工科化工基本原理塔设备

1、工科化工基本原理塔设备四四.塔的种类塔的种类1.板式塔板式塔（1）基本结构）基本结构（2）板上细致结构）板上细致结构多多（3）一般操作：气为分散相，液为连续相）一般操作：气为分散相，液为连续相（4）浓度特点：气、液中的关键组分呈阶梯变化）浓度特点：气、液中的关键组分呈阶梯变化（5）适用范围：）适用范围：D800mm2.填料塔填料塔（1）基本结构）基本结构（2）填料种类：多）填料种类：多（3）操作：气、液逆流；气连续、液分散）操作：气、液逆流；气连续、液分散（4）浓度特点：随塔高变化，关键组分浓度为微分（连续）变化）浓度特点：随塔高变化，关键组分浓度为微分（连续）变化 （5）适用范围：一般）适用

2、范围：一般D800mm2 板式塔板式塔一一.塔板的类型塔板的类型按气、液间流动方向关系分按气、液间流动方向关系分1.错流塔板错流塔板（1）单板上气、液流动情况）单板上气、液流动情况gL（2）优点：溢流堰高度可调整，增加气液接触时间）优点：溢流堰高度可调整，增加气液接触时间（3）缺点：板上液层高度不一，传质不均；因有降液管，使塔生产能力降）缺点：板上液层高度不一，传质不均；因有降液管，使塔生产能力降低低说明：对整个塔，气液可视为逆流说明：对整个塔，气液可视为逆流2.逆流塔板（穿流塔板）逆流塔板（穿流塔板）（1）单板上气、液流动情况）单板上气、液流动情况LG（2）优点：结构简单，版面利用率高）优点

3、：结构简单，版面利用率高（3）缺点：需要高气速维持板上液体量，则弹性差，分离效果差）缺点：需要高气速维持板上液体量，则弹性差，分离效果差说明：工业常用的为错流板塔说明：工业常用的为错流板塔3.常见的错流板常见的错流板（1）泡罩塔板）泡罩塔板 结构：结构：泡罩泡罩短管短管降液管降液管塔板塔板gL板为圆缺形板为圆缺形板上短管孔为正板上短管孔为正三角形排列三角形排列罩的下缘结构为罩的下缘结构为梯形、矩形、三梯形、矩形、三角形等角形等操作：气分散与液接触操作：气分散与液接触优点：弹性大；塔板不易堵，适合各种物料优点：弹性大；塔板不易堵，适合各种物料缺点：造价高；缺点：造价高；P P大；雾沫夹带严重；气

4、速不易过大；产能受限大；雾沫夹带严重；气速不易过大；产能受限（2 2）筛板）筛板结构：结构：筛孔板筛孔板gL降降液液管管筛孔：筛孔：3-8mm操作：气体拖住液体并分散成小气泡操作：气体拖住液体并分散成小气泡优点：结构简单；优点：结构简单； P P小，比泡罩塔产小，比泡罩塔产能大能大缺点：弹性小；孔径小时易堵，现用缺点：弹性小；孔径小时易堵，现用10-25mm（3）浮阀塔板）浮阀塔板基本机构：基本机构：F1型型-阀径阀径48mm，阀孔径为，阀孔径为39mm，最高，最高8.5mm，最低，最低2.5mm，常用重量，常用重量33g/个个材质：不锈钢材质：不锈钢操作过程：操作过程：优点：产能比泡罩塔大优

5、点：产能比泡罩塔大20-40% 弹性比（弹性比（1）（）（2）均大）均大 板效率高板效率高,P P小，液面落差小小，液面落差小 为为泡罩塔造价的泡罩塔造价的60-80%，比筛板塔高，比筛板塔高20-30%缺点：不能处理念得大的液体缺点：不能处理念得大的液体说明：现有对说明：现有对F1改型的其它浮阀，例改型的其它浮阀，例T型型（4）喷射型塔板）喷射型塔板 为近期研究中的新型塔板之一为近期研究中的新型塔板之一 二二.塔板上气液两相的塔板上气液两相的各种各种流体力学性能流体力学性能1.气液接触状态气液接触状态当液相流量恒定时，按气相当液相流量恒定时，按气相速度速度由小到大，板上物料状态依次为：鼓由小

