气液传质设备.ppt

1、第12章 气液传质设备,Chapter 12 Mass Transfer Equipments,1,第12章 气液传质设备,12.1 概述 12.2 板式塔 12.3 填料塔 12.4 塔的总体结构,2,12.1 概述 （Introduction）,一、气、液传质设备(塔设备)的作用,提供气、液两相充分接触的场所，使传热、传质两种传递过程能够迅速有效地进行； 使接触后的汽液两相及时分开，互不夹带,3,二、塔设备的分类,4,三、评价塔设备的基本性能指标,1.生产能力：单位塔截面单位时间的处理量,2.分离效率： 板式塔：每层塔板的分离程度 填料塔：单位高度填料层所能达到的分离程度,3.操作弹性：塔

2、的最大处理量与最小处理量之比,4.流动阻力：主要指气相阻力,5,四、本章要解决的主要问题,塔设备中流体的流动状态对传质过程的影响; 塔的直径、高度等尺寸; 塔板结构尺寸的设计及填料的选择,6,12.2 板式塔 Plate (tray) tower,12.2.1 塔板的结构及类型 12.2.2 塔板的工作情况 12.2.3 塔板的初步设计 12.2.4 塔板的水力计算 12.2.5 其它塔板简介及塔板的评价,7,概 述,一、板式塔内的汽、液两相的流动方式,液相：塔顶塔底，自身重力 气相：塔底塔顶，克服液相阻力 压力：塔底塔顶,二、对塔板的要求,气液两相接触充分 气液两相分离完全,8,12.2.1

3、 塔板的结构及类型,一、塔板类型,无溢流塔板（穿流型塔板）:,气液相有共同的通道，气液两相逆流，传质推动力最大，但由于这种塔板不稳定，目前在现场很少使用。,有溢流塔板（溢流型塔板）：,气液相有各自的通道，相对比较稳定，便于操作，技术上也比较成熟，目前的塔设备多采用这种方式。,9,二、溢流型塔板的主要型式,10,气相鼓泡元件：泡罩（泡帽）,优点：操作弹性大，操作稳定，不易堵塞 缺点：生产能力小、结构复杂，造价高、压降大、效率低,11,筛孔塔板（Sieve Tray）：,出现较早（1830年），是结构最简单的一种板型； 气相鼓泡元件：筛孔,优点：处理能力大，压降小，结构简单，造价低； 缺点：操作弹

4、性小，稳定性较差。,12,浮阀塔板：,二十世纪五十年代问世，为应用最广的一种塔板。 结构：塔板上按一定的排列开若干孔，孔的上方安置可上下浮动的阀片。阀片可随上升气量的变化而自动调节开启度。在低气量时，开度小；气量大时，阀片自动上升，开度增大。因此，气量变化时，通过阀片周边流道进入液体层的气速较稳定，气体水平进入液层也强化了气液接触传质。 气相鼓泡元件：浮阀 特点：结构简单，生产能力和操作弹性大，板效率高。综合性能较优异。,13,F1型浮阀：,14,十字架型浮阀(T型盘型浮阀),15,三、溢流型塔板的结构,塔板的分区,鼓泡区：气体通道，气液两相传热、传质 降液区：液体通道，小气泡聚合成大气泡再返

5、回 受液区：接受降液管的液体 安定区：缓冲液体，减少降液管气泡夹带量 边缘区：支撑塔板及塔板上液体,19,主要构件,鼓泡元件：形成气液两相传热传质的主要构件,气体通道：,液体通道：,20,作用：让液体在其中停留一段时间，使液体所夹带的气泡有充分的时间得以从液体中溢出。 型式：弓形、圆形、矩形,降液管：,21,作用：接受由降液管下来的液体，缓冲液体流下时的冲击作用，稳定塔上液体的流动状态，确保传质过程的稳定进行。 型式：平形、凹形,受液盘：,22,作用：维持塔板上有一定的液面高度，以确保传质过程的顺利进行，再者将降液管出口封在液面以下，以免气体短路从降液管中上升，影响传质过程的进行。 型式：平形

6、、齿形,溢流堰（出口堰）：,23,12.2.2 塔板的工作情况,一、塔板上气液两相的流动状态,溢流型式：,24,塔板上气液两相的接触：,液面落差,气泡夹带,雾沫夹带,塔板压降,气体分布不均,漏液,26,二、塔板上的不正常操作状态,27,雾沫夹带：,当气速增大，塔板处于泡沫解除状态或喷射解除状态时，由于气泡的破裂或气体动能大于液体的表面能，而把液体吹散成液滴，并抛到一定的高度，某些液滴被气体带到上一层塔板，这种现象称为雾沫夹带。,危害：以上两种不正常现象都会使气相或液相造成返混，使原已获得的分离效果丧失，影响全塔的分离效果。,28,当气体通过塔板的速率较小时，上升的气体通过塔板上开孔的阻力和克服

