化工原理：9-5 两组分连续精馏的计算 (5)

1、第九章 蒸 馏 9.7 特殊精馏（选读） 9.8 多组分精馏概述（选读） 9.9 板式塔 9.9.1 塔板的类型及性能评价 9.5 两组分连续精馏的计算 9.6 间歇精馏（自学） 液 相 降液管 堰 气相 溢流塔板溢流塔板 (错流式塔板错流式塔板)：塔板间有塔板间有 专供液体溢流的降液管专供液体溢流的降液管 (溢流管溢流管)， 横向流过塔板的流体与由下而上穿横向流过塔板的流体与由下而上穿 过塔板的气体呈错流或并流流动。过塔板的气体呈错流或并流流动。 板上液体的流径与液层的高度可通板上液体的流径与液层的高度可通 过适当安排降液管的位置及堰的高过适当安排降液管的位置及堰的高 度给予控制，从而可获得

2、较高的板度给予控制，从而可获得较高的板 效率，但降液管将占去塔板的传质效率，但降液管将占去塔板的传质 有效面积，影响塔的生产能力。有效面积，影响塔的生产能力。 溢流式塔板应用很广，按塔板的具体结构形式可分为：溢流式塔板应用很广，按塔板的具体结构形式可分为： 泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、网孔塔板、舌形塔板等。泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、网孔塔板、舌形塔板等。 逆流塔板（穿流式塔板）：逆流塔板（穿流式塔板）： 塔板间没有降液管，气、液两相同时由塔板间没有降液管，气、液两相同时由 塔板上的孔道或缝隙逆向穿流而过，板塔板上的孔道或缝隙逆向穿流而过，板 上液层高度靠气体速度维持。上液层高度靠气体速度

3、维持。 优点：优点：塔板结构简单，板上无液面差，塔板结构简单，板上无液面差， 板面充分利用，生产能力较大；板面充分利用，生产能力较大； 缺点：缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板板效率及操作弹性不及溢流塔板。 与溢流式塔板相比，逆流式塔板应用范围小得多，常见的板与溢流式塔板相比，逆流式塔板应用范围小得多，常见的板 型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。 液相 气相 1、泡罩塔板（、泡罩塔板（ Bubble-cap Tray ） 在工业上最早（在工业上最早（1813年）应用的年）应用的 一种塔板，其主要元件由升气管一种塔板，其主要元件由升气管 和泡罩构成，泡罩安装在升气管

4、和泡罩构成，泡罩安装在升气管 顶部，泡罩底缘开有若干齿缝浸顶部，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，以防止液高于泡罩齿缝的上沿，以防止液 体从中漏下。体从中漏下。 液体横向通过塔板经溢流堰流入降液管，气体沿升气管上升液体横向通过塔板经溢流堰流入降液管，气体沿升气管上升 折流经泡罩齿缝分散进入液层，形成两相混合的鼓泡区。折流经泡罩齿缝分散进入液层，形成两相混合的鼓泡区。 优点：优点：操作稳定，升气管使泡罩塔板低气速下也不致产生严操作稳定，升气管使泡罩塔板低气速下也不致产生严 重的漏液现象，故弹性大。重的漏液现象，故弹性大。 缺点：

5、缺点：结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低。结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低。 筛孔塔板简称筛板，其结构特点是在塔板上 开有许多均匀小孔，孔径一般为38mm。筛孔在 塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使 板上能保持一定厚度的液层。 2、筛孔塔板（、筛孔塔板（ Sieve Tray ） 筛孔塔板 a.操作示意图；b.筛孔布置图 v 板上液面落差小，气体压降低 v 生产能力大 v 操作弹性小 v 结构简单、造价低 v塔板效率较高 筛孔塔板的优缺点 优点 缺点 v 筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、黏度大的物料 2、筛孔塔板（、筛孔塔板（ Sieve Tray ） 3、浮阀塔板（、浮阀塔

6、板（ Valve Tray） 自自1950 年代问世后，很快在石油、化工行业得到推广，至今年代问世后，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。仍为应用最广的一种塔板。 结构：结构：以泡罩塔板和筛孔塔板为基础基础。有多种浮阀形式，以泡罩塔板和筛孔塔板为基础基础。有多种浮阀形式， 但基本结构特点相似，即在塔板上按一定的排列开若干孔，但基本结构特点相似，即在塔板上按一定的排列开若干孔， 孔的上方安置可以在孔轴线方向上下浮动的阀片。阀片可随孔的上方安置可以在孔轴线方向上下浮动的阀片。阀片可随 上升气量的变化而自动调节开启度。在低气量时，开度小；上升气量的变化而自动调节开启度。在低气

