蒸馏和吸收塔设备.ppt

第三章 蒸馏和吸收塔设备,蒸馏操作和吸收操作从气液传质的角度有着共同的特点，可在同样的塔设备中进行。按其结构形式有 板式塔，一般处理量大 传质设备 填料塔，一般处理量小 第一节 板式塔 板式塔为逐板接触式的气液传质设备，塔板类型按气液流动的方式，可将塔板分为错流塔板和逆流塔板。,3-1-1 塔板类型,逆流塔板，少用 错流塔板，常用 错流塔板主要形式有： 生产能力小 气流阻力大 一、泡罩塔板 操作弹性大 结构复杂 生产能力大 气流阻力小 二、 筛板 操作弹性小 结构简单,三、 浮阀塔板 F1 型，适用普通系统 1类型 V-4型，适用减压系统 T型，适用含颗粒或易聚合的物料 生产能力大，开孔率大、泡罩2040%、筛板塔 操作弹性大，阀片可以自由升降以适应气量的变化 塔板效率高，平吹、接触时间长、雾沫夹带少 2优点 气流阻力小，开孔大 液面落差小，液流阻力小 造价适中，约等于6080%泡罩、120130%筛板 四、 喷射型塔板 生产能力大，开孔率大、可用较高的空塔气速 气流阻力小，液层较薄 1舌形塔板 落差小、无返混、雾沫夹带小，水平分力 操作弹性小，气流截面积固定 气相夹带严重，斜吹,2浮舌塔板 操作弹性大 气流阻力小 效率较高，介于浮阀与舌形之间 3. 斜孔塔板 结构简单、压降低,3-1-2 板式塔的流体力学性能,评价塔设备的性能指标为： 生产能力 塔板效率 设备性能 操作弹性 塔板压力降 塔的操作能否正常进行，与塔内的气液两相的流体力学状况有关： 塔板压力降 液泛 流体力学性能 雾沫夹带 漏液 液面落差 一、 塔板压降 总阻力 = 干板阻力 + 液层静压力 + 表面张力 在较高板效率前提下，力求减小塔板压力降 二、 液泛：气液量大到使全塔液体相连 三、 雾沫夹带 气流将液体从下层板带入上层板,四、 漏液：液体从升气孔流下，要求10% 气速太小，或液面落差引起气流分布不均 塔板入口处往往上漏液，设安定区 五、 液面落差：液体克服板面阻力形成位差 六、 负荷性能图：各种极限条件下Vs-Ls关系曲线组成的图 1 雾沫夹带线（气相负荷上限线） 2液泛线 3液相负荷上限线 （降液管超负荷线，气泡夹带线） 4漏液线（气相负荷下限线） 5液相负荷下限线 操作弹性两极限的气量之比,3-1-3 浮阀塔设计,一、 浮阀塔工艺尺寸的计算（工艺设计） 1塔高 式中 Z塔高，m； NT理论板层数； ET总板效率； HT塔板间距，m。 取整数 HTD，表3-2（经验数据） 易起泡、负荷波动大时，应HT 2塔径 式中 D塔径，m； VS气体流量，m3/s； u空塔气速，m/s。 关键在于确定适宜的空塔气速u。,式中 d液滴的直径，m。 由净重力与摩擦阻力的平衡，得 整理，得 式中 umax极限空塔气速，m/s； 负荷系数，,图中 Vh、Lh气、液两相的体积流量，m3/h； V、L气、液两相的密度，kg/m3； hL板上液层高度，m； 液气动能参数 校正负荷系数 式中 操作物系的液体表面张力，mN/m。 求出塔径后还需园整，之后还要进行流体力学核算。 3溢流装置 溢流堰 溢流装置 园形，一般用于小塔 降液管 弓形，常用 U型流，一般用于小塔 单溢流，D2 m 阶梯流，D3 m,(1) 出口堰（溢流堰） ，单溢流 堰长 ，双溢流 式中 hL板上液层高度，m； hw堰高，m； how堰上液层高度，m。 6mm，单溢流 60mm，双溢流 平直堰： 式中 Lh塔内液体流量，m3/h。 E液流收缩系数，见图3-11 当E=1时，可用列线图3-12求hOW。 齿形堰：一般齿深hn15mm 当液层高度不超过齿顶时，,当液层高度超过齿顶时（要试差） 对常压塔， 则 堰高一般： (1) 弓形降液管的宽度和截面积 从图3-13据可求出Wd和Af，求出Af之后，应验算停留时间： (2) 降液管底隙高度 既要液体阻力小，又要气体不短路 一般 式中 液体通过降液管底隙时的流速，m/s。 经验值： 或,2530mm，小塔 40mm，大塔 150mm，最大 (1) 进口堰及受液盘 进口堰可以保证降液管的液封，并使塔板上液体分布均匀，但占用塔面，易使沉淀物淤积，故多数不采用。 当 时， ； 时 ， ，保证液封， 避免短路。 进口堰与降液管的水平距离h1ho。 800以上的塔，多采用受液盘，这种结构便于侧线抽液体，低液流时液封良好，具有改变液体流向的缓冲作用，一般深度50mm。 