蒸馏及吸收-塔设备

蒸馏及吸收—塔设备第1页/共67页2第一节板式塔

一、基本结构（以筛板塔为例）

板式塔称为逐级接触式的气液传质设备。在一个圆筒形的壳体内装有若干块按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，液体靠重力作用由上层塔板经降液管流至下层塔板，最后由塔底流出；气体靠压强差推动，逐板由下向上穿过筛孔及板上液层而流向塔顶。气体通过每层板上液层时，形成气泡与液沫，泡沫可为两相接触提供足够大的相际接触面，有利于相间传质，气液组成沿塔高逐渐增大。请看演示1请看演示2第2页/共67页31.泡罩塔

每层塔板上开有若干个孔，升气管上覆以泡罩，上升气体通过泡罩进入液层时，被分散成许多细小的气泡，为气液两相提供了大量的传质界面。

优点：泡罩塔操作稳定，操作弹性大。

缺点：结构比较复杂，造价高，阻力也大，气液通过量较低，板效率较低。现已逐渐被其他塔型所替代。请看图片请看演示第3页/共67页42.筛板塔

塔板上开有许多均布的筛孔，孔径一般为3～8mm。操作时，上升气流通过筛孔分散成细小的流股，在板上液层中鼓泡而出，气液间密切接触而进行传质。在通常的操作气速下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。

优点:结构简单，造价低廉，气体压降小，板上液层落差也较小，筛孔板很快被普遍应用,生产能力及效率均较泡罩塔高。

缺点:是操作弹性小，筛孔小时容易堵塞，但已有大孔应用。请看图片第4页/共67页53.浮阀塔

塔板上开有若干大孔（标准孔径为39mm），每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片，阀片本身有三条“腿”，插入阀孔后将各股底脚板转90°，用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度,阀片周边又冲出三块略向下弯的定距片，当气速很低时，靠这个定距片使阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上。

优点：生产能力提高，操作弹性大，气液流动阻力比泡罩塔小，但比筛孔板大。塔板效率较高。

缺点：浮阀装卸清洗较困难，造价高。浮阀塔在工业上应用十分普遍。第5页/共67页6第6页/共67页7浮阀在塔板上的布置情况如下图所示第7页/共67页8

上述泡罩、筛板及浮阀塔板都属于气相为分散相的板型，即气体在鼓泡或泡沫状态下进行气液接触。但为防止严重的雾沫夹带，生产能力受到限制。而近年来发展起来的喷射型塔板克服了这个弱点。喷射型塔板上，气体喷出的方向与液体流动的方向一致，充分利用气体的动能来促进两相的接触。因气体不再通过较深的液层而鼓泡，所以塔板压降降低，雾沫夹带量减小，不仅提高了传质效果，而且提高了生产能力。

1.舌形塔板舌形塔板是喷射型塔板的一种，其结构如下图所示。塔板上冲出许多舌形孔，舌片与板成一定角度，向塔板的溢流出口侧张开，舌孔按正三角形排列。第8页/共67页9

塔板的液流出口处不设溢流堰，只保留降液管，上升气流穿过舌孔后，以较高的速度（20～30m／s）沿舌片的张角向斜上方喷出。液体流过每排舌孔时，即为喷出的气流强烈扰动而形成泡沫体，喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中。

优点：舌形塔板生产能力大,具有较高的塔板效率．塔板压强降小．

缺点：操作弹性小，被气体喷射的液流在通过降液管时，会夹带气泡到下塔板，气相夹带现象严重。第9页/共67页10

2．浮动喷射塔板

浮动喷射塔板是兼有浮阀塔板的可变气道截面及舌形塔板的并流喷射特点的新型塔板，这种塔板由一系列平行的浮动板组成，同样，上升气流则沿塔板间的缝隙喷出，喷出方向与液流方向一致。

