第六節(jié) 板式塔

1、西北農(nóng)林科技大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院 化工原理課程教案第六節(jié) 板式塔一、塔板的結(jié)構(gòu)型式 板式塔的殼體通常為圓筒形，里面沿塔高裝有若干塊水平的塔板。板式塔的結(jié)構(gòu)塔殼體；塔板；溢流堰；受液盤；降液管54321傳質(zhì)機(jī)理：塔內(nèi)液體依靠重力作用，由上層塔板的降液管流到下層塔板的受液盤，然后橫向流過塔板，從另一側(cè)的降液管流至下一層塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的液層。氣體則在壓力差的推動(dòng)下，自下而上穿過各層塔板的氣體通道（泡罩、篩孔或浮閥等），分散成小股氣流，鼓泡通過各層塔板的液層。在塔板上，氣液兩相密切接觸，進(jìn)行熱量和質(zhì)量的交換。在板式塔中，氣液兩相逐級接觸，兩相的組成沿塔高呈階梯式變化，在正常操作

2、下，液相為連續(xù)相，氣相為分散相。為有效地實(shí)現(xiàn)氣液兩相之間的傳質(zhì)，板式塔應(yīng)具有以下兩方面的功能：在每塊塔板上氣液兩相必須保持密切而充分的接觸，為傳質(zhì)過程提供足夠大而且不斷更新的相際接觸表面，減小傳質(zhì)阻力；在塔內(nèi)應(yīng)盡量使氣液兩相呈逆流流動(dòng)，以提供最大的傳質(zhì)推動(dòng)力。由吸收章可知，當(dāng)氣液兩相進(jìn)、出塔設(shè)備的濃度一定時(shí)，兩相逆流接觸時(shí)的平均傳質(zhì)推動(dòng)力最大。在板式塔內(nèi)，各塊塔板正是按兩相逆流的原則組合起來的。但是，在每塊塔板上，由于氣液兩相的劇烈攪動(dòng)，是不可能達(dá)到充分的逆流流動(dòng)的。為獲得盡可能大的傳質(zhì)推動(dòng)力，目前在塔板設(shè)計(jì)中只能采用錯(cuò)流流動(dòng)的方式，即液體橫向流過塔板，而氣體垂直穿過液層。由此可見，除保證氣液

3、兩相在塔板上有充分的接觸之外，板式塔的設(shè)計(jì)意圖是，在塔內(nèi)造成一個(gè)對傳質(zhì)過程最有利的理想流動(dòng)條件，即在總體上使兩相呈逆流流動(dòng)，而在每一塊塔板上兩相呈均勻的錯(cuò)流接觸。塔板是板式塔的核心構(gòu)件，其功能是使氣、液兩相保持充分的接觸，使之能在良好的條件下進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱傳遞過程。塔板上的氣液兩相流動(dòng)方式有錯(cuò)、逆流兩種，如圖54所示。錯(cuò)流塔板在板間設(shè)有專供液體流通的降液管（又稱溢流管）。從降液管出來的液體橫過塔板，然后再溢流進(jìn)入另一降液管而到達(dá)下一層塔板；氣體則經(jīng)過板上的孔道上升，在每一層塔板上氣、液兩相呈錯(cuò)流方式接觸。逆流塔板在板間無降液管，氣、液同時(shí)由板上孔道逆向穿流而過。這種塔板結(jié)構(gòu)簡單、板面利用充分、

4、氣體分布均勻，但需要較高的氣速才能維持板上液層，操作彈性小，它的應(yīng)用不及錯(cuò)流塔板廣泛。二、塔板結(jié)構(gòu)塔板上主要分為汽液鼓泡區(qū)（傳質(zhì)）與降液管區(qū)（一） 汽液鼓泡區(qū)主要的傳質(zhì)區(qū)域（二）溢流堰（overflow weir）保持塔板上一定的液層厚度，長度一般為塔徑的0.60.8倍（三）降液管（downcomer）液體的通道，另外使得液汽達(dá)到分離，技術(shù)要求：停留時(shí)間降液管中清液層高度一般約為塔板間距的一般。（四）塔板上液體流動(dòng)的安排單流型與雙流型（1） 單流型：一個(gè)降液管，簡單，適用于D<2m的塔（2） 雙流行，多流型：使液體分布厚度均勻，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于大直徑的塔。二、塔板上汽液兩相的流動(dòng)現(xiàn)象研究