6、到大，板上物料状态依次为：鼓泡状、蜂窝状、泡沫状、喷射状泡状、蜂窝状、泡沫状、喷射状2.塔板压降塔板压降（1）定义：气相向上通过）定义：气相向上通过塔板（干板）塔板（干板）和和板上液层板上液层并克服并克服液体表面张液体表面张力力后的压力降为后的压力降为（2）利：干板阻力增加，气相压强大，利于传质）利：干板阻力增加，气相压强大，利于传质 液体层压强降增加，夜层厚，气液接触时间长，利于传质液体层压强降增加，夜层厚，气液接触时间长，利于传质（3）弊：真空精馏，顶部真空度一定时，）弊：真空精馏，顶部真空度一定时， P P增加，塔釜压力增加，增加，塔釜压力增加，失去真空精馏的意义。失去真空精馏的意义。3

7、.液泛液泛（1）含义：当）含义：当n+1板上溢流管中液位高出其堰顶，并与板上溢流管中液位高出其堰顶，并与n板液体相连接，板液体相连接，且逐板向上升，该现象为液泛（淹塔）且逐板向上升，该现象为液泛（淹塔）（2）产生液泛的原因）产生液泛的原因原因一：当原因一：当L一定时，气速过大，即一定时，气速过大，即P P过大，溢流管中液体不能下流。过大，溢流管中液体不能下流。液泛时的气速为极限气速液泛时的气速为极限气速原因二：当原因二：当g g一定时，溢流管面积过小一定时，溢流管面积过小原因三：板间距过小原因三：板间距过小4.4.雾沫夹带雾沫夹带（1 1）含义：上行气体将某板上液层中的液体带入该板的上一层板的

8、现象为）含义：上行气体将某板上液层中的液体带入该板的上一层板的现象为雾沫夹带雾沫夹带（2 2）产生原因：气速过大；板间距过小）产生原因：气速过大；板间距过小（3 3）利：增大气液传质面积。）利：增大气液传质面积。 控制在控制在 0.1kgL/kg600mm600mm（2 2）塔径）塔径因因v=Vs/A =Vs/v=Vs/A =Vs/（/4/4）D D2 2 则则 D=4 Vs /(D=4 Vs /(v)v)1/21/2VS塔内气流量塔内气流量m3/s； V气体空塔速度气体空塔速度m/s说明：说明：a. V应介于液泛速度和漏液速度之间，一般应介于液泛速度和漏液速度之间，一般 V=0.60.8 V

9、 max Vmax=C（ L - V/ V ）1/2 C为负荷系数为负荷系数m/s，由试验关系图（史密斯关联图），由试验关系图（史密斯关联图） 确定确定P160 b.使用史密斯关联图应注意实际条件与测定条件不同时使用史密斯关联图应注意实际条件与测定条件不同时 C应校正应校正 c.计算出的计算出的V值后，代入求值后，代入求D的公式中所求的的公式中所求的D应标准化应标准化 为保证流体力学性能在正常范围，应对标准化的为保证流体力学性能在正常范围，应对标准化的D进进 行校正行校正 d.对精馏塔若两段气量相差较大，则对精馏塔若两段气量相差较大，则D不同不同 （3）板上各部分尺寸确定）板上各部分尺寸确定a

10、.关于降液管关于降液管*目的：给液体提供下流通道；分离夹带的气体目的：给液体提供下流通道；分离夹带的气体*类型：圆形（小塔）、弓形管（中大塔）类型：圆形（小塔）、弓形管（中大塔）*溢流方式：溢流方式：U形、单溢流形、双溢流形、阶梯双溢流形。形、单溢流形、双溢流形、阶梯双溢流形。方式方式=f（液体量，（液体量，D-），有经验关系表），有经验关系表b.板上各部分尺寸的表示及命名板上各部分尺寸的表示及命名HThwhowhow堰上液层高度堰上液层高度hw出口堰高出口堰高HdH d清液层高度清液层高度hoho 降液管底隙高度降液管底隙高度hw1 hw1进口堰高进口堰高Wd Wd弓形降液管宽度弓形降液管宽