优点：可保持很高气流喷射速度，操作弹性大，压强降小，液面落差小。

缺点：有漏液及吹干现象，影响传质效果，使板效率降低，塔板结构较复杂。第10页/共67页113．浮舌塔板

浮舌塔板是综合浮阀和固定舌形塔板的优点而提出的又一种新型塔板。仅将固定舌形板的舌片改成浮动舌片。

特点：操作弹性大，负荷变动范围甚至可超过浮阀塔；压强降小，特别适宜于减压蒸馏；结构简单，制造方便；效率也较高，介于浮动塔板与固定舌形塔板之间。请看演示第11页/共67页12

层出不穷的新型塔板结构各具特点，应根据不同的工艺及生产需要来选择塔型。不是任何情况下都追求高的塔板效率，一般来说，对难分离物系的高纯度分离希望得到高的板效率，而处理量大又易分离的物系，往往追求高的生产能力，若真空精馏则需要较低的压强降。总结：塔板评价指标（1）生产能力大（即气液相负荷高）；（2）塔板效率要高（往往与生产能力冲突）；（3）操作弹性大（最大负荷/最小负荷=大）；（4）压降低（尤其是对于真空精馏）；（5）价格低廉，易于制造。第12页/共67页13

二、气液流道基本形式

下面介绍塔板上几种主要构造：

1.塔板上的气体通道塔板上均匀地开有一定数量的供气体自下而上流动的通道，例如图所示的浮阀，上升的气体经浮阀孔上升并分散后穿过板上的液层，造成两相间的密切接触，从而进行传质和传热。

2.溢流堰为保证气液两相在板上有足够的接触时间，塔板上必须存有一定的液体。为此，在塔板的出口端设有溢流堰，使塔板上保持一定的液层高度（或称持液量）。常见的溢流堰上缘是平直的。第13页/共67页14

3.降液管每块塔板上通常设有一个液体流动通道——降液管。板式塔在正常工作时，液体从上层塔板的降液管流下，横向流过开有筛孔或浮阀的塔板，翻越溢流堰，进入该层塔板的降液管，流向下层塔板。降液管一般为弓形，偶尔也有圆形。降液管下端必须保证液封，使液体能从降液管底部流出而气体不能窜入降液管。为此，降液管下缘的缝隙高度h0＜溢流堰高hW。第14页/共67页15三、板式塔的流体力学特性

塔的操作能否正常进行，与塔内气液两相的流体力学状况有关。板式塔的流体力学性能包括：塔板压降、液泛、雾沫夹带、漏液及液面落差等。

（一）塔板上的气液流动状态

1．气液接触状态

（1）鼓泡接触状态当操作气速很低时，气流断裂成少数气泡在板上液层中上升，板上存在有大量清液层，相际接触面积为气泡表面。由于气泡数量较少，气泡表面的湍动程度也较低，所以鼓泡接触状态的传质阻力较大,效率较低。此时，气相为分散相而液相为连续相。第15页/共67页16（2）泡沫接触状态

随着气速增大，气泡数量急剧增加，此时，塔板上液体大部分是以液膜形式存在于气泡之间，两相传质表面是面积很大的液膜，它高度湍动且不断合并与破裂，为两相传质创造良好的流体力学条件，因此传质阻力变小，传质效率有所提高。此时，气相仍为分散相而液相仍为连续相。（3）喷射接触状态随着气速继续增大，气体射流穿过液层，将板上的液体破碎成大小不等的液滴而被反复抛起，两相传质表面是众多液滴的外表面。传质阻力很小，传质效率有所提高但容易造成过量的雾沫夹带。此时，液体为分散相而气体为连续相，这是喷射接触状态与泡沫接触状态的根本区别。由泡沫状态转为喷射状态的临界点称为转相点。第16页/共67页17

工业上的操作多以控制在泡沫状态或喷射接触状态，其特征分别是有不断更新的液膜表面和液滴表面。

2.不均匀流动：包括气体和液体两相的不均匀流动。对于很大的塔盘来说：①液膜流过塔盘时很可能造成不均匀流动；②因盘上液位落差导致气相流动不均匀（可采用出口安定区不开孔方法）。以上两种情况均可能导致气液接触不充分。第17页/共67页18（二）、塔板压降

