化工分离新技术第二章精馏3

1、一、概述 工业上对塔设备有一定的要求，概括起来有如下几个方面: （1）生产能力要大，即塔单位截面的处理量要大。 （2）分离效率要高，对于板式塔，要求板效率大；对于填料塔， 则要求等板高度HETP小。这样，达到规定分离要求的塔高可以降低。 （3）要有适当的操作弹性，即允许汽体或液体的负荷在一定的范 围内变化，塔仍能正常操作而保持高的分离效率。 （4）对汽流的阻力要小，这对于减压精馏尤其重要；对于填料塔， 低压降往往与高的处能力相联系。 （5）结构简单，易于加工制造，维修方便。此外，对于有些应用 场合，对于耐腐蚀性、不易堵塞等方面还会有特殊要求。 工业上应用多种塔型，任何一种塔型都难以 达到上列各

2、项要求，而是各具有一定特点。对于 具体的应用场合，也不是对上列各项等同要求， 而是有所偏重。充分掌握各种塔型的特点，了解 具体应用场合的要求，才能对塔型作出合理的选 择。 塔型的选择是塔设计中关键的一步，这里包 含两个问题，首先是决定采用板式塔还是填料塔， 其次是决定选用哪种塔板或填料。 板式塔为逐级接触式气液传质设备。板式塔结构如图所示。塔 体为一圆式筒体，塔体内装有多层塔板。塔板设有气、液相通道， 如筛孔及降液管、底隙、溢流堰等。 操作时，塔内液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下 层塔板的受液盘，然后横向流过塔板，从另一侧的降液管流到下层 塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的流

3、动液层。气体则 在压力差的推动下，自下而上穿过各层塔板的升气道(泡罩、筛孔或 浮阀等)，分散成小股气流,鼓泡通过各层塔板的液层。在塔板上，气 液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大而且不 断更新的相际接触表面，减小传质阻力。在塔中，尽量使两相呈逆 流流动，以提供最大的传质推动力。气液两相逐级接触，两相的组 成沿塔高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相为连续相，气相为分 散相。 1、塔内气、液两相异常流动、塔内气、液两相异常流动 塔内气、液两相异常流动包括漏液、液泛和液沫夹带、泡沫夹 带等，会使塔板效率降低。在操作中应避免这种异常现象的发生。 漏液漏液 漏液是液体不经正常的降液管通道流

4、到下一层塔板。原 因是气速太小和板面液面落差太大，气体分布不均。工程上规定漏 液量不应大于液体量的10%，此时的气速为漏液速度，它是塔操作 气速的下限。 液沫夹带液沫夹带 液沫夹带是上升的气流，带着液滴在板间的空间上 升，液滴来不及沉降分离，而随气体进入上一层塔板，这种现象叫 液沫夹带。其原因很多，最主要的是空塔气速较大和板间距较小。 工程上规定正常操作时，液沫夹带量为e0.1kg(液)/kg(气)。 泡沫夹带泡沫夹带 泡沫夹带是气泡随着板上液流进入降液管,由于停 留时间不够，而随液体进入下一层塔板的现象叫泡沫夹带。一般 由设计人员考虑避免此现象发生，工程上规定，液流在降液管中， 至少停留5s

5、。 液泛液泛 液体充满每块塔板之间的空间阻碍了气体上升和液体 下降，这种现象叫液泛。其产生的原因有两种情况： 当塔板上液体流量很大，上升气体的速度很高时，液体被 气体夹带到上一层塔板上的量剧增，使塔板间充满气液混合物， 使整个塔连成一片，塔顶液体流不下来，这种由于液沫夹带严重 而引起的液泛称为夹带液泛夹带液泛； 当降液管内液体不能顺利流到下一层塔板，管内液体积累 直至占满两板之间的空间，并逐步推向塔顶，这种液泛叫降液管降液管 液泛液泛。 液泛的形成与气液两相流量有关。对一定的 液体流量，气速过大会形成液泛；反之，对 一定 的气体流量，液体流量过大也可能发生液泛。液 泛时的气速称为泛点气速，正常