7、量时，开度小； 气量大时，阀片自动上升，开度增大。因此，气量变化时，气量大时，阀片自动上升，开度增大。因此，气量变化时， 通过阀片周边流道进入液体层的气速较稳定。同时，气体水通过阀片周边流道进入液体层的气速较稳定。同时，气体水 平进入液层也强化了气液接触传质。平进入液层也强化了气液接触传质。 优点：优点：结构简单，生产能力和操作弹性大，板效率高。综合结构简单，生产能力和操作弹性大，板效率高。综合 性能较优异。性能较优异。 浮阀塔板（浮阀塔板（ Valve Tray） F1型浮阀结构简单，易于制造，应用最普遍，为定型产品。型浮阀结构简单，易于制造，应用最普遍，为定型产品。 阀片带有三条腿，插入阀

8、孔后将各腿底脚外翻阀片带有三条腿，插入阀孔后将各腿底脚外翻 90，用以限，用以限 制操作时阀片在板上升起的最大高度；阀片周边有三块略向制操作时阀片在板上升起的最大高度；阀片周边有三块略向 下弯的定距片，以保证阀片的最小开启高度。下弯的定距片，以保证阀片的最小开启高度。 F1型浮阀分轻阀和重阀。轻阀塔板漏液稍严重，除真空操作型浮阀分轻阀和重阀。轻阀塔板漏液稍严重，除真空操作 时选用外，一般均采用重阀。时选用外，一般均采用重阀。 JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板 结构：结构：阀笼与塔板固定，阀片在阀笼内上下浮动。阀笼与塔板固定，阀片在阀笼内上下浮动。 将单一鼓泡传质，变为

9、双流传质，一部分为鼓泡、另一部分为将单一鼓泡传质，变为双流传质，一部分为鼓泡、另一部分为 喷射湍动传质，使塔的分离效率和生产能力都大大提高。喷射湍动传质，使塔的分离效率和生产能力都大大提高。 该塔板可作为化工过程中的气液传质、换热设备。该塔板可作为化工过程中的气液传质、换热设备。 特点：特点：结构简单、阀片灵活、高效、高通量、命长、耐堵塞。结构简单、阀片灵活、高效、高通量、命长、耐堵塞。 JCV浮阀 （改进型双流喷射浮阀） 普通型JCV浮阀与塔板固定方法 JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板）浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板） 低负荷下阀片工作状态 JCV浮阀塔板效率曲线 中负荷下阀片工作状态 高负荷下

10、阀片工作状态 JCV浮阀阀片 JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板） 2400 JCV浮阀塔板 1800 JCV浮阀塔板 4、JCPT塔板（并流喷射填料塔板塔板（并流喷射填料塔板 ） 塔板上的液体通过提液管与塔板之间的间隙被气体提升，气塔板上的液体通过提液管与塔板之间的间隙被气体提升，气 液并流通过提液管，在提液管内高速湍动混合、传质，然后液并流通过提液管，在提液管内高速湍动混合、传质，然后 气液并流进入填料中进一步强化传质，并完成气液分离。气气液并流进入填料中进一步强化传质，并完成气液分离。气 体靠压差继续上升，进入上一层塔板；液体基本以清液的形体靠压差继续上升，进入上

11、一层塔板；液体基本以清液的形 式回落到塔板上，沿流道进入降液管，下降到下一层塔板。式回落到塔板上，沿流道进入降液管，下降到下一层塔板。 与与普通塔板在传质机理上的区别：它是填料与塔板的复合体，普通塔板在传质机理上的区别：它是填料与塔板的复合体， 靠填料实现传质，靠塔板实现多级并流靠填料实现传质，靠塔板实现多级并流。 JCPT塔板（并流喷射填料塔板塔板（并流喷射填料塔板 ） 不同结构型式的JCPT塔板 5 5、舌形塔板、舌形塔板 一种斜喷射型塔板。结构一种斜喷射型塔板。结构 简单，在塔板上冲出若干简单，在塔板上冲出若干 按一定排列的舌形孔，舌按一定排列的舌形孔，舌 片向上张角片向上张角 以以20

12、左右左右 为宜。为宜。 20= o 50 R25 气相 优点：优点：气流由舌片喷出并带动液体沿同方向流动。气液并流气流由舌片喷出并带动液体沿同方向流动。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。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。量较小，故可达较高的生产能力。 缺点：缺点：张角固定，在气量较小时，经舌孔喷射的气速低，塔张角固定，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。板漏液严重，操作弹性小。 液体在同

