化工原理塔设备解读

1、第七章塔设备第一节概述填料塔与板式塔是塔设备 (即塔器)的两大类型。 用于吸收及精馏的塔器亦称气 液传质设备。本章只从气液传质设备角度介绍塔器。7 11 生产上对塔器的要求生产上对塔器在工艺上及结构上提出的要求有下列几方面：1 分离效率高 达到一定分离程度所需塔的高度低。2 生产能力大 单位塔截面积处理量大。3 操作弹性( flexibility )大 对一定的塔器，操作时气液流量(亦称气液负荷) 的变化会影响分离效率。 若分离效率最高时的气液负荷作为最佳负荷 点，可把分离效率比最高效率下降 15%的最大负荷与最小负荷之比称为操作弹 性。工程上常用的，是液，气负荷比 L/V 为某一定值时，气相

2、与液相的操作弹性。 操作弹性大的塔必然适应性强，易于稳定操作。4气体阻力小 气体阻力小可使气体输送的功率消耗小。 对真空精馏来说， 降低塔器对气流的阻力可减小塔顶， 底间的压差， 降低塔的操作压强， 从而可降 低塔底溶液泡点，降低对塔釜加热剂的要求，还可防止塔底物料的分解。5 结构简单，设备取材面广 便于加工制造与维修， 价格低廉，使用面广。第二节填料塔7 21 填料塔简介填料塔最初出现在十九世纪中叶，在 1881 年用于精馏操作。填料塔的塔体横截面有圆形， 矩形及多边形等， 但绝大部分是圆形。 塔壳材料可 以是碳钢，不锈钢，聚氯乙烯，玻璃钢和砖等。塔内放置着填料( packings )。填料

3、种类很多。用于制造填料的材料有碳钢、不 锈钢、陶瓷、聚丙烯、增强聚丙烯等。由于填料与塔体取材面广，故易于解决物 料腐蚀问题。填料在填料塔操作中起着重要作用。液体润湿填料表面便增大了气液接触面积， 填料层的多孔性不仅促使气流均匀分布，而且促进了气相的湍动。以气液两相的流动情况作对比，气相湍动较好，而液相呈膜状流下，湍动甚差。 可幸液体在流过一个填料的表面后， 经填料与填料间的接触点流至下一个填料的 表面。在接触点处液体经历了混合与再铺展， 使液相传质显著增强。 其机理解释 如下：见图 7-1, 当液相通过在填料间的接触点处混合均匀后 , 浓度为 c0，在刚流 至下一个填料的表面时，只有在气液界面

4、处因气液平衡，液相浓度跃增为ci 以填料塔的发展史中 最主要的是填料的外，其余液相浓度仍保持为 c0，如图中 0时浓度分布曲线所示。随着液体沿该 填料表面向下流动，设气液界面处液相浓度 ci 不变，由于组分扩散，液相浓度 逐渐变化，如 1、2、3 等时刻的浓度分布曲线所示。因传质速率随液相浓度 差( ci c)的减小而减小，所以，传质速率是随着液体沿该填料向下流动而逐 渐降低的。 当液体流至该填料与下一个填料的接触点进行混合时， 液体似受到一 次强制性的扰动，气液界面处的组分迅速传递到液相内部 , 便又一次实现液相浓 度的均匀一致。 第二次液相的均匀浓度明显地要高于前次的液相均匀浓度。 这就

5、说明填料对液相传质的重要促进作用。发展史。早期以碎石 为填料，碎石比表面 积小，空隙率低，堆 积密度大，造成塔体 很重，逐渐暴露出其 缺点。自二十世纪初 至廿世纪中叶， 曾兴 起了对填料开发、 研 制的热潮。图 7-1 填料表面液层与浓度随时间及与界面距离的变化 在这时期，先后出现了拉西环、 Stedman金属纱网规则填料、弧鞍形填料、鲍尔 环及矩鞍形填料等。这些新型填料的出现，使填料塔的操作性能得到显著改进。填料塔操作时存在着气、 液相在塔横截面上分布不均匀的问题， 即气、液产生偏 流，其结果必减少气、液接触机会，影响传质效果。液体的偏流称为“沟流” ( channeling )。产生沟流的

6、原因可从两方面考虑， 一方面因操作时液体并不能 全部润湿填料表面，于是，液体只沿润湿表面流下，形成沟流。另一方面是因为 每个填料与相邻填料都有若干个接触点， 该填料自某些接触点得到液体， 又从某 些接触点流走液体。 液体来去之间总优先走近路。 可见，即使填料表面全部润湿， 仍存在液流不均匀问题。 另一影响液流分布均匀性的现象是液体有朝塔壁汇集的 趋向，即存在“塔壁效应”。液体自一个填料流至下一个填料的过程中，有向四 周流开的可能。虽对一个填料来看，液体流向有倾向性，但对填料层整体来说， 若不受其它因素影响，液流方向可认为是随机的。但在紧靠塔壁处情况则不同。 液体通过填料与塔壁的接触点流至塔壁后

7、， 即顺塔壁流下， 基本上不再返回填料 层中。于是，近塔壁填料处液体往塔壁流动，便导致填料层中液体向塔壁流动。 液体流过一段填料层后，填料层中心部位液流量明显减小，甚至出现干填料区。 而气体流过填料层时， 本来就有优先流过空隙大、 阻力小的区域的趋势， 液流分 布不匀则更加剧这种趋势。实践说明， 随着填料塔塔径的增大， 塔内气液分布不匀现象更趋严重。 这称为填 料塔的“放大效应”，或称“放大问题”。长久以来，填料塔“放大问题”一直 是限制填料塔向大型化方向发展的障碍。解决填料塔“放大效应”的常见措施有：改进塔顶液体原始喷淋的均匀性，多设 喷淋点，在填料层中设置液体再分布器及控制塔径与填料尺寸的

