化工原理-第10章-氣液傳質(zhì)設(shè)備

1、文檔可能無(wú)法思考全面，請(qǐng)瀏覽后下載! 化工原理-第10章-氣液傳質(zhì)設(shè)備知識(shí)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(guò)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(guò)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(jì)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(shí)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(dòng)力。(2) 氣液傳質(zhì)設(shè)備的分類 按結(jié)構(gòu)分為

2、板式塔和填料塔 按氣液接觸情況分為逐級(jí)式與微分式通常板式塔為逐級(jí)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(jì)意圖：總體上使兩相呈逆流流動(dòng)，每一塊塔板上呈均勻的錯(cuò)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(jiàn)表10-1。表10-1 氣液接觸狀態(tài)比較項(xiàng) 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

3、體液體氣體分散相氣體氣體液體適用物系(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(guò)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(jì))。9 / 11(5) 篩板塔內(nèi)氣液兩相的非理想流動(dòng) 空間上的反向流動(dòng)(與主體流動(dòng)方向相反的液體或氣體的流動(dòng))：液沫夾帶與氣泡夾帶。 空間上的不均勻流動(dòng)：氣體沿塔板的不均勻流動(dòng)與液體沿塔板的不均勻流動(dòng)。(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

4、液、嚴(yán)重液沫夾帶和氣泡夾帶。(7) 塔板的負(fù)荷性能圖塔板的負(fù)荷性能圖用來(lái)檢驗(yàn)塔的工藝設(shè)計(jì)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(wú)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(duì)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(shí)，表明液體流量過(guò)低，板上液體流動(dòng)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(guò)此上限，液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短，進(jìn)入降液管內(nèi)的氣泡來(lái)不及與液相分離而被帶入下層塔板，造成氣相返混，

5、使塔板效率下降，以致出現(xiàn)溢流液泛。此線可根據(jù)液體在降液管內(nèi)的實(shí)際平均停留時(shí)間不小于35s來(lái)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(shí)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(guò)量液沫夾帶線(氣相負(fù)荷上限線)該線通常以eV=0.1kg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(guò)此線時(shí)，塔內(nèi)將發(fā)生液泛現(xiàn)象，使塔不能正常操作。對(duì)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(shí)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(guò)原點(diǎn)，斜率為V

6、/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的交點(diǎn)。 操作彈性：兩極限的氣相流量之比，即Vmax/Vmin。設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)時(shí)，塔的正常操作即被破壞，此時(shí)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(duì)圖10-2所示的3個(gè)操作點(diǎn)，以B為最佳。(8) 全塔效率ET=NT/N (10-8)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(shí)際板數(shù)。精餾塔的全塔效率可用O'Conell關(guān)聯(lián)式估算，即 (10-9)式中：塔頂與塔底平均溫度下的相對(duì)揮發(fā)度； 塔頂與塔底平均溫度下的液相粘度，mPas。(

7、9) 塔板類型有泡罩塔板、浮閥塔板、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(píng)價(jià)塔板的性能評(píng)價(jià)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(guò)的壓降低，能耗低。對(duì)于精餾系統(tǒng)則可降低釜溫，這對(duì)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(dòng)時(shí)仍能維持板效率的穩(wěn)定 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造維修方便，造價(jià)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(gè)理論級(jí)壓降約在0.41.1MPa，填料塔約為0.010.27 kPa； 持液量?。?操

8、作彈性大，填料塔的操作彈性決定于塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)，特別是液體分布器的設(shè)計(jì)，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。(3) 填料的性能評(píng)價(jià)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/m3； 空隙率 空隙率越大，氣體通過(guò)的能力大且壓降低。 填料因子 a. 干填料因子：填料未被液體潤(rùn)濕時(shí)的，反映填料的幾何特性。b. 濕填料因子：填料被液體潤(rùn)濕時(shí)，填料表面覆蓋了一層液膜，和均發(fā)生相