11、度hl hl进口堰与降液管间的水进口堰与降液管间的水平距离平距离LWHT 两板间高，两板间高， lW 堰长堰长WCWC无效区宽度无效区宽度WSWS、R破沫区宽度和半径破沫区宽度和半径RXX鼓泡区宽度的鼓泡区宽度的1/2；t相邻管孔距相邻管孔距tc.各部分尺寸的确定各部分尺寸的确定*how堰上层高度堰上层高度方法一：平直堰：方法一：平直堰： how =60-70mm；齿形堰；齿形堰 how 降液管底隙高度降液管底隙高度ho ，则，则 h w = = hw ； 反之反之h w ho*hl进口堰与降液管间的水平距离：为降低液体流动阻力而设，一进口堰与降液管间的水平距离：为降低液体流动阻力而设，一般般

12、hl ho*Wd及弓形降液管截面积及弓形降液管截面积Af确定方法：用试验总结图确定方法：用试验总结图lw/DWd/DAf/ATWd/DAf/ATAT塔总截面积塔总截面积注意：应校核，保证液体在降液管中停注意：应校核，保证液体在降液管中停留时间留时间 5s5s= =（36003600AfAT ）/L/Lh h*堰长堰长lW：单弓形溢流：单弓形溢流 lW = （）（）D 双弓形溢流双弓形溢流 lW = （）（）D * Wd 无效区宽度：用于支撑塔板的边梁，小塔无效区宽度：用于支撑塔板的边梁，小塔Wd为为30-50mm；大塔为；大塔为50-75mm*Ws破沫区宽度：液体进入降液管前除去其中所含气体。

13、破沫区宽度：液体进入降液管前除去其中所含气体。D 1.5m， Ws为为80-110mm（4）关于浮阀）关于浮阀a.最佳状态（气体孔速最佳状态（气体孔速v0的确定）的确定） 正好达到全开，即要求正好达到全开，即要求v0适中适中 阀开度阀开度=f（气相动压）（气相动压） 试验得试验得v0 =F0/1/2 ,F0为气体通过阀孔的动能因数，一般为为气体通过阀孔的动能因数，一般为9-12b.浮阀数目浮阀数目N的确定的确定c.浮阀的排布方式：正浮阀的排布方式：正，等腰，等腰；或顺排和叉排。；或顺排和叉排。常见为正常见为正叉排叉排顺顺排排叉排叉排d.正正和等腰和等腰排布时两阀中心的定位排布时两阀中心的定位正

14、正th设阀孔总面设阀孔总面积为积为A0，鼓，鼓泡区总面积泡区总面积为为Aa,阀孔直阀孔直径为径为d0等腰等腰tt若鼓泡区孔总数为若鼓泡区孔总数为N，则一个孔所占鼓泡区总，则一个孔所占鼓泡区总面积为面积为e.鼓泡区面积鼓泡区面积Aa的确定的确定Rxf.几点说明几点说明 *若按若按t画出的总孔数与前计算的画出的总孔数与前计算的N不同，需按画出不同，需按画出的孔数校算动能因子的孔数校算动能因子F0，若在，若在9-12为可行，否则为可行，否则增加孔数；增加孔数；*核算塔板开孔率核算塔板开孔率开孔率开孔率=A0/Aa 一般常压和减压塔开孔率取一般常压和减压塔开孔率取10-14%，加压塔取，加压塔取10%

15、2.浮阀塔板的流体力学验算浮阀塔板的流体力学验算验算内容：验算内容：P P、液泛、雾沫夹带、漏液等、液泛、雾沫夹带、漏液等（1 1）气体通过一层塔板的压强降）气体通过一层塔板的压强降P Pp pP Pp p = = P Pc c + + P Pl l + + P P或或 h hp p = h = hc c + h + hl l + h + hP Pc c 通过干板的压强降通过干板的压强降P Pl l 通过液层的压强降通过液层的压强降P P克服液体表面张力的压强降克服液体表面张力的压强降一般一般 P P和和 h h较小忽略较小忽略h hc c的计算的计算概念：临界孔速概念：临界孔速v v0c0c

