蒸馏和吸收塔设备

第3章蒸馏和吸收塔设备3.1板式塔3.2填料塔3.1板式塔3.1.1概述3.1.2筛板上的气液接触状态3.1.3气体通过筛板的阻力损失3.1.4板式塔的不正常操作现象3.1.5板效率的各种表示方法及其应用3.1.6提高板效率的措施3.1.7塔板型式3.1.1概述

板式塔的设计意图板式塔是一种应用极为广泛的气液传质设备，它由一个通常呈圆柱形的壳体及其中按一定间距水平设置的若干塔板所组成。如图所示，板式塔正常工作时，液体在重力作用下自上而下通过各层塔板后由塔底排出；气体在压差推动下，经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出，在每块塔板上皆贮有一定的液体，气体穿过板上液层时，两相接触进行传质。3.1.1概述为有效地实现气液两相之间的传质，板式塔应具有以下两方面的功能：①在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，减小传质阻力；②在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。由吸收章可知，当气液两相进、出塔设备的浓度一定时，两相逆流接触时的平均传质推动力最大。在板式塔内，各块塔板正是按两相逆流的原则组合起来的。3.1.1概述但是，在每块塔板上，由于气液两相的剧烈搅动，是不可能达到充分的逆流流动的。为获得尽可能大的传质推动力，目前在塔板设计中只能采用错流流动的方式，即液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层。由此可见，除保证气液两相在塔板上有充分的接触之外，板式塔的设计意图是，在塔内造成一个对传质过程最有利的理想流动条件，即在总体上使两相呈逆流流动，而在每一块塔板上两相呈均匀的错流接触。3.1.2筛板上的气液接触状态

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体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。3.1.2筛板上的气液接触状态3.1.2筛板上的气液接触状态（2）蜂窝状接触状态随着气速的增加，气泡的数量不断增加。当气泡的形成速度大于气泡的浮升速度时，气泡在液层中累积。气泡之间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡，板上为以气体为主的气液混合物。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。

3.1.2筛板上的气液接触状态

（3）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。3.1.2筛板上的气液接触状态（4）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。3.1.3气体通过筛筛板的阻力力损失气体通过塔塔板的压降降（塔板的的总压降））包括：塔塔板的干板板阻力（即即板上各部部件所造成成的局部阻阻力），板板上充气液液层的静压压力及液体体的表面张张力。塔板压降是是影响板式式塔操作特特性的重要要因素。塔塔板压降增增大，一方方面塔板上上气液两相相的接触时时间随之延延长，板效效率升高，，完成同样样的分离任任务所需实实际塔板数数减少，设设备费降低低；另一方方面，塔釜釜温度随之之升高，能能耗增加，，操作费增增大，若分分离热敏性性物系时易易造成物料料的分解或或结焦。因因此，进行行塔板设计计时，应综综合考虑，，在保证较较高效率的的前提下，，力求减小小塔板压降降，以降低低能耗和改改善塔的操操作。3.1.4板式塔的不不正常操作作现象筛板塔内气气体两相的的非理想流流动包括漏漏液、液泛泛和液沫夹夹带等，是是使塔板效效率降低甚甚至使操作作无法进行行的重要因因素，因此此，应尽量量避免这些些异常操作作现象的出出现。（1）漏液在正常操作作的塔板上上，液体横横向流过塔塔板，然后后经降液管管流下。当当气体通过过塔板的速速度较小时时，气体通通过升气孔孔道的动压压不足以阻阻止板上液液体经孔道道流下时，，便会出现现漏液现象象。漏液的的发生导致致气液的两相在塔板上上的接触时时间减少，，塔板效率率3.1.4板式塔的不不正常操作作现象下降，严重重时会使塔塔板不能积积液而无法法正常操作作。