13、一方向上加速，有可能使液体在板上的停留时间太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。短、液层太薄，板效率降低。 在舌形塔板上发展的斜孔塔在舌形塔板上发展的斜孔塔 板，斜孔的开口方向与液流板，斜孔的开口方向与液流 垂直且相邻两排开孔方向相垂直且相邻两排开孔方向相 反，既保留了气体水平喷出、反，既保留了气体水平喷出、 气液高度湍动的优点，又避气液高度湍动的优点，又避 免了液体连续加速，可维持免了液体连续加速，可维持 板上均匀的低液面，从而既板上均匀的低液面，从而既 能获得大的生产能力，又能能获得大的生产能力，又能 达到好的传质效果。达到好的传质效果。 斜孔塔

14、板斜孔塔板 浮舌塔板浮舌塔板 为使舌形塔板适应低负荷生产，提高为使舌形塔板适应低负荷生产，提高 操作弹性，研制出了可变气道截面操作弹性，研制出了可变气道截面 （类似于浮阀塔板）的浮舌塔板。（类似于浮阀塔板）的浮舌塔板。 1 9 R20 R16 8 37 3 1 o 20 降 液 管 a 斜孔结构 b 塔板布置 受 液 区 导 向 孔 6、网孔塔板、网孔塔板 网孔塔板由冲有倾斜开孔的薄板制网孔塔板由冲有倾斜开孔的薄板制 成，具有舌形塔板的特点。这种塔成，具有舌形塔板的特点。这种塔 板上装有倾斜的挡沫板，其作用是板上装有倾斜的挡沫板，其作用是 避免液体被直接吹过塔板，并提供避免液体被直接吹过塔板，

15、并提供 气液分离和气液接触的表面。气液分离和气液接触的表面。 网孔塔板具有生产能力大，压降低，网孔塔板具有生产能力大，压降低， 加工制造容易的特点。加工制造容易的特点。 挡沫板 塔板 A A 降 液 管 A-A剖视图 受 液 盘 7、垂直筛板、垂直筛板 在塔板上开按一定排列的若在塔板上开按一定排列的若 干大孔干大孔(直径直径100200mm)， 孔上设置侧壁开有许多筛孔孔上设置侧壁开有许多筛孔 的泡罩，泡罩底边留有间隙的泡罩，泡罩底边留有间隙 供液体进入罩内。供液体进入罩内。 气流将由泡罩底隙进入罩内的液体拉成液膜形成两相上升流气流将由泡罩底隙进入罩内的液体拉成液膜形成两相上升流 动，经泡罩侧

16、壁筛孔喷出后两相分离，即气体上升液体落回动，经泡罩侧壁筛孔喷出后两相分离，即气体上升液体落回 塔板。液体从塔板入口流至降液管将多次经历上述过程。塔板。液体从塔板入口流至降液管将多次经历上述过程。 与普通筛板相比，垂直筛板为气液两相提供了很大的不断更与普通筛板相比，垂直筛板为气液两相提供了很大的不断更 新的相际接触表面，强化了传质过程；且气液由水平方向喷新的相际接触表面，强化了传质过程；且气液由水平方向喷 出，液滴在垂直方向的初速度为零，降低了液沫夹带量，因出，液滴在垂直方向的初速度为零，降低了液沫夹带量，因 此垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的生产能力。此垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的

17、生产能力。 塔板的性能评价指标 v 生产能力大 v 塔板效率高 v 塔板压降低 v 操作弹性大 v 结构简单，制造维修方便，造价低 二、塔板的性能评价 常见塔板的性能比较 塔板类型 相对生 相对塔 操作 压力降 结构 成本 产能力 板效率 弹性 泡罩塔板 1.0 1.0 中 高 复杂 1.0 筛孔塔板 1.2 1.4 1.1 低 低 简单 0.4 0.5 浮阀塔板 1.2 1.3 1.1 1.2 大 中 一般 0.4 0.5 舌形塔板 1.3 1.5 1.1 小 低 简单 0.4 0.5 斜孔塔板 1.5 1.8 1.1 中 低 简单 0.4 0.5 二、塔板的性能评价 第九章 蒸 馏 9.9

18、 板式塔 9.9.1 塔板的类型及性能评价 9.9.2 塔板的结构 一、塔板的结构参数 塔板结构参数示意图 二、塔板的溢流装置 1. 降液管 降液管是塔板间液体流动的通道，也是使溢流 液中所夹带气体得以分离的场所。 降液管 圆形降液管 弓形降液管 矩形降液管 适用于小直径塔 适用于中等直径塔 适用于中大直径塔，采用中间溢流 二、塔板的溢流装置 塔板溢流类型 二、塔板的溢流装置 2. 受液盘 受液盘用于接受上层塔板下降的液体，通过进 口堰形成液封，并使液体在塔板上分布均匀。 受液盘 平受液盘 凹形受液盘 适用于小直径塔 适用于大直径塔 受液盘示意图 a.平受液盘；b. 凹型受液盘 第九章 蒸 馏