9、應(yīng)的變化，它反映填料的流體力學(xué)性能。(4) 填料塔的流體力學(xué)特性 u關(guān)系曲線圖10-3 填料塔壓降與空塔速度的關(guān)系 當(dāng)無(wú)液體噴淋，即時(shí)，干填料的u為直線，其斜率為1.82.0。當(dāng)有一定噴淋量時(shí)，u的關(guān)系變成折線，兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)將折線分為3個(gè)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(dòng)對(duì)液膜的曳力很小，液體流動(dòng)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(guò)A點(diǎn)時(shí)，氣體對(duì)液膜的曳力較大，對(duì)液膜流動(dòng)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(kāi)始發(fā)生攔液現(xiàn)象時(shí)的空塔氣速稱為載點(diǎn)氣速

10、，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)增大，到達(dá)圖中B點(diǎn)時(shí)，由于液體不能順利向下流動(dòng)，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(huì)引起壓降的劇增，此現(xiàn)象稱為液泛，開(kāi)始發(fā)生液泛現(xiàn)象時(shí)的氣速稱為泛點(diǎn)氣速，以u(píng)F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)。 uF的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)對(duì)于各種亂堆填料，目前工程設(shè)計(jì)計(jì)算中廣泛使用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料塔的泛點(diǎn)氣速uF與適宜氣速u下的壓強(qiáng)降。通常

11、。 填料塔內(nèi)液體的噴淋量為保證填料層的充分潤(rùn)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(jì)算Umin=(Lw)min (10-11)式中：(Lw)min 最小潤(rùn)濕速率，m3/(m·h)； 填料的比表面積，m2/m3。最小潤(rùn)濕速率指在塔截面上單位長(zhǎng)度的填料周邊的最小液體體積流量。通常，dp75mm的散裝填料，(Lw)min=0.08 m3/(m·h)；dp 75mm的散裝填料，(Lw)min=0.12 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

12、作中附加的壓力等；具有大于填料層空隙率的開(kāi)孔率，防止在此首先發(fā)生液泛進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)填料層的液泛；結(jié)構(gòu)合理。 填料壓緊裝置 液體分布裝置 液體收集及再分布裝置 除沫器(6) 填料塔的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 填料層的有效高度a. H=HTU×NTUb. H=NT(HETP) 塔徑D (10-12)式中：u操作氣速。 核算工藝設(shè)計(jì)完成后要核算如下項(xiàng)目：a. 填料層的總壓降b. 噴淋密度是否大于最小噴淋密度c. 塔徑與填料尺寸之比應(yīng)在8以下，以保證填料的潤(rùn)濕均勻。d. 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。基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)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

13、( )；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) 篩孔塔板(B) 泡罩塔板 (C) 浮閥塔板3設(shè)計(jì)篩板塔時(shí)，若改變某一結(jié)構(gòu)參數(shù)，會(huì)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 (B) 板間距降低，使液泛線下移(C) 塔徑增大，使液泛線下移 (D) 降液管面積增加，使霧沫夾帶線下移4O'Connel關(guān)聯(lián)式中粘度與相對(duì)揮發(fā)度的計(jì)算以( )溫度為準(zhǔn)。D(A) 塔頂溫度 (B) 塔釜溫度(C) 原料溫度 (D) 塔頂與塔底的算術(shù)平

14、均溫度5塔板上設(shè)置入口安定區(qū)的目的是( )，設(shè)置出口安定區(qū)的目的是( )。AC(A) 防止氣體進(jìn)入降液管 (B) 避免嚴(yán)重的液沫夾帶(C) 防止越堰液體的氣體夾帶量過(guò)大(D) 避免板上液流不均勻6以下屬于散裝填料的有( )，屬于規(guī)整填料的有( )。(A) 格柵填料(B) 鮑爾環(huán)填料(C) 矩鞍填料(D)波紋填料(E)弧鞍填料(F) 階梯環(huán)填料7填料的靜持液量與( )有關(guān)，動(dòng)持液量與( )有關(guān)。(A) 填料特性 (B)液體特性 (C) 氣相負(fù)荷 (D)液相負(fù)荷8對(duì)于填料塔的附屬結(jié)構(gòu)，以下說(shuō)法不正確的是( ) 。(A) 支承板的自由截面積必須大于填料層的自由截面積(B) 液體再分布器可改善壁流效應(yīng)

