塔设备（旧教案）

塔设备（旧教案） 10气液传质设备同学们应该没有忘记在前面所讨论的单元操作中，大部分的设备内容都紧接在理论内容之后，但吸收和精馏章却没有。 其原因是这两个操作所使用的设备具有相当程度的共性，就专门设置在本章中学习讨论。 虽然，吸收和精馏的物理化学原理不同，但它们都是气、液传质过程，在此“气”包括了气体和蒸汽。 根据设备的形式，目前分为逐级接触和微分接触两大类，无论那一种，在塔运行过程中，液体借重力至上而下流动，而气体在压差的推动下从塔底上升至塔顶。 评价塔的性能好坏的基本指标为 1、生产能力单位时间、单位塔截面上的物料处理量； 2、分离效率对板式塔指每层塔板所达到的分离程度；对填料塔指单位高度填料层所达到的分离程度； 3、适应能力及操作弹性指对各种物料性质的适应性以及在负荷波动时维持操作稳定而保持较高分离效率的能力。 4、流体阻力气体通过每层塔板或单位高度填料层的压强降，此外，还必须考虑造价，安装及维修的方便与否，长期运转的可靠性等因素。 一般说来，无论精馏还是吸收，都可能根据具体情况选用板式塔或填料塔，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。 101板式塔1011概述设计目的是为完成所要求的分离任务，塔应具备这样两个功能 （1）在每块塔板上为气液两相提供充分接触的场所，传质阻力尽可能地小； （2）同传热类似，为获得最大的传质推动力，两相在塔内尽可能逆流。 实际上，从P145图10-1看出，两相在塔板上，由于液体是横向流过塔板（因为只有这样，液体才能进入降液管到达下一塔板），是不可能完全逆流的，而是错流，其效果略差于逆流。 而纵观全塔，两相还是呈逆流流动的。 值得一提的是，化工原理所介绍的塔设计只是完整设计的一个部分，具体说是工艺设计，所要确定的是满足工艺要求所需要的设备尺寸，而强度设计则由设备设计的有关课程来介绍。 1012筛板塔以筛板为例，介绍塔板上的流动情况以及相关的工艺设计内容。 （1）筛板塔的基本结构塔板主要由筛孔、溢流堰和降液管三部分组成。 筛孔是为气体提供流通路径的；溢流堰的作用是为了维持塔板上具有一定的液层厚度，否则液体很快就通过降液管进入下一层塔板，在板上的停留时间不足以与气体充分接触，传质效果就极差；降液管的作用是为液体提供进入下一塔板的通道。 如P146图10-2所示。 由于塔板通常都是圆形，为了有效利用塔板面积，一般降液关多采取弓形（偶尔也有圆形的，只在大型塔中），通常在降液管的进口和出口都设置有溢流堰，分别称为进口堰和出口堰。 为保证气体不至于从溢流堰串入降液管反混入上一块塔板（意味着白“做工“），降液管底隙所流高度应该低于进口堰的高度。 （2）塔板上的两相接触状况随着气速由低至高，气液两相在塔板上有三种接触状态鼓泡、泡沫和喷射。 鼓泡态气泡完全被液层所包围，气泡的湍动程度不高，传质效果并不好，而且阻力较大；泡沫状态时，气体在液层内充分鼓泡，形成了大面积的液膜，高度湍动，两相充分接触，气体分散在连续的液体中；喷射状态时，由于气速很高，造成液体被破碎成微小液滴，并带至塔板上方的空间，落下后由被抛起，周而复此，两相也达到两好的接触状态。 工业上运行的塔多是后两种状态。 从传质理论的角度，设计一个好的筛板，就是要使其具有不断更新的液膜和液滴表面。 1013气体通过筛板的阻力损失气体的阻力损失是塔板主要的阻力损失。 它由干板压降dh和液层压降lh两部分组成。 干板压降2)(21ooLVdCugh?气体通过筛孔的流速由P148式（10-3）确定。 阻力损失l dfh hh?板压降f Lghp?液层阻力由克服板上泡沫层静压、形成气液截面能量损失和气体通过液层的摩擦阻力损失三部分组成，而且后两者仅占很小的比例。 