通常，，为保证塔塔的正常操操作，漏液液量应不大大于液体流流量的3%。漏液量达达到3%的气体速度度称为漏液液速度，它它是板式塔塔操作气速速的下限。。造成漏液的的主要原因因是气速太太小和板面面上液面落落差所引起起的气流分分布不均匀匀。在塔板板液体入口口处，液层层较厚，往往往出现漏漏液，为此此常在塔板板液体入口口处留出一一条不开孔孔的区域，，称为安定定区。3.1.4板式塔的不不正常操作作现象（2）液沫夹带带上升气流穿穿过塔板上上液层时，，必然将部部分液体分分散成微小小液滴，气气体夹带着着这些液滴滴在板间的的空间上升升，如液滴滴来不及沉沉降分离，，则将随气气体进入上上层塔板，，这种现象象称为液沫沫夹带。液滴的生成成虽然可增增大气液两两相的接触触面积，有有利于传质质和传热，，但过量的的液沫夹带带常造成液液相在塔板板间的返混混，进而导导致板效率率严重下降降。为维持持正常操作作，需将液液沫夹带限限制在一定定范围，一一般允许的的液沫夹带带量为<0.1kg（液）/kg（气）。影响液沫夹夹带量的因因素很多，，最主要的的是空塔气气速和塔板板间距。空空塔气速减减小及塔板板间距增大大，可使液液沫夹带量量减小。3.1.4板式塔的不不正常操作作现象（3）液泛塔板正常操操作时，在在板上维持持一定厚度度的液层，，以和气体体进行接触触传质。如如果由于某某种原因，，导致液体体充满塔板板之间的空空间，使塔塔的正常操操作受到破破坏，这种种现象称为为液泛。当塔板上液液体流量很很大，上升升气体的速速度很高时时，液体被被气体夹带带到上一层层塔板上的的量剧增，，使塔板间间充满气液液混合物，，最终使整整个塔内都都充满液体体，这种由由于液沫夹夹带量过大大引起的液液泛称为夹夹带液泛。。3.1.4板式塔的不不正常操作作现象当降液管内内液体不能能顺利向下下流动时，，管内液体体必然积累累，致使管管内液位增增高而越过过溢流堰顶顶部，两板板间液体相相连，塔板板产生积液液，并依次次上升，最最终导致塔塔内充满液液体，这种种由于降液液管内充满满液体而引引起的液泛泛称为降液液管液泛。。液泛的形形成与气气液两相相的流量量相关。。对一定定的液体体流量，，气速过过大会形形成液泛泛；反之之，对一一定的气气体流量量，液量量过大也也可能发发生液泛泛。液泛泛时的气气速称为为泛点气气速，正正常操作作气速应应控制在在泛点气气速之下下。影响液泛泛的因素素除气液液流量外外，还与与塔板的的结构，，特别是是塔板间间距等参参数有关关，设计计中采用用较大的的板间距距，可提提高泛点点气速。3.1.5板效率的的各种表表示方法法及其应应用（1）点效率率式中——离开塔板板上某点点的气相相组成；；——进入第n块板的气气相组成成；——与被考察察点液相相组成x成平衡的的气相组组成。为计算实实际板数数，必须须知道离离开同一一块实际际塔板的的两相平平均组成的关关系。点点效率不不能满足足此要求求。3.1.5板效率的的各种表表示方法法及其应应用（2）默弗里里板效率率不仅考虑虑了塔板板上两相相之间的的接触状状况，同同时也计计入了塔塔板上气液两相相的非理理想流动动，但未未考虑塔塔板间的的非理想想流动，，即液沫沫夹带和漏夜夜。、、均均小小于1。，3.1.5板效率的的各种表表示方法法及其应应用（3）理论板板数考虑了液液沫夹带带的影响响即。。一一般据修修正平衡衡线的概概念，实验经常常考（设设各板均均相等等为0.6，全回流流求实际际塔板数数）。3.1.5板效率的的各种表表示方法法及其应应用（4）全塔效效率（设设计时最最常用））式中——理论板数数；——实际板数数。3.1.6提高板效效率的措措施3.1.6.1结构参数数3.1.6.2操作参数数和塔板板的负荷荷性能图图3.1.6.1结构参数数影响塔板板效率的的结构参参数很多多，塔径径、板间间距、堰堰高、堰堰长以及及降液管管尺寸等等对板效效率皆有有影响，，必须按按某些经经验规则则恰当地地选择。。此外，，有以下下两点得得特别指指出。（1）合理选选择塔板板的开孔孔率和孔孔径造成成适应于于物系性性质的气气液接触触状态塔板上存存在着两两种气液液接触状状态——泡沫状态态和喷射射状态。。不同的的孔速下下将出现现不同的的气液接接触状态态，不同同的物系系适宜于于不同的的接触状状态。3.1.6.1结构参数数已知，轻轻组分表表面张力力小于重重组分的的物系宜宜采用泡泡沫接触触状态，，轻组分分表面张张力大于于重组分分的物系系宜采用用喷射接接触状态态。这一一点可解解释如下下：在泡沫接接触状态态，气泡泡密集，，板上液液体呈液液膜状态态而介于于气泡之之间。