化工原理-第10章-氣液傳質(zhì)設(shè)備

1、化工原理-第10章-氣液傳質(zhì)設(shè)備知識要點(diǎn)用于蒸餾和吸收塔的塔器分別稱為蒸餾塔和吸收(解吸)塔。通稱氣液傳質(zhì)設(shè)備。本章應(yīng)重點(diǎn)掌握板式塔和填料塔的基本結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)與傳質(zhì)特性(包括板式塔的負(fù)荷性能圖)。1概述高徑比很大的設(shè)備叫塔器。蒸餾與吸收作為分離過程，基于不同的物理化學(xué)原理，但其均屬于氣液兩相間的傳質(zhì)過程，有共同的特 點(diǎn)可在同樣的設(shè)備中進(jìn)行操作。(1) 塔設(shè)備設(shè)計的基本原則 使氣液兩相充分接觸，以提供盡可能大的傳質(zhì)面積和傳質(zhì)系數(shù)，接觸后兩相又能及時完善分離。 在塔內(nèi)氣液兩相最大限度地接近逆流，以提供最大的傳質(zhì)推動力。(2) 氣液傳質(zhì)設(shè)備的分類 按結(jié)構(gòu)分為板式塔和填料塔 按氣液接觸情況分為逐級式

2、與微分式通常板式塔為逐級接觸式塔器，填料塔為微分接觸式塔器。2. 板式塔(1) 板式塔的設(shè)計意圖：總體上使兩相呈逆流流動，每一塊塔板上呈均勻的錯流接觸。(2) 篩孔塔板的構(gòu)造 篩孔 塔板上的氣體通道，篩孔直徑通常為38mm。 溢流堰為保證塔板上有液體。 降液管一一液體自上層塔板流至下層塔板的通道。(3) 篩板上的氣液接觸狀態(tài)篩板上的氣液接觸狀態(tài)有鼓泡接觸、泡沫接觸、噴射接觸，比較見表10-1。表10-1氣液接觸狀態(tài)比較項目鼓泡接觸狀態(tài)泡沫接觸狀態(tài)噴射接觸狀態(tài)孔速很低較高高兩相接觸面氣泡表面液膜液滴外表面兩相接觸量少多多傳質(zhì)阻力較大小小傳質(zhì)效率低高高連續(xù)相液體液體氣體分散相氣體氣體液體適用物系輕

3、重輕重(正系統(tǒng))(負(fù)系統(tǒng))工業(yè)上經(jīng)常采用的兩種接觸狀態(tài)是泡沫接觸與噴射接觸。由泡沫狀態(tài)轉(zhuǎn)為噴射狀態(tài)的臨界點(diǎn)稱為轉(zhuǎn)相點(diǎn)。(4) 氣體通過塔板的壓降包括塔板本身的干板阻力(即板上各部件所造成的局部阻力)、氣體克服板上充氣液層的靜壓力所產(chǎn)生的壓力降、氣體克服液體表面張力所產(chǎn)生的壓力降(一般較小，可忽略不計)。(5) 篩板塔內(nèi)氣液兩相的非理想流動 空間上的反向流動(與主體流動方向相反的液體或氣體的流動)：液沫夾帶與氣泡夾帶。 空間上的不均勻流動：氣體沿塔板的不均勻流動與液體沿塔板的不均勻流動。（6）板式塔的不正常操作現(xiàn)象：液泛（夾帶液泛與溢流液泛）、嚴(yán)重漏液、嚴(yán)重液沫夾帶和氣泡夾帶塔板的負(fù)荷性能圖塔板

4、的負(fù)荷性能圖用來檢驗塔的工藝設(shè)計是否合理，考核該塔正常操作的氣液流量范圍，了解塔的操作 彈性，判斷塔有無增產(chǎn)能力，減負(fù)荷能否正常操作等。圖10-2塔板的負(fù)荷性能圖圖10-2所示的負(fù)荷性能圖由以下幾條線組成。 液相負(fù)荷下限線該線為一垂直線，對于平頂直堰，其位置可根據(jù)how=6mm確定。若操作的液相負(fù)荷低于此下限時，表明液體流量過低，板上液體流動不能均勻分布，氣液接觸不良，易產(chǎn)生干吹、偏流等現(xiàn)象，導(dǎo)致塔板效率 急劇下降。 液相負(fù)荷上限線液量超過此上限，液體在降液管內(nèi)停留時間過短，進(jìn)入降液管內(nèi)的氣泡來不及與液相分離而被帶入下層 塔板，造成氣相返混，使塔板效率下降，以致岀現(xiàn)溢流液泛。此線可根據(jù)液體在降

