化工原理(下)第3章蒸馏和吸收塔设备

1、第3章 蒸馏和吸收塔设备掌握板式塔的结构、塔板类型、板式塔的流体力学性能与操作特性。掌握填料塔的结构、填料的类型、填料塔的流体力学性能与操作特性。学习目的与要求第3章 蒸馏和吸收塔设备3.1 板式塔3.1.1 塔板的类型及性能评价一、塔板的类型 塔板 有降液管式塔板 无降液管式塔板 塔板的分类a.有降液管式塔板b.无降液管式塔板错流式逆流式1. 塔板分类(1)泡罩塔板 泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，它由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有80、100和150mm三种尺寸，可根据塔径大小选择。泡罩下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。

2、泡罩在塔板上为正三角形排列。一、塔板的类型 2. 塔板的主要形式 泡罩实物 泡罩塔板a.操作示意图；b.塔板平面图；c.圆形泡罩泡罩塔板的优缺点v 操作弹性适中v 塔板不易堵塞v 生产能力及板效率较低v 结构复杂、造价高一、塔板的类型 优点 缺点 (2)筛孔塔板 筛孔塔板简称筛板，其结构特点是在塔板上开有许多均匀小孔，孔径一般为38mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。一、塔板的类型 筛孔塔板a.操作示意图；b.筛孔布置图v 板上液面落差小，气体压降低v 生产能力大v 操作弹性小v 结构简单、造价低v塔板效率较高筛孔塔板的优缺点优点 缺点 v 筛孔易堵

3、塞，不宜处理易结焦、黏度大的物料一、塔板的类型 (3)浮阀塔板 浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，可防止阀片与板面的粘结。 一、塔板的类型 浮阀实物 浮阀塔板a.F1 型浮阀；b. V-4 型浮阀；c. T 型浮阀新型浮阀塔板VV塔板梯形导向浮阀塔板v 操作弹性大v 生产能力大v 处理易结焦、高黏度物料阀片易与塔板粘结v 操作时阀片易脱落或卡死v 结构简

4、单、造价低v 塔板效率较高一、塔板的类型 浮阀塔板的优缺点优点 缺点 (4)喷射型塔板 舌型塔板 舌型塔板的结构特点是，在塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，有18、20、25三种（一般为20），舌片尺寸有5050mm和2525mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管。一、塔板的类型 舌形塔板示意图 浮舌塔板 浮舌塔板的结构特点是，其舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，处理能力大、压降低、操作弹性大。浮舌塔板示意图一、塔板的类型 塔板的性能评价指标 v 生产能力大v 塔板效率高v 塔板压降低v

5、操作弹性大v 结构简单，制造维修方便，造价低二、塔板的性能评价 常见塔板的性能比较 塔板类型 相对生 相对塔 操作 压力降 结构 成本 产能力 板效率 弹性 泡罩塔板 1.0 1.0 中 高 复杂 1.0 筛孔塔板 1.2 1.4 1.1 低 低 简单 0.4 0.5 浮阀塔板 1.2 1.3 1.1 1.2 大 中 一般 0.4 0.5 舌形塔板 1.3 1.5 1.1 小 低 简单 0.4 0.5 斜孔塔板 1.5 1.8 1.1 中 低 简单 0.4 0.5 二、塔板的性能评价第3章 蒸 馏3.1 板式塔3.1.1 塔板的类型及性能评价3.1.2 塔板的结构一、塔板的结构参数塔板结构参数

6、示意图二、塔板的溢流装置1. 降液管 降液管是塔板间液体流动的通道，也是使溢流液中所夹带气体得以分离的场所。降液管圆形降液管弓形降液管矩形降液管适用于小直径塔适用于中等直径塔适用于中大直径塔，采用中间溢流二、塔板的溢流装置塔板溢流类型二、塔板的溢流装置2. 受液盘 受液盘用于接受上层塔板下降的液体，通过进口堰形成液封，并使液体在塔板上分布均匀。受液盘平受液盘凹形受液盘适用于小直径塔适用于大直径塔受液盘示意图a.平受液盘；b. 凹型受液盘一、板式塔的流体力学性能 塔板上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。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

7、态： v 鼓泡接触状态 v 蜂窝接触状态v 泡沫接触状态 v 喷射接触状态 1. 塔板上气液两相的接触状态（1）鼓泡接触状态鼓泡接触状态 气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。 一、板式塔的流体力学性能（2）蜂窝状接触状态蜂窝状接触状态 随着气速增加，气泡数量不断增加。当气泡形成速度大于气泡浮升速度时气泡在液层中累积。气泡间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡。由于气泡不易破裂，表面得不到更新，所以此种状态不利于传热和传质。 一、板式塔的流体力学性能（3）泡沫接触状态泡沫接触状态 当气速继续增加，气泡数量急