在在传质过过程中，，液膜是是否稳定定左右着着实际相相界面的的大小。。如果液液膜不稳稳定，则则易被撕撕裂而发发生气泡泡的合并并，相界界面将减减少。设设有液膜膜如图所所示，其其表面张张力为。。若若液膜的的某一局局部发生生质量传传递，该该处膜厚厚减薄，，轻组分分浓度减减小，重重组分浓浓度增加加，表面面张力发发生变化化。3.1.6.1结构参数数显然，对对于重组组分表面面张力较较小的物物系，局局部传质质处的表表面张力力将将小于于，，液体被被拉向四四周，导导致液膜膜破裂气气泡合并并。反之之，对于于重组分分表面张张力较大大的物系系，局部部蒸发处处的表面面张力将将大于于，可吸吸引周围围的液体体，使液液膜得以以恢复，，液膜比比较稳定定。因此，重重组分表表面张力力较大的的物系，，宜采用用泡沫接接触状态态。若以以表表示重重组分的的摩尔分分数，这这种物系系的，，故故可称为为正系统统。3.1.6.1结构参数数在喷射状状态中，，液相被被分散成成液滴而而形成界界面。与与泡沫接接触状态态中的液液膜相反反，此时时，液滴滴的稳定定性越差差，液滴滴越容易易分裂，，相界面面越大。。如图所所示，由由于局部部质量传传递，液液滴表面面的某个个局部将将出现缺缺口，此此处重组组分摩尔尔分数增增加，表表面张力力发生变变化。对于正系系统，缺缺口处的的表面张张力大大于，，缺缺口得以以弥合，，液滴稳稳定不易易分裂。。对于重重组分表表面张力力较小的的物系，，缺口处处的表面面张力小小于，缺缺口将自自动扩展展加深，，导致液液滴分裂裂。3.1.6.1结构参数数因此，重重组分表表面张力力较小的的物系，，宜采用用喷射接接触状态态。同样样，若以以表表示重组组分的摩摩尔分数数，这种种物系的的，，故可可称为负负系统。。总之，正正系统的的液滴或或液膜的的稳定性性皆好，，宜采用用泡沫接接触状态态而不宜宜采用喷喷射接触触状态；；负系统统的液滴滴或液膜膜稳定性性差，宜宜采用喷喷射接触触状态而而不宜采采用泡沫沫接触状状态。3.1.6.1结构参数数（2）设置倾倾斜的进进气装置置，使全全部或部部分气流流斜向流流入液层层在塔板上上适当地地设置倾倾斜进气气装置，，使全部部或部分分气体沿沿倾斜于于液体流流动的方方向进入入液层，，具有以以下优点点。①斜向向进气时时，气体体将给液液体以部部分动量量。这样样，液体体将在该该部分动动量推动动下沿塔塔板流动动，而不不必依靠靠液面落落差。适适当地分分配斜向向进入的的气量。。即可维维持一定定的液层层厚度，，还可以以消除液液面落差差，促使使气流的的均布。。3.1.6.1结构参数数②适当地地安排斜斜向进气气装置，，即在塔塔板边缘缘处适当当增加斜斜向进气气装置的的数量，，可使液液体沿圆圆形塔板板表面流流动均匀匀。③斜向进进气时造造成的液液滴具有有倾斜的的初速度度，其垂垂直分量量较小，，因而液液膜夹带带量有所所下降。。总之，适适量采用用斜向进进气装置置，可减减少气液液两相在在塔板上上的非理理想流动动，提高高塔板效效率。实实现斜向向进气的的塔结构构有多种种形式。。例如，，舌形塔塔板、斜斜孔塔板板、网孔孔塔板等等使全部部气体倾倾向进入入液层；；而林德德筛板则则使部分分气体斜斜向进入入液层。。3.1.6.2操作参数和塔塔板的负荷性性能图（1）负荷性能图图①1为过量液沫夹夹带线，通常常以Kg液/Kg干空气为依据据确定，气液液负荷位于该该线上方，表表示液沫夹带带过量，已不不宜采用；②线2为漏液线，可可根据漏液点点气速确定，，若气液负荷荷位于线2下方，表明漏漏液已使塔板板效率大幅度度下降；③线3为溢流液泛线线，可根据溢溢流液泛的产产生条件确定定，若气液负负荷位于3上方，塔内将将出现溢流液液泛；3.1.6.2操作参数和塔塔板的负荷性性能图④线4为液流量下限限线，对平直直堰，其位置置可根据6mm确定，对齿形形堰有其他办办法确定，液液量小于该下下限，板上液液体流动严重重不均匀而导导致板效率急急剧下降；⑤线5为液流量上限限线，可根据据不不小于3～5确定，若液量量超过此上限限，液体在降降液管内停留留时间过短，，液流中的气气泡夹带现象象大量发生，，以致出现溢溢流液泛。上述各线所包包围的区域为为塔板正常操操作范围。在在此范围内，，气液两相流流量的变化对对板效率影响响不大。塔板板的设计点和和操作点都必必须位于上述述范围内，方方能获得合理理的板效率。。3.1.6.2操作参数和塔塔板的负荷性性能图（2）操作弹性上、下限操作作极限的气体体流量之比称称为塔板的操操作弹性，操操作弹性越大大的塔越好。。