气液传质设备.ppt

第十二章气液传质设备 MassTransferEquipments 第十二章气液传质设备 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 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 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 capTray 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 F1型浮阀 第二节板式塔Plate tray tower 第二节板式塔Plate tray tower 十字架型浮阀 第二节板式塔Plate tray tower HTV HalfTubeValve 型浮阀 第二节板式塔Plate tray tower 3 筛孔塔板 SieveTray 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 4 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 微分浮阀 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 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 高效锥形浮阀 高效锥形浮阀如图所示 它的特点在于 在锥体的正底部和腰部钻4个合适尺寸的小孔 运行中气流沿小孔均匀喷出 一方面给阀体一个向上的提升力 减少塔板的压力降 另一方面改善气液接触 消除 1浮阀阀盖上部的液体滞留区 优化传质作用 导流锥和小孔的共同作用 使气流均匀顺畅地沿阀体四周流出 避免了浮阀的磨损 脱落 卡死等现象的发生 导向圆浮阀 如图所示 导向圆浮阀在阀盖上开设导向孔 增大了气体通道的有效面积 气体分布较为均匀 有效地降低了气速 减少了雾沫夹带量 同时降低了液面梯度和塔板压力降 提高了传质效果 另外 它同时在阀孔内设置槽孔 避免了阀体的旋转 磨损 脱落 与 1型浮阀相比 塔板压降降低了100 200 处理能力提高15 35 塔板效率提高10 20 条形浮阀 条形浮阀的特点为 条形浮阀不会旋转 因而不易磨损 阀片不会卡死 脱落 由于条形浮阀的气体从两侧喷出 不像圆形浮阀从四周喷出 所以塔板上的液体返混小于圆形类浮阀塔板 效率相对较高 可以排出较圆孔形更大的开孔率 从而提高处理能力 条形浮阀存在的不足 与传统圆形浮阀类似 阀盖上方无鼓泡区 造成塔板传质效率降低 液面落差较大 长条形阀孔的四个锐角会形成严重的应力集中 易引起塔板的机械损坏 因此近年来国内不仅对条形浮阀的性能进行大量研究 还针对条形浮阀的不足 开发出多种形式的条形浮阀 JF复合浮阀塔板 如图所示 复合浮阀塔板在条形浮阀的阀盖上开孔 开孔方向朝着降液管 使阀盖上的气 液两相并流 气相推动液相流动 液面梯度及塔板压降减小 通量增大 解决了传统浮阀上端存在传质死区的不足 板效率大大提高 导流浮阀塔板 洛阳石油化工工程公司设备研究所开发的导流浮阀塔板 在浮阀的前阀腿上开孔 如图所示 气流在水平通过阀体两侧的同时 增加一个向前吹出的气流动力 导引液体向前流动有利于克服液体滞流与返混现象 减小液面落差 这对于降低塔板压降和提高塔板效率都有积极作用 该导流浮阀的塔板压降较 1浮阀平均降低约200 250 塔板泄漏约低10 塔板效率提高约10 梯形导向浮阀 梯形导向浮阀如图所示 阀盖呈梯形 推动液体在塔板上流动 另外又在阀盖上开设导向孔 增大阀体的整体导向作用 另外还有箭形浮阀 如图所示 这种浮阀在具有导向作用的箭形阀盖上冲出导气孔或设置浮阀 提高了传质效率 齿边浮阀 浮阀阀面侧边的形状为向下折的齿形边 使气体流出浮阀侧孔时被分割成许多股小气流 从而增大气液接触面积 提高塔板传质效率 齿形边向下弯曲后 通过浮阀时一部分气体碰到齿形边后以斜向下的方向喷入浮阀间液层 而另一部分气体则通过齿间的空隙以斜向上的方向喷入浮阀上部液层 使得浮阀间及浮阀上部液层的局部气含率趋于一致 提高操作稳定性 浮阀阀面中心具有向下凹的楔形槽 可以降低气体通过浮阀的阻力 在背液阀腿上设置有导向孔 可以减小塔板上的液面梯度 并消除塔板上的液体滞流区 这是一种综合性能良好的浮阀 齿边浮阀 BVT浮阀 在 船形浮阀塔板的基础上 石油大学又开发出一种对液体有导向作用 低压降的 塔板 如图所示 浮阀将 T 浮阀等半径的半圆管形改为前端小 后端大的半锥形结构 并在大端开有舌形导向孔 舌孔和阀孔中吹出的气体对液体具有双重的向前推动力 在相当程度上减小了液面梯度 减少板面上的积液 不同程度上消除了液体滞留区 从而提高了传质效率 塔板压降也相应减小 BVT浮阀塔板作为HTV浮阀塔板的一种发展改型 经过几个工业塔的成功应用表明 该塔板在实际应用中安装方便 操作灵活 在保持产品质量合格的基础上 增大了处理量 油品分割效果和轻油收率得到提高 具有广泛的应用前景 SuperV形 该浮阀采用 形带翼结构 阀体侧翼开孔和开缝 提高塔板气液接触均匀性 防止浮阀结焦和结垢沉积 试验操作表明 该塔板操作灵活 浮阀活动自如 同时阀翼开缝对阀体有优良的自清洗作用 但雾沫夹带略大 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 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 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 第二节板式塔Plate tray tower 1 塔板压降计算公式 其中 hp 塔板压降m液柱hC 干板压降m液柱hl 气体通过板上液层压降m液柱h 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hC 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 