16、 ：刚好达到浮阀全开时气体在阀孔中的流速：刚好达到浮阀全开时气体在阀孔中的流速对于对于F1F1形重阀形重阀若若v v0 0 阶梯环阶梯环鲍尔环鲍尔环矩鞍矩鞍弧鞍弧鞍拉西环拉西环*相同结构：金属材料的效率比陶瓷高相同结构：金属材料的效率比陶瓷高*填料的最合理尺寸为填料的最合理尺寸为25mm*各种填料的性能可查手册各种填料的性能可查手册（2）规整填料）规整填料A.概念：按概念：按几何几何形状形状整齐整齐堆砌的填料堆砌的填料B.特点：特点：规定规定了气液流动途径，了气液流动途径， 故气液分布均匀，故气液分布均匀， P P小，小， a a和和大，传质好，处理量大大，传质好，处理量大C.C.最常用的规整

17、填料，波纹填料最常用的规整填料，波纹填料结构：为一个填料饼结构：为一个填料饼饼状填料饼状填料波纹薄板波纹薄板hh=40-60mm一个填料饼由许多板组成，波纹与水平方向为一个填料饼由许多板组成，波纹与水平方向为450，相邻两板反向靠，相邻两板反向靠叠，则波纹倾斜方向垂直叠，则波纹倾斜方向垂直在塔中如何整砌排列在塔中如何整砌排列两两饼饼间垂直，其上波纹也垂直，使气液不断改变方向，重新分布，间垂直，其上波纹也垂直，使气液不断改变方向，重新分布，传质好传质好D.波纹板（饼）填料的改进形式波纹板（饼）填料的改进形式网体（造价高，波纹网），金属孔板波纹填料网体（造价高，波纹网），金属孔板波纹填料【压延孔（

18、打孔），刺孔（小压延孔（打孔），刺孔（小孔，好）孔，好）】E.说明说明*常用波纹填料有些已标准化，新开发填料很多常用波纹填料有些已标准化，新开发填料很多*波纹填料不适用于粘度大有沉淀物的体系，且清流困难波纹填料不适用于粘度大有沉淀物的体系，且清流困难三三.填料塔的流体力学性能：填料塔的流体力学性能：持液量、持液量、 P P、液泛、润湿性能、液泛、润湿性能1.1.填料层的持液量填料层的持液量（1 1）定义：在操作条件下，）定义：在操作条件下，m m3 3液体量液体量/m/m3 3填料填料,H,HT T（2 2）组成：）组成：静持液量静持液量：停止气液供料，至液排至无滴液时填料层中：停止气液供料，

19、至液排至无滴液时填料层中的液体量，的液体量，H HS S H HS S =(=(材质、液性质材质、液性质) ) 动动持液量持液量：停止气液供料起，所能流出的液体量，：停止气液供料起，所能流出的液体量， H HC C H HC C =f(=f(材质、液体性质、液体负荷材质、液体性质、液体负荷) )（3 3）说明）说明: :持液量应合理可测，可用经验式估算持液量应合理可测，可用经验式估算2.2.气体的气体的P P（1 1）产生）产生P P的原因：本身粘度（小）、与填料表面液膜的摩擦力的原因：本身粘度（小）、与填料表面液膜的摩擦力（大），填料机构、塔内持液量（大），填料机构、塔内持液量-（2 2）为

20、何确定）为何确定P P：核算动力消耗：核算动力消耗（3 3）给定体系正常操作下影响）给定体系正常操作下影响P P的原因分析的原因分析在两截面间列伯努利方程在两截面间列伯努利方程gg1122（4）试验结果：图）试验结果：图P/ZP/Zv/v/【m/sm/s】kPa/mkPa/m0123L=0区区区区区区区：恒持液量区，区：恒持液量区，v小液体不被小液体不被拦截，持液量拦截，持液量=填料表面液膜量，填料表面液膜量，与空塔的与空塔的P/Z与与v的线平行，只是的线平行，只是在在相同空塔速度下在在相同空塔速度下P/Z增大增大区与区与区的交点区的交点截点：从此点气体速截点：从此点气体速度开始，塔内有持液量

