A2-3蒸馏和吸收塔设备

1、化工原理 A(2)Principles of Chemical Engineering A(2)A(2)-3 蒸馏和吸收塔设备塔设备A(2)-1 蒸馏*A(2)-2 吸收*A(2)-3 蒸馏和吸收塔设备A(2)-4 液-液萃取A(2)-5 干燥塔设备塔设备31 板式塔一、板式塔的结构二、塔板的类型三、板式塔的流体力学性能3-2 填料塔一、填料塔的结构特点二、填料的类型三、填料的性能评价四、填料塔的流体力学性能五、填料的选择六、填料塔的内件塔设备塔设备一、板式塔的结构板式塔内流体的流动 圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管、受液盘等。构成: 逐级接触式气液传质设备。 气液两相在塔板上密切接触，进行热

2、量和质量的交换。 液相为连续相，气相为分散相。 特点:空塔速度较高，生产能力较大。 操作弹性大。 造价低，检修、清洗方便。 塔板操作示意塔设备1. 泡罩塔板二、塔板的类型 单个泡罩 泡罩塔盘 常见塔板类型塔设备主要由升气管及泡罩构成 泡罩的下部周边开有很多齿缝 上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成细小气泡，在板上形成鼓泡层 优点：操作弹性较大，塔板不易堵塞 结构复杂、造价高，板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低缺点：泡罩塔板已逐渐被淘汰 结构：工作原理：操作时齿缝浸没在液层中形成液封塔设备2筛孔塔板（筛板）筛板筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。 优点： 结构简单、造价低，板上液

3、面落差小，气体压降低，生产能力大，传质效率高。缺点：筛板塔的设计和操作精度要求较高，过去工业应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板塔的操作非常精确，应用日趋广泛。目前，工业应用中已有孔径大于12mm的筛板。孔径一般为38mm 筛板塔内流动塔设备新型垂直筛板塔设备3. 浮阀塔板浮阀塔板的工作原理 缺点：气速高时，易造成液沫夹带，塔板效率下降，生产能力受限。 塔设备4喷射型塔板(1) 舌型塔板 上升气流沿舌片喷出，使流过舌孔的液体形成液沫，斜向喷射到液层上方，冲至降液管上方的塔壁后流入降液管。 工作原理 生产能力大，塔板压降低，传质效率较高；优点 操作弹性较小，气体喷射作用易

4、使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，从而降低塔板效率。缺点塔设备浮舌塔板 舌片可上下浮动。 兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，具有处理能力大、压降低、操作弹性大等优点。 (3) 斜孔塔板 板上开斜孔，斜孔方向与液流方向垂直，同排孔向一致，邻排孔向相反。 相邻两排孔的气体方向相反，阻止了液沫夹带，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，气液接触良好，传质效率提高。 (2) 浮舌塔板 塔设备 板上液体被喷成大小不等的液滴，大的又落回到板上，小的被气体带走（液沫夹带）。塔板上气体为连续相，传质面积是液滴的外表面，传质面积大增，且表面不断更新，有利于传质传热。 板上液体大部分

5、以液膜形式存在于气泡之间，形成动态泡沫。泡沫接触状态的表面积大，并不断更新，为两相传热传质提供了良好条件。 气速较低时，气体鼓泡通过液层。形成的气液混合物以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率低。 气速增加，气泡数增加。气泡相互碰撞，形成各种多面体大气泡，板上气液混合物以气体为主。此时气泡不易破裂，表面得不到更新，不利于传热和传质。 三、板式塔的流体力学性能在塔板上进行传热传质，希望传热传质阻力小，传递效率高。1. 塔板上气液两相的接触状态当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现四种不同的接触状态。(a) 鼓泡接触状态 (b) 蜂窝状接触状态 (c) 泡沫接触状态 (d) 喷射接触状

