影响塔板传质效率的因素分析

影响塔板传质效率的因素分析

塔设备是化工和油料生产的主要设备之一。它的主要功能是使气(或汽)液或液液两相之间通过接触达到相际传质及传热的目的。塔设备按塔内件是填料还是塔板分为填料塔和板式塔,其中板式塔研究起步较早。从1813年Cellier首次提出泡罩塔到现在近200年的不断研究和发展,出现了许多种塔板。判别一种塔板的性能主要从塔板效率、处理能力、操作弹性、压降及抗堵性、机械强度、造价等几方面来考虑。一般塔板效率是最重要的,而影响塔板效率的因素很多,对塔板效率也有很多种关联方法。这里,我们采用美国化工学会(AIChE)提出的塔板效率的计算方法。AIChE法计算程序如下:(1)板上液相传质单元数nl板上气相传质单元数NGΝG=[0.076+0.456hW-0.24F+105(LS/B)+2.4Δ]Sc-0.5(1)NG=[0.076+0.456hW−0.24F+105(LS/B)+2.4Δ]Sc−0.5(1)板上液相传质单元数NL对于筛板塔ΝL=197D0.5L(0.394F+0.17)tL(2)NL=197D0.5L(0.394F+0.17)tL(2)点效率EOV的计算1-ln(1-EΟV)=1ΝΟG=1ΝG+1AΝL(3)1−ln(1−EOV)=1NOG=1NG+1ANL(3)(2)微生物指标emv液相完全返混时EΜV=EΟV=1-e-ΝΟG(4)EMV=EOV=1−e−NOG(4)液相完全不返混时EΜV=A(eEΟV/A-1)(5)EMV=A(eEOV/A−1)(5)液相部分返混时EΜVEΟV=1-e-(η+Ρe)η+Ρe(1+η+Ρeη)+eη-1η(1+ηη+Ρe)(6)其中η=Ρe2[(1+4EΟVAΡe)0.5-1](7)EMVEOV=1−e−(η+Pe)η+Pe(1+η+Peη)+eη−1η(1+ηη+Pe)(6)其中η=Pe2[(1+4EOVAPe)0.5−1](7)(3)根据雾泡沫传统的效率计算Ea=EΜV1+(e′/LΜ)EΜV(8)(4)不同塔板参数下et的变化EΤ=ln[1+Ea(1/A-1)ln(1/A)(9)因而,就塔板的结构而言,主要从hW、tL、Pe、e′四个方面影响塔板效率。由式(1)—(9)可以推出,ET随着hW、tL、DL、Pe的值增加而增大,随着e′的值增加而减小,即增大堰高和液体在塔板上的停留时间,改善两相接触状态,减小液体的返混和雾沫夹带有利于提高全塔效率。可以根据以上的分析来评价现有的各种塔板。板式塔按(在一块塔板上)气液流向的不同分为气液呈错流的塔板、气液呈逆流的塔板及气液呈并流的塔板。1气液为偏流的塔板主要包括泡罩型、筛孔型、浮阀型和喷射型。1.1漏液性能分析它在板式塔发展史上起了重要作用,泡罩塔技术成熟,操作稳定,抗漏液性能好,操作弹性较大;塔板上液层较高,两相接触时间长,因而塔板效率较高。但由于塔板压降较高、雾沫夹带大、塔板上的液面落差较大以及泡罩的生产制造复杂、造价较高等原因,目前使用较少。1.2带着斜台状鼓泡装置筛板塔技术成熟,造价低,应用较广泛。其改进型如下:其特点是:①在液体进入区,将塔板制成凸起的斜台状鼓泡装置,以促进气液充分接触;②塔板上装有百叶窗式的导向孔,导向孔的方向与液流方向一致。上述两个改进很好地解决了塔板液层落差较大的问题,减少了雾沫夹带和塔板压降。(2)塔板上分层塔板其设计是将气相分成多股,一部分气流从正常筛孔进入上一层塔板,而另一部分从特殊设计的通道进入上一层塔板。其中气相通道为扁平式扩散型,且与液体流动方向平行安装,起到了导流板减小返混的作用。这种设计提高了气体处理能力,而塔板压降不增加,同时雾沫夹带也减少了,但效率有所降低。1.3几种浮阀的结构特点它是在塔盘上开阀孔,安置能上下浮动的阀片。