汽液传质设备

1、第八章 汽液传质设备本 章 学 习 要 求1熟练掌握的内容板式塔内气液流动方式；板式塔塔板上气液两相非理想流动；板式塔的不正常操作，全塔效率和单板效率；板式塔塔高和塔径的计算；填料塔内流体力学特性；气体通过填料层的压降；泛点气速的计算；填料塔塔径的计算。2理解的内容板式塔的主要类型与结构特点，板式塔塔板上气液两相接触状况；筛板塔溢流装置的设计及踏板板面布置；筛板塔塔板校核；筛板塔负荷性能图的绘制及其作用；填料塔的结构；填料及其特性。3了解的内容气液传质设备类型与基本要求；填料塔的附件；板式塔与填料塔的比较。§8.1 气液传质设备类型与基本要求塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生

2、产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使热、质两种传递过程能够迅速有效地进行；还能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。蒸馏操作的规模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。气液传质设备的性能通常由以下几个要素表示：1塔设备的生产能力或通过能力要大：指单位时间单位塔截面积上的处理量或气液流量。2传质效率要高：板式塔的传质效率通常用塔板效率来衡量，即实际塔板与理论塔板分离能力之比；

3、填料塔的传质效率通常用传质单元高度，即完成一个传质单元所需要的填料层高度来表示。3流体阻力要小：指气体通过每层塔板或每米填料层高度的压降。4塔设备的操作弹性要大：指最大气速负荷与最小气速负荷之比，其值的大小表明塔对负荷变化的适应能力。5塔的结构简单、设备投资少、操作成本低、安装及维修方便。§8.2 板式塔板式塔内沿塔高装有若干层塔板(或称塔盘)，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。工业上常用的板式塔有：筛板塔、泡罩塔、浮阀塔、穿流栅孔

4、板塔等。8.2.1 筛板塔的结构及其作用1.筛孔：有效传质区内，常按正三角形排列筛孔直径 d0 : 3 8 mm (一般)，12 25 mm (大筛孔)孔中心距 t : (2.55) d0 取整。开孔率: 通常为 0.08 0.12。板厚：碳钢（3 4mm）、不锈钢2.溢流堰作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。 型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。主要尺寸堰高 hW：直接影响塔板上液层厚度过小，相际传质面积过小； 过大，塔板阻力大，效率低。常、加压塔：40 80 mm ； 减压塔：25 mm 左右。 堰长 lW ：影响液层高度。堰上方液头高度 hOW ： 要求3.降液管 降液

5、管：弓形、圆形。降液管截面积：Af由Ad/AT = 0.06 0.12 确定；底隙 hb ：通常在 30 40 mm。4.塔板上液流的的安排依据：塔径 、流量； 型式：单流型、U 形流型、双流型、阶梯流型等。8.2.2 塔板上气液流动和接触状况1.塔板上气液两相接触状况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。如图所示，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态。 （1）鼓泡接触状态鼓泡接触状态稳定的气泡表面泡沫接触状态更新的液膜表面喷射接触状态更新的液滴表面当气速较低时，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

6、体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。（2）泡沫接触状态 当气速继续增加，气泡数量急剧增加，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，扰动十分剧烈的动态泡沫，在板上只能看到较薄的一层液体。由于泡沫接触状态的表面积大，并不断更新，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。（3）喷射接触状态当气速继续增加，由于气体动能很大，把板上的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又落回到板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。此时塔板上的气体为连续相，液体为分散相，两相传质的面积是液滴的外表面。由于液滴回到塔板上又被分

7、散，这种液滴的反复形成和聚集，使传质面积大大增加，而且表面不断更新，有利于传质与传热进行，也是一种较好的接触状态。如上所述，泡沫接触状态和喷射状态均是优良的塔板接触状态。因喷射接触状态的气速高于泡沫接触状态，故喷射接触状态有较大的生产能力，但喷射状态液沫夹带较多，若控制不好，会破坏传质过程，所以多数塔均控制在泡沫接触状态下工作。2.塔板上气液两相的非理想流动（1）返混现象与主流方向相反的流动称为返混现象。液沫夹带：气体鼓泡通过板上液层时，将部分液体分散成液滴，而部分液滴被上升气流带入上层塔板。气泡夹带：液体在降液管中停留时间太短，大量气泡被液体卷进下层塔板。原因：液体在降液管中停留时间过短，气