（3）注意①板型不同同，负荷性能能图中所包括括的极限线也也有所不同。。②同一板型型但设计不同同，线的相对对位置也会不不同。例如板板间距减小，则气速速较小时也会会产生液泛及及液沫夹带，，线1和线3将下移，而线线5将左移，塔的的正常操作范范围减小；若若降液管面积积减减小，线1和线3将上移，线5左移可能与线线1相交，而将液液泛线3划到正常操作作范围之外，，这表明该塔塔在发生液泛泛之前，液体体流量已经受受到降液管的的最大液相负负荷所限制。。3.1.7塔板型式塔板可分为有有降液管式塔塔板（也称溢溢流式塔板或或错流式塔板板）及无降液液管式塔板（（也称穿流式式塔板或逆流流式塔板）两两类，在工业业生产中，以以有降液管式式塔板应用最最为广泛，在在此只讨论有有降液管式塔塔板。1.泡罩塔板泡罩塔板是工工业上应用最最早的塔板，，其结构如图图所示，它主主要由升气管管及泡罩构成成。泡罩安装装在升气管的的顶部，分圆圆形和条形两两种，以前者者使用较广。。泡罩有f80、f30、f150mm三种尺寸，可可根据塔径的的大小选择。。泡罩的下部部周边开有很很多齿缝，齿齿缝一般为三三角形、矩形形或梯形。泡泡罩在塔板上上为正三角形形排列。3.1.7塔板型式3.1.7塔板型式操作时，液体体横向流过塔塔板，靠溢流流堰保持板上上有一定厚度度的液层，齿齿缝浸没于液液层之中而形形成液封。升升气管的顶部部应高于泡罩罩齿缝的上沿沿，以防止液液体从中漏下下。上升气体体通过齿缝进进入液层时，，被分散成许许多细小的气气泡或流股，，在板上形成成鼓泡层，为为气液两相的的传热和传质质提供大量的的界面。泡罩塔板的优优点是操作弹弹性较大，塔塔板不易堵塞塞；缺点是结结构复杂、造造价高，板上上液层厚，塔塔板压降大，，生产能力及及板效率较低低。泡罩塔板板已逐渐被筛筛板、浮阀塔塔板所取代，，在新建塔设设备中已很少少采用。3.1.7塔板型式2.筛孔塔板筛孔塔板简称称筛板，其结结构如图所示。塔板上开有有许多均匀的的小孔，孔径径一般为3～8mm。筛孔在塔板板上为正三角角形排列。塔塔板上设置溢溢流堰，使板板上能保持一一定厚度的液液层。操作时，气体体经筛孔分散散成小股气流流，鼓泡通过过液层，气液液间密切接触触而进行传热热和传质。在在正常的操作作条件下，通通过筛孔上升升的气流，应应能阻止液体体经筛孔向下下泄漏。3.1.7塔板型式3.1.7塔板型式筛板的优点是是结构简单、、造价低，板板上液面落差差小，气体压压降低，生产产能力大，传传质效率高。。其缺点是筛筛孔易堵塞，，不宜处理易易结焦、粘度度大的物料。。应予指出，筛筛板塔的设计计和操作精度度要求较高，，过去工业上上应用较为谨谨慎。近年来来，由于设计计和控制水平平的不断提高高，可使筛板板塔的操作非非常精确，故故应用日趋广广泛。3.1.7塔板型式3.浮阀塔板浮阀塔板具有有泡罩塔板和和筛孔塔板的的优点，应用用广泛。浮阀阀的类型很多多，国内常用用的有如图片片3-4所示的F1型、V-4型及T型等。浮阀塔板的结结构特点是在在塔板上开有有若干个阀孔孔，每个阀孔孔装有一个可可上下浮动的的阀片，阀片片本身连有几几个阀腿，插插入阀孔后将将阀腿底脚拨拨转90°，以限制阀片片升起的最大大高度，并防防止阀片被气气体吹走。阀阀片周边冲出出几个略向下下弯的定距片片，当气速很很低时，由于于定距片的作作用，阀片与与塔板呈点接接触而坐落在在阀孔上，在在一定程度上上可防止阀片片与板面的粘粘结。3.1.7塔板型式3.1.7塔板型式操作时，由阀阀孔上升的气气流经阀片与与塔板间隙沿沿水平方向进进入液层，增增加了气液接接触时间，浮浮阀开度随气气体负荷而变变，在低气量量时，开度较较小，气体仍仍能以足够的的气速通过缝缝隙，避免过过多的漏液；；在高气量时时，阀片自动动浮起，开度度增大，使气气速不致过大大。浮阀塔板的优优点是结构简简单、造价低低，生产能力力大，操作弹弹性大，塔板板效率较高。。其缺点是处处理易结焦、、高粘度的物物料时，阀片片易与塔板粘粘结；在操作作过程中有时时会发生阀片片脱落或卡死死等现象，使使塔板效率和和操作弹性下下降。3.1.7塔板型式4.喷射型塔板板上述几种塔塔板，气体体是以鼓泡泡或泡沫状状态和液体体接触，当当气体垂直直向上穿过过液层时，，使分散形形成的液滴滴或泡沫具具有一定向向上的初速速度。若气气速过高，，会造成较较为严重的的液沫夹带带，使塔板板效率下降降，因而生生产能力受受到一定的的限制。为为克服这一一缺点，近近年来开发发出喷射型型塔板，大大致有以下下几种类型型。