设备管理_蒸馏和吸收塔设备培训教材

四川理工学院材化学院化工教研室 化工原理蒸馏和吸收塔设备 1 主讲 杨虎Tel Mail yanghu67 第七章蒸馏和吸收塔设备 教学要求 7 0概述 7 1板式塔 7 2填料塔复习 教学要求 重点 板式塔与填料塔的特点 塔设备的选用与设计原则 覆盖内容 塔设备的性能参数 典型塔板的结构特点及分类 塔板上的流体力学特性 正常与非正常操作情况及调节 板式塔的设计原则及步骤 填料及填料塔的结构特点 填料塔的流体力学特性 填料塔的设计原则及步骤 板式塔与填料塔的比较 塔的选用原则 四川理工学院 2 化工原理 7 0概述 四川理工学院 3 化工原理 7 1板式塔 一板式塔的结构 按塔内气 液流动的方式分类 泡罩塔筛板塔浮阀塔喷射塔 二性能评价 错流塔板 逆流塔板 三按塔板类型分类 处理能力板效率塔板压降 7 1 1塔板类型 四川理工学院 4 化工原理 7 1板式塔 逆流塔板优点 结构简单 无液面差 充分利用板面 生产能力较大 缺点 板效率及操作弹性不及溢流塔板 应用范围小 常见的板型有筛孔式 栅板式 波纹板式等 错流式塔板 溢流塔板 液体流动板间板上气体流动溢流堰进口堰特点 获得较高的板效率 但降液管将占去塔板的传质有效面积 影响塔的生产能力 四川理工学院 5 化工原理 7 1板式塔 泡罩塔的结构主要元件 升气管 泡罩 泡罩安装在升气管顶部 泡罩底缘开有若干齿缝浸入在板上液层中 升气管顶部应高于泡罩齿缝的上沿 以防止液体从中漏下 特点 优点 操作稳定 不会产生严重的漏液现象 故弹性大 缺点 结构复杂 造价高 塔板压降大 生产强度低 泡罩塔 四川理工学院 6 化工原理 7 1板式塔 浮阀塔 浮阀的结构形式 圆形 方形 条形及伞形 安装特点 阀孔浮阀最小开度最大开度 阀片开启高度与操作气速的关系 四川理工学院 7 化工原理 7 1板式塔 优点 结构简单 造价低 生产能力大 操作弹性大 塔板效率较高 缺点 处理易结焦 高粘度的物料时 阀片易与塔板粘结 在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象 使塔板效率和操作弹性下降 几种新型浮阀塔板 双流喷射浮阀塔板 导向浮阀塔盘 四川理工学院 8 化工原理 7 1板式塔 筛板塔 结构 特点 结构简单 造价低廉 塔板阻力小 垂直筛板 结构 两相流动特点 提供更大的不断更新的接触表面 强化传质过程 气液由水平方向喷出 液滴在垂直方向的初速度为零 降低了液沫夹带量 垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的生产能力 四川理工学院 9 化工原理 7 1板式塔 结构 喷射型塔板 舌形塔板 优点 避免返混 液面落差小 塔板压降较小 气流方向近于水平 液沫夹带量较小 可达较高的生产能力 缺点 张角固定 可导致塔板漏液严重 操作弹性小 板效率较低 喷射型塔板 浮舌塔板 结构 特点 处理能力大 压降低 操作弹性大等优点 特别适宜于热敏性物系的减压分离过程 四川理工学院 10 化工原理 7 1板式塔 7 1 2板式塔的流体力学性能 一塔板上气液两相的接触状态 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 蜂窝状态 气泡的形成速度大于气泡的浮升速度 气泡在液层中累积 气泡之间相互碰撞 形成各种多面体的大气泡 板上是以气体为主的气液混合物 气泡不易破裂 表面得不到更新 此种状态不利于传热和传质 鼓泡状态 气液两相接触的表面积不大 传质效率很低 四川理工学院 11 化工原理 7 1板式塔 泡沫状态 泡沫接触状态的表面积大 不断更新 为两相传热与传质提供了良好的条件 是一种较好的接触状态 喷射状态 气体为连续相 液体为分散相 两相传质的面积是液滴的外表面 液滴的反复形成和聚集 使传质面积增加 表面不断更新 有利于传质与传热进行 是一种较好的接触状态 二气体通过塔板的压降 总压降包括干板压降 