7、液体表面张力所形成的压降较小，不足以抵消塔板上液层的重力，大量的液体会从塔板上的开孔处往下漏，这种现象叫作漏液。 两种情况：整个截面的漏液，整个截面的漏液基本均匀； 局部漏液，由于板上气液相分布不均匀引起。 危害：严重的漏液会使塔板上建立不起液层，从而导致塔板效率降低，在设计和操作时应该特别注意防止。,过量漏液：,29,夹带液泛：塔板上的液体流量很大，上升的气体的速度很高，液体被上升的气体夹带到上一层塔板上的量猛增，使相邻的两块塔板间充满了汽、液混合物，最终使整个塔内空间全部被液体所占据，这种现象称为夹带液泛。 溢流液泛：因降液管太小，液体的流动阻力过大，或因其他原因使降液管局部区域堵塞而变窄

8、，液体不能正常地通过降液管向下流动，使得液体在塔板上积累而充满整个塔内空间，这种现象称为溢流液泛。 危害：使整个塔内液体不能正常流下，液体的大量返混，严重地影响了塔的正常操作；会使塔内液体滞留量猛增，致使设备主体产生破坏性损坏，是操作中应该特别注意防止且应坚决杜绝的。,液泛（淹塔）：,30,12.2.3 塔板的初步设计,一、溢流型式的选择,溢流型式可根据塔径和液相流量由经验确定； 在设计计算时由于塔径尚未决定，可先设一种溢流形式，然后再进行核算看是否合适,31,双流型,多流型,32,二、板间距及塔高,板间距对塔的生产能力、操作弹性及板效率都有影响。 板间距与塔径相互关联： HT 增加，雾沫分离

9、高度增加， 可在较小塔径下采用较大气速； HT 减小，则塔径要相应增加。 HT 由塔径选取，有标准系列，常用的有300，350，450，500，600，800mm等，对易发泡物系，HT可选择大一些，在有人孔的地方，HT 600mm。,板间距：,33,34,塔高的计算：,由板间距及实际塔板数计算：,取：H顶 = 0.91.2m H底 = 1.53.0m H进 = 0.751.0m,有人孔的地方， HT 600mm,35,三、塔径,由塔内气相流量VS 及空塔气速u 来计算：,式中，VS由工艺计算求得，空塔气速u由经验方法求 得; 计算出的塔径应进行圆整，D 1m时，按200mm圆整; 塔的精馏段、

10、提馏段塔径可以不同。,36,四、塔板的板面布置,塔径小于800mm时，塔板可整块制作； 塔径大于900mm时，一般分块制造安装。,分块塔板通常由三种形式的塔板组成： 弓形板：两块 矩形板：一块或多块 通道板：一块,37,分块式塔板示意图,支撑圈,悬边自身梁,38,五、溢流装置的设计,hb，液封不好； hb，阻力大，一般25mm液柱; 平形受液盘：小塔hb 2025mm 大塔hb 40mm； 凹形受液盘：底隙高度hb 等于盘深,降液管：,39,堰长lw ：弓形降液管的弦长，由液体负荷和流动形式决定 一般，单溢流 lw=(0.60.8)D 双溢流 lw=(0.50.7)D 堰高hw ：先求堰上液层

11、高度how，然后根据经验选取： 0.1-howhw0.05-how,溢流堰：,40,受液盘：,直径800mm以上的塔有时可用凹型受液盘，深度一般为50mm。,41,六、浮阀的数目与排列,浮阀数目：,设计时首先选择合适的阀孔动能因数F0 ，然后根据阀孔动能因数的计算公式求浮阀数目：,在912（浮阀全部打开）之间选择一个F0的数值，采用阀孔动能因数来计算阀孔速度uo：,42,浮阀在塔板上常按三角形排列，可顺排或叉排； 等腰三角形叉排可使相邻的浮阀容易吹开，鼓泡更均匀； 通常将同一横排的阀孔中心距定为75mm，而相邻两排间的距离可取 65、80、100 mm 等几种规格。,浮阀的排列：,43,塔板上