（1）舌型塔板板舌型塔板的的结构如图所示，在塔板上上冲出许多多舌孔，方方向朝塔板板液体流出出口一侧张张开。舌片片与板面成成一定的角角度，有18°、20°、25°三种（一般般为20°），舌片尺尺寸有50×50mm和25×25mm两种。舌孔孔按正三角角形排列，，塔板的液液体流出口口一侧不设设溢流堰，，只保留降降液管，降降液管截面面积要比一一般塔板设设计得大些些。3.1.7塔板型式3.1.7塔板型式操作时，上上升的气流流沿舌片喷喷出，其喷喷出速度可可达20～30m/s。当液体流流过每排舌舌孔时，即即被喷出的的气流强烈烈扰动而形形成液沫，，被斜向喷喷射到液层层上方，喷喷射的液流流冲至降液液管上方的的塔壁后流流入降液管管中，流到到下一层塔塔板。舌型塔板的的优点是：：生产能力力大，塔板板压降低，，传质效率率较高；缺缺点是：操操作弹性较较小，气体体喷射作用用易使降液液管中的液液体夹带气气泡流到下下层塔板，，从而降低低塔板效率率。3.1.7塔板型式（2）浮舌塔板板如图所示，，与舌型塔塔板相比，，浮舌塔板板的结构特特点是其舌舌片可上下下浮动。因因此，浮舌舌塔板兼有有浮阀塔板板和固定舌舌型塔板的的特点，具具有处理能能力大、压压降低、操操作弹性大大等优点，，特别适宜宜于热敏性性物系的减减压分离过过程。3.1.7塔板型式3.1.7塔板型式（3）斜孔塔板板斜孔塔板的的结构如图图所示。在在板上开有有斜孔，孔孔口向上与与板面成一一定角度。。斜孔的开开口方向与与液流方向向垂直，同同一排孔的的孔口方向向一致，相相邻两排开开孔方向相相反，使相相邻两排孔孔的气体向向相反的方方向喷出。。这样，气气流不会对对喷，既可可得到水平平方向较大大的气速，，又阻止了了液沫夹带带，使板面面上液层低低而均匀，，气体和液液体不断分分散和聚集集，其表面面不断更新新，气液接接触良好，，传质效率率提高。斜孔塔板克克服了筛孔孔塔板、浮浮阀塔板和和舌型塔板板的某些缺缺点。斜孔孔塔板的生生产能力比比浮阀塔板板大30%左右，效率率与之相当当，且结构构简单，加加工制造方方便，是一一种性能优优良的塔板板。3.1.7塔板型式3.2填料塔3.2.1填料塔的结结构及其结结构特性3.2.2气液两相在在填料层内内的流动3.2.3填料塔的传传质3.2.4填料塔的附附属结构3.2.5填料塔与板板式塔的比比较3.2.1填料塔的结结构及其结结构特性1.填料塔的结结构如图所示为为填料塔的的结构示意意图，填料料塔是以塔塔内的填料料作为气液液两相间接接触构件的的传质设备备。填料塔塔的塔身是是一直立式式圆筒，底底部装有填填料支承板板，填料以以乱堆或整整砌的方式式放置在支支承板上。。填料的上上方安装填填料压板，，以防被上上升气流吹吹动。液体体从塔顶经经液体分布布器喷淋到到填料上，，并沿填料料表面流下下。3.2.1填料塔的结结构及其结结构特性气体从塔底底送入，经经气体分布布装置（小小直径塔一一般不设气气体分布装装置）分布布后，与液液体呈逆流流连续通过过填料层的的空隙，在在填料表面面上，气液液两相密切切接触进行行传质。填填料塔属于于连续接触触式气液传传质设备，，两相组成成沿塔高连连续变化，，在正常操操作状态下下，气相为为连续相，，液相为分分散相。当液体沿填填料层向下下流动时，，有逐渐向向塔壁集中中的趋势，，使得塔壁壁附近的液液流量逐渐渐增大，这这种现象称称为壁流。。壁流效应应造成气液液两相在填填料层中分分布不均，，从而使传传质效率下下降。因此此，当填料料层较高时时，需要进进行分段，，中间设置置再分布装装置。液体体再3.2.1填料塔的结结构及其结结构特性分布装置包包括液体收收集器和液液体再分布布器两部分分，上层填填料流下的的液体经液液体收集器器收集后，，送到液体体再分布器器，经重新新分布后喷喷淋到下层层填料上。。填料塔具有有生产能力力大，分离离效率高，，压降小，，持液量小小，操作弹弹性大等优优点。填料塔也有有一些不足足之处，如如填料造价价高；当液液体负荷较较小时不能能有效地润润湿填料表表面，使传传质效率降降低；不能能直接用于于有悬浮物物或容易聚聚合的物料料；对侧线线进料和出出料等复杂杂精馏不太太适合等。。3.2.1填料塔的结结构及其结结构特性2.填料特性的的评价（1）比表面积积塔内单位位体积填料料层具有的的填料表面面积，m2/m3。填料比表表面积的大大小是气液液传质比表表面积大小小的基础条条件。须说说明两点：：第一，操操作中有部部分填料表表面不被润润湿，以致致比表面积积中只有某某个分率的的面积才是是润湿面积积。据资料料介绍，填填料真正润润湿的表面面积只占全全部填料表表面积的（（20～50）%。