化工原理下冊第七章-蒸餾與吸收塔設備

第七章蒸餾和吸收塔設備

教學要求

§7-0概述

§7-1板式塔

§7-2填料塔

復習教學要求化工原理蒸餾和吸收塔設備2/37重點：板式塔與填料塔的特點，塔設備的選用與設計原則。覆蓋內容：塔設備的性能參數(shù)；典型塔板的結構特點及分類，塔板上的流體力學特性，正常與非正常操作情況及調節(jié)；板式塔的設計原則及步驟；填料及填料塔的結構特點，填料塔的流體力學特性，填料塔的設計原則及步驟；板式塔與填料塔的比較，塔的選用原則?！?-0概述化工原理蒸餾和吸收塔設備3/37氣液傳質設備的基本功能

提供氣液傳質場所有效分離氣液兩相氣液傳質設備的分類

連續(xù)（微分）接觸式（填料塔）、逐級接觸式（板式塔）性能評價指標通量——生產(chǎn)能力分離效率適應能力——操作彈性4§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設備5/37一板式塔的結構

按塔內氣、液流動的方式分類泡罩塔

篩板塔

浮閥塔

噴射塔二性能評價錯流塔板、逆流塔板三按塔板類型分類處理能力板效率塔板壓降§7-1-1塔板類型化工原理蒸餾和吸收塔設備6/37液相降液管堰氣相液相氣相逆流塔板優(yōu)點：結構簡單，無液面差，充分利用板面，生產(chǎn)能力較大；缺點：板效率及操作彈性不及溢流塔板。應用范圍小，常見的板型有篩孔式、柵板式、波紋板式等。錯流式塔板(溢流塔板)液體流動板間板上氣體流動溢流堰進口堰特點：獲得較高的板效率，但降液管將占去塔板的傳質有效面積，影響塔的生產(chǎn)能力?！?-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設備7/37

泡罩塔的結構主要元件：升氣管、泡罩，泡罩安裝在升氣管頂部，泡罩底緣開有若干齒縫浸入在板上液層中，升氣管頂部應高于泡罩齒縫的上沿，以防止液體從中漏下。特點：優(yōu)點：操作穩(wěn)定，不會產(chǎn)生嚴重的漏液現(xiàn)象，故彈性大。缺點：結構復雜，造價高，塔板壓降大，生產(chǎn)強度低。泡罩塔§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設備8/37浮閥塔

浮閥的結構形式：圓形、方形、條形及傘形F-1型V-4型A型方形浮閥十字架型安裝特點：閥孔浮閥最小開度最大開度閥片開啟高度與操作氣速的關系§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設備9/37

優(yōu)點：結構簡單、造價低，生產(chǎn)能力大，操作彈性大，塔板效率較高。

缺點：處理易結焦、高粘度的物料時，閥片易與塔板粘結；在操作過程中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。幾種新型浮閥塔板雙流噴射浮閥塔板導向浮閥塔盤

§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設備10/37篩板塔結構特點：結構簡單，造價低廉，塔板阻力小。垂直篩板結構兩相流動特點：提供更大的不斷更新的接觸表面，強化傳質過程；氣液由水平方向噴出，液滴在垂直方向的初速度為零，降低了液沫夾帶量，垂直篩板可獲得較高的塔板效率和較大的生產(chǎn)能力。§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設備11/37結構噴射型塔板——舌形塔板優(yōu)點：避免返混、液面落差小，塔板壓降較??；氣流方向近于水平；液沫夾帶量較小，可達較高的生產(chǎn)能力。缺點：張角固定，可導致塔板漏液嚴重；操作彈性?。话逍瘦^低。噴射型塔板——浮舌塔板結構特點：處理能力大、壓降低、操作彈性大等優(yōu)點，特別適宜于熱敏性物系的減壓分離過程。

§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設備12/37§7-1-2板式塔的流體力學性能一塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)

氣液兩相的接觸狀態(tài)是決定板上兩相流流體力學及傳質和傳熱規(guī)律的重要因素。蜂窩狀態(tài)

氣泡的形成速度大于氣泡的浮升速度，氣泡在液層中累積。氣泡之間相互碰撞，形成各種多面體的大氣泡，板上是以氣體為主的氣液混合物。氣泡不易破裂，表面得不到更新，此種狀態(tài)不利于傳熱和傳質。鼓泡狀態(tài)

氣液兩相接觸的表面積不大，傳質效率很低?！?-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設備13/37泡沫狀態(tài)

泡沫接觸狀態(tài)的表面積大，不斷更新，為兩相傳熱與傳質提供了良好的條件，是一種較好的接觸狀態(tài)。噴射狀態(tài)