由于浮阀与塔板之间流通面积能随气体负荷变动自动调节,因而在较宽的气体负荷也能保持稳定操作;同时气体以水平方向吹出,气液接触时间较长,雾沫夹带少,液面落差小;不怕脏粘物料,使用周期长;结构简单、造价低。但是塔板上液层梯度大,液体返混较大,浮阀易磨损和脱落。它的结构特点:在固定阀下设置一可上下活动的阀片,通过阀片的上升和下降来达到对流通面积的调节。由于其特殊的结构设计,阀片不会被卡住或脱落,使用可靠;同时固定阀保证气体水平吹入液体,强化了气液接触时的湍动作用;其操作弹性高达10∶2—12∶1,但雾沫夹带较大。特点是:①易在塔板上排列,气体从阀体两侧水平吹出,以避免气流的逆向返冲现象;②不会发生旋转而磨损和脱落。这几种浮阀的特点是通过不同的设计增加开孔率,并利用气体动能来推动塔板上的液面,以减小塔板上的液体落差。特点是降液管悬空,并将降液管下的塔板抬起,其上也设置浮阀,一方面扩大了塔板的开孔面积;一方面防止液体在降液管下滞留,形成“死区”。1.4气液下流塔板和开孔率它充分利用蒸汽动能推动板上的液体流动,增大液体的处理量;开孔率较鼓泡塔板大;同时气液同向运动,减少了液体返混。但是塔板上液体高速流过塔板,气液接触时间短;液体被气体不断加速,分散的液体不易再聚合,致使雾沫夹带较大。(1)口方向反压法其特点是塔板上筛孔为斜孔,且相邻两排斜孔的开口方向相反,以避免流体被不断加速,从而增加液体在塔板上的停留时间;与一般的喷射塔板不同,斜孔塔板设有出口堰,操作时在塔板上保持一定的液层。(2)碎流板的设置其特点是:①塔板采用由定向小孔的压延金属板网制成,能充分利用气相动能,强化了两相间的传质;②设置的碎流板不但起分液作用,且促进两相传质;③气液在塔板不同区域方向发生90°的改变,因而在转折位置相流发生旋转,相接触表面强烈更新,增加了两相接触时间,改善了液体沿塔壁分布不均的现象;④具有高负荷,低压降;⑤塔板孔速大,不易堵塞,而且造价低。其缺点是操作弹性较小,只有2—4。(3)内压开孔单元的密封这种塔板是在塔板上冲出一定间距的、凸起的、侧面开缝的开孔单元,开孔单元的形状呈梯形,因而气体从开孔单元的两侧吹出,并与液流方向构成锐角,对塔板上的液体起一定的推动作用。(4)斜喷塔板，v型横截面，图121.5特殊气液沉陷塔板(1)气体水平吹入液层,培养了清液、做酒特点是:①将降液管的底部提高,在其下方也设置浮阀或筛孔;②在降液管底部的垂直面上,气体水平吹入液层,从降液管流出的清液很快“活化”为泡沫,有利于气液传质,同时也有利于减小塔板上的液面落差;③降液管出口面积小于进口面积,其优点是塔板上可以设置更多的浮阀或筛孔,降低了压降,提高了生产能力。(2)液流流程的设计它是采用多个悬挂式降液管,主要有以下优点:①由于降液管悬空,使得降液管下方也能设置筛孔或浮阀,提高了开孔率,同时也降低了压降;②液流流程短,不存在塔板上液层高度不均的问题,雾沫夹带大大减少;③出口堰总长远远大于一般塔板,可以允许很高的液流负荷。其缺点是:①液体在塔板上流程短,停留时间短,单块塔板效率低;②对设计要求高,由于液体通过该塔板的降液管底部开的槽进入下一层,一方面不能使下层气体通过该槽直接进入上一层,另一方面也不能使通过槽流下去的液体动量大到能直接从筛孔中漏下去;③要使每个降液管液体分布均匀较难。(3)大液气比塔板它属于MD塔板的改进型,主要有三种型号:①DJ-1采用宽型降液管,特别适合特大液气比;②DJ-2型(图15),它在受液区设有导向孔和导流板来改善液体的初始分布,使塔板上液流接近理想的活塞流,并减少受液区受冲击而产生的漏液;③DJ-3型(图16),它使在塔板下的降液管两侧覆合一薄层规整填料,减小塔板的雾沫夹带。2液体负荷过主要是无溢流塔板,亦称淋降塔板。