第四章气液传质设备

1、第四章第四章 气液传质设备气液传质设备4.1.1 概述概述4.1.2 板式塔的类型板式塔的类型4.1.3 气体通过塔板压力降气体通过塔板压力降4.1.4 筛板塔内气液两相的筛板塔内气液两相的 非理想流动非理想流动4.1.5 不正常操作现象不正常操作现象 4.1.6 塔板负荷性能图塔板负荷性能图4.1.7 塔板效率塔板效率4.1.1 概述概述一、板式塔的设计意图一、板式塔的设计意图 1. 在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分在每块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，以减小传质阻力；新的相际接触表面，以

2、减小传质阻力； 2. 在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提 供较大的传质推动力。供较大的传质推动力。板式塔：板式塔：总体上气液呈逆流流动总体上气液呈逆流流动； 每块塔板上呈均匀错流每块塔板上呈均匀错流。降液管降液管受液区受液区溢流堰溢流堰安定区安定区开孔区开孔区俯视图俯视图边缘固定区边缘固定区开孔区（有效传质区）：塔板上布置有筛孔的区域，提供主要汽液传质区域。降液区：每根降液管所占用的塔板区域，液体自上一层塔板流至其下一层塔板的通道。安定区 ：此区域不开孔是为了防止因这部位液层较厚而造成倾向性漏液，同时也防止气泡窜入降液管。边缘固定区：在塔板边缘有宽度为

3、Wc的区域不开孔，这部分用于塔板固定。 二、气液两相接触状态二、气液两相接触状态鼓泡接触状态鼓泡接触状态稳定的气泡表面稳定的气泡表面泡沫接触状态泡沫接触状态更新的液膜表面更新的液膜表面喷射接触状态喷射接触状态更新的液滴表面更新的液滴表面1. 鼓泡接触状态鼓泡接触状态 液体液体连续相连续相 气体气体分散相分散相 两相接触面积：气泡表面两相接触面积：气泡表面2. 泡沫接触状态泡沫接触状态 液体液体 连续相连续相 气体气体 分散相分散相 两相接触面积：不断更新的液膜表面两相接触面积：不断更新的液膜表面气体气体 连续相连续相 液体液体 分散相分散相两相接触面积：不断更新的液滴表面两相接触面积：不断更新

4、的液滴表面3. 喷射接触状态喷射接触状态4 气体阻力小气体阻力小-气体阻力小可使气体输送的功率消耗小。气体阻力小可使气体输送的功率消耗小。对真空精馏来说，降低塔器对气流的阻力可减小塔顶，底间对真空精馏来说，降低塔器对气流的阻力可减小塔顶，底间的压差，降低塔的操作压强，从而可降低塔底溶液泡点，降的压差，降低塔的操作压强，从而可降低塔底溶液泡点，降低对塔釜加热剂的要求，还可防止塔底物料的分解。低对塔釜加热剂的要求，还可防止塔底物料的分解。 5 结构简单，设备取材面广结构简单，设备取材面广-便于加工制造与维修，价便于加工制造与维修，价格低廉，使用面广。格低廉，使用面广。 错流式错流式 液体沿水平方向

5、横过塔板，气体则沿与塔液体沿水平方向横过塔板，气体则沿与塔板垂直方向由下而上穿过板上的孔通过塔板，气液呈错流。板垂直方向由下而上穿过板上的孔通过塔板，气液呈错流。筛板塔、浮阀塔及泡罩塔等的操作均属此类型。这种类型筛板塔、浮阀塔及泡罩塔等的操作均属此类型。这种类型塔的结构特点是具有降液管。降液管提供了液体从一块塔塔的结构特点是具有降液管。降液管提供了液体从一块塔板流至其下一块塔板的通道。板流至其下一块塔板的通道。 逆流式逆流式 气液皆沿与水平塔板相垂直的方向穿过板上气液皆沿与水平塔板相垂直的方向穿过板上的孔通过塔板。气体由下而上，液体由上而下，气液呈逆的孔通过塔板。气体由下而上，液体由上而下，气

6、液呈逆流。淋降筛板塔即属此类型。此类型塔板没有降液管。流。淋降筛板塔即属此类型。此类型塔板没有降液管。 4.1.2 板式塔的类型板式塔的类型 这两种类型的塔，就全塔而言，气液皆呈逆流。两种类型的这两种类型的塔，就全塔而言，气液皆呈逆流。两种类型的塔在操作时板上都有积液，气体穿过板上小孔后在液层内生成气塔在操作时板上都有积液，气体穿过板上小孔后在液层内生成气泡。板上泡沫层便是气液接触传质的区域。泡。板上泡沫层便是气液接触传质的区域。板式塔的塔板类型板式塔的塔板类型二、筛板塔（二、筛板塔（筛板塔约于筛板塔约于18321832年开始用于工业生产年开始用于工业生产）筛板塔的主要结构及功能：筛板塔的主要

7、结构及功能：筛孔筛孔 提供气体上升的通道；提供气体上升的通道；2. 溢流堰溢流堰 维持塔板上一定高度的液层，以保证在维持塔板上一定高度的液层，以保证在 塔板上气液两相有足够的接触面积；塔板上气液两相有足够的接触面积；3. 降液管降液管 作为液体从上层塔板流至下层塔板的通道。作为液体从上层塔板流至下层塔板的通道。1、只要筛板塔设计合理，、只要筛板塔设计合理，操作得当，筛板塔不仅可操作得当，筛板塔不仅可稳定操作，而且操作弹性稳定操作，而且操作弹性可达可达23，能满足生产要，能满足生产要求。求。 2、筛板塔比起泡罩塔，生、筛板塔比起泡罩塔，生产能力可增大产能力可增大10%15%，板效率约提高板效率约