8、泡来不及解脱，而被液体卷入下层塔板。（2）气体和液体的不均匀分布气体沿塔板的不均匀分布：液面有落差和液层波动，引起气体分布不均匀；液层厚，阻力大，汽速小；液层薄，阻力小，汽速大。液体沿塔板的不均匀分布圆形塔截面，液体在横穿塔板时在不同部位具有不同的流动行程。（3）漏液若设计不当或操作时参数失调，轻则会引起板效率大降低，重则会出现一些不正常现象使塔无法工作。漏液：部分液体不是横向流过塔板后经降液管流下，而是从阀孔直接漏下。原因：气速较小时，气体通过阀孔的速度压头小，不足以抵消塔板上液层的重力；气体在塔板上的不均匀分布也是造成漏液的重要原因。后果：严重的漏液使塔板上不能形成液层，气液无法进行传热、

9、传质，塔板将失去其基本功能。气体分布均匀与否，取决于板上各处阻力均等否。气体穿过塔板的阻力由干板阻力和液层阻力两部分组成。当板上结构均匀、各处干板阻力相等时，板上液层阻力即液层厚度的均匀程度将直接影响气体的分布。3. 板式塔的不正常操作（1）液泛液体进塔量大于出塔量，结果使塔内不断积液，直至塔内充满液体，破坏塔内正常操作，称为液泛。液泛包括：降液管液泛、夹带液泛。降液管液泛（溢流液泛）原因：由降液管通过液体能力不够而引起液量过大。夹带液泛原因：由液沫夹带引起 汽速过大。开始发生液泛时的气速称之为液泛气速 。综上所述，造成液泛的原因主要是液量过大、板压降过大（即气量过大）或降液管堵塞。（2）严重

10、漏液当气体孔速过小或气体分布不均匀时，使有的筛孔无气体通过，从而造成液体短路，大量液体由筛孔漏下。产生原因：气量过小 ；或塔板开孔率大。8.2.3 全塔效率与单板效率1. 全塔效率（总板效率）E0 全塔效率为理论板数与实际板数之比注：根据理论板数和总板效率求实际塔板数，实际塔板数应当圆整。2、单板效率（默弗里Murphree板效率） 气相单板效率： 液相单板效率： 注意：塔板传质速率的影响因素归入塔板效率，使精馏计算大大简化方便，只需由相平衡方程与操作线方程求理论板数，再由总板效率求实际塔板数； 塔板效率与汽液相的物性：密度、粘度、扩散系数、表面张力、挥发度等，操作参数：温度、压力、流量，塔板

11、结构：开孔率、孔径大小、分布形式、孔结构等因素有关；使得板效率无法理论计算，通常由实验测定塔板效率；总板效率、单板效率之间定义不同，它们并不相等，即使全塔各板的单板效率相同，总板效率也不等于单板效率； 8.2.4 板式塔设计1. 塔高的计算式中：Z：塔的有效段高度，m； NP：实际塔板数； HT：板间距，m；2. 塔径的计算 式中：D：塔径，m； Vg：塔内气体的体积流量，m3/s； u：气体的空塔速度，m/s；3. 塔板负荷性能图确定了塔板的工艺尺寸，还要进一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操作所允许的气液负荷波动，这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示，在以VS，LS分别为纵横