第二，有有的部位填填料表面虽虽然润湿，，但液流不不畅，液体体有某种程程度的停滞滞现象。这这种停滞的的液体与气气体接触时时间长，气气液趋于平平衡态，在在塔内几乎乎不构成有有效传质区区。为此，，须把比表表面积与有有效的传质质比表面积积加以区分分。但比表表面积仍仍不失失为重要的的参量。3.2.1填料塔的结结构及其结结构特性（2）空隙率塔内单位体体积填料层层具有的空空隙体积，，m2/m3。为一一分数。值值大则气体体通过填料料层的阻力力小，故值值以以高为宜。。对于乱堆填填料，当塔塔径与填料料尺寸之比比大于8时，因每个个填料在塔塔内的方位位是随机的的，填料层层的均匀性性较好，这这时填料层层可视为各各向同性，，填料层的的空隙率就就是是填料层内内任一横截截面的空隙隙截面分率率。当气体以一一定流量过过填料层时时，按塔横横截面积计计的气速称称为““空塔气速速”（简称称空速），，而气体在在填料层孔孔隙内流动动的真正气气速为。。二者者关系为：：。。3.2.1填料塔的结结构及其结结构特性（3）塔内单位位体积具有有的填料个个数根据计计算出的塔塔径与填料料层高度，，再根据所所选填料的的n值，即可确确定塔内需需要的填料料数量。一一般要求塔塔径与填料料尺寸之比比（（此比值值在8～15之间为宜）），以便气气、液分布布均匀。若若，，在近近塔壁处填填料层空隙隙率比填料料层中心部部位的空隙隙率明显偏偏高，会影影响气液的的均匀分布布。若值值过大，，即填料尺尺寸偏小，，气流阻力力增大。3.2.2气液两相在在填料层内内的流动填料塔的流流体力学性性能主要包包括填料层层的持液量量、填料层层的压降、、液泛、填填料表面的的润湿及返返混等。1.填料层的持持液量填料层的持持液量是指指在一定操操作条件下下，在单位位体积填料料层内所积积存的液体体体积，以以(m3液体)/(m3填料)表示。持液液量可分为为静持液量量Hs、动持液量量Ho和总持液量量Ht。静持液量量是指当填填料被充分分润湿后，，停止气液液两相进料料，并经排排液至无滴滴液流出时时存留于填填料层中的的液体量，，其取决于于填料和流流体的特性性，与气液液负荷无关关。3.2.2气液两相在在填料层内内的流动动持液量是是指填料塔塔停止气液液两相进料料时流出的的液体量，，它与填料料、液体特特性及气液液负荷有关关。总持液液量是指在在一定操作作条件下存存留于填料料层中的液液体总量。。显然，总总持液量为为静持液量量和动持液液量之和，，即填料层的持持液量可由由实验测出出，也可由由经验公式式计算。一一般来说，，适当的持持液量对填填料塔操作作的稳定性性和传质是是有益的，，但持液量量过大，将将减少填料料层的空隙隙和气相流流通截面，，使压降增增大，处理理能力下降降。3.2.2气液两相在在填料层内内的流动2.填料层的压压降在逆流操作作的填料塔塔中，从塔塔顶喷淋下下来的液体体，依靠重重力在填料料表面成膜膜状向下流流动，上升升气体与下下降液膜的的摩擦阻力力形成了填填料层的压压降。填料料层压降与与液体喷淋淋量及气速速有关，在在一定的气气速下，液液体喷淋量量越大，压压降越大；；在一定的的液体喷淋淋量下，气气速越大，，压降也越越大。将不不同液体喷喷淋量下的的单位填料料层的压降降DP/Z与空塔气速速u的关系标绘绘在对数坐坐标纸上，，可得到如如图所示的的曲线簇。。3.2.2气液两相在在填料层内内的流动在图中，直直线0表示无液体体喷淋（L=0）时，干填填料△P/Z～u关系，称为为干填料压压降线。曲曲线1、2、3表示不同液液体喷淋量量下，填料料层的△P/Z～u关系，称为为填料操作作压降线。。从图中可看看出，在一一定的喷淋淋量下，压压降随空塔塔气速的变变化曲线大大致可分为为三段：当当气速低于于A点时，气体体流动对液液膜的曳力力很小，液液体流动不不受气流的的影响，填填料表面上上覆盖的液液膜厚度基基本不变，，因而填料料层的持液液量不变，，该区域称称为恒持液液量区。此此时△P/Z～u为一直线，，位于干填填料压降线线的左侧，，且基本上上与干填料料压降线平平行。当气气速超过A点时，气体体对液膜的的曳力较大大，对液膜膜流动产生生阻滞作用用，使液膜膜增厚，填填料层的持持液量随气气速的增加加而增大，，此现象称称为拦液。。开始发生生拦液现象象时的空塔塔气速称为为载点气速速，曲线上上的转折点点A，称为载点点。3.2.2气液两相在在填料层内内的流动若气速继续续增大，到到达图中B点时时，，由由于于液液体体不不能能顺顺利利向向下下流流动动，，使使填填料料层层的的持持液液量量不不断断增增大大，，填填料料层层内内几几乎乎充充满满液液体体。。