静压强及液体表面张力引起的压降影响因素压降与效率 四川理工学院 12 化工原理 7 1板式塔 三塔板上的液面落差 流体阻力与液面落差塔板结构与液面落差改善措施 单溢 双溢流或阶梯溢流 四塔板上的异常操作现象 漏液 液泛和液沫夹带等 应尽量避免异常操作现象的出现 五塔板的负荷性能图 通常由五条线组成 漏液线 1 液沫夹带线 2 液相负荷下限线 3 液相负荷上限线 4 液泛线 5 四川理工学院 13 化工原理 7 1板式塔 六 板式塔的操作分析 五条线所包围的区域称为塔板的适宜操作区 操作点 A操作线 OA操作弹性 Vmax Vmin 设计时 应使操作点尽可能位于适宜操作区的中央 若操作点紧靠某一条边界线 则负荷稍有波动 塔的正常操作即被破坏 四川理工学院 14 化工原理 7 1板式塔 7 1 3板式塔的工艺设计 设计分析 四川理工学院 15 化工原理 7 2填料塔 填料塔塔体填料塔内件 填料支承与压紧装置 液体与气体分布器 液体再分布器以及气体除沫器操作原理 7 2 1填料塔的结构与特点 7 2 2填料 一填料特性 比表面积 空隙率 填料因子 3 表示填料的流体的流体力学性能 二填料类型 散装填料和规整填料 四川理工学院 16 化工原理 7 2填料塔 1散装填料 拉西环填料 优点 易于制造 价格低廉 研究较为充分 缺点 高径比大 易形成线接触 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 改进 衍生的 环 十字环及螺旋环等 鲍尔环 Pallring 填料 四川理工学院 17 化工原理 7 2填料塔 阶梯环填料 鞍形 Berlsaddle 填料 矩鞍 弧鞍 金属鞍换 优点 空隙率高 气体阻力小 液体分布性能较好 缺点 相邻填料易套叠 四川理工学院 18 化工原理 7 2填料塔 2规整填料 格栅填料 格栅填料 优点 格栅填料层整体性好 空隙率高 缺点 但比表面积较低 波纹填料 金属丝网波纹填料 按结构 网波纹填料和板波纹填料按材质 金属 塑料 陶瓷等 四川理工学院 19 化工原理 7 2填料塔 脉冲填料 特点 处理量大 压降小 是真空精馏的理想填料 因其优良的液体分布性能使放大效应减少 故特别适用于大塔径的场合 四川理工学院 20 化工原理 7 2填料塔 四川理工学院 21 化工原理 7 2填料塔 包括持液量 压降 液泛 填料表面的润湿及返混等 一气体通过填料层的压强降 压降与气速的关系 L 0 L 0的情况载点 泛点恒持液量区 载液区 液泛区持液量 7 2 3填料塔的流体力学性能 四川理工学院 22 化工原理 7 2填料塔 压降 在一定的液体喷淋密度下 填料持液量与气速无关 气体压降与气速的关系为直线且基本与L 0的直线平行 载液和液泛对传质的影响 载点 B 后 持液量 气液相互作用 相界面积 湍动增强 传质过程 填料效率 HETP P点后 液沫夹带量 液相返混可导致填料效率 HETP 填料塔的操作控制在偏离泛点一定距离的载液区内 可得到较高的传质效率 填料层的压降也不会过大 四川理工学院 23 化工原理 7 2填料塔 压降对填料塔操作的可靠性和经济性有着决定性的影响 选择填料和确定塔径时 不同系统应控制的压降范围不同 压降 表面摩擦阻力 形体阻力影响因素 填料特性 几何形状 比表面积 等 流体物性 等 操作条件 气液流量 T等 由各种经验关联式或关联图进行估算 二压降与气速的关联图 四川理工学院 24 化工原理 7 2填料塔 埃克特 Eckert 压降通用关联图 GG GL kg m2 s u m s L mPa s V L kg m3 WG WL kg s 湿填料因子 泛点填料因子 1 m g 重力加速度9 81m s2 Vs Ls m3 s 液体密度校正系数 水与液相密度之比 L 横坐标 纵坐标 四川理工学院 25 化工原理 7 2填料塔 适用范围 乱堆填料 Randompackings 最上方的三条线分别为弦栅 整砌拉西环及乱堆填料的泛点线 其余为乱堆填料的等压降线 