上升的气流通过塔板时需要克服以下几种阻力：塔板本身的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力）、板上充气液层的静压强和液体的表面张力。气体通过塔板时克服这三部分阻力就形成了该板的总压强降。

ΔP=ΔP干板+ΔP液层静压+ΔP液层表面张力

（三）、液泛若气液两相中之一的流量增大，使降液管内液体不能顺利下流，管内液体必然积累，当管内液体增高到越过溢流堰顶部，于是两板间液体相连，该层塔板产生积液，并依次上升，这种现象称为液泛，亦称淹塔，常见的包括降液管液泛和夹带液泛。此时，塔板压降急剧上升，全塔操作被完全破坏，所以操作时应避免液泛现象的发生。

第18页/共67页19（四）、漏液

对板面上方有通气孔的塔板，如筛孔、浮阀等，当上升气速较低时，液体易经孔道流而造成漏液现象，必然影响气液在塔板上的充分接触，使塔板效率下降，严重的漏液会使塔板不能积液而无法操作。为保证塔的正常操作，漏液量应不大于液体流量的10%。（五）液面落差当液体横向流过板面时，为克服板面的摩擦阻力和板上部件（如泡罩、浮阀）的局部阻力；或当塔径或液体流量很大时。则在板面上容易形成液面落差。液层厚度的不均匀性将引起气流的不均匀分布，从而造成漏液，使塔板效率严重降低。对于大塔径的情况可采用双溢流、阶梯流等溢流型式来减少液面落差。第19页/共67页20

（六）适宜的气液流量操作范围——塔板负荷性能图1.雾沫夹带线当气相负荷超过此线时，雾沫夹带量将过大，使板效率严重下降，塔板适宜操作区应在雾沫夹带线以下。

2.液泛线塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将会发生液泛现象，使塔不能正常操作。

3.液相负荷上限线该线又称降液管超负荷线，液体流量超过此线，表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管中的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率．

4.漏液线该线即为气相负荷下限线，气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气液不能充分接触，使板效率下降。

5.液相负荷下限线液相负荷低于此线使塔板上液流不能均匀分布，导致板效率下降。

第20页/共67页21

由以上五条线围起的区域是塔的正常操作区，塔板上气液的正常流动如下图所示。第21页/共67页22四、塔板效率

塔板效率反映了实际塔板上气液两相间传质的完善程度。板式塔的效率有几种不同的表示法，如总板效率、单板效率及点效率等。（一）效率表示法

1.全塔效率（又称总板效率）ET

总板效率又称全塔效率，是指达到指定分离效果所需理论板数与实际板数的比值，即

ET=NT/NP

式中NT——塔内所需理论板数，

NP——塔内实际板数。该式将影响传质过程的动力学因素全部归结到总板效率内。板式塔内各层塔板的传质效率并不相同，总板效率简单地反映了整个塔内的平均传质效果。第22页/共67页23

2.单板效率（默弗里板效率）

单板效率又称为默弗里（MurPhree）板效率，是指气相或液相经过一层塔板前后的实际组成变化与经过该层塔板前后的理论组成变化的比值。第n层塔板的效率有如下两种表达方式：（1）按气相组成变化表示的单板效率为：

EMV=（yn-yn+1）/（yn*-yn+1

）

（2）按液相组成变化表示的单板效率为：

EML=（xn-1-xn）/（xn-1-xn*）

式中yn*___与xn成平衡的气相组成，

xn*___与yn成平衡的液相组成。一般说来，同一层塔板的Emv与Eml数值并不相同．

3.点效率指塔板上各点的局部效率，点效率中的y为离开塔板某点的气相组成，y*为与塔板上某点液体组成x相平衡的气相组成；而单板效率中的y是离开塔板气相的平均组成，y*为与离开塔板液体平均组成相平衡的气相组成。只有当板上液体完全混合时，点效率与板效率才具有相同的数值。