6、操作气速应控制 在泛点气速之下。 影响液泛的因素除气液流量外，还与塔板的 结构，特别是板间距等参数有关。设计中采用较 大的板间距，可提高液泛速度。 2、塔板上汽液流动状态、塔板上汽液流动状态 筛板塔和浮阀塔的生产实践和研究发现，从严重漏 液到液泛的整个操作范围中，存在着五种汽液接触状况： （1） 鼓泡状态鼓泡状态 发生在低蒸汽流速区域，蒸汽被分 散成断续的汽泡群通过板上液层，此液层比较平静，并 有着清晰的表面，汽泡表面为两相传质界面。从空气-水 系统的实验观察到, 当蒸汽速度大于0.045m/s时，已不大 可能发生鼓泡状态。在出口堰较高的小试或中试塔中， 有可能出现这种状态。由于在这种状态下两

7、相间湍动程 度弱，传质面积小，传质效率差，因此在小试或中试塔 中出现这种状态时，其实测传质数据的应用需特别小心。 （2）蜂窝状泡沫态蜂窝状泡沫态 发生在汽速很低的小试塔中， 靠塔壁作用而达到稳定。液体成薄膜位于泡沫间，汽泡 呈多面体，泡沫层具有明显的上界面，塔板孔口处形成 的汽泡在其上升途中未发生破裂，泡沫层的湍动程度弱。 这种状态下测得的小试结果应用时也需特别小心。 （3）泡沫状态泡沫状态 随蒸汽流速增加，上述两种状态将 转变为泡沫状态。此时孔口鼓泡变得剧烈，各种大小的 汽泡连接成串而迅速上升，液体大多成薄膜状存在于汽 泡之间而变成泡沫层。泡沫层泡沫剧烈运动，不断破裂 和生成，泡沫层界面不断

8、波动，其上面笼罩着汽泡破裂 产生的液滴群。泡沫状态为传质创造了良好条件，是工 业塔板上重要的汽液接触状态之一。 (4) 喷射状态喷射状态 在液体流率较小而进一步增加汽速时，将由泡 沫状态转变到喷射状态。此时，从筛孔或阀孔中吹出的高速汽流 将液体喷散成高度湍动的液滴群，液体从连续相转变为分散相， 蒸汽则成了连续相。喷射状态下两相间的传质面积为液滴群表面， 液体流经一块塔板经受多次分散和聚并。因此，为汽液两相间传 质同样创造了良好条件，是工业塔板上另一种重要的汽液间的接 触状态。 塔板上汽液两相间接触状态间的转变称为转相。随汽速的增 加在泡沫状态与喷射态间的变化是渐变的，开始时个别筛孔以喷 射代替

9、鼓泡，随汽速增大发生喷射的筛孔数增多，当喷射变成蒸 汽分散为主要机理时,接触状态从泡沫态变成了喷射态。普拉多和 费尔等指出，当塔板上起喷射作用的小孔达到45%70%时，可以 认为两相接触状态已是喷射态。 泡沫状喷射状 图 汽液接触状态 (5) 乳化状态乳化状态 当汽速相对较低而液流负荷大时，高 速液流的剪切作用使汽泡在形成初期被及时切下，成为 小汽泡夹带在液流中，形成了均匀的两相流体。工业上 这种状态仅在高压塔高液流时可能出现。 3、影响接触状态转变的因素、影响接触状态转变的因素 上面讨论中己指出，鼓泡状态和蜂窝状泡沫态在工 业塔中不大可能出现，主要为泡沫态和喷射态。影响相 转变的主要因素有如

10、下几方面： (1) 液汽比液汽比L/V L/V大，易呈现泡沫状态。在精馏塔 中，精馏段的L/V往往较小，易呈现喷射态，而提馏段中 较易呈现泡沫状态。 (2) 塔径影响塔径影响 在同样的L/V和该点百分率条件下，V 和L的变化与塔径的平方成正比，塔中蒸汽流动面积也与 塔径的平方成正比。因此，蒸汽流动情况与塔径无关， 但在液流程数恒定时，堰长基本上与塔径成正比，所以 随塔径增大，堰上的液流强度也按比例增大，易产生乳 化状态。 (3) 板间距的影响板间距的影响 在同样的L/V和泛点百分率条件 下，减低板间距将使液泛速度下降，操作汽速同样变小， 易形成泡沫态或乳化态。相反，增大板间距则易形成喷 射态。

