第七章蒸馏与吸收塔设备详解.ppt

1、第七章 蒸馏和吸收塔设备,教学要求 7-0 概述 7-1 板式塔 7-2 填料塔 复习,教学要求,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,2/37,重 点：板式塔与填料塔的特点，塔设备的选用与设计原则。 覆盖内容：塔设备的性能参数；典型塔板的结构特点及分类，塔板上的流体力学特性，正常与非正常操作情况及调节；板式塔的设计原则及步骤；填料及填料塔的结构特点，填料塔的流体力学特性，填料塔的设计原则及步骤；板式塔与填料塔的比较，塔的选用原则。,7-0 概述,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,3/37,7-1 板式塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备

2、,4/37,一 板式塔的结构,按塔内气、液流动的方式分类,泡罩塔 筛板塔 浮阀塔 喷射塔,二 性能评价,错流塔板、 逆流塔板,三 按塔板类型分类,处理能力 板效率 塔板压降,7-1-1塔板类型,7-1 板式塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,5/37,逆流塔板 优点：结构简单，无液面差，充分利用板面，生产能力较大； 缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。应用范围小，常见的板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。,错流式塔板 (溢流塔板 ) 液体流动 板间 板上 气体流动 溢流堰 进口堰 特点：获得较高的板效率，但降液管将占去塔板的传质有效面积，影响塔的生产能力。,7-1 板式塔,

3、内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,6/37, 泡罩塔的结构 主要元件：升气管、泡罩，泡罩安装在升气管顶部，泡罩底缘开有若干齿缝浸入在板上液层中，升气管顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。,特点： 优点：操作稳定，不会产生严重的漏液现象，故弹性大。 缺点：结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低 。,泡罩塔,7-1 板式塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,7/37,浮阀塔, 浮阀的结构形式：圆形、方形、条形及伞形,安装特点：阀孔 浮阀 最小开度 最大开度 阀片开启高度与操作气速的关系,7-1 板式塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸

4、收塔设备,8/37, 优点：结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。 缺点：处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降 。,几种新型浮阀塔板,双流喷射浮阀塔板,导向浮阀塔盘,7-1 板式塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,9/37,筛板塔,结构 特点：结构简单，造价低廉，塔板阻力小。,垂直筛板,结构,两相流动 特点：提供更大的不断更新的接触表面，强化传质过程；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，垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的生产能力。,7-1 板式塔

5、,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,10/37,结构,喷射型塔板舌形塔板,优点：避免返混、液面落差小，塔板压降较小；气流方向近于水平；液沫夹带量较小，可达较高的生产能力。 缺点：张角固定，可导致塔板漏液严重；操作弹性小；板效率较低。,喷射型塔板浮舌塔板 结构,特点：处理能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适宜于热敏性物系的减压分离过程。,7-1 板式塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,11/37,7-1-2板式塔的流体力学性能,一 塔板上气液两相的接触状态,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。,蜂窝状态,气泡的形成速

6、度大于气泡的浮升速度，气泡在液层中累积。气泡之间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡，板上是以气体为主的气液混合物。气泡不易破裂，表面得不到更新，此种状态不利于传热和传质。,鼓泡状态,气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。,7-1 板式塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,12/37,泡沫状态,泡沫接触状态的表面积大，不断更新，为两相传热与传质提供了良好的条件，是一种较好的接触状态。,喷射状态,气体为连续相，液体为分散相，两相传质的面积是液滴的外表面。液滴的反复形成和聚集，使传质面积增加，表面不断更新，有利于传质与传热进行，是一种较好的接触状态。,二 气体通过塔板的压降,总压

7、降包括干板压降、静压强及液体表面张力引起的压降 影响因素 压降与效率,7-1 板式塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,13/37,三 塔板上的液面落差,流体阻力与液面落差 塔板结构与液面落差 改善措施：单溢双溢流或阶梯溢流,四 塔板上的异常操作现象,漏液、液泛和液沫夹带等，应尽量避免异常操作现象的出现。,五 塔板的负荷性能图,通常由五条线组成： 漏液线（1） 液沫夹带线（2） 液相负荷下限线（3） 液相负荷上限线（4） 液泛线（5）,7-1 板式塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,14/37,六板式塔的操作分析,五条线所包围的区域称为 塔板的适宜操作

8、区。 操作点A 操作线OA 操作弹性Vmax/Vmin,设计时，应使操作点尽可能位于适宜操作区的中央，若操作点紧靠某一条边界线，则负荷稍有波动，塔的正常操作即被破坏。,7-1 板式塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,15/37,7-1-3 板式塔的工艺设计,设计分析,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,16/37,填料塔 塔体 填料 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 操作原理,7-2-1 填料塔的结构与特点,7-2-2 填料,一 填料特性：,比表面积 空隙率 填料因子 ( /3)表示填料的流体的流体力

9、学性能。,二 填料类型,散装填料和规整填料,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,17/37,1 散装填料, 拉西环填料,优点：易于制造，价格低廉，研究较为充分。 缺点：高径比大，易形成线接触，存在严重的沟流和壁流 现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低， 改进：衍生的环、十字环及螺旋环等。, 鲍尔环（Pall ring）填料,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,18/37, 阶梯环填料, 鞍形(Berl saddle)填料矩鞍、弧鞍、金属鞍换,优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好。,缺点：相邻填料易套叠。,7-2 填料塔

