气液传质设备板式塔

1、气液传质设备板式塔第1页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四原油加工费中国：26美元/t 保护、扶持为主的产业政策中东：14美元/t东南亚：12美元/t关键设备大型化 规模效应降低能耗、提高设备效率、减少废物排放第2页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四装置大型化同等规模下，单套精馏装置比双套装置、投资减少24%能耗减少19%比三套装置投资减少55%能耗减少29%第3页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四塔器大型化我国节能降耗、提高分离过程水平的战略决策年产1000万吨以上的炼油装置年产100万吨的乙烯装置常压塔直径9m减压塔直径13m第4页，共

2、75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四塔器大型化存在的技术关键（1）液体分布问题填料塔的大型化 塔径与填料直径比增大 填料层的径向分散系数减小 将初始不良分布转化为自然流分布更困难第5页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四液体分布器液体初始分布影响因素：分离程度、理论技术、分布质量、填料形式及尺寸、液体流率、塔径、堵塞的可能性、加料状态及造价等等措施：通过流体力学实验及现代计算流体力学技术优化设计高性能液体分布器第6页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四（2）气体分布问题填料塔气流在填料床内自然可以达到均匀分布措施：通过计算流体力学进行模拟计算、优化设

3、计第7页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四大型塔器对气体分布装置的要求（1）均布性能好（2）流动阻力小（3）占塔内空间小、高度低（4）能有效防止气液相互夹带（5）不易持液、结焦、堵塞等（6）结构简单，安装维修方便第8页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四（3）液面梯度问题液面梯度大严重影响气体的均匀流动气液接触不充分塔板效率降低措施：通过气体的拖曳实现，利用计算流体力学技术对塔盘结构及浮阀的设计进行优化低液面梯度塔盘第9页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四（4）大型内构件的变形问题塔内支撑的结构设计对支撑梁的要求：矛盾足够的强度、刚度和抗变形

4、要求附近气体横向和纵向的通透性、流体流动的均匀性工字钢、槽钢通透支撑装置第10页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四热变形问题材质不同和传热的影响塔壳体和内部构件变形不一致 集油箱开裂和泄露措施：现代力学分析技术第11页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四（5）长周期运转问题要求稳定运行时间长、可靠性高塔器的特点：不存在备用塔操作周期中不允许检修液体分布器或填料的堵塞原因：固体物质、易聚合物料、腐蚀等第12页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四101 板式塔Plate Column第13页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四一、概

5、述： 1813年已应用于工业生产目前用量最大、应用范围最广的气液传质设备第14页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四第15页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四第16页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四1 、板式塔的设计意图：功能：（1）塔板提供气液两相充分接触的场所（接触面积），减小传质阻力（2）塔内整体为逆流流动，提供最大的传质推动力（3）提供足够大的气液两相通道，保证大通量、低压降、合适的操作弹性第17页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四2 、板式塔的特点：（1）空塔气速较高，则生产能力大 （2）塔板效率稳定，操作弹性大

6、（3）造价低、检修、清洗方便第18页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四 3、塔板的构造：以筛孔塔板为例（1）筛孔Sieve作用：提供气体上升的通道各类塔板的主要区别在于气体通道的差别第19页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四（2）溢流堰weir：作用：使塔板上保持一定厚度的流动液层高：hw，长：lw第20页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四（3）降液管Downcomer作用：液体从上层塔板流至下层塔板的通道降液管底部留有底隙ho液封： ho hw第21页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四形状：弓形：工业上使用最多，流量大为

7、提高塔板上开孔区面积，降液管底部适当收缩，以减少受液盘面积第22页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四圆形和矩形等： 适于流量小，如实验装置第23页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四二、 筛板上的气液接触状态第24页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四1、鼓泡接触状态：气速较低时液体：连续相，气体：分散相两相接触面积：气泡表面，小以液体为主，气泡所占比例较小传质效率很低第25页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四2、蜂窝状接触状态：当气泡形成速度大于气泡浮升速度时气泡在液层内积累，继而形成多面体的大气泡，不易破裂，表面得不到更新

8、不利于传热和传质第26页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四 3、泡沫接触状态：气泡数量随气速增加而急剧增加直径较小、扰动十分剧烈的动态泡沫不断发生碰撞和破裂，导致两相接触面积：不断更新的液膜表面表面积大板上清液层基本消失利于两相传热与传质使用最多第27页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四 前三种状态： 液体：连续相 气体：分散相第28页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四 4、喷射接触状态：气速进一步提高高速气体从孔中把板上液相分散高度湍动的液滴群泡沫状喷射状；液相：连续相分散相两相间传质面：液滴群表面由于液体横向流经塔板时将多次分散和凝聚，

9、表面不断更新工业塔板上另一重要的气、液接触状态第29页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四优点：生产能力大缺点：液沫夹带较小的则被气体带至上层塔板（较大的液滴受重力作用又落回板上）液沫夹带较多，若控制不好，会破坏传质过程第30页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四5、乳化状态高压高液流量时高速液流剪切力下使气相形成小气泡均匀分布在液体中形成均匀两相流体，即乳化态流体不利于两相的分离第31页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四三、气体通过塔板的阻力损失（或总压降 ）Drop in Pressure第32页，共75页，2022年，5月20日，8点5分