12、轴的直角坐标系中，标绘出各种不正常流体力学条件下的VSLS关系曲线，在以这些曲线为界的范围之内，才是塔的适宜操作区。（1）气液流量的流体力学上下限漏液线（气相负荷下限线）操作时防止塔板发生严重漏液现象所允许的最小气体负荷。塔板漏液与阀孔气速直接相关，故可用其大小作为判据。液体流量下限线亦称降液管超负荷线，此线表明液体流量大小应保证液体在降液管内停留时间的起码条件。依上式求得液相负荷上限LS的数值（常数），据此作出液相负荷上限线。液流量上限线也称气泡夹带线，由液体在降液管中所需的最小停留时间决定。过量液沫夹带线（气相负荷上限线）液沫夹带上限线表示雾沫夹带量eV<0.1kg（液）/kg（气）

13、时的VSLS关系，塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将因过多的液沫夹带而使效率下降。此线可根据下式作出，即：  液泛线（淹塔线）此线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时的VSLS关系，塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将可能发生液泛现象，破坏塔的正常操作。（2）塔板工作线或实际负荷线在负荷性能图上有五条线所包围的阴影区域，应是塔四用于出力指定物系时的适宜操作区域。在此区域内，塔四上的流体力学状态是正常的，但区域内各点的板效率并不完全相同。如果塔的预定气液负荷的设计点P能落在该区域内的适中位置，则可望获得良好的操作效果，如果操作电紧靠某一条标界线，则当负荷稍有变动便会使效率急剧下降，

14、甚至破坏塔的操作。塔板的操作弹性：上、下操作极限点的气体流量之比。对一定结构尺寸的塔板，采用不同气液比时控制塔的操作弹性与生产能力的因素均可能不同。塔板的设计点应落在负荷性能图的适中位置，使塔具有相当的抗负荷波动的能力，保证塔的良好稳定操作。8.2.5 其他类型塔板简述1.泡罩塔板优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大但生产能力不大。 2.浮阀塔板优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。缺点：浮阀易脱落或损坏。3.垂直筛板优点：清夜层薄，压降低，液沫夹带小，板效率高，

15、操作弹性高，适用范围较广。缺点：低气量时漏液严重。4.无溢流塔板（穿流塔板）优点：塔板上清夜层低，压降小；缺点：操作弹性小，板效率低，使用不普遍。§8.3 填料塔填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。8.3.1 填料塔的结构及填料特性1. 填料塔的结构塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。 填料：大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。塔内件：包括填料支

16、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等。操作原理：液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。 2. 填料及其特性（1）填料特性填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所。填料的流体力学和传质性能与填料的材质、大小和几何形状紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：比表面积a：单位体积填料层所具有的表面积(m2/m3)。被液体润湿的填料表面就是气液两相的接触面。大的 a 和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。对同种填料，填料尺寸越小，a 越大，但气体流动的阻力也要增加。空

17、隙率e：单位体积填料所具有的空隙体积(m3/m3)。代表的是气液两相流动的通道，e 大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。 e = 0.450.95。填料因子f：填料比表面积与空隙率三次方的比值(1/m)，a/e3，表示填料的流体力学性能，值越小，流动阻力越小。有干填料因子与湿填料因子之分。堆积密度 rp ：单位体积填料的质量(kg/m3)。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小填料的堆积密度，从而既可降低成本又可增加空隙率。机械强度大，化学稳定性好以及价格低廉等也是优良填料应尽量兼有的性质。注意：一些难以定量表达的因素(几何形状)对填料的流体力学和传质性能也有重要的影响。新型填料

18、的开发一般是改进填料几何形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。 （2）常用填料常用的填料可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料在塔内可乱堆，也可以整砌。 拉西环填料最早使用的一种填料，为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，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用。缺点：高径比大，堆积时填料间易形成线接触，故液体常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，因而传质速率也不高。鲍尔环填料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。上下两层长方形小孔位置交错。同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表

19、面积和空隙率，但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使环的内壁面得以充分利用。比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。阶梯环填料阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 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。这样的结构使得阶梯环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%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由

20、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。弧鞍型填料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)。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道。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。矩鞍形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。金属环矩鞍形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