12、阀孔总面积与塔截面积之比：,通常，对常压塔或减压塔，开孔率为1013， 对加压塔，开孔率小于10，常用的为69。,开孔率：,44,45,12.2.4 塔板的水力学计算,一、塔板压降,46,气体通过阀孔及阀件的阻力所产生的压降，随气速提高而增加。对不同的塔板有不同的经验公式计算。 对F1型重阀（33g）：,干板压降hC ：,47,48,气体通过板上液层压降hl：,49,克服液体表面张力产生压降h:,塔板压降的正常范围：常压塔：36mmHg； 减压塔：13mmHg,50,二、堰上清液层高度how,一般要求： how6mm,51,若求出的how6mm，为保证堰上液体的稳定流动，可采用齿形堰，齿深ha

13、一般在15mm以下。,52,三、漏液,对浮阀塔板和筛板，少量泄漏不可避免； 过量泄漏会导致塔板效率降低； 要求：正常操作时，泄漏量不大于塔板上液体流量的10%； 判据：阀孔动能因数F0 ：对F1型重阀，F056时泄漏量已接近10，因此要求F056。,53,四、降液管内液面高度Hd,为防止发生液泛，对降液管内液面高度有一定的要求； Hd 和塔板压力降、板上液层高度及各项阻力有关,由降液管液面与塔板上液流方向上的截面，忽略液体通过降液管本身的阻力和动能差，列机械能衡算方程，分析可得：,54,其中：,不设进口堰时：,设进口堰时：,55,筛板塔：,式中：B 平均液流宽度，B=0.5(D+lw)，m；

14、hF 塔板上的泡沫层高度，可取hF=2.5(hw+how)； L 液体粘度，mPas； L 液体的体积流率，m3/h ； Z 进出口堰间的距离，m,防止淹塔的限制条件：,56,五、液体在降液管中的停留时间,要求：35s,57,六、雾沫夹带,58,泛点率（泛点百分数）F1 ：,通常：大塔：F1 8082； 减压塔：F1 7577； D0.9m的塔：F1 6575,59,式中：CV 气相负荷系数，m3/s； VS，LS 气相及液相负荷，m3/s； ZL 板上液体流径长度，m ； 单溢流塔板：ZLD-2Wd； D 塔径， Wd 弓形降液管宽度，m Ab 板上液流面积，m2 ； 单溢流塔板：AbAT-

15、2Af AT 塔截面积，Af 弓形降液管截面积，m2 CF 泛点负荷系数，由V 及HT 查图得到； K 物性系数，查表得到。,60,七、液泛,61,八、塔板的适宜工作区和负荷性能图,应避免的不正常的水力现象： 过量的雾沫夹带； 淹塔（液泛）； 过量的泄漏； 降液管中液体的停留时间不够或线速过高； 液体负荷过小，液体分布不均,适宜工作区：塔的实际操作中，为确定塔板对气液负荷变化的适应性，即塔板的操作弹性，而作出的塔板正常工作的范围图适宜工作区图,62,负荷性能图：, 过量雾沫夹带线 （气相负荷上限线）； 漏液线 （气相负荷下限线）； 液相负荷下限线； 降液管超负荷线 （液相负荷上限线）； 液泛线

16、,63,负荷性能图的绘制, 过量雾沫夹带线 （气相负荷上限线）：,表示雾沫夹带量eV = 0.1kg(液)/kg(气)时的VsLs关系； 绘制过程：,64,表示不发生严重漏液现象的最低气相负荷； 绘制过程：对F1型重阀，阀孔动能因数F0 =56时，泄漏量接近10：, 漏液线：,65, 液相负荷下限线:,能够保证塔板上液体均匀分布的最低液体流量; 绘制过程： 采用平型堰时，取堰上液头高度how0.006m为限制条件:,66, 降液管超负荷线（液相负荷上限线、 降液管中液体停留时间不足线）：,保证液体在降液管中有充分的停留时间，使被液体夹带进入降液管中的气泡能大部分被释放出来； 绘制过程：取降液管

17、内液体停留时间=3s（按降液管中清液计算）：,67, 淹塔（液泛）线：,表示降液管内泡沫液层的高度超过最大允许值时的VSLS关系； 绘制过程：根据对降液管中液面高的限制条件求得：,68, 负荷性能图的用途,确定塔板的适宜工作区：,五条线包围的区域为适宜工作区。 图中P为操作点。P与原点的连线OP为操作线。P位于适宜工作区的中间区域时最为合适，如接近某条边界线，则当气、液相量波动时容易发生不正常的操作现象。,69,确定塔板的操作弹性：,操作弹性K 为可操作气相量的上下限之比，即： KVSM/VSN 通常，浮阀塔：K =34。,70,确定塔板的控制因素：,即塔最容易发生那些不正常的操作状况。与操作