5、目的：強(qiáng)化傳質(zhì)在塔內(nèi)應(yīng)盡量使氣液兩相呈逆流流動(dòng)，以提供較大的傳質(zhì)推動(dòng)力。板式塔：總體上氣液呈逆流流動(dòng)；每塊塔板上呈均勻錯(cuò)流氣液兩相接觸狀態(tài)1、鼓泡接觸狀態(tài) ： 液體連續(xù)相 氣體分散相 兩相接觸面積：氣泡表面?zhèn)髻|(zhì)阻力較大2、泡沫接觸狀態(tài)：液體連續(xù)相 氣體分散相 兩相接觸面積：不斷更新的液膜表面，表面積大，表面不斷更新，有利于傳質(zhì)3、噴射接觸狀態(tài) 氣體連續(xù)相 液體分散相 兩相接觸面積：不斷更新的液滴表面，傳質(zhì)面接大，利于傳質(zhì)。合理選擇塔板的開孔率和孔徑造成適應(yīng)于物系性質(zhì)的氣液接觸狀態(tài)一般情況下，塔板上存在著兩種氣液接觸狀態(tài)泡沫狀態(tài)和噴射狀態(tài)。不同的孔速下將出現(xiàn)不同的氣液接觸狀態(tài)，不同的物系適宜于不

6、同的接觸狀態(tài)。已知，輕組分表面張力小于重組分的物系宜采用泡沫接觸狀態(tài)，輕組分表面張力大于重組分的物系宜采用噴射接觸狀態(tài)？這一點(diǎn)可解釋如下：在泡沫接觸狀態(tài)，氣泡密集，板上液體呈液膜狀態(tài)而介于氣泡之間。在傳質(zhì)過程中，液膜是否穩(wěn)定左右著實(shí)際相界面的大小。如果液膜不穩(wěn)定，則易被撕裂而發(fā)生氣泡的合并，相界面將減少。設(shè)有液膜如圖所示，其表面張力為。若液膜的某一局部發(fā)生質(zhì)量傳遞，該處膜厚減薄，輕組分濃度減小，重組分濃度增加，表面張力發(fā)生變化。（）顯然，對于重組分表面張力較小的物系，局部傳質(zhì)處的表面張力將小于，液體被拉向四周，導(dǎo)致液膜破裂氣泡合并。反之，對于重組分表面張力較大的物系，局部蒸發(fā)處的表面張力 將大

7、于，可吸引周圍的液體，使液膜得以恢復(fù)，液膜比較穩(wěn)定。因此，重組分表面張力較大的物系，宜采用泡沫接觸狀態(tài)。若以表示重組分的摩爾分?jǐn)?shù)，這種物系的，故可稱為正系統(tǒng)。在噴射狀態(tài)中，液相被分散成液滴而形成界面。與泡沫接觸狀態(tài)中的液膜相反，此時(shí)，液滴的穩(wěn)定性越差，液滴越容易分裂，相界面越大。如圖所示，由于局部質(zhì)量傳遞，液滴表面的某個(gè)局部將出現(xiàn)缺口，此處重組分摩爾分?jǐn)?shù)增加，表面張力發(fā)生變化。對于正系統(tǒng)，缺口處的表面張力大于，缺口得以彌合，液滴穩(wěn)定不易分裂。對于重組分表面張力較小的物系，缺口處的表面張力小于，缺口將自動(dòng)擴(kuò)展加深，導(dǎo)致液滴分裂。因此，重組分表面張力較小的物系，宜采用噴射接觸狀態(tài)。同樣，若以表示重