第23页/共67页24

（二）、板效率的经验关联式

目前，被认为较能反映实际情况的是美国化工学会提出的一套预测板效率的计算方法,（简称A．I．Ch．E法）。该方法不仅考虑了较多的影响因素，而且能反映塔径放大对效率的影响，对于过程开发很有意义。但是，这套计算方法程序颇为繁复，此处不作具体介绍。另一类是简化的经验计算法,该法归纳了试验数据及工业数据，得出总板效率与少数主要影响因素的关系。其中，奥康奈尔方法目前被认为是较好的简易方法。

第24页/共67页25第25页/共67页26第26页/共67页27第27页/共67页28第28页/共67页29第29页/共67页30第30页/共67页31第二节填料塔

填料塔为连续接触式的气液传质设备。如图所示，在圆筒形塔体内部，分段装有若干段填料。填料堆积于支撑装置上，液体由塔顶入口管进入分布器，均匀喷淋在填料表面上并在重力作用下向下流动，气体在压强差的推动下，由支承板下方气体入口管进入塔内，通过填料间的空隙由塔的顶部排出。填料塔内气液两相呈逆流流动，气体和液体在填料表面上进行传质和传热，两相的组成沿塔高连续变化。请看演示第31页/共67页32

填料塔不仅结构简单，而且阻力小，便于用耐腐蚀材料制造。适用范围：

1）直径较小的塔；

2）处理有腐蚀性物料；

3）处理热敏性物料的真空蒸馏。同样,填料塔也会发生液泛现象,如图所示,应绝对避免.第32页/共67页33一、填料

常用填料大致分为两大类：

（一）个体填料：

例如：拉西环、鲍尔环、阶梯环、鞍形环等。

1.拉西环拉西环是使用最早的一种填料，为外径与高度相等的圆环，如图所示。一般直径在75mm以下的拉西环采用乱堆方式；直径大于100mm的拉西环多采用整砌方式，以降低流体阻力。拉西环可用陶瓷、金属、塑料及石墨等材质制造。第33页/共67页34

拉西环形状简单，制造容易，对其流体力学和传质特性的研究较为充分，广泛应用于工业应用中。但拉西环存在着严重的沟流及壁流现象，塔径愈大，填料层愈高，则壁流现象愈严重，致使传质效率显著下降。

2．鲍尔环鲍尔环的构造是在拉西环的侧壁上开出一排或两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧则向环内弯曲，且诸叶片的侧边在环中心已相搭，如图所示。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高气液接触面积，且使气体流动阻力降低，液体分布也较均匀。因此，鲍尔环比拉西环的传质效率高，操作弹性大,而气体压降明显降低，但价格较高。目前，鲍尔环以其优良的性能为工业上广泛采用。请看演示第34页/共67页353.阶梯环

阶梯环是在鲍尔环基础上加以改进而发展起来的一种新型填料，如图所示。阶梯环与鲍尔环相似之处是环壁上也开有窗孔，但阶梯环的高度仅为直径的一半、环的一端制成喇叭口。阶梯环填料以其气体通量大、流动阻力小、传质效率高等优点成为目前使用的环形填料中性能最为良好的一种。第35页/共67页364.鞍形填料

包括弧鞍与矩鞍填料，均属敞开型填料，如图所示。敞开形填料的特点是表面全部散开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，气体流动阻力小，制造也方便。第36页/共67页37

5.金属Intalox环

这类填料综合了鲍尔环、鞍形填料及阶梯环三者的优点与一身，具有低压降、高通量、液体分布性能好、传质效率高及操作弹性大等优点，且因为它采用极薄的金属板轧制，仍能保持住良好的机械强度。金属Intalox环在现代工业散装填料中占有明显的优势，如图所示。第37页/共67页38（二）规整填料

例如：栅板、θ网环、波纹填料等

波纹填料是一种整砌结构的新型高效填料，如图所示。由于结构紧凑，具有很大的比表面积，且因气体和液体均不断重新分布，故传质效率高，又因填料的规整排列，使流动阻力减小。波纹填料的缺点是不适于处理粘度大，易聚合或有沉淀物的物料。此外，填料的装卸、清理也较困难，造价高。