8、剧增加，气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，形成一些直径较小，扰动十分剧烈动态泡沫，由于泡沫接触状态表面积大，并不断更新，是一种较好的接触状态。 一、板式塔的流体力学性能（4）喷射接触状态喷射接触状态 当气速继续增加，把板上液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用落回到塔板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。液滴回到塔板上又被分散，这种液滴反复形成和聚集，使传质面积增加，表面不断更新，是一种较好的接触状态。一、板式塔的流体力学性能气体通过塔板需克服一定的阻力塔板压降。塔板阻力板上各部件所造成的局部阻力。板上充气液层的静压力形成的阻力。液体表

9、面张力形成的阻力。塔板压降=干板压降+充气液层压降+表面张力压降干板阻力充气液层阻力表面张力阻力一、板式塔的流体力学性能2. 塔板压降分析气液接触时间塔板效率塔釜温度气体阻力塔板压降塔板压降能量消耗对热敏性物系的分离，应采用较低的塔板压降。一、板式塔的流体力学性能 当液体横向流过塔板时，为克服板上的摩擦阻力和板上部件（如泡罩、浮阀等）的局部阻力，需要一定的液位差，则在板上形成由液体进入板面到离开板面的液面落差。塔板上的液面落差示意图液面落差一、板式塔的流体力学性能3. 液面落差分析气液分布均匀程度塔板效率与塔板的结构有关泡罩塔板大浮阀塔板中筛孔塔板小与塔径、液体流量有关塔径流量一、板式塔的流体

10、力学性能（1）漏液 在正常操作塔板上，液体横向流过塔板，然后经降液管流下。当气体速度较小时，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，便会出现漏液现象。 为保证塔正常操作，漏液量应不大于液体流量的10%。漏液量为10%的气体速度称为漏液速度，它是板式塔操作气速的下限。 二、板式塔的操作特性 1.塔板上的异常操作现象 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，这种现象称为雾沫夹带。 为维持正常操作，需将雾沫夹带限制在一定范围，一般为 eV 0.1kg(液)/ kg(气)。 （2）雾沫夹带

11、雾沫夹带量二、板式塔的操作特性 （3）液泛 塔板正常操作时，在塔板上应维持一定厚度的液层，以和气体进行接触传质。如果由于某种原因导致液体充满塔板之间的空间，使塔的正常操作受到破坏，这种现象称为液泛。 液泛夹带液泛降液管液泛由雾沫夹带限制二、板式塔的操作特性 对一定分离物系，当设计选定塔板类型后，其操作状况和分离效果便只与气液负荷有关。要维持塔板正常操作和塔板效率的基本稳定，必须将塔内的气液负荷限制在一定的范围内，该范围即为塔板的负荷性能。塔板的负荷性能用负荷性能图表示2.塔板负荷性能图二、板式塔的操作特性 塔板的负荷性能图LVq,VVq,液相负荷上限线漏液线雾沫夹带线液相负荷下限线液泛线512

12、34操作点操作线1,VVq1,LVq(1)漏液线漏液线气相负荷下限线漏液量 10液流量漏液气速 umin(2)雾沫夹带线雾沫夹带线气相负荷上限线雾沫夹带量 0.1kg液/kg气夹带气速 umax二、板式塔的操作特性 (3) 液相负荷下限线 液流量过低，板上液层不均匀，气体停留时间短，传质效率低。最小液流量 Lmin(4) 液相负荷上限线 液流量过高，液体通过降液管内的停留时间较短，气泡来不及与液体分离 气泡夹带。堰上液层高度 0.006 m最大液流量 Lmax液体在降液管停留时间 5 s二、板式塔的操作特性 (5) 液泛线 为防止液泛，降液管内的液层高度应不超过某一数值。)(WTdhHH液泛气

13、速 uF降液管内液层高度安全系数塔板间距溢流堰高度二、板式塔的操作特性 v 适宜操作区v 操作点v 操作线v 操作控制v 操作弹性v 操作线的调节3.板式塔的操作分析 二、板式塔的操作特性 第3章 蒸馏和吸收塔设备3.1 板式塔3.1.1 塔板的类型及性能评价3.1.2 塔板的结构3.1.3 板式塔的流体力学性能与操作特性3.1.4 板式塔工艺尺寸的计算一、塔有效高度的计算 1. 基本计算公式 TpHNZ) 1( 板式塔有效高度是指安装塔板部分的高度，其计算方法是，先通过板效率将理论板层数换算为实际板层数，再选择合适的板间距计算板式塔的有效高度。 实际塔板层数塔板间距2. 塔板效率 塔板效率反