静压按照“流体流动”章介绍的方法计算。 气速较低时，液层阻力占主导地位；气速较高时，干板阻力的比例增加。 1014塔板上的非理想流动状态在实际运行中，要使板上气液两相始终保持在泡沫和喷射状态几乎是不可能的。 这些非理想的流动状态有以下两种 （1）空间上的反向流动指的是与气、液相主体流动方向相反的流动现象。 （a）液沫夹带气流穿越液层时，会夹带大量尺寸各异的液滴，甚至被带到上一层塔板，与液体总体向下流动是背道而驰的，是一种液体反混现象，正常的操作应该是越往下的液体中，所含的轻组分（低沸点）越少，而重组分越多，它使分离效率降低。 液沫夹带的原因之一是气流不可避免地夹带小液滴，另一个原因则是由于液滴形成的弹溅作用，这与塔板间距有关。 液沫夹带的定量计算见课本P 150、151。 （b）气泡夹带进入降液管的液体难免会气泡的形式夹带气体，如果液体在降液管内的停留时间太短，气泡来不及释放，则进入下一层塔板而造成气相的反混。 沿着塔高方向，越往上的气体中所含有的轻组分应该越高。 为减少气泡夹带，就要保证液体在降液管内有足够的停留时间，平均停留时间s mLm HmALH Adfdf/32为液体流量高度为降液管内的当量清液为降液管面积?根据经验，停留时间至少大于5秒。 无论是液体还是气体夹带，都对传质不利，但由于气泡的夹带量相对于总气体流量而言很小，因此，液体夹带的危害更大。 但是气泡夹带的更大危害在于；如果夹带严重，将使降液管的通过能力大大降低，甚至引起降液管液泛。 （2）空间上的不均匀指气、液两相流动在空间上的不均匀。 （a）由于塔板上必须保持一定的液面落差，导致气体在穿越塔板时流速或流量的不均匀性。 （b）液体沿塔板流动的不均匀性，在圆形塔板上，液体有走捷径直线的，有走曲线的，在低流速时更为明显，这种不均匀性影响了液体在塔板上的停留时间。 气、液流动的不均匀性都将削弱传质，此外，液体在塔板上的小尺度反混等也是使传质效果降低的原因。 1015板式塔的不正常操作现象上述的不良流动状况虽然影响传质，但是不至于导致塔的不正常操作，但如果塔板设计不当或操作不当，将有可能导致塔的不正常操作。 常见的不正常操作现象有 （1）夹带液泛当气速增加至某一值时，板上的液层厚度不断增加，同时使气体对液体的夹带量也持续增加，最终液体充满全塔。 甚至随气体从塔顶溢出，这就称为夹带液泛。 将开始出现这种情况时的气速称为液泛气速，实际操作的气速应该低于它。 （2）溢流液泛如果液流量过大，超过了降液管的通过能力，将首先在降液管引起液泛，称为溢流液泛。 通常塔板压降大的塔容易产生溢流液泛，此外，如塔内某一降液管堵塞，也可能导致溢流液泛。 总之，导致溢流液泛的原因有多种，具体见P153-155。 一些塔板上工艺尺寸的合理设计，可以减少溢流液泛产生的几率，具体见公式（10-8）/（10-9）。 无论那种液泛，都导致塔内的积液而使塔板压降增加，在操作时，一旦发现气体流量不变而塔板压降持续增加，则预示着将会发生液泛。 （3）漏液以筛板塔为例，当气速较小时，部分液体由于气体无法支撑而由筛孔直接落下。 实际上，任何形式的塔板，其传质元件上都有气体通道，液体都有可能从这些气体通道泄漏，这就是漏液。 少量的漏液是允许的，也是无法避免的，严重的漏液将导致塔板上不能积液而严重影响传质的进行。 相比而言，筛板塔的漏液是最严重的。 使气体分布均匀是减少漏液的有效措施，而干板阻力如果足够大，则可以减小漏液（见P155）。 在筛板塔设计时，一般使液面落差小于干板阻力的1/2，式（10-10）。 另外塔板上的结构设计还可以有多种形式，见P156图10-12。 1016塔板效率的表示及其应用从前面的讨论中我们知道理论板是一种人为定义的概念，作为实际板的参照标准。 那么实际板与理论板的差异就用塔板效率来表示。 