11、 (4) 筛孔直径的影响筛孔直径的影响 大孔径有利于喷射态 形成。 (5) 开孔率的影响开孔率的影响 开孔率低易形成喷射态。 泡沫态与乳化态间转相未发现受开孔率的影响。 (6) 溢流堰高的影响溢流堰高的影响 堰高的增大略微有利 于泡沫态的形成，对泡沫态与乳化态间的转相未 发现有影响。 按照气相通过塔盘传质元件的不同型式，可分为不 同型式的塔板，现就常用板式塔介绍如下： 1、泡罩塔板、泡罩塔板 泡罩塔板的结构如图所示。它的主要元件为升气管 及泡罩。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种， 其中圆形泡罩使用较广。泡罩的下部周边有很多齿缝， 齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上按一定 规律排

12、列。 操作时，板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层 中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿， 以防止液体从升气管中漏下。上升气体通过齿缝进入板 上液层时，被分散成许多细小的气泡或气流，在板上形 成鼓泡层,为气液两相的传热和传质提供大量的接触界面。 泡罩塔板的优点：由于有升气管，在很低的气速下 操作，不会产生严重的漏液现象，即操作弹性大；不易 堵塞，适用于处理各种物料。泡罩塔对设计和操作的正 确性要求较低，所以自1913年问世以来，很快获得了广 泛应用，在50年代以前是工业上最主要的塔型。 其缺点：结构复杂，造价高；板上液层厚，气流曲 折；塔板压降大，生产能力及板效率低。近年来，泡罩 塔

13、板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代。 2、筛孔塔板、筛孔塔板 筛孔塔板简称筛板，其结构如图所示。塔 板上开有许多均匀的小孔，筛孔在塔板上按一定 规律排列。塔板上设置溢流堰，使板上保持一定 厚度的液层。 操作时，气体经筛孔分散成小股气流。当气 速很低时，气流以气泡通过液层，塔板上两相呈 鼓泡接触状态；当气速较大时，板上形成泡沫状 态；气速再增大，板上形成喷射接触状态，两相 接触传质传热面积是液滴的外表面。在正常的操 作条件下，通过筛孔上升的气流应能阻止液体经 筛孔向下泄漏。一般气速选择，应使板上液层处 于泡沫状态或喷射状态。 筛板的优点：结构简单，造价低；板上液面落差小， 气体压降低，生产能力较大；

14、气体分散均匀；传质效率 高。 其缺点：由于筛孔一般在38mm，易堵塞，不宜处 理粘度大、易结焦的物料。 开始由于对筛板塔性能缺乏了解，操作经验不足， 认为筛板塔盘易漏液、操作弹性小、易堵塞，使应用受 到限制。后经研究和操作使用发现，只要设计合理操作 适当，筛板塔仍可满足生产所需要弹性，而且效率较高。 若将筛孔增大，堵塞问题也可解决。目前，已发展为广 泛应用的一种塔型。 3、浮阀塔板、浮阀塔板 浮阀塔是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来 的，它吸收了两种塔板的优点。其结构如图所示。在塔 板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可以上下浮动 的阀片。阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底 脚旋转9

15、0度，用以限制操作高度，并使阀片不被气体吹 走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低 时，靠定距片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，阀片与 塔板点接触也可防止停工后阀片与板面粘结。 操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进人液层， 增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变。低气量时，开度较小， 气体仍能以足够的气速通过缝隙，避免漏液；高气量时，阀片自动浮起, 开度增大，限制气速不致过大，而导致较大能量损失。 浮阀塔板的优点：结构简单，制造方便，造价低；塔板开孔大，生 产能力大；由于阀片可随气量变化自由升降，故操作弹性大；因上升气 流水平吹人液层，气液接触时间较长，故塔板效率高