8、比值等。此外， 人们对于填料形状对减小沟流的作用已给予了足够的重视。 新型高效填料的采用 使气液分布情况得到改善。 由于采用多种有效措施， 目前填料塔的放大问题已得 到一定程度的解决。塔径超过 10m的填料塔当前已并不鲜见。7 22 填料的种类与特性1) 填料的种类常见填料的形状可分为四种类型 。短管形填料：最早采用的拉西环是高度与外径之比为 1 的短管。该填料易于 制造，强度好，取材面广，但流体力学及传质性能都不够理想。当拉西环在塔内是直立状时， 填料内，外表面都是气、液传 质表面，且气流阻力小，但当 其横卧或呈倾斜状时填料部分 内表面不仅不能成为有效的气 液传质区，而且使气流阻力增 大。填

9、料间的线接触会阻碍气、 液流过。为改进其性能，可采 用“截短”型拉西环，即高径 比为 0.5 的短管。这种填料保 留了原来拉西环的优点，性能 稍优于拉西环，但应用并不普 遍。 1948年出现的鲍尔环是对 拉西环作出重大改进的一种填 料。该填料是在拉西环的基础 上，在填料壁面开两层矩形孔。 开矩形孔的部份只切开三条 边，留下一边仍与填料壁相连， 并把切开的部份推到填料圈内 侧。于是，不论填料在塔内置 于什么方位，流体均可通过填 料，从而使填料内、外壁面均 成为有效传质区域。图 7-2 填料鲍尔环自问世以来， 至今一直被广泛采用。 在鲍尔环基础上，又发展了一种叫“阶 梯环”的填料，其结构与鲍尔环相

10、近，但是截短型，在环的一侧底端做成喇叭口 形状，以增加填料间点接触的机会。 阶梯环的性能略优于鲍尔环， 与鲍尔环相比， 生产能力可提高 10%，气体阻力可降低 5%左右，是短管形填料中较好的一种。在短管形填料中，亦有仍采用拉西环形状但引人某些改进的。如 1949 年出现的 压延孔环，在金属薄板上先冲出一些孔（孔的密集度为 160孔/cm2）, 将薄板卷 成半圆筒形。冲孔时保留尖刺，并使尖刺均在外侧，以改善液体润湿情况。又如 1949年出现的 网环（ dixon ），用金属丝网代替实体材料。由于丝网对液体 有毛细管作用， 能把液体铺展开， 所以网体填料传质性能甚佳。 但网体填料的强 度差。短管形

11、填料一般是乱堆填料，只有 2 英寸以上的大填料才可能是整砌填料。鞍形填料：鞍形填料不同于短管形填料，其特点是不分内、外表面，整个填 料表面由各种曲面组成，填料在塔内任意方位均可使流体舒畅流过。 1931 年出现的这类填料称弧鞍形填料， 是因形如马鞍而得名。 这种填料与拉西环相比， 填 料表面利用率高，阻力小，但因形状设计尚有缺陷，相邻填料有重叠倾向，填料 层均匀性较差，且填料易碎，故使用不广。另一种改进型填料是 1950 年出现的 矩鞍形填料，其形状仍像马鞍，但做得较厚实，形状比弧鞍形填料简单，且注意 到两个鞍形填料不论以何种方式接触都不会叠合。 矩鞍形填料亦是当前应用较多 的一种填料。这种形

12、状的填料也有网体的。鞍形填料都是乱堆填料。短管形与鞍形填料的结合型填料：现在已开发的这类填料有环矩鞍与共轭环 等，其中共轭环是 1992 年我国自行开发、试验成功的。开发这类填料的出发点 是想使之具有短管形与鞍形两大类填料的优点。 试验表明，共轭环的阻力比阶梯 环低（ 4050） %，比鲍尔环低（ 5055） %，其传质单元高度比阶梯环的约低 15%，比鲍尔环的约低 30%，可见，新的结合型填料的优点是明显的。波纹整砌填料： 这是我国开发成功并于 1971 年发表的填料类型。 该填料的基 本件是冲压出 45 度斜波纹槽的薄板。薄板高度通常为 4060mm。若干板片平行 组合，但相邻薄板的波纹反

13、向。 当塔截面为圆形， 则波形板片的组合体为圆柱形。 上下相邻的填料组合体，其薄板方向互呈 90 度交错。波纹填料的材料有碳钢、不锈钢、铝、陶瓷、玻璃钢及纸浸树脂等。薄板厚度： 金属板一般为 0.5 1mm，陶瓷板为 1 1.5mm，纸浸树脂及玻璃钢板则为 0.1 0.2mm。这种填料为气、 液相提供了一段段带分支的直通道， 气流阻力小， 允许操作气速 较大（如空速可达 2m/s），故处理能力大。由于相邻两薄板间波峰接触点多， 接触点给液体提供了混合、 再铺展的条件， 故可促进液体的表面更新， 也促进气 体湍流程度的增加。此外，这种填料具有较高的比表面积 （a值为 300900m 空隙率 塔内

14、单位体积填料层具有的空隙体积， m2/m3. 为一分数/m值大则气体通过填料层的阻力小，故 值以高为宜。）.近年来不少工厂采用不锈钢丝网制作的波纹填料，既保留波纹整砌填料的优点， 又改善布液的均匀性。这种填料属高效填料。2）填料的特性 填料特性有下列几方面： （ 1） 比表面积 a塔内单位体积填料层具有的填料表面积， m2/m3。填料比表 面积的大小是气液传质比表面积大小的基础条件。 须说明两点： 第一，操作中有 部分填料表面不被润湿， 以致比表面积中只有某个分率的面积才是润湿面积。 据 资料介绍，填料真正润湿的表面积只占全部填料表面积的（ 2050） %。第二， 有的部位填料表面虽然润湿，

15、但液流不畅， 液体有某种程度的停滞现象。 这种停 滞的液体与气体接触时间长，气液趋于平衡态，在塔内几乎不构成有效传质区。 为此，须把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。 但比表面积 a 仍不失为重 要的参量。对于乱堆填料，当塔径D与填料尺寸 d之比大于 8时，因每个填料在塔内的方位 是随机的， 填料层的均匀性较好， 这时填料层可视为各向同性， 填料层的空隙率 就是填料层内任一横截面的空隙截面分率。当气体以一定流量过填料层时，按塔横截面积计的气速 u 称为“空塔气速” （简 称空速），而气体在填料层孔隙内流动的真正气速为 u1 。二者关系为： u1=u/ 。（ 3）塔内单位体积具有的填料个数