19、 9.9 板式塔 9.9.1 塔板的类型及性能评价 9.9.2 塔板的结构 9.9.3 板式塔的流体力学性能和操作特性 一、板式塔的流体力学性能 塔板上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。当液体流 量一定时，随着气速的增加，可以出现四种不同的 接触状态： v 鼓泡接触状态 v 蜂窝接触状态 v 泡沫接触状态 v 喷射接触状态 1. 塔板上气液两相的接触状态 （1）鼓泡接触状态 鼓泡接触状态 气速较低时，气 体以鼓泡形式通过液 层。由于气泡的数量 不多，形成的气液混 合物基本上以液体为 主，气液两相接触的 表面积不大，传质效 率很低。 一、板式塔的流体力学性能

20、 （2）蜂窝状接触状态 蜂窝状接触状态 随着气速增加，气泡 数量不断增加。当气泡形 成速度大于气泡浮升速度 时气泡在液层中累积。气 泡间相互碰撞，形成各种 多面体的大气泡。由于气 泡不易破裂，表面得不到 更新，所以此种状态不利 于传热和传质。 一、板式塔的流体力学性能 （3）泡沫接触状态 泡沫接触状态 当气速继续增加，气 泡数量急剧增加，气泡不 断发生碰撞和破裂，此时 板上液体大部分以液膜的 形式存在于气泡之间，形 成一些直径较小，扰动十 分剧烈动态泡沫，由于泡 沫接触状态表面积大，并 不断更新，是一种较好的 接触状态。 一、板式塔的流体力学性能 （4）喷射接触状态 喷射接触状态 当气速继续增

21、加，把板 上液体向上喷成大小不等的 液滴，直径较大的液滴受重 力作用落回到塔板上，直径 较小的液滴被气体带走，形 成液沫夹带。液滴回到塔板 上又被分散，这种液滴反复 形成和聚集，使传质面积增 加，表面不断更新，是一种 较好的接触状态。 一、板式塔的流体力学性能 气体通过塔板需克服一定的阻力塔板压降。 塔板 阻力 板上各部件所造成的局部阻力。 板上充气液层的静压力形成的阻力。 液体表面张力形成的阻力。 塔板压降=干板压降+充气液层压降+表面张力压降 干板阻力 充气液层阻力 表面张力阻力 一、板式塔的流体力学性能 2. 塔板压降 分析 气液接 触时间 塔板效率 塔釜温度 气体阻力 塔板压降 塔板压

22、降 能量消耗 对热敏性物系的分离，应采用较低的塔板压降。 一、板式塔的流体力学性能 当液体横向流过塔板时，为克服板上的摩擦阻 力和板上部件（如泡罩、浮阀等）的局部阻力，需 要一定的液位差，则在板上形成由液体进入板面到 离开板面的液面落差。 塔板上的液面 落差示意图 液面 落差 一、板式塔的流体力学性能 3. 液面落差 分析 气液分布 均匀程度 塔板效率 与塔板的 结构有关 泡罩塔板大 浮阀塔板中 筛孔塔板小 与塔径、液 体流量有关 塔径 流量 一、板式塔的流体力学性能 （1）漏液 在正常操作塔板上，液体横向流过塔板，然后 经降液管流下。当气体速度较小时，气体通过升气 孔道的动压不足以阻止板上液

23、体经孔道流下时，便 会出现漏液现象。 为保证塔正常操作，漏液量应不大于液体流量 的10%。漏液量为10%的气体速度称为漏液速度，它 是板式塔操作气速的下限。 二、板式塔的操作特性 1.塔板上的异常操作现象 上升气流穿过塔板上液层时，必然将部分液体 分散成微小液滴，气体夹带着这些液滴在板间的空 间上升，如液滴来不及沉降分离，则将随气体进入 上层塔板，这种现象称为雾沫夹带。 为维持正常操作，需将雾沫夹带限制在一定范 围，一般为 eV 0.1kg(液)/ kg(气)。 （2）雾沫夹带 雾沫夹带量 二、板式塔的操作特性 （3）液泛 塔板正常操作时，在塔板上应维持一定厚度的 液层，以和气体进行接触传质。如果由于某种原因 导致液体充满塔板之间的空间，使塔的正常操作受 到破坏，这种现象称为液泛。 液泛 夹带液泛 降液管液泛 由雾