18、线相交的两条边界线即为塔板的控制因素； 如图，最容易发生的为过量漏液和液泛。,71,12.2.5 其它塔板简介及塔板的评价,一、几种塔板简介,HTV(Half Tube Valve)船型浮阀：,可用于常压和带压条件下的各种蒸馏、吸收等塔中,72,舌型塔板：,优点：塔板压降较小； 较高的生产能力。 缺点：塔板漏液严重； 操作弹性小； 液体在板上的停留 时间太短、液层太薄，板 效率低。,73,浮舌型塔板是综合浮阀和固定舌型塔板的长处（舌型塔板的并流喷射和浮阀塔板的气体穿过塔板通道面积可变）而提出的又一种喷射型塔板。 特点：生产能力大、压降小； 结构复杂，构件易损坏。,浮舌塔板：,74,JCV浮阀塔

19、板 （双流喷射浮阀塔板 Jet Co-flow Valve Tray）,结构：阀笼与塔板固定，阀片在阀笼内上下浮动。 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，使塔的分离效率和生产能力都大大提高。 特点：阀片开启灵活、高效、高通量、寿命长、耐堵塞。,75,低负荷下阀片工作状态,JCV浮阀塔板效率曲线,中负荷下阀片工作状态,高负荷下阀片工作状态,JCV浮阀阀片,76,2400 JCV浮阀塔板,1800 JCV浮阀塔板,77,JCPT塔板（并流喷射填料塔板） Jet Co-flow Packing Tray,78,不同结构型式的JCPT塔板,79,垂直筛板（Vertica

20、l Sieve Tray ）,在塔板上开按一定排列的若干大孔(直径100200mm)，孔上设置侧壁开有许多筛孔的泡罩，泡罩底边留有间隙供液体进入罩内。,与普通筛板相比，垂直筛板为气液两相提供了很大的不断更新的相际接触表面，强化了传质过程；且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，因此可获得较高的塔板效率和较大的生产能力。,80,二、塔板性能评价,1.处理能力：允许操作气速的大小，即泛点气速的大小,2.塔板效率：较宽的气速范围内保持高的效率,3.操作弹性：塔的最高和最低允许气速的比值 理想的塔板能在较宽的气速范围内保持正常操作,4.塔板压力降：主要指气相阻力 对减压蒸馏

21、和高真空精馏，该指标尤为重要,加工及检修的难易程度及制造费用 物料是否有夹带、结焦的可能和起泡的程度、对塔内构件的腐蚀性强弱等,81,12.3 填料塔（Packed Tower）,12.3.1 填料塔的结构 12.3.2 填料的种类及特性 12.3.3 填料塔的设计 12.3.4 填料塔的流体力学特性 12.3.5 气液传质设备的比较和选用,82,12.3.1 填料塔的结构,筒体,液体 分布器,填料,液体再 分布器,填料 支撑板,83,12.3.2 填料的种类及特性,一、填料的作用和要求,84,二、填料的特性,85,86,三、填料的种类,常用的填料可分为散装填料和规整填料两大类； 散装填料在塔

22、内可乱堆，也可以整砌； 通常用金属、碳钢、陶瓷、合金钢、塑料、玻璃、石墨制成。 散装填料有环形、弧鞍形、环鞍形、花环等,87,拉西环（Raschig ring）：,最早使用的一种填料，高径比相等的陶瓷和金属等制成的空心圆环。,优点：易于制造，价格低廉，研究较为充分，应用广泛。 缺点：高径比大，堆积时填料间易形成线接触，液体常存在严重的沟流和壁流现象。且填料的内表面润湿率较低，传质速率不高。,在拉西环基础上衍生了环、十字环等，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。,拉西环1914,90,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是形成向内弯的叶片。上下两层长方

23、形小孔位置交错。,鲍尔环 1948,鲍尔环（Pall ring）：,92,阶梯环填料（Stair ring）：,特点：填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。,结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有交错 45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。,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。,93,弧鞍形填料(Berl saddle)：,一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质型填料 (马鞍填料)。在塔内呈相互搭接状态，形成弧

24、形气体通道；,优点：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。 缺点：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。,94,矩鞍形(Intalox saddle)填料：,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，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； 瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料。,95,金属英特洛克斯（Intalox）填料：,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、传质速率高及操作弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。,96,优点：网丝细密，空隙很高，比表面积大。由于毛细管作用，填料