16、n根据计算出的塔径与填料层高度，再 根据所选填料的 n 值，即可确定塔内需要的填料数量。一般要求塔径与填料尺寸之比 D/d8（此比值在 815 之间为宜），以便气、液 分布均匀。若 D/dL2L1，故与其相应的曲线中 L3 曲线的位置最高， L2 的次之， L1 的最低。A点称之“载点”( loading point )，B 点称为“泛点”。一般认为正常操作的 空速应在载点气速之上， 在泛点气速的 0.8 倍之下。 因载点从理论上讲是在 “lg plgu ”图中当 L 为定值时随气速增大由直线转为曲线的转折点， 但载点气速时的征状不明显， 而泛点气速时的特征明显， 易于辨认， 故通常由实验数据

17、整理 成计算泛速的经验关联图。 根据经验，一般推荐的操作气体空速 u 的数值范围是：式中 uf 为空塔气体泛速， m/s uf空塔液泛气速， m/s； g重力加速度， 9.81m/s 2；埃克特图 7-4 填料塔泛点及压降普遍化关联图2） 泛点与压降的经验关联图横轴为, 纵轴为（ Eckert ）在 Sherwood 和 Leva 工作的 基础上提出 的经验泛点 关联图 7-4 所示。图中最上面 的三条曲线 为乱堆填料、 整砌填料及 弦栅填料的 泛点关联图 线。该图采用 双对数坐标。各符号意义如下：填料因子( packing factor ) ,m2/m3；V，L气、液相密度，kg/ m3,

18、水是水的密度， kg/ m ；GL, G V液相与气相的质量通率， kg/(s m2)； L液相粘度， cP.最初提出的泛点关联图纵轴数群中出现“干填料因子”a/ 3，但数据归纳规律性不够理想，考虑到操作时填料表面有液膜，使用干填料参量a、欠妥，后改用“填料因子” 替代，效果较好。实验中发现， 乱堆填料液泛时单位填料层高度的气体压降基本上为一恒值， 亦即 Eckert 图中乱堆填料的泛点线为一等压降线。由此推测，当操作气速低于泛速 时，其它等压降曲线会有与泛点关联图线相像的曲线形状。 实验结果证实了这一 推测。图 7-4 中在乱堆填料泛点线以下的系列曲线均为乱堆填料的等压降线。 使 用这些等压

19、降线时，纵坐标中的 f 须改为操作气速 u。现以乱堆填料为例，说明泛点与压降关联图的使用方法。步骤如下：已知空塔操作气速后，可按下式计算塔径 D：式中 V气相体积流量， m3/s操作空塔气速， m/s3) 填料塔逆流操作时的持液量 填料塔在逆流操作时， 在填料间的空隙中以及在填料表面所积存的液量称为持液 量( liquid holdup ) m3液/m3塔容积。持液量由两部分组成： 动持液量： 在填料塔正常操作时突然停止喷淋液体和输入气体， 由填料层流出 的液体体积与填料层体积之比。 动持液量的液体能连续流过填料层， 可不断地被 上面流下来的液体置换。 静持液量：当停止喷淋液体和输入气体后经过

20、一段时间仍然滞留在填料层内 的液体体积与填料层体积之比。 静持液量的液体多数是不流动的， 只能缓慢地被 新鲜液体置换。填料层中静持液量的液体因与气相接触时间长而趋近平衡，几乎失去传质效能， 而动持液量液体对传质有效。 持液量大则塔体重量增加， 气流通道变狭阻力增大， 而且会延长所需由开工至稳定操作的时间， 故一般认为持液量以小为宜。 持液量 至今没有成熟的计算式，只能查到少数特定填料及物系的持液量经验曲线。724 填料层内的气液传质 1) 气液传质面积 干填料比表面积为 a，实际操作中润湿的填料比表面积为 aw，由于只有在润湿的填料表面才可能发生气、液传质，故 aw值具有实际意义。下面介绍计算

21、的恩田( Onda)公式，该公式为：式中 液体表面张力， N/m； C填料上液体铺展开的最大表面张力， N/m。要求 C。C的值见表 7-3 。表 7-3 不同填料材质的 C 值材质C103N/m材质C103N/m碳56聚乙烯33陶瓷61钢75玻璃73涂石蜡的表面20聚氯乙烯40GL液体空塔质量通率， kg/(s m2) ；L，L液体的粘度， Ns/m2和密度， kg/m3。气液传质分系数的经验关联式迄今已有不少气、 液传质分系数的经验关联式发表。 各关联式都是在特定的汽液 体系和填料条件下， 在一定的汽液质量通率范围内由实测数据整理得到的。 但这 些经验式的使用范围有相当局限性。气液传质过程

22、有关物理量同样可采用准数式来关联。有关的准数是Sh，Re，Sc及表示流体流动通道几何特点的准数(如 adp)等。以准数形式表达的计算传质 分系数的图线、公式具有普遍性。下面介绍计算气、液传质分系数的恩田准数关联式。1) 计算 kL 的关联式 式中 kL液相传质分系数， kmol/s m2( kmol/m3) ； dp填料的名义尺寸， m。如 1 英寸填料， dp=0.025m； GL液相质量流速， kg/(s m2) 。2)计算 kG 的关联式 式中kG气相传质分系数， kmol/(sC系数，对大于 15mm的填料，GV气相质量通率， kg/(s m2)7-4)2 mkPa) ；C=5.23；

23、小于 15mm的填料， C=2.0；天津大学于 1978 年发表了计算 kL的修正的恩田公式，把原式中的( adp)改为由 实验测得的 ，并改变公式的常系数， 使修正后的恩田公式对当前常用的各种填 料的实验数据吻合得更好。修正的恩田公式为7-5)各种填料的 值如表 7-4 所示表 7-4 各种填料的 值（无因次）填料种类拉西环弧鞍鲍尔环（米字筋）阶梯环鲍尔环（井字筋）11.191.361.471.53又， （注意： k 需乘以 aw，而不是 a。）现在有许多实 验整理得的经验式中把“ kLa”或“ kGa”作为一个整体的物理量处理，这样做， 既准确，计算也简便。温度对吸收操作的影响：若 P不变