氣體為連續(xù)相，液體為分散相，兩相傳質的面積是液滴的外表面。液滴的反復形成和聚集，使傳質面積增加，表面不斷更新，有利于傳質與傳熱進行，是一種較好的接觸狀態(tài)。二氣體通過塔板的壓降總壓降包括干板壓降、靜壓強及液體表面張力引起的壓降影響因素壓降與效率§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設備14/37三塔板上的液面落差

流體阻力與液面落差塔板結構與液面落差改善措施：單溢→雙溢流或階梯溢流四塔板上的異常操作現(xiàn)象

漏液、液泛和液沫夾帶等，應盡量避免異常操作現(xiàn)象的出現(xiàn)。五塔板的負荷性能圖通常由五條線組成：漏液線（1）液沫夾帶線（2）液相負荷下限線（3）液相負荷上限線（4）液泛線（5）§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設備15/37六．板式塔的操作分析五條線所包圍的區(qū)域稱為塔板的適宜操作區(qū)。操作點——A操作線——OA操作彈性——Vmax/Vmin設計時，應使操作點盡可能位于適宜操作區(qū)的中央，若操作點緊靠某一條邊界線，則負荷稍有波動，塔的正常操作即被破壞?！?-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設備16/37§7-1-3板式塔的工藝設計設計分析根據(jù)設計任務和工藝要求，確定設計方案根據(jù)設計任務和工藝要求，選擇塔板類型確定塔高和塔徑塔板的結構設計：溢流裝置、塔板布置、升氣道設計及排列流體力學驗算負荷性能圖§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備17/37填料塔塔體填料塔內件——填料支承與壓緊裝置、液體與氣體分布器、液體再分布器以及氣體除沫器操作原理§7-2-1填料塔的結構與特點§7-2-2

填料一填料特性：比表面積

σ

空隙率

填料因子

(σ/3)——表示填料的流體的流體力學性能。二填料類型散裝填料和規(guī)整填料18拉西環(huán)鮑爾環(huán)階梯環(huán)環(huán)19板波紋絲網(wǎng)波紋鞍形環(huán)槽式液體分布器§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備20/371散裝填料

拉西環(huán)填料優(yōu)點：易于制造，價格低廉，研究較為充分。缺點：高徑比大，易形成線接觸，存在嚴重的溝流和壁流現(xiàn)象。且拉西環(huán)填料的內表面潤濕率較低，改進：衍生的θ環(huán)、十字環(huán)及螺旋環(huán)等。

鮑爾環(huán)（Pallring）填料金屬鮑爾環(huán)填料塑料鮑爾環(huán)填料改型鮑爾環(huán)填料§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備21/37

階梯環(huán)填料金屬階梯環(huán)填料塑料階梯環(huán)

鞍形(Berlsaddle)填料——矩鞍、弧鞍、金屬鞍換優(yōu)點：空隙率高，氣體阻力小，液體分布性能較好。缺點：相鄰填料易套疊?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備22/372規(guī)整填料格柵填料

格柵填料優(yōu)點：格柵填料層整體性好，空隙率高。缺點：但比表面積較低。

波紋填料

金屬絲網(wǎng)波紋填料按結構——網(wǎng)波紋填料和板波紋填料按材質——金屬、塑料、陶瓷等§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備23/37金屬壓延孔板波紋填料金屬孔板波紋填料各種陶瓷規(guī)整填料脈沖填料

特點:處理量大，壓降小，是真空精餾的理想填料。因其優(yōu)良的液體分布性能使放大效應減少，故特別適用于大塔徑的場合。§7-2填料塔填料名稱評估值語言值排序絲網(wǎng)波紋填料0.86很好1孔板波紋填料0.61相當好2金屬Intalox0.59相當好3金屬鞍形環(huán)0.57相當好4金屬階梯環(huán)0.53一般好5金屬鮑爾環(huán)0.51一般好6瓷Intalox0.41較好7瓷鞍形環(huán)0.38略好8瓷拉西環(huán)0.36略好924/37§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備25/37包括持液量、壓降、液泛、填料表面的潤濕及返混等。一氣體通過填料層的壓強降壓降與氣速的關系——L=0、L≠0的情況載點、泛點恒持液量區(qū)、載液區(qū)、液泛區(qū)持液量載液區(qū)高液量低液量CC’BB’AA’L=0L1L2lgulgp載點氣速液泛氣速§7-2-3填料塔的流體力學性能§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備26/37壓降：在一定的液體噴淋密度下，填料持液量與氣速無關，氣體壓降與氣速的關系為直線且基本與L=0的直線平行。載液和液泛對傳質的影響：載點(B)后，持液量，氣液相互作用，相界面積，湍動增強，傳質過程，填料效率