8、提高15%，单板，单板压降可降低压降可降低30%左右，造左右，造价可降低价可降低20%50%。 三、浮阀塔：浮阀塔是廿世纪五十年代初开发的一三、浮阀塔：浮阀塔是廿世纪五十年代初开发的一 种新塔型。种新塔型。 阀型主要尺寸阀型主要尺寸F1F1型（重阀）型（重阀）V-4V-4型型T T型型筛孔直径，筛孔直径，mmmm阀片直径，阀片直径，mmmm阀片厚度，阀片厚度，mmmm最大开度，最大开度，mmmm静止开度，静止开度，mmmm阀片质量，阀片质量，g g393948482 28.58.52.52.532323434393948481.51.58.58.52.52.525252626393950502

9、 28 81.01.02.02.030303232三种塔板的比较三种塔板的比较: : 四、其他类型塔板四、其他类型塔板1. 舌形塔板与浮动舌形塔板舌形塔板与浮动舌形塔板2. 导向筛板导向筛板3. ADV浮阀塔板浮阀塔板ADV塔盘的鼓泡状态塔盘的鼓泡状态4. 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 ） 从根本上改变了传统浮阀塔板的传质机从根本上改变了传统浮阀塔板的传质机理，将单一鼓泡传质，变为双流传质，一部理，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。的分离效率和生产能力都大大

10、提高。 JCV浮阀塔板具有结构简单、阀片开启浮阀塔板具有结构简单、阀片开启灵活、高效、高通量、寿命长、耐堵塞的特灵活、高效、高通量、寿命长、耐堵塞的特点。点。 普通型JCV浮阀 改进型双流喷射浮阀 JCV浮阀的基本结构 JCV浮阀的工作状态 低负荷下阀片工作状态 中等负荷下阀片工作状态 高负荷下阀片工作状态 4.1.3 气体通过塔板的压力降气体通过塔板的压力降气量气量 Ht液量液量 Ht板结构：开孔率板结构：开孔率u0 Ht 总压力降：总压力降：Ht = h0 + he干板压降干板压降 h0液层阻力液层阻力 he压降由两部分构成压降由两部分构成影响因素影响因素液沫夹带液沫夹带 气泡夹带气泡夹带

11、气体气体液体液体反向流动反向流动不均匀流动不均匀流动4.1.4 筛板塔内气液两相的非理想流动筛板塔内气液两相的非理想流动一、液沫夹带一、液沫夹带气量气量 夹带量夹带量板间距板间距HT 夹带量夹带量要求液沫夹带量要求液沫夹带量 eG 0.1kg液沫液沫/kg干气干气主要影响因素主要影响因素二、气泡夹带二、气泡夹带原因：液体在降液管中停留时间过短，气泡来原因：液体在降液管中停留时间过短，气泡来 不及解脱，而被液体卷入下层塔板。不及解脱，而被液体卷入下层塔板。三、气体沿塔板的不均匀流动三、气体沿塔板的不均匀流动1. 液面有落差和液层波动，引起气体分布不均匀；液面有落差和液层波动，引起气体分布不均匀；

12、2. 液层厚，阻力大，气速小；液层厚，阻力大，气速小；3. 液层薄，阻力小，气速大。液层薄，阻力小，气速大。四、液体沿塔板的不均匀流动四、液体沿塔板的不均匀流动 4.1.5 不正常操作现象不正常操作现象 定义：液体进塔量大于出塔量，结果使塔内不定义：液体进塔量大于出塔量，结果使塔内不 断积液，直至塔内充满液体，破坏塔内断积液，直至塔内充满液体，破坏塔内 正常操作，称为液泛。正常操作，称为液泛。一、液泛一、液泛液泛包括：夹带液泛、溢流液泛。液泛包括：夹带液泛、溢流液泛。1. 夹带液泛夹带液泛原因：由液沫夹带引起原因：由液沫夹带引起 气速过大气速过大。 与板间距与板间距HT有关：有关： HT uF

13、 与液量有关：与液量有关：VL L uF 与物系性质有关：易发泡，与物系性质有关：易发泡，uF影响液泛气速影响液泛气速 uF 的因素：的因素：适宜气速：适宜气速：u=(0.4=(0.40.8)0.8)uF u/ /uF 液泛分率液泛分率 2. 溢流液泛（降液管液泛）溢流液泛（降液管液泛）原因：由降液管通过液体能力不够而引起原因：由降液管通过液体能力不够而引起 液量过大液量过大。 综上所述，造成液泛的原因主要是液量过大、综上所述，造成液泛的原因主要是液量过大、板压降过大（即气量过大）或降液管堵塞。板压降过大（即气量过大）或降液管堵塞。气量过小气量过小 ；塔板开孔率大。塔板开孔率大。二、严重漏液二

14、、严重漏液 当气体孔速过小或气体分布不均匀时，使当气体孔速过小或气体分布不均匀时，使有的筛孔无气体通过，从而造成液体短路，大有的筛孔无气体通过，从而造成液体短路，大量液体由筛孔漏下。量液体由筛孔漏下。产生原因产生原因V4.1.6 塔板负荷性能图塔板负荷性能图雾沫夹带线（气体流量上限线）线雾沫夹带线（气体流量上限线）线1 1 液泛线（线液泛线（线2 2） 液相负荷上限线（线液相负荷上限线（线3 3） 漏液线（气体流量下限线，线漏液线（气体流量下限线，线4 4） 液相负荷下限线（线液相负荷下限线（线5 5） 1 1）负荷性能图中各线的意义）负荷性能图中各线的意义 1 1，2 2，3 3，4 4，5