24、， t 减小，则 m减小。从平衡关系来看， t 减 小使吸收推动力增大， 对吸收有利。 温度改变对传质分系数的影响同样可根据恩 田公式作判断。当对比的是 t 1与 t 2两个温度，压强不变，则可按该压强查取在 这两个温度下的全部有关物性数据， 算出相应的 k 值进行对比。 一般说，温度降 低液相粘度增大，液相分子扩散系数减小，则液体传质分系数减小。可见，温度 降低可增大吸收推动力但减小传质系数， 故适宜操作温度应权衡这两方面利弊确 3）液体精馏的 HETP经验关联式以填料塔作为精馏操作的设备亦属常见。所需的填料层高度 H 为（7-6）式中 HETP相当于一块理论板的填料层高度，即等板高度， m

25、； NT理论板数。下面介绍计算 HETP的一个经验公式默奇（ Murch）式（7-7） 式中 G气相质量通率 kg/（h m2） ；D塔径， m；Z0每段填料（相邻两个液相再分布器之间）的高度， m；被分离组分的相对挥发度；L，L液相的粘度， cP及密度， kg/m3；A，B，C系数，如下表：表 7-5 Murch 公式的系数填料种类填料尺寸（ mm）ABC6.41.24102.10-0.371.24拉西环138.53-0.241.24250.57-0.101.24500.4201.24135.62-0.451.11弧鞍形填料250.76-0.141.116.40.017+0.501.00弧鞍

26、形网100.20+0.251.00130.33+0.201.0040.39+0.250.3060.076+0.500.30压延孔环120.45+0.300.30253.06+0.120.30（7-8） 式的适用范围是：常压操作。操作气速为（ 0.25 0.85 ）泛速。塔 径为 500 800mm，填料层高度为 13m。塔径与填料尺寸之比大于 8。高回流 比或全回流操作，汽、液摩尔流量近似相等。体系的相对挥发度 在 34 以 内。物系的扩散系数相差不大。把 Murch 公式用于低回流比时误差较大 4）轴向混合对传质过程的影响图 7-5 轴向混合对塔内气液浓度分布曲线的影响在气体吸收中对气、液

27、相流过填料层的情况分析 是基于假想的状态， 即液相 沿各填料的壁面均匀膜状 流下，在填料层内任一塔截 面上，各处液膜流速相同。 同时，气相沿填料间的孔隙 均匀向上流动， 在填料层内 任一塔截面上各处气体流 速也相同。 然而，实际操作 中，液相存在沟流现象， 气 相在同一塔截面上分布亦 不均匀。气液相流动的不均匀，再加上涡流因素，导致气液相中部分反主流方向流动即“返混” (back mixing )或“轴向混合”( axial mixing )现象发生。当上升气流夹带部分液体 向上流动时产生液相返混，下降液体夹带部分气体向下流动则产生气相返混。由于返混， 塔内气液浓度随塔高的变化曲线与假想情况发

28、生差异。 以逆流吸收为 例，液体在塔顶加入后， 旋即由于填料层内液向返混而浓度增大， 气体进入填料 层后因气相返混而浓度很快降低。 图 7-5 中实线是假想的无返混的气液浓度随填 料层高度变化的曲线，虚线则是实际有返混的气液浓度随填料层高度变化的曲 线。可见，返混使传质推动力减小，故应设法减小返混程度。725 填料塔的附属设备填料塔的附属设备主要有液体喷淋装置、 除沫装置、 液体再分布器及填料支承装 置等。液体喷淋装置与除沫装置(1)液体喷淋装置：填料塔操作要求液体沿同一塔截面均匀分布。为使液流分 布均匀，液体在塔顶的初始分布须均匀。经验表明，对塔径为 0.75m 以上的塔， 每平方米塔横截面

29、上应有 4050 个喷淋点；对塔径在 0.75m以下的塔，喷淋点 密度集至少应为 160 个/m2塔截面。常见的液体喷淋装置有多孔管式、 槽式及挡板式等， 如图 7-6 所示。管式布液器 是令液体从总管流进， 分流至各支管， 再从支管底部及侧面的小孔喷出。 这种装 置要求液体洁净，以免发生小孔堵塞， 影响布液的均匀性。槽式分布器不易堵塞， 布液较均匀，但因液体是由分槽的 V 形缺口流出，故对安装的水平度有一定要求。 挡板式是将管内流出的液体经档板反溅洒开的液体喷淋装置， 其结构简单， 不会 堵塞，但布液不够均匀。（2）除沫装置：气体从塔顶流出时，总会带少量液滴出塔。为使气体夹带的液 滴能重新返

30、回塔内， 一般在塔内液体喷淋装置上方装置除沫器。 常用的除沫器有 折流板式与填料层式。图 7-6 液体喷淋装置图 7-7 中左图所示为折流板式除沫器。 气体流过曲折通道时， 气流中夹带的液滴 因惯性附于折流板壁，然后流回塔内。图 7-7 除沫器图 7-7 中右图所示的是填料层式除沫器。 当气流通过填料层时， 气流中夹带的液 滴附于填料表面流回塔内。过去曾用拉西环除沫，但其阻力大，效果不理想，现 在一般采用金属丝网或尼龙丝网填料层，填料层高（ 0.1 0.15）m，压降小于 25mm2HO，可除去大于 5的液滴，效率达 （98 99）%。2）液体再分布器与填料支承装置（1）液体再分布器：为使流向