8、組分的摩爾分?jǐn)?shù)，這種物系的，故可稱為負(fù)系統(tǒng)?？傊到y(tǒng)的液滴或液膜的穩(wěn)定性皆好，宜采用泡沫接觸狀態(tài)而不宜采用噴射接觸狀態(tài)；負(fù)系統(tǒng)的液滴或液膜穩(wěn)定性差，宜采用噴射接觸狀態(tài)而不宜采用泡沫接觸狀態(tài)如上所述，泡沫接觸狀態(tài)和噴射狀態(tài)均是優(yōu)良的塔板接觸狀態(tài)。因噴射接觸狀態(tài)的氣速高于泡沫接觸狀態(tài)，故噴射接觸狀態(tài)有較大的生產(chǎn)能力，但噴射狀態(tài)液沫夾帶較多，若控制不好，會破壞傳質(zhì)過程，所以多數(shù)塔均控制在泡沫接觸狀態(tài)下工作。塔板的結(jié)構(gòu)型式： a泡罩塔板 泡罩塔板的操作狀態(tài)和泡罩的基本構(gòu)造如圖55所示。塔板上裝有作為升氣管的短管，升氣管上復(fù)以泡罩，泡罩下緣為鋸齒形開口。但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，尤其是氣體流徑曲折，塔板

9、壓降大、液泛氣速低、生產(chǎn)能力小，在新建的裝置中已很少采用。 b浮閥塔板 浮閥塔板可以說是泡罩塔板的一種改進(jìn)，其取消了升氣管，在塔板開孔的上方安裝可隨氣速變化而升降的閥片。如圖56所示。運(yùn)行時(shí)，氣體通過閥孔將閥片托起并沿水平方向噴出，閥片的開度隨氣量的改變而自動(dòng)變化。氣量小時(shí)它能維持足夠氣速，避免漏液；氣量大時(shí)因閥片開度大而使氣速不致過高從而降低壓降，并能提高液泛氣速。浮閥塔板有生產(chǎn)能力與操作彈性大、板效率高、塔板阻力小、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但浮閥對材料的抗腐蝕性能要求較高，一般采用不銹鋼制造。 c.舌形塔板 舌形塔板是一種噴射型塔板，塔板上沖壓成許多半開的舌形孔，舌葉與板面成一角度，向塔板

10、的溢流出口側(cè)張開，如圖57所示。舌形孔的典型尺寸為：°，R=25mm，A25mm。 當(dāng)氣體通過舌形塔板時(shí)，氣流穿過舌孔，沿舌葉的張角向斜上方以較高速度噴出，強(qiáng)烈擾動(dòng)通過的液體，促進(jìn)了兩相傳質(zhì)。 舌形塔板的結(jié)構(gòu)簡單、不易堵塞。由于塔板上氣液并流流動(dòng)，液體流動(dòng)阻力小，使板上液面落差和逆向混合較小。但對負(fù)荷波動(dòng)的適應(yīng)能力較差，氣相夾帶較嚴(yán)重。為此，已研究出了浮舌塔板和浮動(dòng)噴射塔板，提高了操作彈性。 d篩孔塔板 篩孔塔板簡稱篩板，該板上是許多均勻分布的篩孔。操作時(shí)，上升氣流通過篩孔對液體產(chǎn)生阻滯作用，在板上形成一定厚度的液層，而氣流本身被分散成細(xì)小的流股在板上與液層鼓泡接觸，進(jìn)行傳質(zhì)。篩孔塔

11、板的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉。另外，氣體壓降小、生產(chǎn)能力較大；缺點(diǎn)是操作彈性范圍較窄，小孔篩板易堵塞。e導(dǎo)向篩板 導(dǎo)向篩板對普通篩板上作了如下改進(jìn)：一是在塔板上開設(shè)一定數(shù)量的導(dǎo)向孔，開口方向與液流方向相同；二是增加鼓泡促進(jìn)裝置，即把液流入口處的塔板翹起一定角度，使液體一進(jìn)入塔板就有較好的兩相接觸，如圖所示。改進(jìn)后得到的導(dǎo)向篩板液層鼓泡均勻，液面落差與塔板壓降減少，處理能力增大，傳質(zhì)效率提高。板式塔上流體力學(xué)狀況 盡管塔板形式多樣，但它們所提供的氣液接觸方式卻具有共性。以錯(cuò)流篩板塔為例，介紹塔板上氣液接觸狀態(tài)、漏液、霧沫夾帶、液泛等流體力學(xué)規(guī)律。 a氣液接觸狀態(tài) 塔板上的氣液接觸狀態(tài)與氣體經(jīng)