15、 5五条线所包围的区域，既是五条线所包围的区域，既是一定物系在一定的结构尺寸塔板上正常操作区。一定物系在一定的结构尺寸塔板上正常操作区。 一、漏液线一、漏液线由发生漏液时的干板压降计算。由发生漏液时的干板压降计算。二、液体流量下限线二、液体流量下限线由由how = 6mm 确定。确定。三、液体流量上限线三、液体流量上限线由液体在降液管内的停留时间由液体在降液管内的停留时间=3 5s计算。计算。四、（溢流）液泛线四、（溢流）液泛线由由Hd = (HT + hw)确定。确定。五、过量液沫夹带线五、过量液沫夹带线由液沫夹带量由液沫夹带量eG = 0.1kg液沫液沫/kg干气确定。干气确定。2）负荷性

16、能图的分析负荷性能图的分析 VC 操作点操作点操作线操作线操作极限操作极限操作弹性操作弹性: : 两极限的气体流量之比两极限的气体流量之比 操作点位于操作区内的适中位置操作点位于操作区内的适中位置, ,可获得稳定良好的操作可获得稳定良好的操作效果效果 同一层塔板，操作情况不同，控制负荷上下限的因素也不同同一层塔板，操作情况不同，控制负荷上下限的因素也不同 物系一定时，负荷性能图中各线的相对位置随塔板尺寸而变物系一定时，负荷性能图中各线的相对位置随塔板尺寸而变例：例：加大板间距加大板间距或或增大塔径增大塔径可使可使液泛线上移液泛线上移， 增加降液管截面积增加降液管截面积可使可使液相上限线右移液相

17、上限线右移， 减少塔板开孔率减少塔板开孔率可使可使漏液线下移漏液线下移。1、塔板效率的表示法、塔板效率的表示法 1）总板效率）总板效率ET( 全塔效率）全塔效率）达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比值。值。 pTTNNE 将影响传质过程的动力学因素全部归纳到总板效率内，将影响传质过程的动力学因素全部归纳到总板效率内，简单地反映了整个塔内的平均传质效果。简单地反映了整个塔内的平均传质效果。2）单板效率）单板效率EM(默弗里效率默弗里效率 ) 直接反映该层塔板的传质效果直接反映该层塔板的传质效果 4.1.4 塔板效率塔板效率1*1 nnnnM

18、VyyyyE*11nnnnMLxxxxE 分析：单板效率的数值有可能大于分析：单板效率的数值有可能大于100%吗？吗？ )1(MLMLMLMVELmVEEE MLMVEE、的关系：的关系： 单板效率与全塔效率的区别：单板效率与全塔效率的区别：单板效率可直接反映该层单板效率可直接反映该层塔板的传质效果，二者定义的基准不同，全塔效率是基塔板的传质效果，二者定义的基准不同，全塔效率是基于所需理论板数的概念，单板效率基于该板理论增浓程于所需理论板数的概念，单板效率基于该板理论增浓程度的概念。度的概念。3）点效率）点效率EOv 1*1 nnOVyyyyE点效率与单板效率的区别：点效率与单板效率的区别：点

19、效率中的点效率中的y、y*为塔板上某为塔板上某点的气相组成和平衡组成；单板效率中的点的气相组成和平衡组成；单板效率中的yn、yn*为离开为离开塔板地气相平均组成、与塔板地气相平均组成、与xn成相平衡的气相平均组成。成相平衡的气相平均组成。分析：什么情况下，点效率和单板效率的数值相同？分析：什么情况下，点效率和单板效率的数值相同？ 2、塔板效率的估算、塔板效率的估算 1 1）影响塔板效率的因素）影响塔板效率的因素 a a）物系性质：）物系性质：粘度、密度、表面张力及相对挥发度等。粘度、密度、表面张力及相对挥发度等。b b）塔板结构：塔板结构：塔径、板间距、堰高及开孔率等。塔径、板间距、堰高及开孔

20、率等。 c c）操作条件：操作条件：温度、压强、气体上升速度及气液流量比。温度、压强、气体上升速度及气液流量比。 2 2）板效率的估算）板效率的估算 图中横坐标为图中横坐标为L。是塔顶、底平均温度下物系的相对挥是塔顶、底平均温度下物系的相对挥发度。发度。L是塔顶、底平均温度下按进料组成计算的液相粘是塔顶、底平均温度下按进料组成计算的液相粘度。该粘度可用加和法估算：度。该粘度可用加和法估算：式中式中x xi i是组分是组分i i的摩尔分率，的摩尔分率，LiLi是该组分的液相粘度，是该组分的液相粘度，mPa.smPa.s。 LiiLx 245.0)(49.0 LTE 4.2 筛板塔的结构设计筛板塔

21、的结构设计4.2.1 筛板筛板4.2.2 溢流堰溢流堰4.2.3 降液管降液管4.2.4 筛板的板面布置筛板的板面布置 4.2.5 塔板上的液流型式塔板上的液流型式 4.2.6 板间距板间距4.2.1 筛板筛板 20220907.060sin21421 tdtd 0dt0dt8 . 06 . 0 Dlw一般一般4.2.6 板间距板间距4.3.4 筛板的板面布置筛板的板面布置 4.3.5 塔板上的液流型式塔板上的液流型式 4.3.6 板间距板间距3231084. 2 whowlLEh)(53SLHAsTf 板式塔的工艺设计主要包括两大方面：板式塔的工艺设计主要包括两大方面：(1) 塔高、塔径以及