5、液管內(nèi)的實際平均停 留時間不小于35s來確定。漏液線（氣相負(fù)荷下限線） 漏液線由不同流量下的漏液點(diǎn)組成，其位置漏液點(diǎn)氣速確定。實際氣相負(fù)荷應(yīng)高于此線，否則將發(fā)生嚴(yán)重的漏 液現(xiàn)象。 過量液沫夾帶線（氣相負(fù)荷上限線）該線通常以=液/kg氣為依據(jù)確定。若氣液負(fù)荷點(diǎn)位于此線上方，表明液沫夾帶現(xiàn)象嚴(yán)重，已不宜采用。 溢流液泛線若操作的氣液負(fù)荷超過此線時，塔內(nèi)將發(fā)生液泛現(xiàn)象，使塔不能正常操作。對負(fù)荷性能圖須了解以下概念。 適宜操作區(qū)：由五條線所包圍的區(qū)域 操作點(diǎn)：操作時氣相負(fù)荷V與液相負(fù)荷L在負(fù)荷性能圖上的坐標(biāo)點(diǎn)。 操作線：通過原點(diǎn)，斜率為 V/L的直線。 塔的上下操作極限：操作線與負(fù)荷性能圖上兩條邊界線

6、的交點(diǎn)。 操作彈性：兩極限的氣相流量之比，即Vmax/Vmin。設(shè)計時應(yīng)使操作點(diǎn)位于操作區(qū)的中央。若操作點(diǎn)緊靠某一條邊界線，則負(fù)荷稍有波動時，塔的正常操作即被破壞，此時應(yīng)調(diào)整塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)或改變氣液負(fù)荷，使操作點(diǎn)居中。對圖10-2所示的3個操作點(diǎn)，以B為最佳。（8）全塔效率(10-8)ET=Nt/N式中：Nt 完成一定分離任務(wù)所需的理論板數(shù)；N 完成一定分離任務(wù)所需的實際板數(shù)。 精餾塔的全塔效率可用 OConell 關(guān)聯(lián)式估算，即ET0.49(0.245 L)(10-9)式中： 塔頂與塔底平均溫度下的相對揮發(fā)度；L 塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度，mPa?s。(9) 塔板類型 有泡罩塔板、浮閥塔

7、板、篩孔塔板、舌形塔板、網(wǎng)孔塔板、垂直篩板、多降液管塔板等。(10) 塔板的性能評價塔板的性能評價指標(biāo)有以下幾方面： 生產(chǎn)能力大即單位塔截布?xì)怏w和液體的通量大 塔板效率高即完成一定分離任務(wù)所需的板數(shù)少 壓降低即氣體通過的壓降低，能耗低。對于精餾系統(tǒng)則可降低釜溫，這對于熱敏性物系的分離尤其重 要。 操作彈性大 當(dāng)操作的氣液負(fù)荷波動時仍能維持板效率的穩(wěn)定 結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便，造價低廉3. 填料塔(1) 填料塔的特點(diǎn)： 生產(chǎn)能力大；分離效率高； 壓力降小，一般情況下，板式塔的每個理論級壓降約在，填料塔約為kPa；持液量??； 操作彈性大，填料塔的操作彈性決定于塔內(nèi)件的設(shè)計， 特別是液體分布器的設(shè)計

8、，板式塔的操作彈性則受到塔板液泛、液沫夾帶及降液管能力的限制。(2) 填料的類型 散裝填料 如拉西環(huán)填料、鮑爾環(huán)填料、球形填料、階梯環(huán)填料、弧鞍填料、矩鞍填料、金屬環(huán)矩 鞍填料等。 規(guī)整填料 如格柵填料、波紋填料、脈沖填料。填料的性能評價指標(biāo)：壓降通量效率(4) 填料的幾何特性 比表面積 單位體積填料層的填料比表面積，m2/m 3； 空隙率 空隙率越大，氣體通過的能力大且壓降低。 填料因子33a. 干填料因子 / 3：填料未被液體潤濕時的 / 3，反映填料的幾何特性。b. 濕填料因子：填料被液體潤濕時，填料表面覆蓋了一層液膜，和&均發(fā)生相應(yīng)的變化，它反映填料的流體力學(xué)性能。(4) 填料塔的流體