第38页/共67页39

波纹填料有实体与网体两种。实体称波纹板，可由陶瓷、塑料、金属材料制造，根据工艺要求及物料的腐蚀性来选择适当的材料；波纹丝网填料的波纹片是由金属丝网制成的，故属于网体填料。近年来，又出现了金属孔板波纹填料和金属压延孔板波纹填料。

（三）填料的选材

常见的有：陶瓷（例淄博陶瓷厂）、金属、塑料、玻璃、石墨等。无论是个体填料还是规整填料均可用以上材料制造。

(四）填料的装填方式

分为乱堆和整砌两种。

请看演示1请看演示2第39页/共67页40二、填料特性

表示填料性能的参数有以下几项：

1．比表面积σ(m2/m3)

指单位体积填料层提供的填料表面积，即

σ=填料层表面积（m2）/填料层体积（m3）。

填料的比表面积愈大，所能提供的气液传质面积愈大；而对于同一种类的填料，尺寸愈小，则比表面积愈大，即越有利于传质分离。

第40页/共67页41

2．空隙率ε

单位体积填料层的空隙体积称为空隙率，即

ε=填料层空隙体积（m3）/填料层体积（m3）

填料的空隙率大，气液通过能力大且气体流动阻力小。

3．填料因子φ

填料因子表示填料的流体力学性能，

φ=σ／ε3

可分两种：

(1）干填料因子：指无液体喷淋时φ的大小。

(2)湿填料因子：当填料被喷淋的液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，σ与ε均发生相应的变化，此时φ称为湿填料因子，代表实际操作时填料的流体力学特性，故进行填料塔计算时，应采用液体喷淋条件下实测的湿填料因子。

φ值小，表明流动阻力小，液泛速度可以提高。第41页/共67页42三、填料塔的水力学性能与传质性能（一）填料塔的流动性能参数

1．空塔气速u(m/s)u=气体体积流量（m3/s）/塔截面积（m2）

2．气体在填料空隙间的实际线速度u0(m/s)

气体体积流量（m3/s）/塔截面积（m2）

u0=u/ε=填料层空隙体积（m3）/填料层体积（m3）

=实际线气速

第42页/共67页433．空塔气速——淋洒密度——压力降关系（即u~LW~-Δp）

(1)压力降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层的阻力大小直接决定了塔的动力消耗。

(2)持液量是指操作时单位体积填料层中持有的液体体积，即液体体积（m3）/填料层体积（m3）。

1）当L=0时，即无液体喷淋（又称干填料线）时，Δp/z与u成直线关系。

2）当有液体喷淋时，曲线都有两个转折点：第一个折点——载点；第二个折点——泛点。

载点和泛点将Δp/z与u关系曲线分成三段，即恒持液量区，载液区和液泛区。

第43页/共67页44①恒持液量区有液体喷淋且气速较低时，气体的真实速度比空塔气速提高，压强降也较大，此区域的Δp/z—u线在干填料线的左侧，且二线相互平行。②载液区

随着气速的增大，上升气流与下降液体间的摩擦力开始阻碍液体下流，使填料层的持液量随气速的增加而增加，此种现象称为拦液现象，开始发生拦液现象时的空塔气速称为载点。③液泛区

如果气速继续增大，由于液体不能顺利下流，而使填料层内持液量不断增多，以致几乎充满了填料层中的空隙，此时压强降急剧升高，Δp/z—u线的斜率可达10以上。压强降曲线近于垂直上升的转折点称为泛点，达到泛点时的空塔气速称为液泛气速或泛点气速。第44页/共67页45（二）填料塔的水力学性能

填料层的压力降、液泛气速、持液量等水力学性能，是填料塔设计与操作中的重要参数,下面分别介绍：

1．压力降-Δp

-Δp=f（填料种类、尺寸、流体特性、u、LW），计算方法：

1）现场测定；

2）查专门曲线（例各种具体类型填料的经验值曲线）；

3）通过关联图估计（例Eckert通用关联图）。目前工程设计中广泛采用Eckert通用关联图来计算。第45页/共67页46

2．液泛气速uF

可由Eckert关联图上的泛点线确定泛点气速。

(1)图中最上方的三条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线，与泛点线相对应的纵座标中的空塔气速应为空塔泛点气速Umax。