22、塔板结构尺寸的计算；塔高、塔径以及塔板结构尺寸的计算；(2) 塔板的流体力学校核以及塔板的负荷性能图的确定。塔板的流体力学校核以及塔板的负荷性能图的确定。 筛板塔工艺尺寸的计算 可根据实验数据或用经验公式估算可根据实验数据或用经验公式估算塔高主要取决于实际塔板数和板间距。塔高主要取决于实际塔板数和板间距。给定任务所需实际塔板数可通过平衡级给定任务所需实际塔板数可通过平衡级(理论板理论板)假设求得所假设求得所需的理论板数需的理论板数 N，然后由全塔效率，然后由全塔效率(总板效率总板效率)修正修正TTENN 实际板数和板间距，塔高实际板数和板间距，塔高塔径塔径D，m0.30.50.50.80.81

23、.61.62.02.02.42.4板距板距HT ，mm200300300350350450450600 500800600 211ZZHNZTT 式中：式中：Z1 最上面一块塔板距塔顶的高度，最上面一块塔板距塔顶的高度，m； Z2 最下面一块塔板距塔底的高度，最下面一块塔板距塔底的高度，m。 HT 对塔的生产能力、操作弹性以及塔板效率均有影响。对塔的生产能力、操作弹性以及塔板效率均有影响。 HT ，允许的操作气速，允许的操作气速 ，塔径塔径 ，但塔高，但塔高 。 HT ，塔高，塔高 ，但允许的操作气速，但允许的操作气速 ，塔径，塔径 。 对对D0.8m的塔，为了安装及检修需要，需开设人孔。的塔

24、，为了安装及检修需要，需开设人孔。 人孔处的板间距一般不应小于人孔处的板间距一般不应小于 0.6m。 塔板效率是气、液两相的传质速率、混合和流动状况、以及塔板效率是气、液两相的传质速率、混合和流动状况、以及板间返混板间返混(液沫夹带、气泡夹带和漏液等所致液沫夹带、气泡夹带和漏液等所致)的综合结果。的综合结果。板效率是设计重要数据。由于影响因素很多且关系复杂，至板效率是设计重要数据。由于影响因素很多且关系复杂，至今还难以正确可靠地对其进行预测。今还难以正确可靠地对其进行预测。工业装置或实验装置的实测数据是板效率最可靠的来源。工业装置或实验装置的实测数据是板效率最可靠的来源。全塔效率实测数据的关联

25、式可用于塔板效率的估算。全塔效率实测数据的关联式可用于塔板效率的估算。奥康内尔（奥康内尔（Oconnell）关联方法）关联方法精馏塔：精馏塔：采用相对挥发度采用相对挥发度 与液相粘度与液相粘度 L 的乘积为参数来表的乘积为参数来表示全塔效率示全塔效率 ET： 245. 049. 0 LTEiiLx 横坐标横坐标 HP/ L中：中：H 塔顶塔底平均温度下溶质的亨利系数，塔顶塔底平均温度下溶质的亨利系数，kmol/(m3 kPa)；P 操作压强，操作压强，kPa； L 塔顶塔底平均组成及平均温度下的液相粘度，塔顶塔底平均组成及平均温度下的液相粘度，mPa s 。 板式塔板式塔吸收塔吸收塔将影响传质

26、过程的动力学因素全部归纳到总板效率内，将影响传质过程的动力学因素全部归纳到总板效率内，简单地反映了整个塔内的平均传质效果。简单地反映了整个塔内的平均传质效果。2）单板效率）单板效率EM(默弗里效率默弗里效率 ) 直接反映该层塔板的传质效果直接反映该层塔板的传质效果 1*1 nnnnMVyyyyE*11nnnnMLxxxxE )1(MLMLMLMVELmVEEE MLMVEE、的关系：的关系： 分析：单板效率的数值有可能大于分析：单板效率的数值有可能大于100%吗？吗？ 单板效率与全塔效率的区别：单板效率与全塔效率的区别：单板效率可直接反映该层塔板单板效率可直接反映该层塔板的传质效果，二者定义的

27、基准不同，全塔效率是基于所需理的传质效果，二者定义的基准不同，全塔效率是基于所需理论板数的概念，单板效率基于该板理论增浓程度的概念。论板数的概念，单板效率基于该板理论增浓程度的概念。3）点效率）点效率EOv 1*1 nnOVyyyyE点效率与单板效率的区别：点效率与单板效率的区别：点效率中的点效率中的y、y*为塔板上某点的为塔板上某点的气相组成和平衡组成；单板效率中的气相组成和平衡组成；单板效率中的yn、yn*为离开塔板地气为离开塔板地气相平均组成、与相平均组成、与xn成相平衡的气相平均组成。成相平衡的气相平均组成。分析：什么情况下，点效率和单板效率的数值相同？分析：什么情况下，点效率和单板效

28、率的数值相同？ 溢流式塔板的塔截面分为两个部分：溢流式塔板的塔截面分为两个部分：气体流通截面气体流通截面和和降液管所占截面降液管所占截面（液体下流截面）。（液体下流截面）。TTffTAAAAAAA 1或或 TAD4 fuu85.06 .0 求求 A 得与得与 Af / AT 后，即可求得后，即可求得 AT ，而塔径，而塔径设适宜气速为设适宜气速为 u，当体积流量为，当体积流量为 Vs 时，时， A =Vs / u。求。求 A 的的关键在于确定流通截面积上的适宜气速关键在于确定流通截面积上的适宜气速 u 。塔板的计算中，通常是以夹带液泛发生的气速（泛点气速）作塔板的计算中，通常是以夹带液泛发生的