21、为显著。波纹填料优点：网丝细密，空隙很高，比表面积很大。由于毛细管作用，填料表面润湿性能很好。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。 8.3.2 填料塔的流体力学特性填料塔的流体力学特性包括：压降、液泛气速、持液量及气液两相流体的分布等1.气体通过填料层的压降载液区高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg Dp载点气速液泛气速当液体自塔顶向下借重力在填料表面作膜状流动时,膜内平均流速决定于流动的阻力。而此阻力来自于液膜与填料表面,及液膜与上升气流之间的摩擦液膜厚度不仅取决于液体流量,而且与气体流量有关。图为不同液体喷淋量下取得的填料层压力

22、降与空塔气速的双对数关系线。线A：气体通过干填料层时，压力降与空塔气速的关系，为直线-恒持液量区线B：有液体喷淋，液体量小载液区线C：有液体喷淋，液体量大-液泛区u较低（点L以下）:线与A线大致平行。u大于uL以后：线斜率增大,上升气流开始阻碍液体顺利下流。u大于uF以后：P与u成垂直关系,表明上升气体足以阻止液体下流，于是液体填料层充满填料层空隙，气体只能鼓泡上升,随之液体被气流带出塔顶,发生液泛。载点（L点）：空塔气速u增大到uL以后，气速以使上升气流与下降液体间摩擦力开始阻碍液体顺利下流,使填料表面持液量增多，战去更多空隙，气体实际速度与空塔气速的比值显著提高，故压力降比以前增加的快，这

23、种现象称载液，L点称载点。泛点F：u增大到uF以后P与u成垂直关系，表明上升气体足以阻止液体下流，于是液体填料层充满填料层空隙，气体只能鼓泡上升，随之液体被气流带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至被完全破坏，这种现象称液泛，F点称为泛点。目前一般认为填料塔的正常操作状态只到泛点为止。吸收操作中,需知压力降以确定动力消耗；精馏操作中,需知压力降以确定釜压。目前多用埃克特的通用图而重新绘制的填料层压降和填料塔泛点的通用关联图求DP。2. 泛点气速的计算用下图计算（1）先求横坐标；（2）过横坐标点作垂线,交泛点线得泛点纵坐标；（3）由泛点纵坐标求泛点气速。Ø 为防止液泛发生，最大操作气速应 &

24、lt; 95%泛点气速，设计点的气速通常取泛点气速的50%80%。故正确估算泛点气速对填料塔的设计和操作都十分重要。Ø 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。Ø 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。Ø 规整填料有类似的泛点实验关联图，可参考有关文献。Ø 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。 3. 持液量填料的持液量：操作时单位体积填料在表面和空隙

25、中所积存的液体体积量。由静持液量和动持液量两部分组成。动持液量：停止气液两相进料后从填料中排放出来的液体。与填料特性，物性及气液两相流量有关。静持液量：液体排放完后仍保留在填料层内的那部分液体。与填料表面积，表面特征及润湿性有关。持液量对填料的压降、气液通量以及分离效率均有影响。液体在填料层中的停留时间与持液量成正比，故热敏性物系分离不宜采用持液量大的填料。对间歇蒸馏不宜采用持液量大的填料。填料塔稳定操作时持液量越小，灵敏度越高。理想的操作：大传质表面，较小持液量。 8.3.3 塔径的计算塔径取决于气体的体积流量和适宜的空塔气速，填料塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算。式中：Vs 操作条件

26、下气体体积流量，m3/s； u 操作条件下的空塔气速，m/s ；一般取 u = (0.50.8) uf 。对一定气体负荷，塔径计算关键在于空塔泛点气速的求取。当缺乏实测数据时，泛点气速 uf 可用埃克特(Eckert)压降关联图估算。一般填料塔的操作气速大致在 0.21.0 m/s。按上式算出的塔径，应按压力容器公称直径进行圆整，如圆整为600、800、1000、1200 mm 等。8.3.4 填料塔的附件主要包括：填料支承装置、液体分布及再分布装置、气体进口分布装置及出口除沫装置等。附属结构的选型、设计、安装是否正确合理，对填料塔的操作和传质分离效果都会有直接影响，应给予足够的重视。 1. 填料支承板用以支承填料的部件。它应具有：(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