(2)图中左下方线为乱堆填料层的等压强降线，在设计中可根据规定的压强降，求其相应的空塔气速，反之，根据选定的空塔气速求压强降。埃克特通用关联图适用于各种乱堆填料，如拉西环、鲍尔环、弧鞍、矩鞍等，但需确知填料的φ值。第46页/共67页473．持液量

持液量=f（填料种类、尺寸、流体特性、u、LW）

(1)总持液量=填料层内液体量/填料层体积

停止喷淋后经一规定时间后滞留于填料层中液体

(2)静持液量=填料层体积

(3)动持液量=总持液量—静持液量

4．润湿性能填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的，因此，传质效率就与填料的润湿性能密切相关。为使填料能获得良好的润湿，应使塔内液体的喷淋量不低于最小喷淋密度。第47页/共67页48

最小喷淋密度与最小润湿速率之间可取如下关系：

Umin＝（L）min×σ

式中：（L）min----最小润湿速率.

对于直径不超过75mm的拉西环及其它填料，可取最小润湿速率为0．08m3／（m·h）；对于直径大于75mm的环形填料，应取为0．012m3／（m·h）。实际操作时若喷淋密度过小，可采用增大回流比或采用液体再循环的方法加大液体流量，以保证填料的润湿性能；也可采用减小塔径，或适当增加填料层高度予以补偿。第48页/共67页49四、填料塔的工艺计算1．塔径D与填料尺寸：

一般取塔径/填料外径≥8，因若该比值过小时，即填料的尺寸过大，则壁流效应十分明显，使液体分布不均匀。塔径D的计算公式如下：

D=[（4×Vs）/（π×u）]1/2

式中：u指填料塔的适宜空塔气速，空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。对易起泡沫的物系，泛点率应取50％或更低；对加压操作的塔，减小塔径有更多好处，故应取较高的泛点率。

第49页/共67页50

大多数情况下的泛点率宜取为60～80％，一般填料塔的操作气速大致为0.2～1.0m／s。根据上述方法算出的塔径，也应按压力容器公称直径标准进行圆整，如圆整为400、500、600…1000、1200、1400mm等。确定塔径后，还应检验塔内的喷淋密度是否大于最小喷淋密度。

2．填料层高度z

填料塔有效高度主要指填料层的高度，计算填料层高度常采用以下两种方法：

(1)传质单元数法：即填料层高=传质单元高度×传质单元数

此法在吸收计算中已有详细介绍。第50页/共67页51(2)等板高度法（H.E.T.P法）等板高度是指与一层理论板传质作用相当的填料层高度，也称理论板当量高度。显然，等板高度愈小，说明填料层的传质效率越高。不同类型填料的等板高度值不同，普通实体填料的等板高度大都在400mm以上，例如25mm的拉西环HETP为0.5m，25mm的鲍尔环HETP为0．4～0.45m；网体填料具有很大的比表面积和空隙率，为高效填料，其等板高度在100mm以下，如CY型波纹丝网。等板高度=f（填料的类型与尺寸，系统物性，操作条件及设备尺寸），等板高度的计算一般采用经验数据或经验公式，常见的如默奇（Murch）法。第51页/共67页52

五、填料塔附件

填料塔的附件主要有填料支承装置、气液体分布装置、液体再分布装置和除沫装置等。合理选择和设计填料塔的附件，对于保证塔的正常操作及良好性能十分重要。

1．填料支承装置支承装置是用来支承塔内填料及其所持有的液体重量，并使气液顺利通过的附件，故要有足够的机械强度和自由截面积。常见的支承装置有以下两种。第52页/共67页53（1）栅板式支承装置它由竖立的扁钢条组成，为防止填料从栅板条间空隙漏下，在装填料时，先在栅板上铺上一层孔眼小于填料直径的粗金属丝网，或整砌一层大直径的带隔板的环形填料。（2）升气管式支承装置