29、气速（泛点气速）作为上限。一般取为上限。一般取A 的计算的计算AT -塔板总截面积，塔板总截面积，A-气体流道气体流道截面积，截面积，Af -降液管截面积降液管截面积 246223fVpVLpudgd VVLVVLpfCgdu 34液泛气速：在重力场中悬浮于气流中的液滴所受的合力为零液泛气速：在重力场中悬浮于气流中的液滴所受的合力为零时的气速。时的气速。当当 uut 时，液滴将被气流带出。对直径为时，液滴将被气流带出。对直径为 dp 的液滴的液滴 索德尔斯和布朗（索德尔斯和布朗（Souders and Brown）公式）公式 L 、 V 气、液相的密度，气、液相的密度，kg/m3； 阻力系数；

30、阻力系数； C 气体负荷因子，气体负荷因子，m/s。C 取决于取决于dp和和 。因气泡破裂形成的液滴的直径和阻力系数都。因气泡破裂形成的液滴的直径和阻力系数都难以确定，故难以确定，故 C 需由实验确定。需由实验确定。实验研究表明，实验研究表明，C 值与气、液流量及密度、板上液滴沉降高值与气、液流量及密度、板上液滴沉降高度以及液体的表面张力有关。度以及液体的表面张力有关。HT hL：液滴沉降高度，：液滴沉降高度，HT 可根据塔径选取，可根据塔径选取，hL 为板上清为板上清液层高度，若忽略板上液面落差液层高度，若忽略板上液面落差owwLhhh 常压塔常压塔 hL=50100 mm；减压塔减压塔 h

31、L=2530 mm。注意：液相表面张力注意：液相表面张力 = 2 10-2 N/m若实际液相表面张力不同，按下式校正若实际液相表面张力不同，按下式校正2 . 02020 CC5 . 02 . 02020 VVLfCu Af /AT：降液管面积与塔截面积之比，与液体溢流形式有关。降液管面积与塔截面积之比，与液体溢流形式有关。求取方法：求取方法：(1)按按D和液体流量选取溢流形式，由和液体流量选取溢流形式，由溢流形式确定堰长溢流形式确定堰长 lw 与与D 的比值。的比值。 单流型：单流型：lw/D =0.60.8 双流型：双流型：lw/D =0.50.4 易起泡物系易起泡物系 lw/D 可高一些，

32、以保证可高一些，以保证液体在降液管中的停留时间。液体在降液管中的停留时间。(2)由选定的由选定的 lw/D 值查图得值查图得 Af /AT 。(3)由确定的由确定的 A 与与 Af /AT 求得塔板面积求得塔板面积 AT 和塔径和塔径 D ，并进行圆整。，并进行圆整。注意：注意：塔高和塔高和D的计算涉及的参数的计算涉及的参数(HT、hL、lw/D) 是按经验是按经验数据在一定范围选取的，故所得塔高和数据在一定范围选取的，故所得塔高和D是是初估值初估值，需根据后面介绍的流体力学原则进行校核。需根据后面介绍的流体力学原则进行校核。 鼓泡区：鼓泡区：取决于所需浮筛数与排列；取决于所需浮筛数与排列；溢

33、流区：溢流区：与所选溢流装置类型有关。与所选溢流装置类型有关。上两区均需根据塔板上的流体力学状上两区均需根据塔板上的流体力学状况进行专门计算。况进行专门计算。进口安定区进口安定区(分布区分布区)：保证进塔板液保证进塔板液体的平稳均匀分布，也防止气体窜入体的平稳均匀分布，也防止气体窜入降液管。降液管。Ws = 50100 mm。出口安定区出口安定区(脱气区脱气区)：避免降液管大避免降液管大量气泡夹带。量气泡夹带。Ws = 40100 mm。D900mm 分块式塔板。边缘区：边缘区：塔板支撑件塔板连接。塔板支撑件塔板连接。D 2.5 m WC 60 mm。溢溢 流流 装装 置置溢流装置：溢流装置：

34、由降液管、溢流堰和受液盘组成。由降液管、溢流堰和受液盘组成。降液管：降液管：连通塔板间液体的通道，也是供溢流中所夹带的气连通塔板间液体的通道，也是供溢流中所夹带的气体分离的场所。常见的有弓形、圆形和矩形降液管。体分离的场所。常见的有弓形、圆形和矩形降液管。弓形降液管：弓形降液管：有较大容积，能充分利用塔板面积，一般塔径有较大容积，能充分利用塔板面积，一般塔径大于大于800mm的大塔均采用弓形。的大塔均采用弓形。降液管的布置确定了液体在塔板上的流径以及液体的溢流形降液管的布置确定了液体在塔板上的流径以及液体的溢流形式。液体在塔板上的流径越长，气液接触时间就越长，有利式。液体在塔板上的流径越长，气

35、液接触时间就越长，有利于提高塔板效率；但是液面落差也随之加大，不利于气体均于提高塔板效率；但是液面落差也随之加大，不利于气体均匀分布，使板效率降低。匀分布，使板效率降低。溢流形式的选择：溢流形式的选择：根据塔径及流体流量等条件全面考虑。根据塔径及流体流量等条件全面考虑。D 2.0 m 双溢流式或阶梯流式双溢流式或阶梯流式单流型单流型双流型双流型多流型多流型阶梯流型阶梯流型双流型、多流型或阶梯型塔板：双流型、多流型或阶梯型塔板：在塔径或液体流量很大时可减少液面落差。在塔径或液体流量很大时可减少液面落差。 液体在降液管中的停留时间液体在降液管中的停留时间 为为 单溢流弓形降液管结构尺寸的计算单溢流