31、塔壁的液体能重 新流回塔中心部位， 一般在液体流过一定高度的 填料层后装置一个液体再分布器。 液体再分布器 形状如漏斗，如图7-8 所示。在液体再分布器侧 壁装有若干短管，使近塔壁的上升气流通过短管 与中心气流汇合，以利气流沿塔截面均匀分布。通常将整个填料层分为若干段， 段与段间设置液体再分布器。 如令每段填料层的 高度为 Z，塔径为 D，对乱堆拉西环，取。随着填料性能的改进， 之值可增大，该值一般在 3至 10之间。（ 2）填料支承装置：填料支承装置如图 7-9 所示。结构最简单的是栅板，由竖 立的扁钢焊在钢圈上制成。 为防止在栅板处积液导致液泛， 栅板的自由截面率应 大于 50%。此外，效

32、果较好的是具有圆形或条形升气管的筛板式支承板，液体从 板上筛孔流下， 气体通过升气管由管壁的小孔流出， 气液分布较均匀， 又因在支 承装置处逆流的气液相各有通道，可避免因支承装置而引起的积液现象。图 7-9 填料支承装置第三节 板式塔综述 7.3.1 板式塔的气液流动类型对于一块塔板，气液间的相对流向有两种类型： 错流式 液体沿水平方向横过塔板，气体则沿与塔板垂直方向由下而上穿 过板上的孔通过塔板， 气液呈错流。 筛板塔、 浮阀塔及泡罩塔等的操作均属此类 型。这种类型塔的结构特点是具有降液管。 降液管提供了液体从一块塔板流至其 下一块塔板的通道。 逆流式 气液皆沿与水平塔板相垂直的方向穿过板上

33、的孔通过塔板。气体 由下而上，液体由上而下，气液呈逆流。淋降筛板塔即属此类型。此类型塔板没 有降液管。这两种类型的塔，就全塔而 言，气液皆呈逆流。两种类 型的塔在操作时板上都有积 液，气体穿过板上小孔后在 液层内生成气泡。板上泡沫 层便是气液接触传质的区 域。图 7-10 板式塔的类型 732 几种主要板式塔型简介根据塔板型式的重要性与代表性， 以下只拟介绍泡罩塔、 筛板塔、 浮阀塔及淋降 筛板塔四种塔型。1) 泡罩塔泡罩塔是 Cellier 于 1813 年提出的最早工业规模应用的板式塔型式。泡罩塔的结构及操作情况如图 7-11 所示。液体通过降液管从一块塔板流至下一 块塔板。为使液体在塔板

34、上有一定的积液厚度， 塔板上液体流出口处设置有溢流 堰。在塔板上钻有若干规则排列的圆孔， 每个孔均装有升气管， 升气管上又固定 有泡罩。泡罩下缘开有齿缝。 操作时， 气体向上流过升气管后遇到泡罩便转而向 下流动，经升气管外侧与泡罩内侧构成的通道后在泡罩齿缝处分散成许多小气泡进入塔板上液层。 气体以气泡形式在液相中浮升并与液体进行相际传质。 当气体跃离液面时液膜破裂，气体便流至上一层塔板。泡罩塔最大的优点是易于操作， 操作弹性大。 当液体流量变化时， 由于塔板上液 层厚度主要由溢流堰高度控制，使塔板上液层厚度变化很小。若气体流量变化， 泡罩齿缝开启度会随气体流量改变自动调节，故气体通过齿缝的流速

35、变化亦较 小。于是，塔板操作平稳， 气液接触状况不因气液负荷变化而显著改变， 换言之， 维持较高传质效率的气液负荷变化范围很大。泡罩塔的弱点是结构复杂， 造价高， 气体通过每层塔板的压降大等。 由于泡罩塔 的这些弱点， 使之在与当今多种优良塔板型式的比较中处于劣势， 所以现在泡罩 塔的应用已较少了。2） 筛板塔筛板塔约于 1832 年开始用于工业生产。筛板塔与泡罩塔的相同点是， 都有降液管， 塔板上都钻有若干小圆孔， 但筛板塔 没有升气管及泡罩。筛板塔操作时液体横过塔板，气体则自板上小孔（筛孔）鼓 泡进入板上液层。 当气速过低时筛孔会漏液； 若气速过高， 气体会通过筛孔后排 开板上液体径自向上

36、方冲出， 造成过量液沫夹带即严重轴向混合。 所以，筛板塔 长期以来被认为操作困难、 操作弹性小而受到冷遇。 然而， 筛板塔具有结构简单 的明显优点。针对筛板塔操作中存在的问题， 美国 Celanese 公司于 1949 年对筛板塔进行了大 量研究。其中 Mayfield 等人的研究结论表明，过去由于对筛板塔操作性能掌握 得不充分，设计不佳，致使筛板塔不易稳定操作，只要筛板塔设计合理，操作得 当，筛板塔不仅可稳定操作，而且操作弹性可达 23，能满足生产要求。在对 筛板塔作出改进后， 自廿世纪五十年代至今， 筛板塔一直是世界各国广泛应用的 塔型。生产实践说明，筛板塔比起泡罩塔，生产能力可增大 10

37、%15%，板效率 约提高 15%，单板压降可降低 30%左右，造价可降低 20%50%。3）浮阀塔图 7-12 浮阀（ F1 型）浮阀塔是廿世纪五十年代初开发的一种新塔 型。其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔处 安置一个可上下移动的阀片。 当筛孔气速高时， 阀片被顶起、上升，孔速低时，阀片因自重而 下降。阀片升降位置随气流量大小作自动调节， 从而使进入液层的气速基本稳定。又因气体在 阀片下测水平方向进入液层，既减少液沫夹带 量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质 效果。浮阀的形状如图 7-12 所示。浮阀有三条带钩的腿。将浮阀放进筛孔后，将其腿上的钩扳转 ，可防止操作时气速过大将 浮阀吹脱。

38、此外，浮阀边沿冲压出三块向下微弯的“脚”。当筛孔气速降低浮阀 降至塔板时，靠这三只“脚”使阀片与塔板间保持 2.5mm左右的间隙；在浮阀再 次升起时，浮阀不会被粘住，可平稳上升。浮阀塔的生产能力比泡罩塔约大 20%40%，操作弹性可达 7 9，板效率比泡罩 塔约高 15%，制造费用为泡罩塔的 60%80%，为筛板塔的 120%130%。图 7-13 浮阀（ a）V-4 型，（ b）T型浮阀一般都用不锈钢制成。国内常用的浮阀有三种， 即图 7-12 所示的 F1型及图 7-13 所示的 V-4 型与 T型。 V-4 型的特点是阀孔被冲压成向下弯的喷咀形， 气体通过阀孔时因流道形状渐变 可减小阻力

