化工原理课件第10章：塔设备

1、 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备10 气液传质设备0 概述0.1 塔器的概念及其产生塔器是广泛应用于石油、化工、轻工等部门的工艺设备，主要用塔器是广泛应用于石油、化工、轻工等部门的工艺设备，主要用来处理流体之间的传热与传质，实现物料的净化与分离。来处理流体之间的传热与传质，实现物料的净化与分离。塔器的产生与炼油、化工的发展同步。塔器的产生与炼油、化工的发展同步。18131813年提出泡罩塔年提出泡罩塔18321832年产生筛板塔年产生筛板塔2020世纪，得到世纪，得到发展和充实发展和充实19201920年用于炼油年用于炼油19121912年用于炼油年用于炼油19041904年填料塔用

2、于原油蒸馏年填料塔用于原油蒸馏 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备0.2 气液传质对塔器的要求1、气液两相充分接触，传质效率高、气液两相充分接触，传质效率高2、通量大、通量大3、流动阻力小，压降小、流动阻力小，压降小4、操作弹性大、操作弹性大5、结构简单、可靠，制造成本低、结构简单、可靠，制造成本低6、易于安装、检修、清洗、易于安装、检修、清洗 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备10.1 板式塔10.1.1 塔板的类型塔板 有降液管式塔板 无降液管式塔板 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备1. 塔体2. 塔板3. 溢流堰4. 受液盘5

3、. 降液管10.1.2 塔板的结构 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备10.1.2 塔板上的流体力学现象分析一、塔板上的气、液接触状态l 鼓泡接触状态； l 泡沫接触状态； l 喷射接触状态。 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（1）鼓泡接触状态）鼓泡接触状态鼓泡接触状态 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。 10.1.2 10.1.2 塔板上的流体力学现象分析塔板上的流体力学现象分析 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（）泡沫接触状态（）泡沫接触状态 板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，形

4、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。 液相为连续相气相为分散相10.1.2 10.1.2 塔板上的流体力学现象分析塔板上的流体力学现象分析 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（）喷射接触状态（）喷射接触状态 板上的液体向上喷成大小不等的液滴，这种液滴反复形成和聚集，使传质面积大大增加，且表面不断更新，是一种较好的接触状态。10.1.2 10.1.2 塔板上的流体力学现象分析塔板上的流体力学现象分析气相为连续相液相为分散相 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备2、气液两相的非理想流动（1）空间上的反向流动 a)液沫夹带 小液

5、滴:沉降速度气速 大液滴:喷溅，向上初速度 b)气泡夹带 液体在降液管内的停留时间太短，气泡来不及解脱。 避免方法: 出口安定区；合适的降液管面积或堰长。与气速有关与板间距有关10.1.2 10.1.2 塔板上的流体力学现象分析塔板上的流体力学现象分析sLHAdf53 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（2）空间上的不均匀流动 a)气体分布不均10.1.2 10.1.2 塔板上的流体力学现象分析塔板上的流体力学现象分析 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备3、板式塔的不正常操作现象、板式塔的不正常操作现象（1）漏液 局部漏液 双溢流,鼓泡促进器,入口设安定区 平均漏液 适宜气速、液体

6、流量、开孔率 避免方法:10.1.2 10.1.2 塔板上的流体力学现象分析塔板上的流体力学现象分析（2）过量雾沫夹带 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（3）液泛（淹塔） a)夹带液泛 气速过大所致 b)溢流液泛 液量过大，降液管过液能力所限。 dWOWffHhhhh 10.1.2 10.1.2 塔板上的流体力学现象分析塔板上的流体力学现象分析 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备10.1.3 板式塔的流体力学性能板式塔的流体力学性能1、塔板压降 （a）干板压降 （b）湿板压降干板阻力板上各部件所造成的局部阻力， hd 与孔速的平方成正比。液层阻力克服板上泡沫层的静压（主要）形成气