14、映了实际塔板的汽液两相传质的完善程度。 (1)全塔效率 %100pTTNNE 全塔效率反映塔中各层塔板的平均效率，它是理论板层数的一个校正系数，其值恒小于100%。 总板效率一、塔有效高度的计算 (2)单板效率 单板效率又称默弗里（Murphree）效率，它是以混合物经过实际板的组成变化与经过理论板的组成变化之比来表示的，单板效率即可用汽相组成表示，也可用液相组成表示，分别称为汽相单板效率和液相单板效率。 一、塔有效高度的计算 气相单板效率 1*1nnnnMVyyyyE液相单板效率 nnnnMLxxxxE*11单板效率分析1ntnt1nt1nyny1ny1nxnx1nx)(ny)(nx一、塔有

15、效高度的计算 (3)点效率 点效率是指塔板上各点的局部效率。1*1nnOVyyyyE点效率分析1nynynx1nxxy)(y一、塔有效高度的计算 二、板式塔直径的计算 1.基本计算公式uqDVV,4提示v 精馏段与提馏段分别计算，相差不大取较大者 作为塔径，相差较大采用变径塔。 v 计算塔径后应进行圆整。 精馏塔内径计算式二、板式塔直径的计算 2.空塔气速的确定 空塔气速是影响精馏操作的重要因素，空塔气速的上限有严重的雾沫夹带或液泛决定，下限由漏液决定，适宜的空塔气速应介于二者之间。根据设计经验，通常取max)8.06.0(uu 最大空塔气速3.气相体积流量的计算 （1）精馏段体积流量的计算

16、VmVnVVMqq3600,iinimMyM1操作压力较低时，气相可视为理想气体混合物 pTTpqqVnVV00,36004 .22二、板式塔直径的计算 （2）提馏段体积流量的计算 VmVnVVMqq3600,iinimMyM1pTpTqqVnVV00,36004 .22操作压力较低时，气相可视为理想气体混合物 二、板式塔直径的计算 练 习 题 目思考题作业题: 14、15、161.板式塔的流体力学性能包括哪些方面？2.塔板上有哪些异常操作现象，其对精馏操作有何 影响？3.塔板负荷性能图的构造如何？4.总板效率和单板效率的定义和计算方法如何？v 板式塔塔板的主要类型板式塔的流体力学性能板式塔的

17、操作特性塔板效率学 习 指 导第3章 蒸馏和吸收塔设备3.1板式塔 8.7 填料塔 3.2.1 塔填料 3.2 填料塔 一、填料的类型(1) 环形填料 拉西环勒辛环十字隔板环螺旋环鲍尔环阶梯环扁环改变通量，改善气液流动状况增加填料比表面积1.散装填料拉西环鲍尔环阶梯环扁环(2)鞍形填料与环鞍形填料 弧鞍填料改进矩鞍填料矩鞍填料与环形填料相结合环矩鞍填料一、填料的类型弧鞍填料矩鞍填料金属环矩鞍填料(3)球形填料与花环填料 球形填料 v 多面球填料 v 花环填料 通常用塑料注塑而成v TRI球形填料 v 共轭环填料 v 海尔环填料 v 纳特环填料 花环填料一、填料的类型多面球形填料TRI 球形填料

18、花环填料海尔环填料共轭环填料纳特环填料塑料异型环矩鞍填料(1)格栅填料 格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。 2.规整填料一、填料的类型木格栅填料格里奇格栅填料(2)波纹填料 目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有30和45两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90排列。 波纹填料按结构可分为网波纹填料和板

19、波纹填料两大类。一、填料的类型金属孔板波纹填料金属丝网波纹填料陶瓷板波纹填料塑料板波纹填料二、填料的性能及其评价 (1)比表面积 单位体积填料层的表面积称为比表面积，以 表示，其单位为 m2/m3。 传质面积传质效率流动阻力生产能力分析 tatata1.填料的几何特性 (2)空隙率 单位体积填料层的空隙体积称为空隙率，以 表示，其单位为 m3/m3，或以%表示。 流动阻力塔压降生产能力传质效率流动阻力分析 二、填料的性能及其评价 (3)填料因子 填料的比表面积与空隙率三次方的比值称为填料因子，以 表示，其单位为1/m。 3ta分析 传质效率流动阻力生产能力ta二、填料的性能及其评价 干填料因子

20、在操作状态下湿填料因子压降填料因子 P泛点填料因子 F二、填料的性能及其评价 L湿填料因子PP 操作气速 uFPF 泛点气速 uF二、填料的性能及其评价 2.填料的性能评价 填料的性能评价指标 v 生产能力大v 传质效率高v 填料层压降低v 操作弹性大v 造价低 9 种填料综合性能评价 填料名称 评估值 评 价 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Intalox填料 0.59 相当好 3 金属鞍形环填料 0.57 相当好 4 金属阶梯环填料 0.53 一般好 5 金属鲍尔环填料 0.51 一般好 6 瓷Intalox填料 0.41 较好 7 瓷鞍形环