常用的有全塔效率和默费里单板效率，另外，还有点效率主要用于塔板性能研究，开发新型塔板之用。 在此讨论前两种。 1全塔效率一般用（10-20）式表示，即NNETT?，N T为理论塔板数、N为实际塔板数。 如E T已知就可以确定实际板数。 E T是塔分离性能的综合体现，与点、单板效率、塔板气液组成等多种因素有关，前面仍没有合适的理论公式计算，通过实验来确定。 教材介绍了Drickamer及O、connell两种方法，具体见P163。 2默费里单板效率气、液相浓度表示的默费里效率分别由式（10-14）/（10-15）表示1*1?n nnnmVy yyyE（1014）*11nnn nmVxxx xE?（1015）可见，默费里单板效率表达的是某一块塔板的传质情况。 1017提高塔板效率的措施最有效的措施是选择合理的结构参数和操作条件。 1结构设计影响塔板效率的结构参数主要有塔直径、塔板间距、堰高度、堰长度、降液管尺寸、开孔率以及孔径、进气方向等。 2操作参数与塔板负荷性能图气、液流量属于操作参数，对一定物系和已定结构的正常操作的塔，必然有一个适宜的气、液流量范围，称为气、液负荷性能图。 一旦负荷超出范围，就会发生相应不正常的操作现象，导致塔板效率、分离效率降低，严重时使塔无法运行。 负荷性能图不同的塔型具有不同的界限曲线，对于有降液管的筛板塔和浮阀塔，可以用以下几条曲线来确定其稳定的操作区，这几条称为1雾沫夹带上限线（AA）；2.泄露线（DE）；3.溢流液泛线（BB）；4.液相负荷下限线（EE）；5.液相负荷上限线（CD）。 Vs Ea Bb AAP*.B*P DE Ls1018塔板类型介绍塔板是气、液两相接触的重要场所，板上气、液两相的流动情况直接影响到传质效果，一般可分为错流塔板和逆流塔板两类降液管溢流堰液相气相气相错流逆流降液管的位置和堰高控制着液体的流径及液层的厚度，液体流过塔板时要克服各种阻力，因而出现了液面落差（如图所示），当落差大时，会引起塔上气体分子不均匀而导致分离效率的降低。 逆流塔板无降液管，结构简单，无液面落差，气、液分布均匀，处理量较大而压降较小，但需较高的气速才可维持板上液层，这种塔的操作较难控制，波动较大，因而操作弹性较差，效率较低，它的应用不及错流塔广泛，但对于要求不高的情况，仍在使用。 无论哪种塔板，对塔板总的要求有如下几点（与前重复）1气、液负荷要大，即在塔的单位截面上，气体和液体的通过能力大；2分离效率要高，尤其对于难分离、要求平衡级数多的系统；3操作稳定，有合适的操作弹性，要使塔能适应气、液负荷在一定幅度内的波动，并使设备具有一定的潜在生产能力；4气流通过塔板时的压降要小，当处理高沸物系和热敏性物系需采取减压蒸馏时，这一点尤为重要；5结构简单，制作维修方便，造价低廉。 此外，如被处理物系具有腐蚀性或带有固相杂质时，还应针对具体情况，要求具有抗腐和防腐能力等。 实际上任一种塔板都很难完全具备以上所有性能，塔板性能的优劣只具有相对意义，对具体生产对象需根据具体情况合理选择塔型。 10181塔板上的气、液接触元件所谓气液接触元件就是使气体通过塔板时，将其均匀分散在液层中进行传质的气体分布装置。 当气体通过这些元件时，被分散成许多小股气流，这些气流在液层中鼓泡使流体剧烈湍动，形成气液接触界面，促进传质过程的进行，气液接触元件是塔板形式最基本的特征，往往就作为塔板分类的标志，以下就介绍几种最常见的气、液接触元件。 气相气相气相泡罩筛板浮阀1泡罩塔泡罩塔是由固定于塔板上的升气管和支持于升气管顶部的泡罩组成，操作时泡罩的一部分被塔板上的泡沫淹盖，气体从升气管上升，流经升气管和泡罩之间的环形通道，再从泡罩下侧所开的气缝中吹出，最后进入板上的液层中鼓泡传质，泡罩塔操作弹性大，效率高，塔板不易堵塞，对物料的适应性强；但它结构复杂，造价高，压降较大，目前己很少采用了。 