7、液界面的能量消耗通过液层的摩擦阻力损失塔板压降、液沫夹带、液泛、漏液、液面落差等 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备2、雾沫夹带 一般允许的雾沫夹带量为 eV 0.1kg（液）/ kg（气）。 3、液泛4、漏液正常操作，漏液量应不大于液体流量的10%WTdfdhHHH 10.1.3 10.1.3 板式塔的流体力学性能板式塔的流体力学性能 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备5、液面落差a.U形流；b.单溢流；c.双溢流； d.阶梯式双溢流10.1.3 10.1.3 板式塔的流体力学性能板式塔的流体力学性能 化工原理化工原理气液传质设备气液传质

8、设备10.1.4 塔板负荷性能图1.漏液线；2.雾沫夹带线；3.液相下限线；4.液相上限线； 5. 液泛线； 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备2.板式塔的操作分析 适宜操作区； 操作点； 操作线； 操作控制； 操作弹性； 操作线的调节。1.漏液线；2.液沫夹带线；3.液相下限线；4.液相上限线；5. 液泛线；10.1.4 塔板负荷性能图 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备说明：负荷性能图是针对某一特定塔板做出的，依据是该塔板的结构、尺寸、板间距及通过该塔板的气、液相物性，不能取某塔段的平均物性作为做图的依据。做负荷性能图与实际操作中通过该塔板的气液流量无关。负荷性能图对于检验塔板

9、设计是否合理、了解塔操作是否稳定、操作弹性的影响因素以及塔板结构改进方向都有指导意义。 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备10.1.5 板效率表示方法及其应用板效率表示方法及其应用 1、点效率 2、默弗里效率 3、湿板效率 4、全塔效率 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备 1、点效率 2、默弗里效率 3、湿板效率 4、全塔效率10.1.5 10.1.5 板效率表示方法及其应用板效率表示方法及其应用 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备 1、精馏塔全塔效率关联图（图10-19） 2、奥康奈尔关联式 3、奥康奈尔关联图（图10-20、10-21）全塔效率的数据关联245. 0)(4

10、9. 0TE10.1.5 10.1.5 板效率表示方法及其应用板效率表示方法及其应用 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备 1、结构参数 合理的开孔率、适宜的气液接触状态、合理的气相进入装置 2、操作参数 对一定的物系和一定的塔结构，相应有一个适宜的气液流量范围。提高塔板效率的措施10.1.5 10.1.5 板效率表示方法及其应用板效率表示方法及其应用 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备10.2 塔板型式1.泡罩塔板 1813年 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备优点 操作弹性较大； 塔板不易堵塞。 压降大，生产能力小； 结构复杂、造价高。缺点1.泡罩塔板 化工原理化工原理气液

11、传质设备气液传质设备2.浮阀类塔板 （1）F1浮阀优点优点 操作弹性较大； 生产能力大 ； 结构简单、造价低 ； 塔板效率较高 。1953年开发，美国Glitstch公司 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备 处理易结焦、高粘度物料阀片易与塔板粘结 ； 阀片易磨损、脱落浮阀塔板的缺点 液面梯度大，气体分布不均 液体返混程度大 弓形区存在滞留区 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（2）导向浮阀1991年，化东理工大学矩形导向阀梯形型 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（3）ADV微分浮阀塔板清华大学，90年代末 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备3.筛孔型塔板 筛孔塔板a.

12、操作示意图；b.筛孔布置图 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备筛孔塔板的优点 生产能力大 ； 筛孔易堵塞 ；不宜处理易结焦、粘度大的物料； 筛孔塔板的缺点 结构简单、造价低 ； 塔板效率较高 。 液面落差小，压降低 ； 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备.喷射型塔板 （1）舌型塔板 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备舌形塔板的优点 结构简单、造价低； 塔板压降低 ； 通量大 ； 液体被不断加速，停留时间短 操作弹性较小 。舌形塔板的缺点 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（2）浮舌塔板（60年代） 优点：弹性大、效率高 通量大、压降低缺点：液体被连续加速，板效率低 结构