四川理工学院 26 化工原理 7 2填料塔 三 液泛与泛点气速 防止液泛 u0max 0 95uF 设计点时取u0 0 5 0 8uF 故正确估算泛点气速对填料塔的设计和操作都十分重要 填料的种类 物系的物性以及气 液相负荷等因素对泛点都有一定的影响 泛点气速的估算式通常仍是借助于实验数据所得的各种经验关联式或关联图 对于散装填料 目前广泛采用埃克特 Eckert 压降和气速通用关联图中的泛点曲线 规整填料有类似的泛点实验关联图 可参考有关文献 根据两相流动参数即可由埃克特 Eckert 关联图中的泛点线查纵坐标值 若填料因子已知 即可求得泛点气速 四川理工学院 27 化工原理 7 2填料塔 7 2 4填料塔的内件 填料支承装置 填料压紧装置 液体分布装置 液体收集再分布装置等 一填料支承装置 作用 支承填料要求 机械强度 自由面积 四川理工学院 28 化工原理 7 2填料塔 二填料压紧装置 作用 防止填料层的松动和跳动 分类 填料压板和床层限制板填料压板 自由放置于填料层上端 靠自身重量将填料压紧 它适用于陶瓷 石墨等制成的易发生破碎的散装填料 床层限制板 用于金属 塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料 床层限制板要固定在塔壁上 为不影响液体分布器的安装和使用 不能采用连续的塔圈固定 对于小塔可用螺钉固定于塔壁 而大塔则用支耳固定 四川理工学院 29 化工原理 7 2填料塔 三液体分布装置 液体分布装置的种类多样 有喷头式 盘式 管式 槽式及槽盘式等 喷头式分布器 液体由半球形喷头的小孔喷出 小孔直径为3 10mm 作同心圈排列 喷洒角 80 直径为 1 3 1 5 D 这种分布器结构简单 只适用于直径小于600mm的塔中 因小孔容易堵塞 一般应用较少 四川理工学院 30 化工原理 7 2填料塔 盘式分布器 筛孔型分布器 盘式溢流管式分布器等 分布盘直径为塔径的0 6 0 8倍 适用于D 800mm的塔 四川理工学院 31 化工原理 7 2填料塔 管式分布器 由不同结构形式的开孔管制成 有排管式 环管式等不同形状 特点 结构简单 供气体流过的自由截面大 阻力小 缺点 小孔易堵塞 弹性一般较小 应用 由于液体分布性能优越 适合于较多喷淋点和较低液体负荷的场合 要求物料中无固体颗粒 在立管进料口应设有过滤网 列管式液体分布器操作弹性好 在高操作弹性的场合 可采用双排管式液体分布器 适合大 中 小型塔中采用 四川理工学院 32 化工原理 7 2填料塔 槽式液体分布器 通常由分流槽 主槽或一级槽 分布槽 副槽或二级槽 构成的 分布槽的槽底 或槽壁 上设有孔道 或导管 将液体均匀分布于填料层上 具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性 适合于大气液负荷及含有固体悬浮物 粘度大的液体的分离场合 由于槽式分布器具有优良的分布性能和抗污堵性能 应用范围非常广泛 四川理工学院 33 化工原理 7 2填料塔 壁流 液体沿填料层向下流动时 有偏向塔壁流动的现象 结果 壁流将导致填料层内气液分布不均 使传质效率下降 措施 在填料层内间隔一定高度设置液体再分布装置 截锥式再分布器优点 截锥式再分布器结构简单 安装方便 缺点 但它只起到将壁流向中心汇集的作用 无液体再分布的功能 适用塔径 小于0 6m的塔中 四液体收集及再分布装置 四川理工学院 34 化工原理 7 2填料塔 用于大塔径的斜板式液体收集器 3800液体收集再分布器 用于小塔径的斜板式液体收集器 四川理工学院 35 化工原理 7 2填料塔 塔型选择 塔型选择主要需考虑以下几个方面的基本性能指标 分离效率 对板式塔指每层塔板的分离程度 对填料塔指单位高度填料层所达到的分离程度 操作弹性 指在负荷波动时维持操作稳定且保持较高分离效率的能力 通常以最大气速负荷与最小气速负荷之比表示 压强降 指气相通过每层塔板或单位高度填料的压强降 设备结构与成