6、态 气液两相的热质传递与其在塔板上的流动状况即流体力学性能密切相关。塔设备2气体通过塔板的压降气体通过塔板的压降（塔板总压降）干板阻力充气液层的静压力液体的表面张力塔板压降是影响板式塔操作特性的重要因素。 一方面，塔板上气液两相的接触时间随之延长，板效率升高，完成同样的分离任务所需实际塔板数减少，设备费降低。 另一方面，塔釜温度随之升高，能耗增加，操作费增大，若分离热敏性物系时易造成物料的分解或结焦。 塔板压降增大：塔设备 液面落差将导致气流分布不均，从而造成漏液现象，使塔板的效率下降。 3塔板上的液面落差 当液体横向流过塔板时，为了克服流动阻力，需要一定的液位差。 液面落差也是影响板式塔操作

7、特性的重要因素。液面落差的大小与塔板结构、塔径、液体流量等有关。 在塔板设计中应尽量减小液面落差。塔设备4塔板上的异常操作现象塔板的异常操作现象包括漏液、液沫夹带和液泛。 (1) 漏液 在正常操作的塔板上，液体横向流过塔板，然后经降液管流下。 当气体通过塔板的速度较小时，气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下时，就出现漏液现象。 漏液导致气液两相在塔板上的接触时间减少，塔板效率下降，严重时会使塔板不能积液而无法正常操作。 通常，为保证塔的正常操作，漏液量应不大于液体流量的10%。 漏液量达到10%的气体速度称为漏液速度，它是板式塔操作气速的下限。 漏液的主要原因是气速太小和板面上液

8、面落差所引起的气流分布不均匀。 塔设备(2) 液沫夹带 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，这种现象称为液沫夹带。 液滴的生成虽然可增大气液两相的接触面积，有利于传质和传热，但过量的液沫夹带常造成液相在塔板间的返混，进而导致板效率严重下降。 一般允许的液沫夹带量eV 0.1kg(液)/ kg(气)。塔板的适宜操作区应在该线以下。 (3) 液相负荷下限线 操作的液相负荷低于此线时，液体流量过低，板上液流不能均匀分布，气液接触不良，易产生干吹、偏流等现象，导致塔板效率的下降。塔板的适宜操作区应在该

9、线以右。 (4) 液相负荷上限线 操作的液相负荷高于此线时，液体流量过大，此时液体在降液管内停留时间过短，进入降液管内的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，塔板效率下降。塔板的适宜操作区应在该线以左。 (5) 液泛线 操作的气液负荷超过此线时，塔内将发生液泛现象，使塔不能正常操作。塔板的适宜操作区在该线以下。 塔设备6板式塔的操作分析 在塔板的负荷性能图中，由五条线所包围的区域称为塔板的适宜操作区。 操作时的气相负荷V与液相负荷L在负荷性能图上的坐标点称为操作点。 在连续精馏塔中，回流比为定值，故操作的气液比V/L也为定值。因此，每层塔板上的操作点沿通过原点、斜率为V/L的直线

10、而变化，该直线称为操作线。 操作线与负荷性能图上曲线的两个交点分别表示塔的上下操作极限，两极限的气体流量之比称为塔板的操作弹性。 设计时，应使操作点尽可能位于适宜操作区的中央。 设计塔板时，根据操作点在负荷性能图中的位置，适当调整塔板结构参数，可改进负荷性能图。（如加大板间距可使液泛线上移，减小塔板开孔率可使漏液线下移，增加降液管面积可使液相负荷上限线右移等） 塔设备4653421液体气体8一、填料塔的结构 以塔内的填料作为气液接触构件的传质设备。 操作原理：液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。

11、塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。填料：大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。塔内件：填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。特点：优点能力大，效率高，压降小，持液量小，弹性大等优点。 缺点造价高，填料表面润湿问题，易堵塞，不宜侧线进出料。塔设备1散装填料环拉西环鲍尔环十字环填料塔设备阶梯环环矩鞍填料槽鞍填料 塔设备球形填料网状填料塔设备2规整填料波纹填料 塔设备脉冲规整填料各种陶瓷规整填料塔设备1填料的几何特性 填料的流体力学和传质性能与填料的材质、大小和几何形状紧密相关，材质一定时，表征填料特性的参数主