39、。 T 型阀则借助固定于塔板的支架限制阀片移动范围。三类浮阀中， F1型浮阀最简单，该类型浮阀已被广泛使用。 我国已有部颁标准 （JB111868）。 F1型阀又分重阀与轻阀两种，重阀用厚度 2mm的钢板冲成，阀质量约 33 克，轻 阀用厚度 1.5mm的钢板冲成，质量约 25 克。阀重则阀的惯性大， 操作稳定性好， 但气体阻力大。 一般采用重罚。 只有要求压降很小的场合， 如真空精馏时才使用 轻阀。表 7-6 是这三种浮阀主要尺寸一览表。表 7-6 三种常用浮阀的主要尺寸型主要尺寸阀F1型（重阀）V-4 型T型筛孔直径， mm393939阀片直径， mm484850阀片厚度， mm21.52

40、最大开度， mm8.58.58静止开度， mm2.52.51.0 2.0阀片质量， g3234252630324）淋降筛板塔淋降筛板塔即没有降液管的筛板塔， 又称无溢流型筛板塔。 该塔内任一块塔板上气液均为逆流，气液都穿过筛孔，故又称为穿流式筛板塔。这种塔型约在 1912年出现在炼油工业中。 其基本设想是采用比筛板塔更简单的结构， 造价更低。 因其节省降液管占据的塔截面积（约占塔板面积的 15% 30%），从而使生产能力提高。据生产资料表明，淋降筛板塔的生产能力比泡罩塔大 20 100%，压降比泡罩塔小 4080%，特别适用于真空操作。这种塔在操作时， 液体时而从某些筛孔漏下， 时而又从另一些

41、筛孔漏下； 气体情 况亦类似。塔板上液层厚度对气液流量变化甚敏感。当气体流量小时漏液严重， 板上液层薄；气体流量大时则板上液层厚，液沫夹带严重，故操作弹性较小。淋降筛板塔的板材一般为金属， 亦可用塑料、 石墨或陶瓷等。 塔板上可开圆的筛 孔或条形孔， 亦可采用栅板作为塔板。 塔板为栅板时称为淋降栅板。 为便于传热， 栅板亦可由平行的换热管构成。淋降筛板塔因其操作弹性小现已很少使用。通常使用的是其改进型的波纹板塔 除以上介绍的四种塔型外， 还有许多其它塔型， 在此不一一介绍。 在各种塔型中， 当前应用最广的是筛板塔与浮阀塔。表 7-7 所示的是 1969 年对某些国家使用塔 型情况的统计数据。表

42、 7-7 几种塔型的使用比例 %塔型欧美国家日本筛板塔6025浮阀塔203050泡罩塔及其它102025第四节 7 4 1 筛板塔的结构筛板塔1）筛板塔的主要部件（ 1）筛板：开有筛孔的板叫筛板。筛孔起均匀分散气体的作用。若孔径小，要 求单位面积的孔数多，则加工麻烦且小孔易堵，但孔小不易漏液，操作弹性大； 孔径大则反之。一般孔径为 38mm。现在也有采用孔径为 1225mm大筛孔的筛板，但操作弹性小， 操作要求高。筛孔的排列是有规则的，以便气泡分布均 匀，塔板强度好。通常筛孔是按正三角形方 式排列的。如图 7-14 所示。在开孔区，筛孔总面积与开孔区面积之比称为开孔率 。 值可按一个小单元计算

43、得。 参看图 7-14 ， 令孔径为 d0，孔心距为 t ，则7-8)若 值过小，开孔过密，塔板强度下降，且气泡容易经碰撞生成大气泡，传质 面积减小，对传质不利。若 值过大，板上产生气泡的点分布太疏，塔板利用 率过低，亦不适宜。一般采用=2.5 5，常用值是 34。（2）溢流堰：在液体横向流过塔板的末端，设有溢流堰。溢流堰是一块直条形 板。溢流堰高 hw 对板上积液的高度起控制作用。 hw 值大，则板上液层厚，气液 接触时间长，对传质有利，但气体通过塔板的压降亦大。 常压操作时，一般 hw= 20 50mm。真空操作时为 1020mm，加压操作时为 40 80mm。（3）降液管：降液管是液体自

44、上一层塔板流至其下一层塔板的通道。降液管横 截面有弓形与圆形两种。因塔体多数是圆筒体， 弓形降液管可充分利用塔内空间， 使降液管在可能条件下截面积最大，通液能力最强，故被普遍采用。降液管下边缘在操作时必须浸没在液层内， 以保证液封， 即不允许气体通过降液 管“短路” 流至上一层塔板的液层上方空间。 降液管下缘与下一块塔板的距离称 为降液管底隙高度 h0，h0为 2025mm。若 h0 值过小则液体流过降液管底隙阻力 太大。为保证液封，要求（ hw- h 0）大于 6mm。筛板塔的结构如图 7-15 所示。2）筛板的板面布置参看图 7-15 ，筛板的板面可划分为若干区域。各区的名称、作用及面积算

45、法如 下。（ 1）有效传质区：塔板上布置有筛孔的区域，称有效传质区，面积为Aa，即图7-15 右图中虚线以内的部份。有效传质区面积的计算式为（ 7-9 ）式中角度 以弪为单位（2）降液区：每根降液管所占用的塔板区域，称降液区，面积为Af 。降液区内不开孔。弓形降液管的降液区面积 Af可通过几何计算求得。 若溢流堰长为 l w，塔内径为 D，塔的横截面积为 AT，则由。计算结果示于图 7-16 中。应用时只需查图线即可。图7-16 还绘有由 值查取弓形降液管最大宽度 Wd与塔径 D之比的 曲线供查用。若降液区增大，即 值增大，则有效传质区占全塔截面的比值减小。一个合理的设计方案，应兼顾有效传质区