(HETP)；P點后，液沫夾帶量，液相返混可導致填料效率，(HETP)。填料塔的操作控制在偏離泛點一定距離的載液區(qū)內，可得到較高的傳質效率，填料層的壓降也不會過大。lgu高液量低液量載點線lgLPB泛點C載液區(qū)空塔氣速

u等板高度HETP§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備27/37壓降對填料塔操作的可靠性和經(jīng)濟性有著決定性的影響；選擇填料和確定塔徑時，不同系統(tǒng)應控制的壓降范圍不同。吸收（mmH2O/m）蒸餾（mmH2O/m）系統(tǒng)不起泡系統(tǒng)起泡常壓或加壓真空20~358~2035~658~35壓降——表面摩擦阻力、形體阻力影響因素：填料特性(幾何形狀、比表面積、等)，流體物性(、等)、操作條件(氣液流量、T等)。由各種經(jīng)驗關聯(lián)式或關聯(lián)圖進行估算。二壓降與氣速的關聯(lián)圖§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備28/37?？颂?Eckert)壓降通用關聯(lián)圖GG,GL：kg/(m2.s)；u

：m/s；L

：mPa.s；V,L：kg/m3；WG,WL：kg/s；ф：濕填料因子(泛點填料因子)，1/m；g：重力加速度9.81m/s2；Vs,Ls：m3/s；：液體密度校正系數(shù)(水與液相密度之比=/L)

。橫坐標：縱坐標：§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備29/37適用范圍：亂堆填料(Randompackings)最上方的三條線分別為弦柵、整砌拉西環(huán)及亂堆填料的泛點線。其余為亂堆填料的等壓降線。§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備30/37三、液泛與泛點氣速防止液泛：u0max<0.95uF，設計點時取u0=0.5~0.8uF。故正確估算泛點氣速對填料塔的設計和操作都十分重要。填料的種類，物系的物性以及氣、液相負荷等因素對泛點都有一定的影響。泛點氣速的估算式通常仍是借助于實驗數(shù)據(jù)所得的各種經(jīng)驗關聯(lián)式或關聯(lián)圖。對于散裝填料，目前廣泛采用埃克特(Eckert)壓降和氣速通用關聯(lián)圖中的泛點曲線。規(guī)整填料有類似的泛點實驗關聯(lián)圖，可參考有關文獻。根據(jù)兩相流動參數(shù)即可由埃克特(Eckert)關聯(lián)圖中的泛點線查縱坐標值，若填料因子已知，即可求得泛點氣速。

31四、填料塔的附件（一）支承板（二）液體分布器32管式管式槽式蓮蓬頭式盤式盤式§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備33/37§7-2-4填料塔的內件填料支承裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。一填料支承裝置作用：支承填料要求：機械強度、自由面積§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備34/37二填料壓緊裝置作用：防止填料層的松動和跳動。分類：填料壓板和床層限制板填料壓板：自由放置于填料層上端，靠自身重量將填料壓緊。它適用于陶瓷、石墨等制成的易發(fā)生破碎的散裝填料。床層限制板：用于金屬、塑料等制成的不易發(fā)生破碎的散裝填料及所有規(guī)整填料。床層限制板要固定在塔壁上，為不影響液體分布器的安裝和使用，不能采用連續(xù)的塔圈固定，對于小塔可用螺釘固定于塔壁，而大塔則用支耳固定。§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備35/37三液體分布裝置

液體分布裝置的種類多樣，有噴頭式、盤式、管式、槽式及槽盤式等。

噴頭式分布器：液體由半球形噴頭的小孔噴出，小孔直徑為3～10mm，作同心圈排列，噴灑角≤80°，直徑為(1/3~1/5)D。這種分布器結構簡單，只適用于直徑小于600mm的塔中。因小孔容易堵塞，一般應用較少?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備36/37盤式分布器——篩孔型分布器、盤式溢流管式分布器等。分布盤直徑為塔徑的0.6～0.8倍，適用于D<800mm的塔?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備37/37管式分布器:由不同結構形式的開孔管制成，有排管式、環(huán)管式等不同形狀。。特點：結構簡單，供氣體流過的自由截面大，阻力小。缺點：小孔易堵塞，彈性一般較小。應用：由于液體分布性能優(yōu)越，適合于較多噴淋點和較低液體負荷的場合；要求物料中無固體顆粒，在立管進料口應設有過濾網(wǎng)；列管式液體分布器操作彈性好；在高操作彈性的場合，可采用雙排管式液體分布器；適合大、中、小型塔中采用?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備38/37槽式液體分布器:通常由分流槽（主槽或一級槽）、分布槽（副槽或二級槽）構成的。分布槽的槽底（或槽壁）上設有孔道（或導管），將液體均勻分布于填料層上。具有較大的操作彈性和極好的抗污堵性，適合于大氣液負荷及含有固體懸浮物、粘度大的液體的分離場合。由于槽式分布器具有優(yōu)良的分布性能和抗污堵性能，應用范圍非常廣泛?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設備39/37壁流：液體沿