.9.2 塔板的结构 9.9.3 板式塔的流体力学性能和操作特性 一、板式塔的流体力学性能 塔板上气液两相的接触状态是决定板上两相流 流体力学及传质和传热规律的重要因素。当液体流 量一定时，随着气速的增加，可以出现四种不同的 接触状态： v 鼓泡接触状态 v 蜂窝接触状态 v 泡沫接触状态 v 喷射接触状态 1. 塔板上气液两相的接触状态 （1）鼓泡接触状态 鼓泡接触状态 气速较低时，气 体以鼓泡形式通过液 层。由于气泡的数量 不多，形成的气液混 合物基本上以液体为 主，气液两相接触的 表面积不大，传质效 率很低。 一、板式塔的流体力学性能 （2）蜂窝状接触状态 蜂窝状接触状态 随着气速增加，气泡 数量不断增加。当气泡形 成速度大于气泡浮升速度 时气泡在液层中累积。气 泡间相互碰撞，形成各种 多面体的大气泡。由于气 泡不易破裂，表面得不到 更新，所以此种状态不利 于传热和传质。 一、板式塔的流体力学性能 （3）泡沫接触状态 泡沫接触状态 当气速继续增加，气 泡数量急剧增加，气泡不 断发生碰撞和破裂，此时 板上液体大部分以液膜的 形式存在于气泡之间，形 成一些直径较小，扰动十 分剧烈动态泡沫，由于泡 沫接触状态表面积大，并 不断更新，是一种较好的 接触状态。 一、板式塔的流体力学性能 （4）喷射接触状态 喷射接触状态 当气速继续增加，把板 上液体向上喷成大小不等的 液滴，直径较大的液滴受重 力作用落回到塔板上，直径 较小的液滴被气体带走，形 成液沫夹带。液滴回到塔板 上又被分散，这种液滴反复 形成和聚集，使传质面积增 加，表面不断更新，是一种 较好的接触状态。 一、板式塔的流体力学性能 气体通过塔板需克服一定的阻力塔板压降。 塔板 阻力 板上各部件所造成的局部阻力。 板上充气液层的静压力形成的阻力。 液体表面张力形成的阻力。 塔板压降=干板压降+充气液层压降+表面张力压降 干板阻力 充气液层阻力 表面张力阻力 一、板式塔的流体力学性能 2. 塔板压降 分析 气液接 触时间 塔板效率 塔釜温度 气体阻力 塔板压降 塔板压降 能量消耗 对热敏性物系的分离，应采用较低的塔板压降。 一、板式塔的流体力学性能 当液体横向流过塔板时，为克服板上的摩擦阻 力和板上部件（如泡罩、浮阀等）的局部阻力，需 要一定的液位差，则在板上形成由液体进入板面到 离开板面的液面落差。 塔板上的液面 落差示意图 液面 落差 一、板式塔的流体力学性能 3. 液面落差 分析 气液分布 均匀程度 塔板效率 与塔板的 结构有关 泡罩塔板大 浮阀塔板中 筛孔塔板小 与塔径、液 体流量有关 塔径 流量 一、板式塔的流体力学性能 （1）漏液 在正常操作塔板上，液体横向流过塔板，然后 经降液管流下。当气体速度较小时，气体通过升气 孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下时，便 会出现漏液现象。 为保证塔正常操作，漏液量应不大于液体流量 的10%。漏液量为10%的气体速度称为漏液速度，它 是板式塔操作气速的下限。 二、板式塔的操作特性 1.塔板上的异常操作现象 上升气流穿过塔板上液层时，必然将部分液体 分散成微小液滴，气体夹带着这些液滴在板间的空 间上升，如液滴来不及沉降分离，则将随气体进入 上层塔板，这种现象称为雾沫夹带。 为维持正常操作，需将雾沫夹带限制在一定范 围，一般为 eV 0.1kg(液)/ kg(气)。 （2）雾沫夹带 雾沫夹带量 二、板式塔的操作特性 （3）液泛 塔板正常操作时，在塔板上应维持一定厚度的 液层，以和气体进行接触传质。如果由于某种原因 导致液体充满塔板之间的空间，使塔的正常操作受 到破坏，这种现象称为液泛。 