36、弓形降液管结构尺寸的计算降液管的宽度降液管的宽度 Wd 和截面积和截面积 AfsTfLHA 计算塔径时已根据溢流形式确定了堰长与塔径的比值计算塔径时已根据溢流形式确定了堰长与塔径的比值 lw/D。由由 lw/D 查图可得查图可得 Wd /D 和和 Af /AT，D 和和 AT 已确定，故降液管的已确定，故降液管的宽度宽度 Wd 和截面积和截面积 Af 也可求得。也可求得。为降低气泡夹带，为降低气泡夹带， 一般不应小于一般不应小于 35s，对于高压塔以及易起泡沫的物，对于高压塔以及易起泡沫的物系，停留时间应更长些。系，停留时间应更长些。若计算出的若计算出的 过短，不满足要求，则过短，不满足要求，

37、则应调整相关的参数，重新计算。应调整相关的参数，重新计算。出口堰：出口堰：维持板上液层高度，各种形式的降液管均需设置。维持板上液层高度，各种形式的降液管均需设置。出口堰长出口堰长 lw：弓形降液管的弦长，由液体负荷及溢流形式决弓形降液管的弦长，由液体负荷及溢流形式决定。定。 单溢流单溢流 lw=(0.60.8)D，双溢流，双溢流 lw=(0.50.4)D。出口堰高出口堰高 hw：降液管上端高出板面的高度。堰高降液管上端高出板面的高度。堰高 hw 决定了决定了板上液层的高度板上液层的高度 hL。owLwhhh 32100084. 2 wsowlLEh对于平堰：对于平堰：弗朗西斯（弗朗西斯（Fra

38、ncis）公式）公式液流收缩系数液流收缩系数 E出口溢流堰与进口溢流堰出口溢流堰与进口溢流堰出口溢流堰与进口溢流堰出口溢流堰与进口溢流堰进口堰：进口堰：保证液体均匀进入塔板，也起液封作用。一般仅在保证液体均匀进入塔板，也起液封作用。一般仅在较大塔中设置。进口堰高一般与降液管底隙高度较大塔中设置。进口堰高一般与降液管底隙高度 h0 相等。相等。进口堰与降液管间的水平距离进口堰与降液管间的水平距离 w0 h0，以保证液体由降液管，以保证液体由降液管流出时不致受到大的阻力。流出时不致受到大的阻力。 降液管底隙高度及受液盘降液管底隙高度及受液盘降液管底隙高度应保证溢流液顺畅并防止沉淀物堵塞降液管底隙高

39、度应保证溢流液顺畅并防止沉淀物堵塞(不可太不可太小小) ，但也应防止气体进入降液管，但也应防止气体进入降液管(不可太大不可太大)。对于弓形降液管可按下式计算对于弓形降液管可按下式计算oLwsulLh 0式中：式中：uoL 液体通过降液管底端出口处的流速，液体通过降液管底端出口处的流速，m/s。根据经验一般取根据经验一般取 uoL = 0.040.25 m/s。D 800 mm，h0 = 40 mm。最大时可达最大时可达 150 mm。降液管底隙高度及受液盘降液管底隙高度及受液盘受液盘：受液盘：承接来自降液管的液体。承接来自降液管的液体。凹形受液盘：用于大塔（凹形受液盘：用于大塔（D800mm）

40、。在液体流量低时仍能）。在液体流量低时仍能形成良好的液封，对改变液体流向有缓冲作用，且便于液体形成良好的液封，对改变液体流向有缓冲作用，且便于液体的侧线抽出，但不适于易聚合及有悬浮固体的情况。凹形受的侧线抽出，但不适于易聚合及有悬浮固体的情况。凹形受液盘深度一般在液盘深度一般在 50mm 以上。以上。 筛孔筛孔 的的 数数 目目 与与 排排 列列 筛孔直径：筛孔直径：一般孔径为一般孔径为38mm。现在也有采用孔径为。现在也有采用孔径为1225mm大筛孔的筛板，但操作弹性小，操作要求高。大筛孔的筛板，但操作弹性小，操作要求高。筛孔数筛孔数 N：由气体负荷量由气体负荷量 Vs 决定。可由下式计算决

41、定。可由下式计算 0204udVNs VuF 00 筛孔气速筛孔气速 u0 可根据由实验结果可根据由实验结果综合的筛孔动能因子综合的筛孔动能因子 F0 确定确定式中：式中：Vs 气体流量，气体流量，m3/s； u0 筛孔气速，筛孔气速，m/s； d0 筛孔直径，筛孔直径，m。根据工业设备数据，根据工业设备数据，F0 在在 812 之间。设计时可在此范围内之间。设计时可在此范围内选择适宜的选择适宜的 F0 后计算后计算 u0 。筛孔的数目与排列筛孔的数目与排列 筛孔在塔板上常按三角形排列，可顺排或叉排。筛孔在塔板上常按三角形排列，可顺排或叉排。液流方向液流方向顺排顺排tt20220907. 06