10、，星期四1、板压降hf： 上升气流通过塔板时需克服一定的阻力构成塔板的压降实为：塔板阻力第33页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四板压降的三个组成：（1）板上充气液层的静压力hl（2）塔板本身的干板压降hd （即板上各部件所造成的局部阻力）（3）液体的表面张力：很小第34页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四塔板压降增大对板式塔操作性能的影响优点：塔板上气液两相接触时间随之增长板效率增大完成同样的分离任务所需实际塔板数减少设备费用降低缺点：塔釜温度升高能耗增加，操作费用增大对热敏性物料的分离不利第35页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四故塔板

11、压降在设计中应在保证塔板效率较高的前提下原则：力求减小第36页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四数学表达式： 可通过压差计测出第37页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四2、干板压降hd ：与气体通过孔板十分相似高度湍流的情况：C0为常数第38页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四3、液层阻力hl：由三部分组成：克服板上泡沫层的静压形成气液界面的能量消耗通过液层的摩擦阻力损失第39页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四影响塔板总压降因素气量 hf 液量 hf 板结构：开孔率u0 hf 第40页，共75页，2022年，5月20日，

12、8点5分，星期四低气速：液层阻力占主要地位高气速：干板阻力占主要地位但气速增大，总阻力损失还是增大的板压降的构成：第41页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四四、筛板塔内气液两相的非理想流动第42页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四板式塔上的不利流动：空间上的反向流动液沫夹带 气泡夹带空间上的不均匀流动气体液体第43页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四1、空间上的反向流动与主体流动方向相反的流动包括液体（液沫）和气体（气泡）属返混现象第44页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四（1）液沫夹带（或雾沫夹带） Entrainmen

13、t现象：液滴被上升的气体夹带至上层塔板危害：将下层浓度低的液体带到上层板使塔板的提浓作用变差第45页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四产生液沫夹带的原因（机理）：气速过大 & 板间距HT过小小液滴：气流的裹挟，与HT无关大液滴：液滴形成的弹溅作用 和HT有关：？第46页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四液沫夹带的表示方法：eV1kmol或kg干气体所夹带的液体量单位：夹带液体kmol（或kg） /1kmol（或kg）干气体e 每层塔板单位时间被气体夹带的液体量kmol（或kg） 被夹带的液体量占流经塔板总液体量的分率第47页，共75页，2022年，5月20日

14、，8点5分，星期四（2）气泡夹带现象：液体在降液管中的停留时间太短气泡被卷入下层塔板第48页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四危害：对传质危害不大：量小主要降低降液管的通过能力严重时，会破坏塔的正常操作？第49页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四措施：设置出口安定区靠近溢流堰一狭长不开孔区域第50页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四降液管面积或溢流堰长度的确定保证液体在降液管中有足够的停留时间第51页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四2、 空间上的不均匀流动气、液流速的不均匀性造成传质推动力下降第52页，共75页，2022

15、年，5月20日，8点5分，星期四（1）气体通过塔板的不均匀性塔板上的液面落差：塔板进、出口侧的清液高度差表示：第53页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四为克服板上摩擦阻力和板上部件（如泡罩、浮阀）的局部阻力需要一定的液位差第54页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四塔板入口处：液层阻力？气速？气量？塔板出口处：液层阻力？气速？气量?第55页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四影响因素：结构：泡罩较大，筛板较小D和L愈大，也较大措施：对D大的塔，采用双溢流或阶梯溢流的形式来减小第56页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四第57页，

16、共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四值可忽略不计的情况：筛板塔因塔板上没有阻碍液流的阻碍物液面落差值很小第58页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四（2）液体沿塔板流动的不均匀性现象：液流在塔板上流径分配的不均匀性塔板中央：行程短而平直，流速大塔板边缘：行程长而弯曲，又受塔壁的影响，流速低，阻力大使液体在塔板上停留时间分布不均匀第59页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四第60页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四原因：液体流量液流量过低，使流速过低措施：可用齿形堰或折流型塔板第61页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星

17、期四五、板式塔的不正常操作现象：第62页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四包括：夹带液泛、溢流液泛和严重漏液可使塔板效率降低甚至使操作无法进行第63页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四1、液泛定义：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包括夹带液泛、溢流液泛第64页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四（1）夹带液泛由液沫夹带引起气速过大第65页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四液泛气速uF：影响因素板间距： HT uF液量：VL uF物性：易发泡，uF 适宜气速：u=(0.7-0.8)uF液泛

18、分率：u/uF第66页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四（2）溢流液泛（降液管液泛）：由于降液管通过液体能力不够而引起液量过大当降液管内液体不能顺利下流管内液体必然积累当管内液位增高而越过溢流堰顶部时两板间液体相连，塔板产生积液，并依次上升，最终导致塔内充满液体第67页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四影响液泛的因素：（ 1）气液两相的流量： 对一定的液体流量，气速过大会形成液泛反之，对一定的气体流量，液量过大也可能发生液泛第68页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四（2）塔板的结构：特别是塔板间距等参数设计中采用较大的板间距可提高液泛速度降液管堵塞第69页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四液泛发生的标志塔内积液板压降持续增大第70页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四3、严重漏液：当气体通过塔板的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液体短路，大量液体由筛孔或阀孔漏下第71页，共75页，2022年，5月20日，8点5分，星期四气液两相在塔板上的接触时间减少塔板效率下降严重的漏液会使塔板不能积液而无法正常操作漏液的结果第7