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F0的计算公式 对F1型重阀 F0 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hl 对F1型重阀 式中 Ls 液体体积流量m3 hhw 溢流堰高mlw 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 计算公式 式中 l 液体表面张力N mho 阀的最大开度m L 液体密度kg m3 第二节板式塔Plate tray tower 2 堰上清液层高度hl 式中 k 收缩系数 对通常物系 k 1Lh 液体体积流量m3 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F0对F1型重阀 F0 5 6时泄漏量已接近10 因此要求F0 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 式中 Ad 降液管面积m2Hd 板间距mL 液体流量m3 s 要求 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eV 0 1kg 液 kg 气 判据 泛点率 泛点百分数 F1 通常 大塔 F1 80 82 减压塔 F1 75 77 D 0 9m的塔 F1 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 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 HT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 HT减小 则塔径要相应增加 HT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 HT可选择大一些 另外 在有人孔的地方 HT 600mm 2 板间距及塔高 第二节板式塔Plate tray tower 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 0 75 1 0m 第二节板式塔Plate tray tower 3 塔径由塔内气相流量VS及空塔气速u来计算 式中 VS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 D1m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 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 受液区 安定区 其中WS 50 70mmWS 60 100mm 工作区 鼓泡区 降液区 边缘区 We 50mm D 2 5m We 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 LW D 0 6 0 75双溢流 LW D 0 5 0 6 第二节板式塔Plate tray tower hb 液封不好 hb 阻力大 一般 25mm液柱 平形受液盘 小塔hb 20 25mm大塔hb 40mm 凹形受液盘 底隙高度hb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F0 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 d0 阀孔直径 在8 14之间选择一个FO的数值 采用阀孔动能因数来计算阀孔速度uo 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 过量雾沫夹带线 气相负荷上限线 过量泄漏线 气相负荷下限线 液相负荷下限线 降液管中液体停留时间不足线 液相负荷上限线 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eV 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F0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 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VS LS关系 式中 hL 板上清液层高度hf 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 VSM VSN 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 PackedTower 填料 散装填料 规整填料 1 拉西环 Raschigring 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 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 PackedTower 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 Pallring 填料 第三节填料塔 PackedTower 3 阶梯环填料 Stairring 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 PackedTower 4 弧鞍形 Berlsaddle 矩鞍形 Intaloxsaddle 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 PackedTower 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 PackedTower 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m3