42、0sin21421 tdtd 在开孔区，筛孔总面积与开孔区面积之比称为开孔率在开孔区，筛孔总面积与开孔区面积之比称为开孔率 。可。可按一个小单元计算得。令孔径为按一个小单元计算得。令孔径为d0，孔心距为，孔心距为t，则，则 若若 值过小，开孔过密，塔板强度下降，且气泡容易经碰撞值过小，开孔过密，塔板强度下降，且气泡容易经碰撞生成大气泡，传质面积减小，对传质不利。若生成大气泡，传质面积减小，对传质不利。若 值过大，板值过大，板上产生气泡的点分布太疏，塔板利用率过低，亦不适宜。上产生气泡的点分布太疏，塔板利用率过低，亦不适宜。一般采用一般采用=2.55，常用值是，常用值是34。 0dt0dt常压塔

43、或减压塔：常压塔或减压塔： = 1014%加压塔：加压塔： 0.9m ：Fl 80%；D0.9m：Fl 40%；减压塔：；减压塔：Fl 0.8m 的的大塔，取大塔，取 Fl = 40%）代入下式后所得的）代入下式后所得的 Vs-Ls 关系式作图而关系式作图而得。得。此线与横轴并不完全平行，此线与横轴并不完全平行，可见发生液沫夹带现象与液可见发生液沫夹带现象与液相负荷相负荷 Ls 也有一定关系，但也有一定关系，但主要取决于气体负荷。主要取决于气体负荷。 %10036. 1 bFLsVLVslAKCZLVF 0Ls (m3/h)Vs (m3/h)12液相负荷下限线此线为保证塔板上液体流动时此线为保

44、证塔板上液体流动时能均匀分布所需的最小液量。能均匀分布所需的最小液量。对平顶直堰，取对平顶直堰，取 how = 6 mm 作作为液相负荷下限的标准。为液相负荷下限的标准。32100084. 2006. 0 wsowlLEh fTsAHL 也称气泡夹带线，由液体在降液也称气泡夹带线，由液体在降液管中所需的最小停留时间决定管中所需的最小停留时间决定E, lw 已知，为一垂直线。已知，为一垂直线。液相负荷上限线不易起泡的物系：不易起泡的物系：3s，易起泡物系：，易起泡物系：5s。为一垂直线。为一垂直线。0Ls (m3/h)Vs (m3/h)34由上述由上述 5 条线所包围的区域即条线所包围的区域即一

45、定物系在一定的结构尺寸的一定物系在一定的结构尺寸的塔板上的正常操作区。在此区塔板上的正常操作区。在此区域内，气、液两相流率的变化域内，气、液两相流率的变化对塔板效率的影响不大。对塔板效率的影响不大。01234Ls (m3/h)Vs (m3/h)溢流液泛线降液管中泡沫层高度达最大允许值时的气量与液量的关系降液管中泡沫层高度达最大允许值时的气量与液量的关系wTddhHHH hhhhHfowwd 塔板的塔板的设计点设计点及及操作点操作点都必须在正常操作区内，才能获得较都必须在正常操作区内，才能获得较高的塔板效率。高的塔板效率。对于一定气液比的操作过程，对于一定气液比的操作过程，Vs/Ls 为一定值，

46、故塔板的为一定值，故塔板的操作操作线线在图上为以在图上为以 Vs/Ls 为斜率过原点为斜率过原点 o 的直线。的直线。 5OP012345Ls (m3/h)Vs (m3/h)塔板的操作弹性：塔板的操作弹性：上、下操作极限点的气体流量之比。上、下操作极限点的气体流量之比。对一定结构尺寸的塔板，采用不同气液比时控制塔的操作弹对一定结构尺寸的塔板，采用不同气液比时控制塔的操作弹性与生产能力的因素均可能不同。性与生产能力的因素均可能不同。塔板的设计点应落在负荷性能图的适中位置，使塔具有相当塔板的设计点应落在负荷性能图的适中位置，使塔具有相当的抗负荷波动的能力，保证塔的良好稳定操作。的抗负荷波动的能力，

47、保证塔的良好稳定操作。OP 线（高气液比）：线（高气液比）：上限上限 a（过量液沫夹带）（过量液沫夹带）下限下限 a（低液层）（低液层）OPOPOPaabbccOP 线（较高气液比）：线（较高气液比）：上限上限 b（溢流液泛）（溢流液泛）下限下限 b（漏液）（漏液）OP 线（低气液比）：线（低气液比）：上限上限 c（气泡夹带）（气泡夹带）下限下限 c（漏液）（漏液）右图表明，因降液管流通面积右图表明，因降液管流通面积偏小，使液体负荷成为塔板操偏小，使液体负荷成为塔板操作的主要控制因素。作的主要控制因素。液沫夹带线液沫夹带线 2 和溢流液泛线和溢流液泛线 5 将上移，甚至使线将上移，甚至使线 5

48、 落到正常落到正常操作范围之外。操作范围之外。物系一定，负荷性能图取决于塔板的结构尺寸。而负荷性能物系一定，负荷性能图取决于塔板的结构尺寸。而负荷性能图的形状在一定程度上也反映了塔板结构尺寸的相对情况。图的形状在一定程度上也反映了塔板结构尺寸的相对情况。减小降液管面积，液相上限流减小降液管面积，液相上限流量量 Ls 下降下降(线线 4 将左移将左移)；塔板的负荷性能图可清楚地表示塔板的允许的气、液相负荷塔板的负荷性能图可清楚地表示塔板的允许的气、液相负荷范围及塔板操作弹性的大小，对塔板的改造和设计以及塔的范围及塔板操作弹性的大小，对塔板的改造和设计以及塔的操作均有一定的指导意义。操作均有一定的

