第三章 蒸馏和吸收塔设备

第3章蒸馏和吸收塔设备,3.1概述3.2板式塔塔板类型及特点板式塔的流体力学性能板式塔的工艺设计3.3填料塔填料塔的结构与特点填料塔的流体力学性能填料塔的计算填料塔附件,3.1概述,1塔设备的基本功能和性能评价指标1)基本原则提供大的传质面积和传质系数,并能及时分离提供最大传质推动力2)评价指标通量：单位塔截面的生产能力分离效率：（板式塔：塔板效率；填料塔：等板高度）适应能力：操作弹性其它：流动阻力低、结构简单、造价低、易于操作与控制,3.1概述,2塔设备的类型1）板式塔：气相为分散相，液相为连续相，逐级接触逆流操作。2）填料塔：气相为连续相，液相为分散相，微分接触逆流操作。3本章主要内容1)结构与性能2)工艺设计方法3)选型,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,3.2.1塔板类型、结构及特点：,全塔：逆流接触塔板上：错流接触,两相接触方式,流动推动力,液体：重力气体：压力差,塔板上理想流动情况：液体横向均匀流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。,传质的非理想流动情况：反向流动雾沫夹带、气泡夹带，即：返混现象,后果：使已分离的两相又混合，板效率降低，能耗增加。,不均匀流动液面落差（水力坡度）：引起塔板上气速不均；塔壁作用（阻力）：引起塔板上液速不均，中间近壁；,后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。,塔板类型：泡罩型,优点：不易漏液，弹性大、操作稳定可靠。缺点：结构复杂，造价高；压降大，雾沫夹带严重，生产能力及板效率均较低。,结构：筛孔，直径38mm，正三角形排列优点：结构简单，造价低；气体压降小，液面落差小；生产能力大，板效率高；缺点：操作弹性小。,塔板类型：筛板型,结构：浮阀，F1、V-4、T型优点：结构上较泡罩简单，比筛板复杂，生产能力大，操作弹性大，塔板效率高，气体压降小及液面落差小，造价低。,塔板类型：浮阀型,（1）舌形塔板,塔板类型：其它型,（2）斜孔塔板,1塔板上气液两相的接触状态,3.2.2板式塔的流体力学性能,2塔板压降,3.2.2板式塔的流体力学性能,干板阻力，液层静压强阻力，表面张力阻力,3液泛,定义：塔板上的液体不能正常流下，产生积液，也叫淹塔。原因：气体或液体流量过大，气速过高，塔板间距过小。种类：降液管液泛，雾沫夹带液泛。结果：塔板压降升高，不能正常操作。,过量雾沫夹带液泛,原因：气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板；气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。,降液管液泛当塔内气、液两相流量较大，导致降液管内阻力及塔板阻力增大时，均会引起降液管液层升高，当降液管内液层高度难以维持塔板上液相畅通时，降液管内液层迅速上升，以致达到上一层塔板，逐渐充满塔板空间，即发生液泛。并称之为降液管内液泛。,说明：开始发生液泛时的气速称之为液泛气速。两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。,4雾沫夹带,定义：上升气流将板上液体带入上一层塔板的现象。结果：造成液相反混，降低板效率。规定：雾沫夹带量不超过10或ev35s),进口堰：降液管液封，保证液体分布均匀，一般不设受液盘：平受液盘，凹受液盘,进口堰及受液盘,塔板：整块式，分块式塔板分区（1）鼓泡区：气液传质有效区（2）溢流区：降液管，受液盘，液体通道（3）破沫区：安定区，避免气体进入降液管（4）无效区：边缘区，供安装用,4塔板布置,（1）阀孔动能因数与阀孔数目,5浮阀的数目与排列,所有浮阀刚刚处于全开时操作性能最好浮阀的开度与阀孔处气相的动压有关，以动能因数F0作为衡量气相动压的指标,F1型重阀：,正三角形、等腰三角形顺排、叉排,（2）阀孔排列,同一排阀孔中心距t：等边三角形等腰三角形开孔区面积,1）气体通过浮阀塔板的压强降,2浮阀塔板的流体力学验算,1）干板阻力阀全开前阀全开后,2）板上充气液层阻力3）液体表面张力造成的阻力经验值：常压、加压塔：265530Pa减压塔：200Pa,说明：若塔板阻力过大，可增加开孔率或降低堰高。,无进口堰：有进口堰：,（2）液泛,说明：若泡沫高度过大，可减小塔板阻力或增大塔板间距。,（3）雾沫夹带,大塔：泛点率80%直径0.9m以下的塔：泛点率70%减压塔：泛点率75%,说明：超过允许值，可调整塔板间距或塔径。