25、表面润湿性能很好。故网体填料气体阻力小，传质速率高。 缺点：造价很高，故多用于实验室中难分离物系的分离。,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。,网体填料（Wire gauze packings）,98,优点：空隙大，生产能力大，压降小；流道规则，只要液体初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。 缺点：造价较高，易堵塞难清洗，工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。,规整填料一般由波纹状的金属网或多孔板重叠而成。 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分块拼成圆筒形在塔内砌装。,规整填料：,99

26、,木制格栅,Gempak填料,栅板填料,规整填料 塑料丝网波纹填料,100,Corrugated Metal Plates Packings 6400金属板波纹规整填料, 300脉冲规整填料,各种陶瓷规整填料,101,流动参数,12.3.3 填料塔的设计,一、填料的选择,填料种类的选择考虑以下几个方面： （1)传质效率要高。一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料。 （2)通量要大。在保证具有较高传质效率的前提下，选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。 （3）填料层的压降要低。 （4）填料抗污堵性能强，拆装、检修方便。,107,二、塔径,u 设计气速：,三、填料层高度,等板高度(HETP)

27、：height equivalent to a theoretical plate 与理论塔板的传质作用相当的填料层高度,108,四、填料塔的附属结构,填料支承板：,用以支承填料的部件。应具有： (1) 足够的机械强度以承受设计载荷量，支承板的设计载荷主要包括填料的重量和液泛状态下持液的重量。 (2) 足够的自由面积以确保气、液两相顺利通过。总开孔面积应尽可能不小于填料层的自由截面积。开孔率过小可导致液泛提前发生。一般开孔率在 70% 以上。 常用的支承板有栅板、升气管式和气体喷射式等类型。,109,优点：结构简单，造价低； 缺点：栅板间的开孔容易被散装填料挡住，使有效开孔面积减小。,栅板 (

28、support grid)：,110,具有气、液两相分流而行和开孔面积大的特点； 气体由升气管侧面的狭缝进入填料层。,升气管式：,111,具有气、液两相分流而行和开孔面积大的特点； 气体由波形的侧面开孔射入填料层。,波纹式汽液分流型 (multibeam packing support plate)：,112,液体分布器（Liquid distributor）：,主要缺点是喷洒孔易堵塞，且气量较大时液沫夹带量大。,莲蓬头分布器：,113,有环形和梯形两种； 优点：结构简单、造价低、易于支承。自由面积较大 (一般在70%以上)，气体阻力小，适用于气体流量很大的场合； 缺点：也存在小孔易堵塞的问题

29、，故被喷淋的液体不能有固体颗粒或悬浮物。,多孔管式分布器：,114,有盘式和槽式两种； 优点：具有较多的喷淋点数，分布质量比较高，且操作弹性可高达 4:1； 缺点：结构较复杂，造价较高，对安装水平度要求高。气体通过阻力较大，一般适用于气体负荷不太大的场合。,孔流分布器：,116,槽式分布器：,优点：抗堵、抗腐蚀能力强，操作可靠，可处理含固体的物料，操作弹性和处理量较大。 缺点：分布质量极易受液面的波动和分布器水平度的影响，故通常必须装有水平调节装置。,液体从通常为V字形的溢流口中溢出。一般适用于直径大于 1.0 m 的填料塔中。,槽式溢流分布器：,118,液体再分布器（Liquid redis

30、tributor）,原因：存在偏流效应 解决方法：每隔一定高度设置一液体再分布器。 再分布器的形式：有盘式、槽式及截锥式等。,盘式液体再分布器,截锥式 再分布器,120,除沫器（Demister）,当塔内气速较高，液沫夹带较严重时，在塔顶气体出口处需设置除沫装置。,折板除沫器 (Angle Vane-type Demisters)：,阻力较小 (50-100Pa)，但只能除去 50m 以上的液滴。,121,造价较高，可除去 5m 的液滴，但压降较大(约250Pa)。,丝网除沫器 (Wire gauze demister)：,122,12.3.4 填料塔的流体力学特性,一、泛点率,适宜的空塔气速与泛点气速之比； 泛点气速一般由经验方法确定，见P648页图12-39； 对易起泡的物系，泛点率应取低些； 对加压操作的塔应选取较高的泛点率。,123,二、润湿速率,为使填料获得良好的润湿，应使塔内液体喷淋量不低于某一极限值最小喷淋密度，即单位时