特点是气液都从孔中或栅格中上升和下降;塔板全部面积可以用来开孔或安置栅格,降低了压降。缺点是若液体负荷过大时,气体将不能正常进入上一层塔板,导致气体脉冲震动上升;若液体负荷过小时,则液体不能正常进入下一层塔板,亦是脉冲下流,二者均是不正常操作,因而塔板的操作弹性较小。另外,液体直接通过孔成栅格进入下一层,在塔板上的停留时间很短,塔板点效率较低,而淋降塔板的板效率EMV≤EOV,因而全塔效率也低。(1)ripplets图17它是将筛板压成波纹状后作为塔板,从而克服了操作弹性小以及大直径塔板由于制造、安装偏差造成气液接触不均的缺点,但是雾沫夹带较大。(2)填料改变塔板它是在穿流筛板下设置一层厚50—100mm规整填料。特点是:①填料减小了塔内的雾沫夹带;②一方面筛孔对进入下一层塔板的液体起到均匀分布的作用;一方面填料对进入上一层塔板的气体起到均匀分布的作用,从而提高了塔板的传质效率。3错流塔板内固定板该塔板的主要特点是:①利用气相动能来强化气液传质;②不存在错流塔板的液泛限制。由于这种塔板的特殊设计,使得液相在塔板上形成小循环,增加了液相在塔板上的停留时间,提高了塔板的点效率。(1)升气流拉成液膜它在塔板上布置有许多带侧壁小孔的圆形泡罩,液体从泡罩下的缝隙流入升气孔,被上升气流拉成液膜,通过侧壁小孔分散成很细的液滴,两相发生强烈的接触。该型塔板的特殊结构使它具有以下特点:①处理能力大;②效率高;③操作弹性大;④压降很小。其缺点主要是结构较复杂,塔板刚度需加强,造价较高,同时对设计的要求也较高。(2)气液分离系统与NVST不同的是液体不是通过升气筒底部的间隙进入升气筒,而是通过一个轴流式或切向式涡流旋转器后进入升气筒,同时使气体产生强烈的旋转运动,强化气液的传质。另外在升气筒顶部设置气液分离装置。这种设计使设备的直径减少1/2—1/3,同时金属耗量也大大减少,但结构较复杂。(3)带型塔板的高压电塔板它是在NVST的基础上,吸收规整填料分离效率高、阻力小的特点,提出的一种新型大通量、高效塔板,有两种结构形式:条形和圆筒形。这种塔板的特点是在升气筒上方设置一块方形或条形波纹填料以加强传质,帽罩开口方向与塔板上的液流方向垂直。相邻帽罩喷出的气液混合物相互冲击,进一步加强传质。这种新颖的设计使得塔板的效率比NVST提高10%,而压降降低8%,由于填料阻力很小,故操作上限比NVST大,雾沫夹带由于填料的作用也大为减少。(4)气液分离装置工作原理这种塔板操作时由气相将上一层塔板流下来的液相完全夹带上升,在塔板上的气液分离装置中分离为清液和气相,清液进入降液管,而气相继续上升进入上一层塔板。据称其处理能力比传统错流塔板提高50%—100%,但塔板的造价高出传统错流塔板2倍,因而限制了它的应用。4并流塔板法以上是现今国内外发展的主要塔板。实践证明,大多数结构相似的塔板只要结构设计良好、制造严格、操作正确,其分离效率相差不多。И.А.Апенсанлров等人也有类似的观点:当负荷达到最高负荷的85%时,现有的塔盘,其分离效率是相同的。我们认为这种观点并不是绝对的,如并流塔板可以大幅度地提高塔板效率。研究结果表明,塔板的效率并不单纯取决于塔盘的结构,也与物系的性质如相对挥发度、粘度、混合物组分等的关系很大。因而,我们在选择塔板时,必须根据分离体系和物系的特点来选择合适的塔板。根据以往的经验,对于要求液相流量非常大的分离体系可采用MD塔板;对于真空操作的可采用喷射型塔板,如斜孔塔板;对于高压、易发泡的可采用并流塔板,如JCPT;而对于弹性要求大的可采用浮阀塔板。符号说明:Ay-x图中的操作线与平衡线斜率之比,统称吸收因数B平均液流宽度,mDL液相扩散系数,cm2/se′雾沫夹带量,kmol/hF气相动能因子