49、指导意义。 012345Ls (m3/h)Vs (m3/h)OPaa425塔体：塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。腐材料。 填料：填料：大致可分为散装填料和规整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。两大类，是传热和传质的场所。塔内件：塔内件：包括填料支承与压紧装置、液包括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与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。体除沫器等。操作原理：操作原理：液体经塔顶喷淋装置均匀分液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力

50、作用沿填料表面布于填料上，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，发生传热过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。和传质。 4653421液体液体气气体体8 填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所。填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所。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，表征填料特性的数据主要有：紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：比表面积比表面积 a：单位体积填料层所具有的表面积单位体积填料层

51、所具有的表面积(m2/m3)。被液。被液体润湿的填料表面就是气液两相的接触面。大的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，小，a 越大，但气体流动的阻力也要增加。越大，但气体流动的阻力也要增加。空隙率空隙率 ：单位体积填料所具有的空隙体积单位体积填料所具有的空隙体积(m3/m3)。代表的。代表的是气液两相流动的通道，是气液两相流动的通道， 大，气、液通过的能力大，气体大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。流动的阻力小。 = 0.450.95。填料因子填料因子

52、：填料比表面积与空隙率三次方的比值填料比表面积与空隙率三次方的比值(1/m)，a/ 3，表示填料的流体力学性能，值越小，流动阻力越小。，表示填料的流体力学性能，值越小，流动阻力越小。有干填料因子与湿填料因子之分。有干填料因子与湿填料因子之分。 堆积密度堆积密度 p ：单位体积填料的质量：单位体积填料的质量(kg/m3)。在机械强度允。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小填料的堆积密度，从许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小填料的堆积密度，从而既可降低成本又可增加空隙率。而既可降低成本又可增加空隙率。机械强度大，化学稳定性好以及价格低廉等也是优良填料应机械强度大，化学稳定性好以及价格低廉

53、等也是优良填料应尽量兼有的性质。尽量兼有的性质。注意：注意：一些难以定量表达的因素一些难以定量表达的因素(几何形状几何形状)对填料的流体力对填料的流体力学和传质性能也有重要的影响。新型填料的开发一般是改进学和传质性能也有重要的影响。新型填料的开发一般是改进填料几何形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。填料几何形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。 常用的填料可分为常用的填料可分为散装填料散装填料和和规整填料规整填料两大类。散装填料在两大类。散装填料在塔内可乱堆，也可以整砌。塔内可乱堆，也可以整砌。优点：优点：易于制造，价格低廉，且对它易于制造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长

54、的的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用时间内得到了广泛的应用。缺点：缺点：高径比大，堆积时填料间易形高径比大，堆积时填料间易形成线接触，故液体常存在严重的沟流成线接触，故液体常存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高。润湿率较低，因而传质速率也不高。拉西环（拉西环（Raschig ring）填料）填料最早使用的一种填料，为高径比相等最早使用的一种填料，为高径比相等的陶瓷和金属等制成的空心圆环。的陶瓷和金属等制成的空心圆环。在拉西环基础上衍生了在拉西环基础上衍生了环、十字环及螺旋环环、十字环及螺旋环等，其基本改

55、等，其基本改进是在拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积。进是在拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积。在环的侧壁上开一层或两层长方形在环的侧壁上开一层或两层长方形小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。上下两层长是形成向内弯的叶片。上下两层长方形小孔位置交错。方形小孔位置交错。鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但鲍尔环在的比表面积和空隙率，但

56、鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使其侧壁上的小孔可供气液流通，使环的内壁面得以充分利用。环的内壁面得以充分利用。比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。效率较高，沟流现象也大大降低。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高环的基础上又有提高，其生产能力可提高约约10%，压降则可降低，压降则可降低25%，且由于填料，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。沟流现象。

57、阶梯环填料（阶梯环填料（Stair ring）阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，环阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。半，环的一端成喇叭口形状的翻边。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。开孔的填料，因此获得广泛的应用。一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质型填料型填料 (马鞍填料马鞍填料)。弧鞍

58、填料在塔内呈相。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道。互搭接状态，形成弧形气体通道。优点：优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，填料性能优于拉西环。性能较好，填料性能优于拉西环。矩鞍填料的两端为矩形，且填料两面大小矩鞍填料的两端为矩形，且填料两面大小不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，填料的均匀性得到改善。液体分布均匀，填料的均匀性得到改善。液体分布均匀，气液传质速率得到提高。瓷矩鞍填料是目气液传质速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料。前采用最多的一种瓷质填料。缺点：缺点：相邻填料易相互套叠，使

59、填料有效表面降低，从而影相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影响传质速率。并且强度较差，容易破碎。响传质速率。并且强度较差，容易破碎。优点：优点：网丝细密，空隙很高，比表网丝细密，空隙很高，比表面积很大。由于毛细管作用，填料面积很大。由于毛细管作用，填料表面润湿性能很好。故网体填料气表面润湿性能很好。故网体填料气体阻力小，传质速率高。体阻力小，传质速率高。缺点：缺点：造价很高，故多用于实验室造价很高，故多用于实验室中难分离物系的分离。中难分离物系的分离。 有环形与鞍形的结构特点，生产能力大、压有环形与鞍形的结构特点，生产能力大、压降低、液体分布性能好、传质速率高及操作降低、液体分布性能

60、好、传质速率高及操作弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。与实体填料对应的另一类填料为网体填料。与实体填料对应的另一类填料为网体填料。有多种形式，如金属丝网制成的网环和鞍型网等。有多种形式，如金属丝网制成的网环和鞍型网等。网体填料（网体填料（Wire gauze packings）规整填料规整填料规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。分块拼成圆筒形在塔内砌装。优点：优点：空隙