2筛板塔将塔板按一定的中心距开孔，操作时，气体穿过筛孔升起，在板上液层中鼓泡传质，筛板塔有两种，一种是设置溢流堰和降液管的，另一种大直径筛孔的不设溢流堰和降液管，这种塔板结构简单，造价低，制造方便，气体压降小，板上液面落差也较小，生产能力和板效率比泡罩塔高，但操作弹性较窄，小筛孔时易堵塞。 3浮阀塔以上两种塔型都是较早开发的，各有优缺点，后来的一些塔型在以上两者的基础之上进行改进，扬长避短，浮阀塔就是一个典型的例子，浮阀是一种造价较低、操作弹性大，传质性能良好的元件，塔板上是按一定中心距在板上开阀孔，孔上设置可升降的浮阀而成，浮阀升降的位置取决于阀孔中上升气液动能的大小，气速高时，浮阀全部升起，升起的最大高度由阀脚钓着塔板来限制；气速低时，浮阀忽升忽降，或部分浮阀升起，另一部分浮阀降至最低部位，再降低气速，全部浮阀处于最低部位。 因浮阀具有可升降的特性，塔板上的气流通道截面可随气体流量的改变而自行调节，这就使浮阀塔板具有操作弹性大，鼓泡性能良好之特点。 浮阀塔的主要优点为生产能力大；操作弹性大；塔板效率高；汽体压强降及液面落差较小等。 而它的造价介于筛板塔和泡罩塔之间。 （4）喷射型塔板以上所介绍的塔板，都是气体分散于液层之中在鼓泡或泡沫状态下进行两相接触的，这类塔型气速不宜太高，否则易产生淹塔而使生产无法正常进行，因此使生产能力受到限制；而且因板上有液面落差，引起气体分布不均，对提高效率不利。 针对这些不足之处，开发出了喷射型塔板，在塔板上，气体喷射方向与液体流动方向一致，充分利用气体的动能来促使两相间的接触，提高了传质效果，而且气体不必再通过较深的液层，因而压降显著减小，雾沫夹带量也较小，故可采用较大的气速。 （5）舌形塔板液液气气液并流喷射气体喷出速度20-30m/s，这种塔板液流出口侧不设溢流堰，降液管要比一般塔板设计得大些，其特点是生产能力较泡罩和筛板塔大，操作灵敏而且压降较小，但气体通过的截面积是固定的，当V较小时易产生漏液，因而其操作弹性较差；此处气相夹带严重使塔板效率低。 （6）浮动喷射塔它是综合了舌形板的气液并流喷射和浮阀塔板的气道可变化这两个优点而产生的。 平行的浮动板支承于三角槽内，可在一定角度内转动，其主要优点是生产能力大，操作弹性也大，压降和持液量小，板上液面落差和液相返混都小，缺点是操作波动较大时液体入口处泄漏较多，板效率较低，而且结构复杂，浮板易磨损和脱落。 （7）旋流塔板它是一种能使气流在塔内产生旋转运动的塔板，它的塔板是如风车的叶片，气流通过塔板时，向着开缝的法向喷出，塔板固定于塔圈上，气流就在塔内作旋流运动，形成良好的气液接触条件，它所允许的气速（空塔）比一般塔板高，可达2-5m/s，旋转运动还可使甩向塔壁的液体易沉清，使降液管的液体负荷亦可增大，气体的处理能力大而板间距小是这种塔的最大优点，但由于塔板上气液接触时间短，因而板效率低，这种塔板除用作传热传质之处，还可作为除雾之用。 除以上所介绍的塔型之处，还有不少新型塔板，如S型板、角钢塔板等。 102填料塔填料塔也是一种应用十分广泛的气、液传质设备，与板式塔相比，它的基本特点是结构简单，压降低，填料可用耐腐蚀材料制造等，此外，其塔壳体还可由陶瓷、金属、玻璃、塑料等制成，必要时甚至可在金属筒体内衬防腐材料，它特别适应于小径塔，处理具腐蚀性物料以及要求压降小的真空蒸馏系统，它在吸收操作方面比板式塔用得更多些。 其结构简图见书本。 离开填料层的气体可能夹带少量雾状液滴，因此，有时需在塔顶安装除沫器，两相在塔内逆流接触，填料上的液膜表面即为气、液两相的主要传质表面，在板式塔内气液界面所需的能量是由气体提供的，而在填料塔内液体分散成膜状。 1021填