9、力學(xué)特性 p/Zu關(guān)系曲線當(dāng)無液體噴淋，即 L 0時，干填料的p/Zu為直線，其斜率為 。當(dāng)有一定噴淋量時，p/Z u的關(guān)系變成折線，兩個轉(zhuǎn)折點(diǎn)將折線分為3個區(qū)。a. 恒持液量區(qū)：下轉(zhuǎn)折點(diǎn)A以下的線段。該區(qū)的直線段與L=0線平行。在該區(qū)域，氣速小，氣體流動對液膜的曳力很小，液體流動不受氣流的影響，填料表面上覆蓋的液膜厚度基本不變，因而填料層的持液量不變。當(dāng)氣速超過 A點(diǎn)時，氣體對液膜的曳力較大，對液膜流動產(chǎn)生阻滯作用，使液膜增厚，填料層 的持液量隨氣速的增加而增大，此現(xiàn)象稱為攔液。開始發(fā)生攔液現(xiàn)象時的空塔氣速稱為載點(diǎn)氣速，曲線 上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)A,稱為載點(diǎn)。b. 載液區(qū)：兩轉(zhuǎn)折點(diǎn)間的線段。若氣速繼續(xù)

10、增大，到達(dá)圖中B點(diǎn)時，由于液體不能順利向下流動，使填料層的持液量不斷增大，填料層內(nèi)幾乎充滿液體。氣速增加很小便會引起壓降的劇增，此現(xiàn)象稱為液泛，開始發(fā)生液泛現(xiàn)象時的氣速稱為泛點(diǎn)氣速，以UF表示，曲線上的點(diǎn) B,稱為泛點(diǎn)。c. 液泛區(qū)：上轉(zhuǎn)折點(diǎn) B以上的線段。該線段的斜率可達(dá)10以上。泛點(diǎn)以后，持液量的急驟增加使液相從分散相變?yōu)檫B續(xù)相，而氣相則由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾嘣谝后w中鼓泡。因此，泛點(diǎn)又稱轉(zhuǎn)相點(diǎn)。 p/Z UF的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)對于各種亂堆填料，目前工程設(shè)計計算中廣泛使用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算填料塔的泛點(diǎn)氣速uf與適宜氣速u下的壓強(qiáng)降p/Z。通常u (0.50.8)uF。 填料塔內(nèi)液體的噴淋量為保證

11、填料層的充分潤濕，必須保證液體噴淋密度大于某一極限值，該極限值稱為最小噴淋密度。Umin通常用下式計算Umin=(Lw)min a(10-11)式中：(Lw)min 最小潤濕速率，m3/(m ) ； a 填料的比表面積，m2/m 3。最小潤濕速率指在塔截面上單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。通常，dp 75mm 的散裝填料，(Lw)min= m3/(m h)。(5)填料塔的內(nèi)件 填料支承裝置 注意該裝置必須有足夠的強(qiáng)度與鋼度，能承受填料的質(zhì)量，填料層的持液量以及操作 中附加的壓力等；具有大于填料層空隙率的開孔率，防止在此首先發(fā)生液泛進(jìn)而導(dǎo)致整個填料層的液泛； 結(jié)構(gòu)合理。 填料壓緊裝置 液體

12、分布裝置 液體收集及再分布裝置 除沫器(6)填料塔的工藝設(shè)計計算 填料層的有效高度a. H=HTUX NTUb. H=Nt(HETP) 塔徑D(10-12)式中：u操作氣速。核算工藝設(shè)計完成后要核算如下項目：填料層的總壓降噴淋密度是否大于最小噴淋密度塔徑與填料尺寸之比應(yīng)在8以下，以保證填料的潤濕均勻。填料層有效高度 H與塔徑D之比大于某規(guī)定值要將填料分段，并增設(shè)液體再分布裝置。a.b.c.d.基礎(chǔ)知識測試題一、選擇題1 以下參數(shù)中，屬于板式塔結(jié)構(gòu)參數(shù)的是 ()；屬于操作參數(shù)的是(A)板間距(B)孔數(shù)(C)孔速(D)板上清液層高度2 以下3類塔板中，操作彈性最大的是()，單板壓降最小的是(A)篩