4塔板布置 塔板可分为： 整块式，D800mm 分块式，D900mm 塔板面积分区： 鼓泡区，有效传质区 溢流区，降液管（及受液盘）所占区域 破沫区（安定区），进口防漏液，出口防汽泡夹带,6075mm，D1.5m 无效区（边缘区），支承塔板 3050mm, 小塔 5075mm, 大塔 5浮阀的数目与排列 浮阀塔的操作性能可采用由气体通过阀孔时速度与密度组成的“动能因子”来衡量，其定义式为 式中 F0气体通过阀孔时的动能因数； u0气体通过阀孔时的速度，m/s； V 气体密度，kg/m3。 对于F1型浮阀，F0=912，选定F0，后求uo： 再求阀孔数N 式中 d0阀孔直径，do=0.039m 浮阀在塔板鼓泡区内的排列有正三角形和等腰三角形两种形式，按照阀孔中心联线与液流方向的关系，又有顺排与叉排之分。,（等边三角形） （等腰三角形） 式中 t同一排孔心距，m； 相邻两排孔心距，m； d0阀孔直径，m； A0阀孔总面积，m2； Aa鼓泡区面积，m2； N阀孔总数。 而 式中 ，m； ，m； 以角度数表示的反三角函数值。 二、 浮阀塔板的流体力学验算 1气体通过浮阀塔板的压力降 气体通过一层浮阀塔板时的压力降应为：,式中 pp塔板压力降，Pa； pc平板压力降，Pa； pl液层压力降，Pa； p克服表面张力的压力降，Pa。 或 (1) 平板阻力 ，阀全开前(u0u0c) 对F1型阀， ，阀全开后(u0u0c) 式中 u0c临界孔速，即板上所有阀刚好全部开启时的孔速，m/s； u0阀孔气速，m/s； L液体密度，kg/m3； V气体密度，kg/m3。 先联立求解临界孔速u0c，即令： 将g=9.81m/s2代入，解得：,(1) 板上充气液层阻力 （经验公式） 式中 hL液层高度，m； 0充气因数 水 0.5 0 = 油 0.20.35 碳氢化合物 0.40.5 (2) 液体表面张力所造成的阻力（很小，可忽略） 式中 液体的表面张力，N/m； h浮阀的开度，m。 265530Pa，常压和加压塔 一般：pp = 200Pa，减压塔 2液泛 式中 Hd降液管内的清液层高度，m； hp塔板压力降相当的液柱高度，m； hL板上液层高度，m； hd降液管压力降相当的液柱高度，m。,，无进口堰 ，有进口堰 式中 液体通过降液管底隙时的流速，m/s。 必须： 0.30.4，一般物系 式中 校正系数 = 0.60.7，不易发泡物系 3雾沫夹带 通常用泛点率操作空塔气速与液泛空塔气速之比来估算雾沫夹带的大小。 80%，大塔 泛点率 70%，D0.9m的塔 时可以保证 75%，减压塔 而 或 式中：ZL板上液流长度，对单溢流，ZL=D-2Wd； Ab板上液流面积，对单溢流，Ab=AT-2Af； CF泛点负荷系数，见图3-16； K物性系数，见表3-4。,4漏液 可取动能因数F0=56作为控制漏液量的操作下限，此时漏液量接近10%。 5负荷性能图 (1) 雾沫夹带线 (2) 液泛线 (3) 液相负荷上限线 (4) 漏液线 （F1型阀）， (5) 液相负荷下限线,3-1-4 塔板效率,一、 塔板效率的表示法 1总板效率ET反应平均传质效果 式中：NT塔内所需理论板的层数； Np塔内实际板的层数。 2单板效率EM， 又称为默弗里板效率 气相单板效率 液相单板效率 由于板上浓度的不均匀性，单板效率有可能超过100%。 3点效率EO 是指塔板上各点的局部效率 ， y - 与x平衡的气相浓度,二、 塔板效率的估算 粘度 密度 物系性质 表面张力 扩散系数 相对探发度 塔径 板间距 影响塔板效率的因素 塔板结构 堰高 开孔率 温度 压力 操作条件 气速 气液比 理论法，(A. I. Ch. E法)，以点效率为基础。 估算方法 经验法，以实验数据和工业数据为基础。 另一类是简化的经验计算法，可采用奥康奈尔关联图或关联式,Oconnell关联式 式中 平均温度下的相对挥发度 L平均温度下的液相粘度，mPas。,第二节 填料塔 3-2-1 填 料,一、 填料特性 表示填料性能的参数有： 1比表面积：单位体积填料层的填料表面积，m2/m3。 2空隙率：单位体积填料层的空隙体积，m3/m3。 3填料因子 在选择填料时，一般要求比表面积及空隙率大，填料的润湿性能好，单位体积填料的质量轻，造价低，并有足够的机械强度。 二、 填料类型 1拉西环：外径与高度相等的园环。 