气气速速增增加加很很小小便便会会引引起起压压降降的的剧剧增增，，此此现现象象称称为为液液泛泛，，开开始始发发生生液液泛泛现现象象时时的的气气速速称称为为泛泛点点气气速速，，以以uF表示示，，曲曲线线上上的的点点B，称称为为泛泛点点。。从从载载点点到到泛泛点点的的区区域域称称为为载载液液区区，，泛泛点点以以上上的的区区域域称称为为液液泛泛区区。。应予予指指出出，，在在同同样样的的气气液液负负荷荷下下，，不不同同填填料料的的△P/Z～u关系系曲曲线线有有所所差差异异，，但但其其基基本本形形状状相相近近。。对对于于某某些些填填料料，，载载点点与与泛泛点点并并不不明明显显，，故故上上述述三三个个区区域域间间无无截截然然的的界界限限。。3.2.2气液液两两相相在在填填料料层层内内的的流流动动3.液泛泛在泛泛点点气气速速下下，，持持液液量量的的增增多多使使液液相相由由分分散散相相变变为为连连续续相相，，而而气气相相则则由由连连续续相相变变为为分分散散相相，，此此时时气气体体呈呈气气泡泡形形式式通通过过液液层层，，气气流流出出现现脉脉动动，，液液体体被被大大量量带带出出塔塔顶顶，，塔塔的的操操作作极极不不稳稳定定，，甚甚至至会会被被破破坏坏，，此此种种情情况况称称为为淹淹塔塔或或液液泛泛。。影影响响液液泛泛的的因因素素很很多多，，如如填填料料的的特特性性、、流流体体的的物物性性及及操操作作的的液液气气比比等等。。填料料特特性性的的影影响响集集中中体体现现在在填填料料因因子子上上。。填填料料因因子子F值越越小小，，越越不不易易发发生生液液泛泛现现象象。。流体体物物性性的的影影响响体体现现在在气气体体密密度度rV、液液体体的的密密度度rL和粘粘度度mL上。。气气体体密密度度越越小小，，液液体体的的密密度度越越大大、、粘粘度度越越小小，，则则泛泛点点气气速速越越大大。。操作作的的液液气气比比愈愈大大，，则则在在一一定定气气速速下下液液体体喷喷淋淋量量愈愈大大，，填填料料层层的的持持液液量量增增加加而而空空隙隙率率减减小小，，故故泛泛点点气气速速愈愈小小。。3.2.2气液液两两相相在在填填料料层层内内的的流流动动4.液体体喷喷淋淋密密度度和和填填料料表表面面的的润润湿湿填料料塔塔中中气气液液两两相相间间的的传传质质主主要要是是在在填填料料表表面面流流动动的的液液膜膜上上进进行行的的。。要要形形成成液液膜膜，，填填料料表表面面必必须须被被液液体体充充分分润润湿湿，，而而填填料料表表面面的的润润湿湿状状况况取取决决于于塔塔内内的的液液体体喷喷淋淋密密度度及及填填料料材材质质的的表表面面润润湿湿性性能能。。液体体喷喷淋淋密密度度是是指指单单位位塔塔截截面面积积上上，，单单位位时时间间内内喷喷淋淋的的液液体体体体积积，，以以U表示示，，单单位位为为m3/（m2··h）。。为为保保证证填填料料层层的的充充分分润润湿湿，，必必须须保保证证液液体体喷喷淋淋密密度度大大于于某某一一极极限限值值，，该该极极限限值值称称为为最最小小喷喷淋淋密密度度，，以以Umin表示示。。3.2.2气液液两两相相在在填填料料层层内内的的流流动动最小小喷喷淋淋密密度度通通常常采采用用下下式式计计算算，，即即式中中Umin————最小小喷喷淋淋密密度度，，m3/（m2··h）；；(LW)min————最小小润润湿湿速速率率，，m3/（m··h）；；a———填料料的的比比表表面面积积，，m2/m3。3.2.2气液液两两相相在在填填料料层层内内的的流流动动最小小润润湿湿速速率率是是指指在在塔塔的的截截面面上上，，单单位位长长度度的的填填料料周周边边的的最最小小液液体体体体积积流流量量。。其其值值可可由由经经验验公公式式计计算算，，也也可可采采用用经经验验值值。。对对于于直直径径不不超超过过75mm的散散装装填填料料，，可可取取最最小小润润湿湿速速率率(LW)min为0.08m3/（m··h）；；对对于于直直径径大大于于75mm的散散装装填填料料，，取取(LW)min=0.12m3/（m··h）。。填料料表表面面润润湿湿性性能能与与填填料料的的材材质质有有关关，，就就常常用用的的陶陶瓷瓷、、金金属属、、塑塑料料三三种种材材质质而而言言，，以以陶陶瓷瓷填填料料的的润润湿湿性性能能最最好好，，塑塑料料填填料料的的润润湿湿性性能能最最差差。。实际操操作时时采用用的液液体喷喷淋密密度应应大于于最小小喷淋淋密度度。