10、,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,19/37,2 规整填料,格栅填料,格栅填料,优点：格栅填料层整体性好，空隙率高。 缺点：但比表面积较低。, 波纹填料,金属丝网波纹填料,按结构网波纹填料和板波纹填料 按材质金属、塑料、陶瓷等,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,20/37,脉冲填料,特点:处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,21/37,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔

11、设备,22/37,包括持液量、压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。,一 气体通过填料层的压强降,压降与气速的关系L=0、L0的情况 载点、泛点 恒持液量区、载液区、液泛区 持液量,7-2-3 填料塔的流体力学性能,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,23/37,压降：在一定的液体喷淋密度下，填料持液量与气速无关，气体压降与气速的关系为直线且基本与 L=0 的直线平行。,载液和液泛对传质的影响：,载点(B)后，持液量，气液相互作用，相界面积，湍动增强，传质过程，填料效率 (HETP )；P点后，液沫夹带量，液相返混可导致填料效率，(HETP )。,填料塔的操作控

12、制在偏离泛点一定距离的载液区内，可得到较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,24/37,压降对填料塔操作的可靠性和经济性有着决定性的影响；选择填料和确定塔径时，不同系统应控制的压降范围不同。,压降表面摩擦阻力、形体阻力 影响因素：填料特性(几何形状、比表面积、 等)，流体物性(、 等)、操作条件(气液流量、T 等)。 由各种经验关联式或关联图进行估算。,二 压降与气速的关联图,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,25/37,埃克特 (Eckert) 压降通用关联图,GG ,GL ：kg/

13、(m2.s)； u ：m/s； L ：mPa.s； V , L ：kg/m3； WG ,WL ：kg/s； ：湿填料因子(泛点填料因子)，1/m； g：重力加速度 9.81m/s2； Vs ,Ls ：m3/s； ：液体密度校正系数(水与液相密度之比=/L) 。,横坐标：,纵坐标：,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,26/37,适用范围：乱堆填料(Random packings),最上方的三条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线。其余为乱堆填料的等压降线。,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,27/37,三、液泛与泛点气

14、速,防止液泛：u0max 0.95uF，设计点时取u0=0.50.8uF。故正确估算泛点气速对填料塔的设计和操作都十分重要。 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。泛点气速的估算式通常仍是借助于实验数据所得的各种经验关联式或关联图。 对于散装填料，目前广泛采用埃克特(Eckert)压降和气速通用关联图中的泛点曲线。 规整填料有类似的泛点实验关联图，可参考有关文献。 根据两相流动参数即可由埃克特(Eckert)关联图中的泛点线查纵坐标值，若填料因子已知，即可求得泛点气速。,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,28/37,7- 2-4

15、填料塔的内件,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。,一 填料支承装置,作用：支承填料 要求：机械强度、自由面积,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,29/37,二 填料压紧装置,作用：防止填料层的松动和跳动。 分类：填料压板和床层限制板 填料压板：自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。,床层限制板：用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳

16、固定。,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,30/37,三 液体分布装置,液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。,喷头式分布器：液体由半球形喷头的小孔喷出，小孔直径为310mm，作同心圈排列，喷洒角 80，直径为(1/31/5)D。这种分布器结构简单，只适用于直径小于600mm的塔中。因小孔容易堵塞，一般应用较少。,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,31/37,盘式分布器筛孔型分布器、盘式溢流管式分布器等。分布盘直径为塔径的0.60.8倍，适用于D 800mm 的塔。,7-2 填料塔,内蒙古工业大学

17、化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,32/37,管式分布器:由不同结构形式的开孔管制成，有排管式、环管式等不同形状。 。 特点：结构简单，供气体流过的自由截面大，阻力小。 缺点：小孔易堵塞，弹性一般较小。,应用：由于液体分布性能优越，适合于较多喷淋点和较低液体负荷的场合；要求物料中无固体颗粒，在立管进料口应设有过滤网；列管式液体分布器操作弹性好；在高操作弹性的场合，可采用双排管式液体分布器；适合大、中、小型塔中采用。,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,33/37,槽式液体分布器:通常由分流槽（主槽或一级槽）、分布槽（副槽或二级槽）构成的。分布槽的槽底（或槽

18、壁）上设有孔道（或导管），将液体均匀分布于填料层上。具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，适合于大气液负荷及含有固体悬浮物、粘度大的液体的分离场合。由于槽式分布器具有优良的分布性能和抗污堵性能，应用范围非常广泛。,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,34/37,壁流：液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象。 结果：壁流将导致填料层内气液分布不均，使传质效率下降。 措施：在填料层内间隔一定高度设置液体再分布装置。 截锥式再分布器 优点：截锥式再分布器结构简 单，安装方便。 缺点：但它只 起到将壁流向中心汇集 的作用，无液体再分布 的功能。 适用塔径：小于0.6m的塔中。,四 液体收集及再分布装置,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,35/37,用于大塔径的 斜板式液体收集器,3800液体收集再分布器,用于小塔径的 斜板式液体收集器,7-2 填料塔,内蒙古工业大学 化工学院,化工原理 蒸馏和吸收塔设备,36/37,塔型选择,塔型选择主要需考虑以下几个方面的基本性能指标：,分离效率：对板式塔指每层塔板的分离程度；对填料塔指单位高度填料层所达到的分离程度； 操作弹性： 指在负荷波动时维持操作稳定且保持较高分离效率的能力，通常以最大气速负荷与最小气速负荷之比表示；