46、与降液区两方面的需要。一般=0.6 0.8 。图 7-16 弓形降液管的几何关系（3）入口 安定 区：塔板上液流的 上游部位有狭长的不开孔区，叫 入口安定区，其宽度为 Ws。此区 域不开孔是为了防止因这部位液 层较厚而造成倾向性漏液，同时 也防止气泡窜入降液管。一般 Ws=50 100mm。（4）出口安定区：在塔板上液流 的下游靠近溢流堰部位也有狭长 的不开孔区，叫出口安定区，其 宽度与入口安定区相同， 亦为 Ws。 这部分不开孔是为了减小因流进 降液管的液体中含气泡太多而增 加液相在降液管内排气的困难。（5）边缘固定区：在塔板边缘有 宽度为 Wc 的区域不开孔，这部分 用于塔板固定。一般 W

47、c=25 50mm。3）塔板上的液流型式 以上介绍的塔板上液体流动的型式称为“单流型”，也是最常见的流型。若液体流量及塔径都比较大，采用“单流型”塔扳会在塔板上形成较大的液面落差（水力坡度） 。塔板上液面高度的差异导致板上气体分布不均匀， 对传质产生不良 影响。为了减小塔板的液面落差，可采用“双流型“塔板。“双流型”塔板是采 取中间安装降液管与两侧安装双降液管的两种塔板相间装置方式， 令液体在塔板 上只流过半程距离，而且每侧液体流量只占总流量之半，从 而使液面落差大为减小。若液体流 量很小，采用“单流型”塔板，越 过单位长度溢流堰的液体流量不 足，易发生液体偏流，导致塔板上 液流分布不匀，可采

48、用“ U 形流型 “塔板。该型塔板的降液管置于一 边，液相呈 U 字形流过塔板，溢流 堰长度减小。三种液流型的液流方 式示于图 7-17 。推荐的液体负荷、 塔径与液流型式的选择关系示于 表 7-8 。表 7-8 液相负荷、塔径与液流型式的关系塔径 D， mm液体流量 Lh，m3/hU形流单溢流双溢流10007 以下45以下14009 以下70以下200011 以下90以下90160300011 以下110 以下110200400011 以下110 以下110230500011 以下110 以下1102504） 板间距相邻两层塔板间的距离叫板间距 HT。板间距的大小关系到正常操作气液流量的高

49、限值，也和塔高度相关。若板间距取得大，允许的气液流量也大，但对一定塔板 数而言， 需要的塔体亦高。 气液流量大意味着生产能力大， 而塔的高度大意味着 设备投资大，设计时应从这两方面权衡比较后确定板间距。 一般可按表 7-9 所示 的经验值选取板间距的初值。表 7-9 板间距参考值（单流型）塔径 D，m0.6 1.01.2 1.61.8 2.4板间距 HT，mm300600350800450800注：当 HT500mm，HT按 50mm幅度变化； HT 500mm，按 100mm幅度变化。 本章只介绍“单流型”塔的计算方法。其它流型塔的计算可参看有关书籍。 7 4 2 筛板塔正常操作的气液流量范

50、围 以下计算式中气体流速 u 因不同核算面积有 a、o、n 三种不同下标， 应注意区分1）液相流量下限 液体流过塔板存在着液流分布不均匀的问题。 由于塔壁是圆柱面， 更增加液流的 不均匀性。经验表明，在液流量小时， 平溢流堰安装的微小偏差便会引起越过溢 流堰顶液体的偏流， 堰顶液体偏流必导致塔板上液体的偏流。 在液流严重不均匀 时，靠壁处液体甚至会倒流而产生漩涡， 其余区域的液流则加速。 对于流得快的 液体，气液接触时间短，传质不充分；对于流得慢甚至产生漩涡的液体，因气液 接触时间长，液体浓度趋近于气液平衡，传质速率低，故液流量小对操作不利。 但当液流量增大到一定程度后， 液体越过溢流堰顶偏流

51、现象减弱， 液体在塔顶上 的漩涡消除，液流不均匀性明显改善， 故正常操作的液流量有下限值。 一般要求， 平溢流堰顶上的液层厚度 how须大于 6mm。计算 how的半经验公式为（7-10 ） 式中 Lh液相体积流量， m3/h ；E考虑到圆筒塔壁的液流收缩系数，其值可由图 7-18 查得 顶部呈锯齿形的溢流堰，适用小液流量操作。其 how计算法可参看气液传质设 备。2）液相流量上限液体离开塔板进入降液管时总夹带有气泡。 这些本应进入该塔上方空间的气体被 液体夹带到该板下方空间， 形成气相返混，削弱传质效果。 为减轻气相夹带程度， 要求液体在降液管内流动时能排除气体， 为此，液体在降液管内应有充

52、分的停留 时间。一般规定，液体在降液管内的停留时间 须满足下述关系式：7-11)式中 L s液相体积流量， m3/s 。值应根据不同液体的性质在 3 至 5 秒内定值。3）漏液限 正常操作时， 液体应横贯塔板， 在与气体进行充分接触传质后流入降液管。 但有 少量液体会由筛孔漏下。这少量漏下的液体如同“短路”，传质不充分，故操作 中应尽可能减少漏液。 当液体流量一定， 气体流量降到一定程度时漏液量会明显 增多。一般将漏液量明显增多时的空塔气速称为在该液体流量下的漏液点空速 ua，w，由于人们对漏液点判别的定量指标不同，所以不同研究者提出的计算漏液 点的经验式亦不同。漏液现象分为两种类型， 一种叫

53、倾向性漏液， 一种叫随机性漏液。 倾向性漏液指 液体刚流进塔板时因液层最厚， 该部位的筛孔在操作中产生的漏液现象。 塔板上 安排不开孔的入口安定区或把塔板冲压成局部突起的形状， 以减小液体刚进入塔 板时的液层厚度， 都是为了避免倾向性漏液。 随机性漏液指操作中时而某些筛孔 漏液，时而另一些筛孔漏液， 即漏液区域带有不定性的漏液现象。 产生随机性漏 液的原因是对于某一液体流量， 气体空速偏低； 其表现特点是漏液位置与液面波 动密切相关。在液面波峰处，液层厚，液体位能大，波峰下面的筛孔漏液；在液 面波谷处，液层薄，气体集中由波谷下面的筛孔通过。由于液面起伏的随机性， 导致漏液的随机性。 因倾向性漏