13、孔塔板(B)泡罩塔板(C)浮閥塔板3 設(shè)計篩板塔時，若改變某一結(jié)構(gòu)參數(shù)，會引起負(fù)荷性能圖的變化。下面敘述中正確的一組是(A)板間距降低，使霧沫夾帶線上移(C)塔徑增大，使液泛線下移4. OConnel關(guān)聯(lián)式中粘度與相對揮發(fā)度的計算以(A)塔頂溫度(C)原料溫度5 塔板上設(shè)置入口安定區(qū)的目的是(A)防止氣體進(jìn)入降液管(C) 防止越堰液體的氣體夾帶量過大6以下屬于散裝填料的有(A)格柵填料(D) 波紋填料7填料的靜持液量與(A)填料特性(C)氣相負(fù)荷)。)。( )。(B)板間距降低，使液泛線下移(D)降液管面積增加，使霧沫夾帶線下移()溫度為準(zhǔn)。D)，屬于規(guī)整填料的有(B)鮑爾環(huán)填料(E)弧鞍填料

14、(F)()有關(guān)，動持液量與(B)液體特性(D)液相負(fù)荷(B)塔釜溫度(D)塔頂與塔底的算術(shù)平均溫度)，設(shè)置岀口安定區(qū)的目的是()。AC(B) 避免嚴(yán)重的液沫夾帶(D)避免板上液流不均勻)。(C) 矩鞍填料 階梯環(huán)填料()有關(guān)。8 對于填料塔的附屬結(jié)構(gòu)，以下說法不正確.的是(A)(B)(C)(D)支承板的自由截面積必須大于填料層的自由截面積 液體再分布器可改善壁流效應(yīng)造成的液體不均勻分布 除沫器是用來除去由填料層頂部逸岀的氣體中的液滴 液泛不可能首先發(fā)生于支承板9. 用填料吸收塔分離某氣體混合物，以下說法正確的是(A) 氣液兩相流動參數(shù)相同，填料因子增大，液泛氣速減小(B) 氣液兩相流動參數(shù)相同

15、，填料因子減小，液泛氣速減小(C) 填料因子相同，氣液兩相流動參數(shù)增大，液泛氣速減小(D) 填料因子相同，氣液兩相流動參數(shù)減小，液泛氣速減小10. 以下說法正確的是.()。(A) 等板高度是指分離效果相當(dāng)于1m填料的塔板數(shù)(B) 填料塔操作時岀現(xiàn)液泛對傳質(zhì)無影響(C) 填料層內(nèi)氣體的流動一般處于層流狀態(tài)(D) 液泛條件下單位高度填料層的壓降只取決于填料種類和物系性質(zhì)二、填空題1板式塔是 接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備；填料塔是 接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，操作時為_連續(xù)相。2. 從塔板的水力學(xué)性能的角度來看，引起塔板效率不高的原因可能是 、等現(xiàn)象。3. 在傳質(zhì)設(shè)備中，塔板上的氣液兩相之間可能的接觸狀態(tài)有：、和。板

16、式塔操作的轉(zhuǎn)相點(diǎn)是指 。4. 在對篩板塔進(jìn)行流體力學(xué)校核計算時，如發(fā)現(xiàn)單板壓降偏大，則可通過改變等結(jié)構(gòu)參數(shù)(任舉一種)的方法，使之減小。5. 在設(shè)計或研制新型氣液傳質(zhì)設(shè)備時，要求設(shè)備具有 、。6. 對給定的分離任務(wù)，板式塔設(shè)計得不好會導(dǎo)致液泛。請從設(shè)計角度指岀可能導(dǎo)致液泛的兩個原因：。7. 對逆流操作的填料塔，液體自塔 部進(jìn)入，在填料表面呈 狀流下。8. 通常根據(jù)、和評價填料性能的優(yōu)劣。9. 液體在填料塔中流下時，造成較大尺度上的分布不均勻性的原因有：和10填料操作壓降線(p/z U)大致可分為三個區(qū)域， 即、和。填料塔操作時應(yīng)控制在區(qū)域。此時，連續(xù)相是 ，分散相是 。基礎(chǔ)知識測試題參考答案一