13、复杂，易损坏 改进：斜孔塔板（70年代）网孔塔板 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（3）New VST 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（3）CTST（河北工业大学化工原理教研室） http:/ 提升拉膜提升拉膜破碎破碎碰顶折返碰顶折返 喷射喷射对喷对喷分离分离CTSTCTST塔板的工作过程：塔板的工作过程： 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备1 1、气体自板孔进入喷射、气体自板孔进入喷射罩中，在板孔附近由罩中，在板孔附近由于缩流形成低压区；于缩流形成低压区；2 2、液体受罩体内外压差、液体受罩体内外压差和板面液面高度的作和板面液面高度的作用自罩底隙进入罩内用自罩底隙进入

14、罩内; ;立体传质塔板立体传质塔板CTSTCTST气液流动机理气液流动机理-505101520-10010203040506070Pdi, mmH2Oh, cm1 Uo=8.1512 Uo=11.4063 Uo=15.524 Uo=19.065 Uo=22.40 1 2 3 4 5 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备提升拉膜提升拉膜破碎破碎碰顶折返碰顶折返 喷射喷射对喷对喷分离分离CTSTCTST塔板的工作过程：塔板的工作过程： 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备020406080100120140160010203040Fo P mmH2O1 2 31 F12 New VST3

15、CTST板压降与板孔动能因子关系图 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备0510152025010203040Foev% kgL/kgG1 2 31 F12 New VST3 CTST雾沫夹带与板孔动能因子关系图 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备 成功地将塔板气液传质区域拓展到塔板空间范围，塔板空间利用率可达50%70%； 通量大：可达F1浮阀的150-200%； 效率高：比F1浮阀高10%以上； 板压降低：低于F1浮阀20%以上； 操作范围宽：可达5.4-7.2； 抗堵塞能力强：可处理含固体颗粒、易自聚物料； 具有消泡性能：特别适于处理易发泡物料； 塔板液流梯度影响小，适于大塔径

16、、高液相负荷场合。 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备 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 垂直塔板 1.6 1.8 1.2 大 低 一般 0.5 0.6 CTST塔板塔板 2.4 2.6 1.3 大大 低低 一般一般 0.5 0.6 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备5.复合塔板

17、（1）穿流筛板与规整填料相结合（2）并流喷射塔板 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备10.3 填料塔10.3.1 填料塔的结构 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备10.3 10.3 填料塔填料塔10.3.2 填料的特性评价（1）比表面积 传质面积传质效率a流动阻力生产能力a（2）空隙率 流动阻力塔压降 生产能力流动阻力 传质效率 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（3）干填料因子与湿填料因子 10.3 10.3 填料塔填料塔10.3.2 填料的特性评价3 a 干填料因子：反映了气体通过干填料时的流动特性。湿填料因子 操作状态下的填料因子 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设

18、备填料散装填料 规整填料环形填料 鞍形填料 环鞍形填料 球形填料 花环填料 格栅填料 波纹填料 脉冲填料 10.3 10.3 填料塔填料塔10.3.3 填料的类型 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备拉西环环十字环螺旋环鲍尔环阶梯环扁环改善气液流动状况增加填料比表面积10.3 10.3 填料塔填料塔1. 散装填料 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（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10.3 10.3 填料塔填料塔1. 散装填料 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备弧鞍填料矩鞍填料 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备（3）球形填

19、料与花环填料 10.3 10.3 填料塔填料塔1. 散装填料多面球形填料TRI 球形填料 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备花环填料海尔环填料海尔环填料共轭环填料 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备10.3.4 填料塔的流体力学性能10.3 10.3 填料塔填料塔持液量、压力降、液泛、填料表面的润湿等。填料层的持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以 (m3液体) / (m3填料)表示。 持液量总持液量 Ht动持液量 Ho静持液量 HsHtHo Hs 化工原理化工原理气液传质设备气液传质设备10.3.4 10.3.4 填料塔内的流体力学性能填料塔内的流体力学性能载点泛点载液区恒持液量区液泛区2. 压力降液膜与填料表面的摩擦液膜与上升气体的摩擦 化工原理化工原理气液传质设备气液