12、過篩孔的速度（孔速）密切相關(guān)?？姿佥^低時(shí)，氣體穿過孔口后以鼓泡形式通過液層，板上氣液兩相呈鼓泡接觸，如圖59(a)所示。鼓泡接觸時(shí)，氣泡的數(shù)量不多，兩相接觸面的湍動(dòng)程度也不強(qiáng)，故兩相傳質(zhì)的傳質(zhì)面積小，阻力大。操作狀態(tài)稱為泡沫接觸狀態(tài)，如圖59(b)所示。如繼續(xù)增大孔速，氣體將從孔口噴射而出，穿過板上液層時(shí)將液體破碎成液滴拋向上方空間，液滴落到板上時(shí)又匯集成很薄的液層并再次被破碎成液滴拋出。液體由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?，氣體則由分散相變?yōu)檫B續(xù)相。這時(shí)的接觸狀態(tài)稱為噴射接觸狀態(tài)，如圖59（c）所示，工業(yè)上多采用這兩種接觸狀態(tài)。 b漏液 氣體通過篩孔的速度較小時(shí)，氣體通過篩孔的動(dòng)壓不足以阻止板上液體的流下

13、，液體會直接從孔口落下，這種現(xiàn)象稱為漏液。正常操作時(shí)，一般控制漏液量不大于液體流量的10。 c霧沫夾帶 板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象稱為霧沫夾帶。霧沫夾帶量主要與氣速和板間距有關(guān)，其隨氣速的增大和板間距的減小而增加。霧沫夾帶使不同濃度的液體發(fā)生了混合，降低了塔板的提濃作用。為保證傳質(zhì)的正常效果，應(yīng)控制夾帶量不超過0.1kg（液體）kg（干氣體）。d液泛 為使液體能穩(wěn)定地流入下一層塔板，降液管內(nèi)須維持一定高度的液柱。氣速增大，氣體通過塔板的壓降也增大，降液管內(nèi)的液面相應(yīng)地升高；液體流量增加，液體流經(jīng)降液管的阻力增加，相應(yīng)地，降液管液面也升高。降液管中泡沫液體高度超過上層塔板的出口堰，板

14、上液體將無法順利流下，從而導(dǎo)致液流阻塞，造成淹塔，即液泛。液泛是氣液兩相作逆向流動(dòng)時(shí)的操作極限。發(fā)生液泛時(shí)，分散相由原來的氣體變?yōu)橐后w，連續(xù)相由原來的液體變?yōu)闅怏w，塔的正常操作將被破壞，在實(shí)際操作中要避免之。板效率的各種表示方法及其應(yīng)用（1）點(diǎn)效率式中 離開塔板上某點(diǎn)的氣相組成；進(jìn)入第n塊板的氣相組成；與被考察點(diǎn)液相組成x成平衡的氣相組成。為計(jì)算實(shí)際板數(shù)，必須知道離開同一塊實(shí)際塔板的兩相平均組成的關(guān)系。點(diǎn)效率不能滿足此要求。（2）默弗里板效率單板效率 不僅考慮了塔板上兩相之間的接觸狀況，同時(shí)也計(jì)入了塔板上氣液兩相的非理想流動(dòng)，但未考慮塔板間的非理想流動(dòng)，即液沫夾帶和漏夜。、均小于1。一般由試驗(yàn)測定。（3）理論板數(shù)考慮了液沫夾帶的影響即。一般據(jù)修正平衡線的概念，實(shí)驗(yàn)經(jīng)常考（設(shè)各板均相等為0.6，全回流求實(shí)際塔板數(shù)）。（4）全塔效率（設(shè)計(jì)時(shí)最常用）式中 理論板數(shù)； 實(shí)際板數(shù)。P310精餾與吸收關(guān)聯(lián)圖，已出現(xiàn)許多關(guān)聯(lián)式10.1.6提高板效率的措施10.1.6.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響塔板效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)很多，塔徑、板間距、堰高、堰長以及降液管尺寸等對板效率皆有影響，必須按某些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則恰當(dāng)?shù)剡x擇。 （3）填料塔與板式塔的比較工業(yè)上對塔設(shè)備的主要要求有