,在下列泛点率范围内，一般可保证eV0.1kg液/kg气,泛点率：操作时空塔气速与发生液泛时的空塔气速的比值，是用来估算雾沫夹带量的指标。,或,取阀孔动能因数作为控制漏液量的操作下限，此时漏液量接近10%。,说明：如果漏液量较大，可减小开孔率或降低堰高。,（4）漏液,以上流体力学验算结束后，需绘制负荷性能图，计算塔板操作弹性。,【例32】拟建一浮阀塔用以分离苯甲苯混合物，决定采用F1型浮阀（重阀），试根据以下条件作出浮阀塔的设计计算。,浮阀塔设计实例：,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填料塔的计算3.3.5填料塔附件,1结构,3.3.1填料塔的结构与特点,2特点结构简单，生产能力大分离效率高，持液量小操作弹性大，压降低可处理腐蚀性物料特别适用于真空精馏造价高不易处理含有悬浮物的原料，易聚合的物料不适宜有侧线出料的场合,3.3.1填料塔的结构与特点,3.3.2填料,1填料特性（1）比表面积（2）空隙率（3）填料因子/3干填料因子，湿填料因子选择填料的原则比表面积要大，空隙率要大，润湿性能要好，质量轻，造价低，足够的力学强度。,3.3.2填料,2填料类型,分类,鲍尔环,拉西环,阶梯环,金属环矩鞍,弧鞍环,规整填料,填料类型,1拉西环：外径与高度相等的圆环。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：表面全部敞开，表面利用率高。弧鞍：易套叠矩鞍：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板：陶瓷、塑料、金属材料波纹网：金属丝,1填料层的持液量概念：一定操作条件，单位体积填料层内在填料表面和填料空隙中积存的液体量，m3液体/m3填料静持液量：取决于填料和液体特性动持液量：取决于填料和液体特性以及气液负荷要求：适当的持液量对操作与传质有利，过大的持液量导致压强降增大，生产能力降低持液量由实验测定或者由经验公式估算,3.3.3填料塔的流体力学性能,恒持液区；载点；载液区；液泛点；液泛区。,说明：通常情况下，填料塔应在载液区操作。,决定了塔的动力消耗，是塔设计的重要参数以单位高度填料层压强降与空塔气速的关系表示,2气体通过填料层的压强降,在泛点气速下，液体被气流大量带出塔顶的现象适宜气速根据泛点气速确定影响泛点气速的因素：填料特性、流体物性、液气比等（1）填料特性比表面积，空隙率，几何形状，反映在填料因子上（2）流体物性气体密度，液体粘度，液体密度（3）液气比液气比大，持液量大，空隙率小，泛点气速低泛点气速的确定埃克特通用关联图,3液泛,润湿性能与传质效率密切相关影响因素：填料材质、表面形状、装填方法最小喷淋密度：单位时间，单位塔截面上喷淋的液体体积（LW）min：最小润湿速率小于75mm的填料（LW）min=0.08m3/(m.h)大于75mm的填料（LW）min0.12m3/(m.h)实际喷淋密度应大于最小喷淋密度措施：增大回流比，液体再循环，减小塔径，适当增加填料层高度,4填料的润湿性能和液体喷淋密度,1塔径,3.3.4填料塔的计算,其中，umax为泛点气速,1）传质单元法填料层高度传质单元高度传质单元数2）等板高度法与一层理论板传质作用相当的填料层高度填料、物性、操作条件、设备尺寸实验测定，经验数据，经验公式填料层高度等板高度理论板数3）填料层的分段（1）散装填料（表3-8）、（2）规整填料（表3-9）,2填料层的有效高度,1填料支撑装置作用：支承填料及塔内持液质量要求：机械强度，自由截面大于填料层的自由截面种类：栅板式，升气管式,3.3.5填料塔附件,2液体分布装置作用：使液体均匀分布种类：莲蓬式，盘式，齿槽式，多孔环管式等,3.3.5填料塔附件,原因：液体有偏向塔壁流动的现象作用：重新汇集液体并引向塔中央区域设置：一般6m内需加装整砌填料无需液体再分布器种类：截锥式,3液体再分布装置,4除沫装置,作用：除去出口气流中的液滴种类：折流板式，旋流板式，丝网式等,5填料压紧装置作用：防止填料层松动和跳动种类：填料压板，床层限制压板,3.3.5填料塔附件,填料塔设计步骤：（1）针对物系及分离要求，选择适宜填料；（2）确定塔径（考虑喷淋密度）；（3）计算塔高（考虑分段高度）；（4）塔内件设计。,【例33】某矿石焙烧炉送出的气体冷却到20后送入填料吸收塔中，用清水洗涤以除去其中的SO2。SO2的体积分数为0.06，要求吸收率A98。已知吸收塔内绝对压强为101.33kPa，入塔的炉气体积流量为100