21、出现度开始，塔内有持液量出现区液泛区：气体运动为脉动，变为分散相；液体从顶部带出，区液泛区：气体运动为脉动，变为分散相；液体从顶部带出，变为连续相变为连续相 区：载液区（工作区）区：载液区（工作区）区与区与区交点区交点泛点泛点 ：从此点气速开始，塔内出现液泛，：从此点气速开始，塔内出现液泛，说明：不同填料的说明：不同填料的P/Z与与v图的基本形状相同图的基本形状相同 有些填料和操作的载点和泛点不太明显有些填料和操作的载点和泛点不太明显3.液泛（气速）液泛（气速）vmax（1）为何研究）为何研究vmax ？ 用于确定用于确定v和和D（2 ）如何算）如何算 vmax 埃克特通用关联图埃克特通用关联

22、图1150200不同不同P/Z整砌拉西环整砌拉西环泛点线泛点线弦删填料泛弦删填料泛点线点线埃克特通用关联图埃克特通用关联图0101.0其中：其中：填料因子（填料因子（1/m1/m）液体密度校正系数液体密度校正系数= =水水/ /实际液体实际液体（相同条件）（相同条件）v v操作空塔气速操作空塔气速v vmaxmax液泛空塔气体速液泛空塔气体速计算步骤：第一步：求横坐标数值计算步骤：第一步：求横坐标数值 第二步：根据第二步：根据P/Z找到纵坐标数值找到纵坐标数值 第三步：根据纵坐标数值反算第三步：根据纵坐标数值反算v vmaxmax说明：埃克特通用关联图也可用于求说明：埃克特通用关联图也可用于求

23、P，步骤为，步骤为 第一步：第一步：横坐标数值横坐标数值 第二步：求第二步：求纵坐标数值纵坐标数值 第三步：确定第三步：确定P/Z（3）影响）影响v vmaxmax的因素的因素A.填料的性质：即填料因子填料的性质：即填料因子=f=f（a a、形状等）、形状等）实际证明：形状影响大；实际证明：形状影响大； 减小，减小， v vmaxmax增大增大B.B.流体的物性流体的物性L L增加，自重力增加，下流易，增加，自重力增加，下流易， v vmaxmax可增大可增大V V增加，当增加，当v v一定时一定时, ,对液阻力增加，对液阻力增加， v vmaxmax降低降低 L L增加，填料对液的下流阻力增

24、加，增加，填料对液的下流阻力增加， v vmaxmax降低降低C.C.液气比液气比W WL L/Wv/Wv增加，增加， v vmaxmax降低，因降低，因W WL L增加增加降低降低4.4.填料的润湿性能和液体的喷淋密度填料的润湿性能和液体的喷淋密度（1 1）为何研究润湿性能）为何研究润湿性能（2 2）影响润湿性能的因素）影响润湿性能的因素填料材质、表面形状、装填方法、液体喷淋密度填料材质、表面形状、装填方法、液体喷淋密度（3）经验式）经验式 Umin=（LW）min a Umin为最小喷淋密度；为最小喷淋密度； （LW）min为最小润湿速率（与填料有关可查）为最小润湿速率（与填料有关可查）a

25、为填料的比表面积（可查）为填料的比表面积（可查）四四.填料塔的计算填料塔的计算1.D其中其中v=（5085%） v max， 一般一般v / v max (泛点率泛点率)=6080%或或注意：计算的注意：计算的D需标准化；需根据所需标准化；需根据所用填料校核喷淋密度用填料校核喷淋密度2.填料层的有效高度填料层的有效高度（1）传质单元数法）传质单元数法 料高料高Z = 传质单元高度传质单元高度 X 传质单元数传质单元数（2）等板高度法）等板高度法 Z = NT X HETP NT为理论塔板数；为理论塔板数； HETP为等板高度或理论板当量高度为等板高度或理论板当量高度m注意注意* HETP的确定手段：实验测