54、液的消除或减弱涉及塔板结构， 在塔板结构改进 后可不考虑此因素，故一般对漏液问题的讨论只集中在随机性漏液问题上。随机性漏液同气体通过筛板的阻力 （干板阻力） 与通过塔板上液层的阻力之比值 有关。气体通过各筛孔及液层属并联流动。 若干板阻力在总阻力 （干板阻力与液 层阻力之和） 中所占比例增加， 液面波动因素对气体分布不匀的影响就减小， 漏 液可减轻。这说明，研究漏液问题应同干板阻力及液层阻力相联系。戴维斯（Davies ）等对漏液点问题进行研究并提出了漏液点操作状况下干板阻力 与液层阻力的经验关联图线，如图 7-19 所示。图中 hd与 hc的计算式如下：7-12)式中 hd 干板阻力， mH

55、2O；u0， w漏液点时的筛孔气速， m/s； C0干板孔流系数，无因次。 C0 值可由图 7-20 查得。图中 为 塔板厚， d0为筛孔孔径， 单位都是 mm。开孔率可按（7-8 ）式计算， 或按塔板上所有筛孔的总面积除以有效传质区面积（ AT 2Af）算 得。hc是漏液点时塔板上泡沫层厚度按等压降原则折算的清液层厚度，其经验计算式为7-13)式中 Fa气相动能因子，ua，w是以面积（ AT2Af ）计的漏液点空塔气速， m/s； Ls液相体积流量， m3/s 。4）溢流液泛限 当降液管排液能力不足， 液体仍不断加入， 降液管内液位上升至上层塔板溢流堰 顶，影响上层塔板的排液，导致塔板上积液

56、增加直至淹塔，这现象称为液泛。发 生液泛时气体通过塔板的压降急剧上升， 出塔气体大量带液， 正常操作受到破坏。 可见正常操作的塔设备不允许发生液泛。液泛产生的原因有：气流量或液流量过大。气体中夹带过量的液体， 增 加降液管的排液负荷。某块塔板的降液管下端堵 塞，造成该塔板以上塔段液泛。由堵塞引起的液泛可通过塔的 清洗及进塔液体予以解决。由 过量液沫夹带引起的液泛可通 过下面将介绍的把液沫夹带量 控制在允许范围内的方法予以 避免。以下只讨论由于气液流量过大导致的液泛即溢流液泛问题 参看图 7-21 。降液管内清液（不含气泡）高度 Hd可按下式算得：（ 7-14 ）式中 Hf 气体通过一层塔板的压

57、降折算成的清液高度（即通过一块 塔板的阻力）， m；Hf 液体流过降液管进入塔板的阻力， m。其中，7-15)7-16)气体通过一块塔板的阻力 Hf 是干板阻力 hd、塔板上液层阻力 h1与在液相中生成 气泡所需克服液体表面张力的阻力 h三项之和。因 h比其它两相阻力小得多， 可略去不计，故式中 u0筛孔气速， m/s；C0塔板的干板孔流系数，可由图 7-20 查得h1是塔板上泡沫层高度按等压降原 则折算得的清液层高度， 塔板上泡沫 层高度可按 hW+h0W计，二者关系为（7-17）式中 液层充气系数， 无因此， 可由图 7-22 查得。液相流过降液管进入塔板的阻力7-18)Hf 主要取决于液

58、相在降液官底隙的 流动阻力，其经验计算式为值一般为 0.07 0.25m/s 筛板塔因塔板上没有阻碍液流的阻碍物，液面落差 值很小，故 可略去不计。 若液流量较大且塔径甚大，塔板上有明显的水力坡度时，一般采用“双流型”塔 板， 值也可不计。对于具体的筛板塔和一定的气液物系， 相应于一组气、液流量 （L s，Vs） i ，由（7-14 ） 式可算得相应的降液管内清液高 Hd 值。降液管内液相中含有气泡，令泡沫密度 与清液密度之比为相对泡沫密度 ，则降液管内含气泡的液位高度 H 为（7-19 ）对于一般物系， 值可取 0.5 ，对于不易起泡物系， 值约为 0.6 0.7 ，对于易 起泡物系， 可取

59、值 0.3 0.4 。当降液管内液位高度 H 小于板间距与溢流堰高之和 （HT+hw）时，降液管内液位的 上下移动使塔对气液负荷变化具有自动调节功能。 当 H=HT+hw+how时，降液管内液 面与上一层塔板下游液面齐平， 这时，似乎降液管的排液能力恰好满足排液的需 要，但若气相或液相流量再有微小的增量， 必引起降液管内液位上升， 导致上一 块塔板液层再增厚，其结果又使气相通过塔板的阻力 Hf 增大，使降液管内液位 再上升。如此相互影响，形成恶性循环，最后必导致液泛。所以， H=HT+hw+how 是从溢流液泛角度计算气、液流量上限的关联式。因 how值远小于（ HT+hw），一般 规定溢流液

60、泛限的关联式为7-20)5）过量液沫夹带限 气泡通过板上液层到达液面时， 气泡破裂， 气体向上冲出。 气体冲出时总会把部 分拉成薄膜的液体向上抛起。 被抛起的液体呈大小不一液滴状。 液滴在上升过程 中经相互碰撞， 滴径还会增大。 其中较大的液滴上升到一定高度， 在尚未到达上 一层塔板前会沉降下来。 较小的液滴则随向上流动的气体被带至上一块塔板。 上 升气流把液滴夹带到上一块塔板的现象叫液沫夹带。液沫夹带有三点不利影响：形成液体 返混，削弱传 质效果。增大降液 管负荷，增加 塔板上液层厚 度，从而使气 相通过塔板的 阻力增大。液 沫夹带严重时 会造成过量液 沫夹带液泛。出塔气体 带液，可能对 下