12、要有：填料因子f：填料比表面积与空隙率三次方的比值(1/m), 即f =a/3, 表示填料的流体力学性能, f 值越小, 流动阻力越小。有干填料因子与湿填料因子之分。 空隙率 ：单位体积填料所具有的空隙体积(m3/m3)。代表气液两相流动的通道， 大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。 = 0.450.95。比表面积 a：单位体积填料层所具有的表面积(m2/m3)。被液体润湿的填料表面就是气液两相的接触面。大的 a 和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。对同种填料，填料尺寸越小，a 越大，但气体流动的阻力也要增加。堆积密度 p ：单位体积填料的质量(kg/m3)。在机械强度允许的条件下,

13、填料壁要尽量薄, 以减小填料的堆积密度, 从而既降低成本又增加空隙率。 机械强度大，化学稳定性好及价格低廉等也是优良填料应兼有的特性。塔设备2填料的性能评价 填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下, 填料的比表面积越大, 气液分布越均匀, 表面的润湿性能越好, 则传质效率越高; 填料的空隙率越大, 结构越开敞, 则通量越大, 压降亦越低。 九种填料综合性能评价填料名称评估值语言值 排序丝网波纹填料0.86很好 1孔板波纹填料0.61相当好 2金属环矩鞍填料 0.59相当好 3金属鞍形环0.57相当好 4金属阶梯环0.53一般好 5金属鲍尔环0.51一般好 6瓷环矩

14、鞍填料 0.41较好 7瓷鞍形环0.38略好 8瓷拉西环0.36略好 9塔设备 填料塔效率主要取决于填料塔的流体力学性能：持液量、压降、液泛气速、气液分布等对填料塔的设计和操作参数的确定至关重要。1填料层的持液量 填料层的持液量：操作时单位体积填料在表面和空隙中所积存的液体体积量，即(m3液体)/(m3填料) 。由静持液量Hs和动持液量Ho两部分组成。 动持液量：停止气液两相进料后从填料中排放出来的液体。与填料特性，物性及气液两相流量有关。 静持液量：液体排放完后仍保留在填料层内的那部分液体。与填料表面积，表面特征及润湿性有关，与气液负荷无关。 总持液量：在一定操作条件下存留于填料层中的液体总

15、量。显然，有 持液量对填料的压降、气液通量以及分离效率均有影响。 液体在填料层中的停留时间与持液量成正比，故热敏性物系分离不宜采用持液量大的填料。 填料塔稳定操作时持液量越小，灵敏度越高。 理想的操作：大传质表面，较小持液量。 0tsHHH塔设备2填料层的压降上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。 载液区高液量低液量CCBBL=0L1L2lg ulg p载点气速液泛气速恒持液量区液泛区 填料层压降与液体喷淋量及气速有关。在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。 干填料压降线:气体通过干填料层的压降 p 与空塔气速 u 的关系在双对数坐标上

16、为直线, 斜率 1.82.0。 有一定持液量时, pu 不再为简单的直线关系(喷淋密度为L1、L2曲线), 且存在两个较明显的转折点。填料操作压降线 原因：喷淋液体在填料上形成液膜，占据部分空隙，减小了气体的流通截面，因此较相同空塔气速的压降高。结论：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，既有较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。 塔设备3液泛泛点：液泛开始发生，是填料塔的操作极限。泛点气速：开始发生液泛时的气速，泛点的直接表达参数。 泛点气速下，持液量增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔

17、的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。 为防止液泛发生，最大操作气速应 95%泛点气速，设计点的气速通常取泛点气速的50%80%。故正确估算泛点气速对填料塔的设计和操作十分重要。 填料的种类，物系的物性以及气、液相负荷等因素对泛点都有一定的影响。填料因子f值越小，泛点气速越大，即越不易发生液泛。泛点气速的估算通常借助于实验数据所得的各种经验关联式或关联图。塔设备4液体喷淋密度和填料表面的润湿 填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而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。 液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/(m2h)。为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。最小喷淋密度由经验式计算。 填料表面润湿性能与填料的材质有关，就常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言，以陶瓷填料的润湿性能最好，塑料填料的润湿性能最差。塔设备填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。 塔设备1填料支承装置用于散装填料的气液分流式填料支承栅板式支承板塔设备2填料压紧装置塔设备