16、。 其缺点：不易处理易结焦、粘度大的物料；操作中有时会发生阀片 脱落或卡死等现象，使塔板效率和弹性下降。 由于浮阀塔板优点显著，应用广泛，也是目前新型塔板研究开发的 主要方向。近年来研究开发出的新型浮阀有船型浮阀、管形浮阀、梯形 浮阀、双层浮阀、V-V浮阀、混合浮阀等，其共同的特点是加强了流体 的导向作用和气体的分散作用，使气液两相流动接触更加有效，提高操 作弹性和板效率。 4、喷射型塔板、喷射型塔板 上述几种塔板，气体是以鼓泡或泡沫状态与液体接 触,当气体垂直向上穿过液层时，使分散形成的液滴或泡 沫具有一定向上的初速度。若气速过高，会造成较为严 重的液沫夹带现象，使板效率下降，因而这些塔板生

17、产 能力受到限制。为克服这些缺点，近年来研究开发出了 喷射型塔板。在喷射型塔板上，气体沿水平方向喷出， 不再通过较厚的液层而鼓泡，因而塔板压降降低，液沫 夹带量减少，可采用较大的操作气速，提高了生产能力。 (1) 舌型塔板舌型塔板 是喷射型塔板的一种，其结构如图所示。在塔板上 开出许多舌型孔，向塔板液流出口处张开。舌片与板面成一定的角度， 按一定规律排布，塔板的液流出口处不设溢流堰，只保留降液管，降液 管截面积要比一般塔板的降液管截面积设计得大一些。 操作时，上升的气流沿舌片喷出，其喷出速度可达2030m/s。从上 层塔板降液管流下来的液体，流过每排舌孔时，即被喷出的气流强烈扰 动而形成液沫，

18、被斜向喷射到液层上方，喷射的液流冲至降液管上方的 塔壁后流入降液管中，流到下一层塔板。 舌型塔板的优点：因开孔率较大，且可采用较高的空塔气速，故生 产能力大；因气体通过舌孔斜向喷出，气液两相并流，可促进液体的流 动，使液面落差减少，板上液层较薄，故塔板压降低；又因液沫夹带到 上一极机会减少，板面间无反混现象，故传质效率较高。 舌型塔板的缺点：气流截面积是固定的，操作弹性小；被气体喷射 的液流在通过降液管时，会夹带气泡到下层塔板，这种气相夹带现象也 会影响塔板效率。 舌型塔板 (2)浮舌塔板浮舌塔板 为提高舌型 塔板的操作弹性，可吸取浮阀 塔板的优点，将固定舌片用可 上下浮动的舌片来代替，这种

19、塔板称为浮舌塔板，其结构如 图所示。浮舌塔板兼有浮阀塔 板和固定舌片塔板的特点，处 理能力大，压降低操作弹性大， 特别适用于热敏性物系的减压 分离过程。 浮舌塔板 (3) 斜孔塔板斜孔塔板 斜孔塔板是人们分析了筛孔、浮阀和 舌片塔板上气液流动和液沫夹带产生的机理之后提出的 一种新型塔板，其结构如图所示。 斜孔塔板克服了筛孔塔板和舌型塔板的缺点，在板上 开有斜孔、孔口与板面成一定角度。斜孔的开口方向与液 流方向垂直，同一排孔的孔口方向一致，相邻两排开孔方 向相反，使相邻两排孔的气体反方向喷出。这样，气流不 会对喷，即可得到水平方向较大的气速，又阻止了液沫、 气沫夹带，使板面上液层低而均匀，气体和液体不断分散 和聚集，其表面不断更新，气液接触好，传质效率高。 斜孔塔板的生产能力比浮阀塔板大30%左右，效率与 之相当，是一种性能良好的塔板。 (4)垂直筛板垂直筛板 垂直筛板是近年来开发 的一种新型喷射塔板，结构如图所示。它 由直径为100200mm的大筛孔和侧壁开的 许多小筛孔的圆形泡罩组成。塔板上液体 被大筛孔上升的气体拉成膜状沿泡罩内壁 向上流动，并与气体一起由筛孔水平喷出。 这种喷射型塔板要求有一定的液层高度， 以维持泡罩底部的液封，故必须设置板上 溢流堰。 垂直筛板集中了泡罩塔板、筛孔