结构简单，研究充分 沟流、壁流严重、滞留液量大、气流阻力大 2鲍尔环：在拉西环的侧壁上开出方孔。 结构复杂 效率高、阻力小 3阶梯环：高度为直径的一半，环的一端制成喇叭口。 结构复杂 效率高、阻力小、气量大,4弧鞍与矩鞍 弧鞍： 易套叠 强度较差 矩鞍： 不套叠、阻力小 5金属环矩鞍环：综合了环形填料和鞍形填料的优点，性能优于鲍尔环和矩鞍填料。 6波纹板及波纹网 波纹45，反向靠叠，高4060mm，直径略小于塔径。 波纹板：陶瓷、塑料、金属材料 波纹网：金属丝 陶瓷，阻力大，耐高温，耐腐 不锈钢，成本高 材料 金属 碳钢，不耐腐 塑料 润湿性差，不耐高温,3-2-2 填料塔的流体力学性能,一、 气体通过填料层的压力降 可用填料层的p/zu关系图来说明，下转折点称为“载点”，上转折点称为“泛点”，将p/zu关系线分为三个区域。 1恒持液量区 持液量：操作时单位体积填料层内持有的液体体积。 气速较低时，液体的流动与气速无关，所以持液量不变。 2载液区 气速增大到一定时，气流开始阻碍液体下流，持液量开始增加，出现拦液现象，此点为载点。 3液泛区 气速再增大时，液相变为连续相，气相变为分散相，双膜传质变为鼓泡传质，出现液泛现象，此点为泛点。 二、液泛：操作气速以泛点气速为参考（基础），影响泛点气速的因素很多： 1填料的特性：比表面积、空隙率、几何形状对填料特性的影响，集中表现在填料因子上，填料因子越小，泛点气速越高。 2流体的物理性质 L，umax（重力） V，umax（气阻） L，umax（摩阻）,3液气比 ，持液量，空隙率，umax。 4埃克特通用关联图，目前广泛采用埃克特通用关联图来计算填料塔的压强降及泛点气速。 三、 润湿性能 传质效率与填料的润湿性能密切相关。实际操作时，采用的喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采用增大回流比或采用液体再循环的方法来保证填料的润湿性能。 喷淋密度：单位时间内单位塔截面上喷淋的液体体积，U，m3/(m2s)。 LW-润湿速率：单位时间内单位长度填料周边上的液体体积，LW，m3/(ms)。 0.08m3(mh)，75mm的拉西环及其它填料 0.012m3/(mh)，75mm的环形填料,3-2-3 填料塔的计算,一、 塔径 然后园整、检验大于最小喷淋密度。 二、 塔高 1传质单元法 2等板高度法 等板高度(HETP)：与理论塔板的传质作用相当的填料层高度。 式中 G气相的空塔质量速度，kg/(m2h)； 相对挥发度。,3-2-4 填料塔附件,一、 填料支承装置 栅板式 升气管式 二、 液体分布装置 莲蓬式 溢流管式 盘式 筛孔式 齿槽式 多孔环管式 三、 液体再分布装置 截锥形 支承板截锥形 四、 除沫装置：除去出口气流中的液滴。 折流板除沫器 旋流板除沫器 丝网除沫器 此处还有填料压板或挡网，气体进口装置,填料塔发展简史,1914年拉西环的出现使填料塔进入了科学发展的轨道，至50年代取得了很大的发展，但由于填料塔的“放大效应”，50年代后填料塔进入了缓慢发展时期，而板式塔应运而生。70年代由于世界性的能源危机后，为了节能，填料塔得到了蓬勃发展，规整填料的出现和塔内件的改进使“放大效应”问题基本解决。 一、 填料塔的特点 1生产能力大 2分离效率高 3压力降小 4操作弹性大 5 . 持液量小 二、 分类 散装填料 填料 填料塔 塔内件 规整填料 筒体,液体分布装置 填料固定装置或填料压紧装置 填料支承装置 塔内件 液体收集再分布装置 气体分布装置 液、气进料装置 整体式，800mm 筒体 分段式，800mm 瓦砾、卵石、焦炭等，1914以前 拉西环(Raschig Ring)，1914，第一代 鲍尔环(Pall Ring)，1948，第二代 改进型鲍尔环(Hy-Pak) 阶梯环填料(CMR) 贝尔鞍形填料(Bell Saddles) 英特勒鞍形填料(Intalox Saddles) 散花填料 金属环矩鞍填料(IMTP)，1978，第三代 塑料诺派克环(Nor-Pak Ring) 塑料、金属和陶瓷哈佛罗(Hiflow Ring) 网环 鞍型网型 分离效率高 压延孔环 高效散装填料 螺线圈 生产能力小 网带卷,斯特曼填料(Stedman)，1937 司帕雷派克填料(Spraypak) 古德洛卷带型填料(Goodloe) 麦特派克填料(Metpak) 格里奇栅格型填料(Gritsch) 派如纳派克填料(P