第3章 蒸馏和吸收塔设备

1,第3章蒸馏和吸收塔设备,3.1概述3.2板式塔3.3填料塔,2,在塔内气、液两相具有最大限度的接近逆流，以提供最大的传质推动力。,使气、液两相充分接触，适当湍动，以提供尽可能大的传质面积和传质系数，接触后的两相又能及时分离；,1.塔设备的基本功能和性能评价指标,1）塔设备的基本功能,3,（1）通量单位塔截面的生产能力，表征塔设备的处理能力和允许的空塔气速；,2）塔设备的性能评价指标：,（2）分离效率单位压降塔的分离效果，对板式塔以板效率表示，对填料塔以等板高度表示；,（3）适应能力操作弹性，表现为对物料的适应性及对负荷波动的适应性；,（4）还应满足流动阻力低、结构简单、金属耗量少、造价低、易于操作控制等要求。,1.塔设备的基本功能和性能评价指标,4,板式塔,填料塔,逐级（逐板）接触式,微分（连续）接触式,2.塔设备的类型,5,3.2板式塔,3.2.1塔板类型3.2.2板式塔的流体力学性能3.2.3板式塔的工艺设计（自学）,6,板式塔为逐级接触式气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、受液盘及降液管等部件构成。,板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，操作弹性大，且造价低，检修、清洗方便，故工业上应用较为广泛。,板式塔,液体,气体,概述,板式塔的构成及特点：,7,塔内气、液两相成错流流动，既液体溢流横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，但对整个塔来说，两相基本上成逆流流动。,错流塔板应用很广，按塔板具体结构形式可分为：泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、舌形塔板等。,1）错流塔板（溢流塔板）：,错流塔板,逆流塔板,概述,塔板的分类：,8,错流塔板的结构,降液管,平顶型溢流堰,受液区,开孔区,9,塔板的分类：,2）逆流塔板（穿流塔板）：,错流塔板,逆流塔板,概述,优点：塔板结构简单，板上无液面差，板面充分利用，生产能力较大；缺点：操作弹性及板效率不及错流塔板。,与错塔板相比，逆流塔板应用范围小得多，常见的有栅板、降淋筛板等。,无降液管,10,结构特点：升气管、泡罩、大孔,1.泡罩塔板,优点：弹性大、操作稳定可靠。缺点：结构复杂，制造成本高，压降大，生产能力较小。,11,结构特点：大孔，有活动部件,2.浮阀塔板,12,优点：生产能力大，比泡罩塔版高20%40%；压降小；弹性大；结构简单；效率相对较高缺点: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。,2.浮阀塔板,阀型：F1型、V型、T型、A型,各种浮阀,14,结构特点：筛孔均匀分布，孔径一般38mm,3.筛板,优点：结构简单、造价低廉，气体压降低，板上液面落差小，生产能力及板效率高。缺点：操作弹性小，筛孔小时易堵塞。,15,美国Celanese公司于1949年对筛板塔进行了大量研究。其中Mayfield等人的研究结论表明，过去由于对筛板塔操作性能掌握得不充分，设计不佳，致使筛板塔不易稳定操作，只要筛板塔设计合理，操作得当，筛板塔不仅可稳定操作，而且操作弹性可达23，能满足生产要求。在对筛板塔作出改进后，自廿世纪五十年代至今，筛板塔一直是世界各国广泛应用的塔型。筛板塔比起泡罩塔，生产能力可增大10%15%，板效率约提高15%，单板压降可降低30%左右，造价可降低20%50%。,3.筛板,16,三种塔板的比较:,生产能力：筛板浮阀塔板泡罩塔板；压降：泡罩塔板浮阀塔板筛板；操作弹性：浮阀塔板泡罩塔板筛板；造价：泡罩塔板浮阀塔板筛板；板效率：浮阀塔板、筛板相当泡罩塔板。,17,4.喷射型塔板,1）舌形塔板,舌形塔板浮舌塔板斜孔塔板,18,4.喷射型塔板,1）舌形塔板,舌形塔板浮舌塔板斜孔塔板,如液层太薄，板效率降低。,优点：,缺点：,避免返混，液面落差小；,塔板压降较小；,生产能力大。,气液并流，,塔板上液层较低，,液沫夹带量较小，,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。,19,特点：操作弹性大、压强降小、结构简单、效率高。,2）浮舌塔板,4.喷射型塔板,舌形塔板浮舌塔板斜孔塔板,20,3）斜孔塔板,4.喷射型塔板,舌形塔板浮舌塔板斜孔塔板,斜孔的开口方向与液流垂直且相邻两排开孔方向相反，,既保留了气体水平喷出、气液高度湍动的优点，又避免了液体连续加速，可维持板上均匀的低液面，从而既能获得大的生产能力，又能达到好的传质效果。,21,3.2板式塔,3.2.1塔板类型3.2.2板式塔的流体力学性能,22,概述,塔内气、液两相的流体力学状况对塔操作有很大影响。,板式塔的流体力学性能包括：,23,1.塔板上气液两相的接触状态,气液两相在设备中要有良好的接触：接触充分，接触面要大，相界面不断更新,鼓泡状态,泡沫状态,喷射状态,24,2.塔板压降,产生原因：,影响因素：,25,不良后果：,（1）单板压降大，气体流动阻力大，对输送要求较高；（2）过高的单板压降会使塔顶与塔底的压差较大，从而影响体系的相平衡关系以及气液流动情况，这对真空操作尤为重要。,2.塔板压降,因此，进行塔板设计时，应综合考虑，在保证较高效率的前提下，力求减小塔板压降，以降低能耗和改善塔的操作。