17、、選擇題1. AB; CD2. C; A; C6. BCEF AD7. AB; ABCD二、填空題1. 逐級；微分或連續(xù)2. 過量霧沫夾帶，嚴(yán)重漏液，氣、液流分布不均勻3. 鼓泡；泡沫；噴射；由泡沫狀態(tài)轉(zhuǎn)為噴射狀態(tài)的臨界點(diǎn)4. 增大開孔率(開孔區(qū)面積)等5. 傳質(zhì)效率高、生產(chǎn)能力大、操作彈性寬、塔板壓降小、結(jié)構(gòu)簡單(以上答案中任選三個)6. 板間距過小，開孔率過小，堰高太低，降液管面積或溢流堰長度太小中任寫兩個7. 上；膜8. 比表面積；空隙率；填料的幾何形狀9. 初始分布不均勻；填料層內(nèi)液流的不均勻性10. 恒持液量區(qū)；載液區(qū)；液泛區(qū)；載液區(qū)。氣體；液體1998- -何謂氣液傳質(zhì)板式塔操作中

18、的轉(zhuǎn)相點(diǎn) 指由泡沫狀態(tài)轉(zhuǎn)為噴射狀態(tài)的臨界點(diǎn)1999- 2002- 綜合評價塔板優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)有哪些 通過能力大；塔板效率高；塔板壓降?。徊僮鲝椥源?；結(jié)構(gòu)簡單成本低2001- 2005- 篩板塔的氣液接觸狀態(tài)有哪三種，各有何特點(diǎn) 鼓泡接觸狀態(tài)：氣量低，氣泡數(shù)量少，液層清晰； 泡沫接觸狀態(tài)：氣量大，液體大部分以葉膜形式存在于氣泡之間，但仍為連續(xù)相； 噴射接觸狀態(tài)：氣量很大，液體以液滴形式存在，氣相為連續(xù)相2002- 2007- 何謂等板高度 HETP 分離效果相當(dāng)于一塊理論板的填料層高度2003- 2004-2005-2007- 何謂載點(diǎn)，泛點(diǎn) 填料塔內(nèi)隨著氣速逐漸由小到大，氣液兩相流動的交互影響開始

19、變得比較顯著時的操作狀態(tài)為載點(diǎn)； 氣速進(jìn)一步增大至出現(xiàn)壓降陡增的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為泛點(diǎn)2004- 2006- 板式塔的不正常操作現(xiàn)象有哪幾種1998-何謂氣液傳質(zhì)板式塔操作中的轉(zhuǎn)相點(diǎn)1999-2002- 綜合評價塔板優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)有哪些2001- 2005- 篩板塔的氣液接觸狀態(tài)有哪三種，各有何特點(diǎn)2002- 2007- 何謂等板高度 HETP2003- 2004-2005-2007- 何謂載點(diǎn)，泛點(diǎn) 夾帶液泛，溢流液泛，漏液2004- 2006- 板式塔的不正常操作現(xiàn)象有哪幾種夾帶液泛，溢流液泛，漏液2006-填料塔和板式塔各用于什么場合 填料塔操作范圍小，宜處理不易聚合的清潔物料，不易中間換熱，處理量

20、較小，造價便宜，較易處理易 起泡、腐蝕性、熱敏性物料，能適應(yīng)真空操作； 板式塔適合要求操作范圍大，易聚合或含固體懸浮物，處理量達(dá)，設(shè)計要求比較準(zhǔn)確的場合2007 為什么實際塔板的默弗里板效率會大于1實際塔板上液體并不是完全混合的，而理論塔板的定義是以液體完全返混為基礎(chǔ)的。2007濕板效率與默弗里板效率的實際意義有何不同 前者考慮了夜沫夾帶對板效率的影響，可用表觀操作線進(jìn)行問題的圖解求算，而后者沒有。2009氣液傳質(zhì)設(shè)備中常用的三種除沫器 折板除沫器、絲網(wǎng)除沫器、旋流板除沫器1- 板式塔的設(shè)計意圖是什么對傳質(zhì)過程有利的理想流動條件是什么 氣液兩相在塔板上充分接觸；總體上氣液逆流，提供最大推動力 總體兩相逆流，每塊板上均勻錯流2- 板式塔內(nèi)有哪些主要的非理想流動 空間上的反向流動：液沫夾帶、氣泡夾帶； 空間上