若若喷淋淋密度度过小小，可可采用用增大大回流流比或或采用用液体体再循循环的的方法法加大大液体体流量量，以以保证证填料料表面面的充充分润润湿；；也可可采用用减小小塔径径予以以补偿偿；对对于金金属、、塑料料材质质的填填料，，可采采用表表面处处理方方法，，改善善其表表面的的润湿湿性能能。3.2.2气液两两相在在填料料层内内的流流动5．返混混在填料料塔内内，气气液两两相的的逆流流并不不呈理理想的的活塞塞流状状态，，而是是存在在着不不同程程度的的返混混。造造成返返混现现象的的原因因很多多，如如：填填料层层内的的气液液分布布不均均；气气体和和液体体在填填料层层内的的沟流流；液液体喷喷淋密密度过过大时时所造造成的的气体体局部部向下下运动动；塔塔内气气液的的湍流流脉动动使气气液微微团停停留时时间不不一致致等。。填料料塔内内流体体的返返混使使得传传质平平均推推动力力变小小，传传质效效率降降低。。因此此，按按理想想的活活塞流流设计计的填填料层层高度度，因因返混混的影影响需需适当当加高高，以以保证证预期期的分分离效效果。。3.2.3填料塔塔的传传质干填料料比表表面积积为，，实实际操操作中中润湿湿的填填料比比表面面积为为，，由于于只有有在润润湿的的填料料表面面才可可能发发生气气、液液传质质，故故值具有有实际际意义义。下下面介介绍计计算的的恩田田（Onda）公式式，该该公式式为：：式中——液体表表面张张力，，N/m；——填料上上液体体铺展展开的的最大大表面面张力力，N/m。要求求<，的的值值见表表7-3。——液体空空塔质质量通通率，，kg/(s·m2)；，——液体的的粘度度，N·s/m2和密度度，kg/m3。3.2.3填料塔塔的传传质表中不不同填填料材材质的的σC值材质σC/（mN/m）材质σC/（mN/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40

3.2.3填料塔塔的传传质2.传质系系数恩田（（Onda）等关关联了了大量量液相相和气气相传传质数数据，，分别别提出出液、、气两两相传传质系系数的的经验验关联联式如如下：：（1）液相相传质质系数数式中——液相传传质系系数，，kmol/（m2skmol/m3）；——溶液在在液相相中的的扩散散系数数，m2/s；——填料的的名义义尺寸寸，m。3.2.3填料塔塔的传传质（2）气相相传质质系数数式中——系数，，大于于15mm的环形形和鞍鞍形填填料为为5.23，小于于15mm的填料料为2.0；——气相传传质系系数，，kmol/（m2skPa）；——气体常常数，，8.314KJ/（kmolK）；——气体温温度，，K；——溶质在在气体体中的的扩散散系数数，m2/s；——气体粘粘度，，；——气体密密度，，kg/m3；——气相的的质量量流速速，kg/（m2s）；3.2.3填料塔塔的传传质恩田提提出的的关联联式（（3-45）和式式（3-46）是以以式（（3-44）计算算的润润湿表表面积积为基基准整整理的的。因因此，，将算算出的的、、乘乘以以式（（3-44）算出出的即即得得体积积传质质系数数和和，，从而而可进进一步步计算算传质质单元元高度度或填填料塔塔高度度。填料塔塔的传传质速速率也也可以以直接接用体体积传传质总总系数数、传传质单单元高高度和和等板板高度度表示示。关关于这这些表表示方方法的的经验验关联联式很很多，，此处处不再再举例例。3.2.4填料塔塔的附附属结结构支承板板：支支承板板的主主要用用途是是支承承板内内的填填料，，同时时又能能保证证气液液两相相顺利利通过过。支支承板板若设设计不不当，，填料料塔的的液泛泛可能能首先先在支支承板板上发发生。。对于于普通通填料料，支支承板板的自自由截截面积积应不不低于于全塔塔面积积的50%，并且且要大大于填填料层层的自自由截截面积积，常常用的的支承承板有有栅板板和各各种具具有升升气管管结构构的支支承板板（图图3-56）。液体分分布器器液液体体分布布器对对填料料塔的的性能能影响响极大大。分分布器器设计计不当当，液液体预预分布布不均均，填填料层层内的的有效效润湿湿面积积减少少而偏偏流现现象和和沟流流现象象增加加，即即使填填料性性能再再好也也很难难得到到满意意的分分离效效果。。3.2.4填料塔塔的附附属结结构据3.2.1所述，，填料料塔内内产生生向壁壁偏流流是因因为液液体触触及塔塔壁之之后，，其流流动不不再具具有随随机性性而沿沿壁流流下。。既然然如此此，直直径越越大的的填料料塔，，塔壁壁所占占的比比例越越小，，向壁壁偏流流现象象应该