液泛 夹带液泛 降液管液泛 由雾沫 夹 带限制 二、板式塔的操作特性 对一定分离物系，当设计选定塔板类型后，其 操作状况和分离效果便只与气液负荷有关。要维持 塔板正常操作和塔板效率的基本稳定，必须将塔内 的气液负荷限制在一定的范围内，该范围即为塔板 的负荷性能。 塔板的负荷性能 用负荷性能图表 示 2.塔板负荷性能图 二、板式塔的操作特性 塔板的负荷性能图 液 相 负 荷 上 限 线 漏液线 雾沫夹 带线 液 相 负 荷 下 限 线 液泛线 操 作 点 操作线 (1)漏液线 漏液线气相负荷下限线 漏液量 10液流量漏液气速 umin (2)雾沫夹带线 雾沫夹带线气相负荷上限线 雾沫夹带量 0.1kg液/kg气夹带气速 umax 二、板式塔的操作特性 (3) 液相负荷下限线 液流量过低，板上液层不均匀，气体停留时间 短，传质效率低。 最小液流量 Lmin (4) 液相负荷上限线 液流量过高，液体通过降液管内的停留时间较 短，气泡来不及与液体分离 气泡夹带。 堰上液层高度 0.006 m 最大液流量 Lmax液体在降液管停留时间 5 s 二、板式塔的操作特性 (5) 液泛线 为防止液泛，降液管内的液层高度应不超过某 一数值。 液泛气速 uF 降液管内 液层高度 安 全 系 数 塔 板 间 距 溢流 堰高 度 二、板式塔的操作特性 v 适宜操作区 v 操作点 v 操作线 v 操作控制 v 操作弹性 v 操作线的调节 3.板式塔的操作分析 二、板式塔的操作特性 第九章 蒸 馏 9.9 板式塔 9.9.1 塔板的类型及性能评价 9.9.2 塔板的结构 9.9.3 板式塔的流体力学性能与操作特性 9.9.4 板式塔工艺尺寸的计算 一、塔有效高度的计算 1. 基本计算公式 板式塔有效高度是指安装塔板部分的高度，其 计算方法是，先通过板效率将理论板层数换算为实 际板层数，再选择合适的板间距计算板式塔的有效 高度。 实际塔 板层数 塔板 间距 2. 塔板效率 塔板效率反映了实际塔板的汽液两相传质的完 善程度。 (1)全塔效率 全塔效率反映塔中各层塔板的平均效率，它是 理论板层数的一个校正系数，其值恒小于100%。 总板 效率 一、塔有效高度的计算 (2)单板效率 单板效率又称默弗里（Murphree）效率，它 是以混合物经过实际板的组成变化与经过理论板 的组成变化之比来表示的，单板效率即可用汽相 组成表示，也可用液相组成表示，分别称为汽相 单板效率和液相单板效率。 一、塔有效高度的计算 气相单板效率 液相单板效率 单板效率分析 一、塔有效高度的计算 (3)点效率 点效率是指塔板上 各点的局部效率。 点效率分析 一、塔有效高度的计算 二、板式塔直径的计算 1.基本计算公式 提示 v 精馏段与提馏段分别计算，相差不大取较大者 作为塔径，相差较大采用变径塔。 v 计算塔径后应进行圆整。 精馏塔内 径计算式 二、板式塔直径的计算 2.空塔气速的确定 空塔气速是影响精馏操作的重要因素，空塔气 速的上限有严重的雾沫夹带或液泛决定，下限由漏 液决定，适宜的空塔气速应介于二者之间。 根据设计经验，通常取 最大空 塔气速 3.气相体积流量的计算 （1）精馏段体积流量的计算 操作压力较低时，气相可视为理想气体混合物 二、板式塔直径的计算 （2）提馏段体积流量的计算 操作压力较低时，气相可视为理想气体混合物 二、板式塔直径的计算 练 习 题 目 思考题 作业题: 14、15、16 1.板式塔的流体力学性能包括哪些方面？ 2.塔板上有哪些异常操作现象，其对精馏操作有何 影响？ 3.塔板负荷性能图的构造如何？ 4.总板效率和单板效率的定义和计算方法如何？ 学 习 指 导 本章重点掌握的