15、造成的液體不均勻分布(C) 除沫器是用來(lái)除去由填料層頂部逸出的氣體中的液滴(D) 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(shuō)法正確的是( )。(A) 氣液兩相流動(dòng)參數(shù)相同，填料因子增大，液泛氣速減小(B) 氣液兩相流動(dòng)參數(shù)相同，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(dòng)參數(shù)增大，液泛氣速減小(D) 填料因子相同，氣液兩相流動(dòng)參數(shù)減小，液泛氣速減小10. 以下說(shuō)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(shí)出現(xiàn)液泛對(duì)傳質(zhì)無(wú)影響(C) 填料層內(nèi)氣體的流動(dòng)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

16、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(shí)為_(kāi)連續(xù)相。2. 從塔板的水力學(xué)性能的角度來(lái)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_。板式塔操作的轉(zhuǎn)相點(diǎn)是指_。4. 在對(duì)篩板塔進(jìn)行流體力學(xué)校核計(jì)算時(shí)，如發(fā)現(xiàn)單板壓降偏大，則可通過(guò)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(jì)或研制新型氣液傳質(zhì)設(shè)備時(shí)，要求設(shè)備具有 、 、 。6. 對(duì)給定的分離任務(wù)，板式塔設(shè)計(jì)得不好會(huì)導(dǎo)致液泛。請(qǐng)從設(shè)計(jì)角度指出可能導(dǎo)致液泛的兩個(gè)原因： 。7對(duì)逆流操作的填料塔，液體自塔

17、_部進(jìn)入，在填料表面呈_狀流下。8. 通常根據(jù)_、_和_評(píng)價(jià)填料性能的優(yōu)劣。9. 液體在填料塔中流下時(shí)，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()大致可分為三個(gè)區(qū)域，即_、_和_。填料塔操作時(shí)應(yīng)控制在_區(qū)域。此時(shí)，連續(xù)相是_，分散相是_?；A(chǔ)知識(shí)測(cè)試題參考答案一、選擇題1. AB；CD 2. C；A 3.D4.D5.A；C6. BCEF；AD7. AB；ABCD8.D9.AC10.D二、填空題1. 逐級(jí)；微分或連續(xù)2. 過(guò)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(kāi)孔率(開(kāi)孔區(qū)面積)等5. 傳質(zhì)效率高、生產(chǎn)

18、能力大、操作彈性寬、塔板壓降小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(以上答案中任選三個(gè))6. 板間距過(guò)小，開(kāi)孔率過(guò)小，堰高太低，降液管面積或溢流堰長(zhǎng)度太小中任寫兩個(gè)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(píng)價(jià)塔板優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)有哪些通過(guò)能力大；塔板效率高；塔板壓降?。徊僮鲝椥源?；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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

19、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(dòng)的交互影響開(kāi)始變得比較顯著時(shí)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(píng)價(jià)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H

20、ETP2003-2004-2005-2007-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(chǎng)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，處理量較小，造價(jià)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(jì)要求比較準(zhǔn)確的場(chǎng)合2007為什么實(shí)際塔板的默弗里板效率會(huì)大于1 實(shí)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(shí)際意義有何不同 前者考慮了夜沫夾帶對(duì)板效率的影響，可用表觀操作線進(jìn)行問(wèn)題的圖解求算，而后者沒(méi)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(jì)意圖是什么？對(duì)傳質(zhì)過(guò)程有利的理想流動(dòng)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(dòng)力總體兩相逆流，每塊板上均勻錯(cuò)流2-板式塔內(nèi)有哪些主要的非理想流動(dòng)？空間上的反向流動(dòng)：液沫夾帶、氣泡夾帶；空間上的不均勻流動(dòng)：氣