21、填料 0.38 略好 8 瓷拉西环填料 0.36 略好 9 二、填料的性能及其评价 练 习 题 目思考题作业题: 13、141.气提解吸的计算与吸收的计算有何异同？2.填料有哪些主要类型？3.填料的几何特性包括哪些参数？4.评价填料性能有那些指标？3.2.1 塔填料 第3章 蒸馏和吸收塔设备3.2 填料塔 一、填料的类型 二、填料的性能及其评价 三、填料的选择 1.填料类型的选择 填料类型的选择考虑因素 v 填料的传质效率要高v 填料的通量要大v 填料的压降要低v 填料抗污堵性能强v 填料便于拆装、检修2.填料规格的选择 散装填料常用的规格（公称直径） DN16 DN25 DN38 DN50

22、DN76(1)散装填料规格的选择 填料规格传质效率填料层压降选择原则：D/d 8塔径填料公称直径三、填料的选择 (2)规整填料规格的选择 规整填料常用的规格（比表面积）125 150 250 350 500 700 同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显增加。故选用时，应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质以及设备投资、操作费用等方面综合考虑。 三、填料的选择 3.2.1 塔填料 第3章 蒸馏和吸收塔设备3.2 填料塔 3.2.2 填料塔的流体力学性能与操作特性一、填料塔的流体力学性能 填料层的持液量是指在一定操作的条件下，在单位体积填料层内

23、所积存的液体体积。 持液量总持液量 Ht动持液量 Ho静持液量 Hs1.填料层的持液量 HtHo Hs填料液体/33mm分析 Ht填料层压降传质效率生产能力填料层的压降形成v 液膜与填料表面的摩擦v 液膜与上升气体的摩擦u 一定L L 一定u填料塔的流体力学性能分析 PPPZP /u单位高度填料层压降一、填料塔的流体力学性能2.填料层的压降 填料层的P u关系液泛区载液区恒持液量区泛点载点二、填料塔的操作特性 气液两相的均匀分布是填料塔设计与操作中十分重要的问题。 气液分布初始分布动态分布1.填料塔内的气液分布 进塔的气液两相通过分布装置所进行的强制分布。 在一定的操作条件下，气液两相在填料层

24、内，依靠自身性质与流动状态所进行的随机分布。 2.液体喷淋密度与填料表面的润湿 单位塔截面积上单位时间内喷淋的液体体积液体喷淋密度。qULV,3600m3/(m2h) 液体体积流量，m3/s 填料塔的截面积，m2二、填料塔的操作特性（1）液体喷淋密度 LVq,(2)最小液体喷淋密度 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 最小液体喷淋密度。UmintWaLUminmin)(最小液体喷淋密度，m3/(m2h)最小喷淋密度计算式 最小润湿速率，m3/(mh)经验值二、填料塔的操作特性min)(WL 在泛点气速下，持液量的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，

25、此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至被破坏，此种情况称为液泛。 液泛时的空塔气速泛点气速 uF二、填料塔的操作特性3.液泛(1)填料塔的液泛现象 uF影响液泛的因素填料特性流体物性LLV液气比分析 uFuFuFuF二、填料塔的操作特性VmLmqq,(2)影响液泛的因素 (3)泛点率100Fuu散装填料50规整填料6085%95%二、填料塔的操作特性 为保证填料塔正常操作，其操作气速应低于泛点气速，操作气速与泛点气速的比值称为泛点率。 安全系数uFu(4)泛点气速的计算二、填料塔的操作特性 贝恩霍根关联式 8/14/1,2 . 032)()()(lgL

26、VVmLmLLVtFqqKAaguA、K 关联式常数，由数据手册查出。 埃克特(Eckert)通用关联图 散装填料的泛点气速可用埃克特通用关联图计算。埃克特通用关联图5 . 0,)(LVVmLmqq横坐标纵坐标5 . 02)(LLVFFguLO2H泛点填料因子UbaFlglg二、填料塔的操作特性a、b 关联式常数，由有关手册查出。 为了工程计算方便，将散装填料的泛点填料因子进行归纳整理，得到与液体喷淋密度无关的泛点填料因子平均值，部分散装填料的泛点填料因子平均值见书中列表。 在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同程度的返混。 造成返混现象原因 返混的影响传质推动力变小，传质效率降低放大效应。v 填料层内的气液分布不均v 气体和液体在填料层内的沟流v 气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致二、