,26,3.液泛（淹塔）,定义：塔内液体不能顺畅逐板流下，持液量增多，气相空间变小，大量液体随气体从塔顶溢出，也称为淹塔。,27,4.雾沫夹带,控制雾沫夹带量eV0.1kg(液)/kg(气),定义：上升气流穿过塔板上液层时，将板上液体带入上层塔板的现象称为雾沫夹带。,不良后果：（1）降低板效；（2）将不挥发性物质逐板送至塔顶造成产品污染；（3）严重时造成液泛,28,5.漏液,定义：部分液体不是横向流过塔板后经降液管流下，而是从阀孔直接漏下。,不良后果：降低板效率，严重时使板上不能积液，是塔不良的操作现象之一。,29,5.漏液,漏液量达10%的气流速度为漏液速度，这是塔操作的下限气速。,控制漏液量2.0。,三个区：,载液区,高液量,低液量,F,L,L=0,L1,L2,u/(m/s),p/z(kpa/m）,载点,泛点,图3-17填料层的压降图,F,L,恒持液区,液泛区,液泛区（F点以上）：u，液体在塔内积累而发生液泛，此时的气速称泛点气速。Pu斜率急剧增加,使填料塔不能正常操作。,三个区：,75,2.气体通过填料层的压强降,载液和液泛对传质的影响：载点(L)后，持液量，气液相互作用，湍动增强，传质过程，填料效率；填料塔的操作一般控制在偏离泛点一定距离的载液区内，这样，既可得到较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。适宜操作应在载点和泛点气速之间：u=(0.60.8)uF,76,3.液泛,气速达到泛点气速时，发生液泛，液体由连续相变为分散相，气液接触面积减小，液体被气流大量带至塔外，塔的操作完全被破坏。往往根据泛点气速选定实际气速。泛点气速影响因素很多，与填料的特性、流体的物性以及液气比等有关，一般湿填料因子值越小，气体密度越小，液体的密度越大、粘度越小，液气比越小，则泛点气速越大。,77,图-18埃克特通用关联图,此图显示出压降与泛点、填料因子、液汽比等参数的关系。应用：1.求泛点气速2.根据允许压降值计算空塔气速或根据空塔气速计算压降。,78,4.填料的润湿性能和液体喷淋密度,填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。,Umin最小喷淋密度，m3/（m2s）；(LW)min最小润湿速率，m3/（ms）；填料的比表面积，m2/m3。,式中,润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的液体体积流量。,喷淋密度是指单位时间内单位塔截面积上喷淋的液体体积。,79,填料塔中液体、气体流动及持液、液泛,80,3.3填料塔,3.3.1填料塔的结构与特点3.3.2填料3.3.3填料塔的流体力学性能3.3.4填料塔附件,81,1.填料支承装置,用以支承填料的部件。它应具有：(1)足够的机械强度。(2)足够的自由面积以确保气、液两相顺利通过。总开孔面积应尽可能不小于填料层的自由截面积。开孔率过小可导致液泛提前发生。一般开孔率在70%以上。常用的支承板有栅板、升气管式和气体喷射式等类型。,82,栅板：优点是结构简单，造价低；缺点是栅板间的开孔容易被散装填料挡住，使有效开孔面积减小。为防止在栅板处积液导致液泛，栅板的自由截面率应大于50%。,1.填料支承装置,83,升气管式:具有气、液两相分流而行和开孔面积大的特点。可避免积液。适用于高空隙率填料的支撑。,1.填料支承装置,84,气体喷射式：具有气、液两相分流而行和开孔面积大的特点。气体由波形的侧面开孔射入填料层。,1.填料支承装置,85,2.液体分布装置,作用：将液体均匀分布于填料层顶部。液体初始分布质量将直接影响到液体在整个填料层的分布，从而影响填料塔的分离效率和操作弹性，因此液体分布器是填料塔的一个极为重要的内部构件。,86,莲蓬头分布器:喷头的下部为半球形多孔板，喷头直径为塔径的1/31/5，一般用于直径在0.6m以下的塔中。它的主要缺点是喷洒孔易堵塞，且气量较大时液沫夹带量大。,2.液体分布装置,87,优点：结构简单、造价低。自由面积较大气体阻力小，适用于液量小、气体流量大的场合。其操作弹性在2:12.5:1之间。缺点：小孔易堵塞。,2.液体分布装置,压力型多孔管式分布器,88,优点：具有较多的喷淋点数，分布质量比较高，且操作弹性可高达4:1。缺点：结构较复杂，造价较高，且对安装水平度要求高。气体通过的阻力较大，一般适用于气体负荷不太大的场合。,盘式孔流分布器：,2.液体分布装置,89,优点：抗堵、抗腐蚀能力强，操作可靠，可处理含固体的物料，操作弹性和处理量较大，操作弹性可达到4:1。缺点：分布质量极易受液面的波动和分布器水平度的影响，故通常必须装有水平调节装置。,槽式溢流分布器：,2.液体分布装置,90,3.液体再分布装置,作用：减少偏流和壁流形式：有盘式、槽式及截锥式等。,盘式液体再分布器,截锥式再分布器,91,4.除沫装置,作用：塔内气速较高，液沫夹带严重时，在塔顶气体出口处需设置除沫装置。折板除沫器（AngleVane-typeDemisters）：阻力较小（50100Pa），但只能除去50m以上的液滴。,92,丝网除沫器：造价较高，可除去5m的液滴，但压降较大（约250Pa）。,4.除沫装置,93,5.填料压紧装置,作用：安装在填料层顶部，用于阻止填料的流化和松动。,压紧栅板,压紧网板,94,联