第07章气液传质设备

过程工程原理第七章气液传质设备主讲教师：程明南京工业大学本科系列课程电气工程与控制科学学院2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple2教学内容板式塔气液传质设备概述填料塔2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple3气液传质设备概述气液传质设备的功能1、气液传质设备的基本功能：（2）在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。为获得最大的传质速率，气液传质设备应该满足两条基本原则。（1）气液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，减小传质阻力；2、气液传质设备分类：（1）连续（微分）接触式（填料塔）；（2）逐级接触式（板式塔）。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple4气液传质设备概述气液传质设备的功能填料塔：在圆柱形壳体内装填一定高度的填料，液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出；气体则在压强差推动下穿过填料层的空隙，由塔的一端流向另一端。气液在填料表面接触进行质、热交换，两相的组成沿塔高连续变化。溶剂气体图7－1填料塔示意图2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple5气液传质设备概述气液传质设备的功能图7－3散装填料塑料鲍尔环填料图7－2规整填料塑料丝网波纹填料2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple6气液传质设备概述气液传质设备的功能板式塔：在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层；气体则在压强差的推动下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。溶剂气体图7－4板式塔示意图2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple7气液传质设备概述气液传质设备的功能图7－5DJ塔盘图7－6新型塔板、填料2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple8气液传质设备概述评价设备性能的指标1、填料塔和板式塔的主要对比板式塔填料塔压降较大小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整填料较小空塔气速较大小尺寸填料较小；大尺寸填料及规整填料较大塔效率较稳定，效率较高传统填料低；新型乱堆及规整填料高持液量较大较小液气比适应范围较大对液量有一定要求安装检修较易较难材质常用金属材料金属及非金属材料均可造价大直径时较低新型填料投资较大2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple9气液传质设备概述评价设备性能的指标2、塔型选择塔径在0.6～0.7米以上的塔，过去一般优先选用板式塔。随着低压降高效率轻材质填料的开发，大塔也开始采用各种新型填料作为传质构件，显示了明显的优越性。塔型选择主要需考虑以下几个方面的基本性能指标：（1）生产能力即为单位时间单位塔截面上的处理量。（2）分离效率对板式塔指每层塔板的分离程度；对填料塔指单位高度填料层所达到的分离程度；2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple10气液传质设备概述评价设备性能的指标（3）操作弹性指在负荷波动时维持操作稳定且保持较高分离效率的能力，通常以最大气速负荷与最小气速负荷之比表示；（5）结构繁简及制造成本。（4）压强降指气相通过每层塔板或单位高度填料的压强降；2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple11板式塔塔板类型塔板是板式塔的基本构件，决定塔的性能。溢流塔板(错流式塔板)：液相降液管堰气相图7－7溢流塔板(错流式塔板)：塔板间有专供液体溢流的降液管(溢流管)，横向流过塔板的流体与由下而上穿过塔板的气体呈错流或并流流动。板上液体的流径与液层的高度可通过适当安排降液管的位置及堰的高度给予控制，从而可获得较高的板效率，但降液管将占去塔板的传质有效面积，影响塔的生产能力。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple12板式塔塔板类型溢流式塔板应用很广，按塔板的具体结构形式可分为：泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、网孔塔板、舌形塔板等。塔板间没有降液管，气、液两相同时由塔板上的孔道或缝隙逆向穿流而过，板上液层高度靠气体速度维持。逆流塔板（穿流式塔板）：液相气相图7－8逆流塔板(穿流式塔板)：优点：塔板结构简单，板上无液面差，板面充分利用，生产能力较大；缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple13板式塔塔板类型与溢流式塔板相比，逆流式塔板应用范围小得多，常见的板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。1、泡罩塔板（Bubble-capTray）图7－9泡罩塔板在工业上最早（1813年）应用的一种塔板，其主要元件由升气管和泡罩构成，泡罩安装在升气管顶部，泡罩底缘开有若干齿缝浸入在板上液层中，升气管顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple14板式塔塔板类型液体横向通过塔板经溢流堰流入降液管，气体沿升气管上升折流经泡罩齿缝分散进入液层，形成两相混合的鼓泡区。优点：操作稳定，升气管使泡罩塔板低气速下也不致产生严重的漏液现象，故弹性大。缺点：结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低。2、筛孔塔板（SieveTray）筛孔塔板即筛板出现也较早（1830年），是结构最简单的一种板型。但由于早期对其性能认识不足，为易漏液、操作弹性小、难以稳定操作等问题所困，使用受到极大限制。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple15板式塔塔板类型1950年后开始对筛孔塔板进行较系统全面的研究，从理论和实践上较好地解决了有关筛板效率，流体力学性能以及塔板漏液等问题，获得了成熟的使用经验和设计方法，使之逐渐成为应用最广的塔板类型之一。图7－10筛孔塔板3、浮阀塔板（ValveTray）自1950年代问世后，很快在石油、化工行业得到推广，至今仍为应用最广的一种塔板。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple16板式塔塔板类型图7－11几种浮阀塔板型式2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple17板式塔塔板类型结构：以泡罩塔板和筛孔塔板为基础基础。有多种浮阀形式，但基本结构特点相似，即在塔板上按一定的排列开若干孔，孔的上方安置可以在孔轴线方向上下浮动的阀片。阀片可随上升气量的变化而自动调节开启度。在低气量时，开度小；气量大时，阀片自动上升，开度增大。因此，气量变化时，通过阀片周边流道进入液体层的气速较稳定。同时，气体水平进入液层也强化了气液接触传质。优点：结构简单，生产能力和操作弹性大，板效率高。综合性能较优异。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple18板式塔塔板类型F1型浮阀结构简单，易于制造，应用最普遍，为定型产品。阀片带有三条腿，插入阀孔后将各腿底脚外翻90°，用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度；阀片周边有三块略向下弯的定距片，以保证阀片的最小开启高度。F1型浮阀分轻阀和重阀。轻阀塔板漏液稍严重，除真空操作时选用外，一般均采用重阀。4、JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板JetCo-flowValveTray）结构：阀笼与塔板固定，阀片在阀笼内上下浮动。将单一鼓泡传质，变为双流传质，一部分为鼓泡、另一部分为喷射湍动传质，使塔的分离效率和生产能力都大大提高。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple19板式塔塔板类型JCV浮阀普通型JCV浮阀与塔板固定方法图7－12JVC浮阀型式特点：结构简单、阀片开启灵活、高效、高通量、寿命长、耐堵塞。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple20板式塔塔板类型低负荷下阀片工作状态JCV浮阀塔板效率曲线低负荷下阀片工作状态中负荷下阀片工作状态高负荷下阀片工作状态图7－13JVC浮阀阀片的工作状态2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple21板式塔塔板类型图7－14JVC浮阀阀片图7－15JVC浮阀塔板效率图2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple22板式塔塔板类型低负荷下阀片工作状态图7－172400JCV浮阀塔板图7－161800JCV浮阀塔板2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple23板式塔塔板类型5、JCPT塔板（并流喷射填料塔板JetCo-flowPackingTray）图7－18JCPT塔板与普通塔板在传质机理上的区别：它是填料与塔板的复合体，靠填料实现传质，靠塔板实现多级并流。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple24板式塔塔板类型塔板上的液体通过提液管与塔板之间的间隙被气体提升，气液并流通过提液管，在提液管内高速湍动混合、传质，然后气液并流进入填料中进一步强化传质，并完成气液分离。气体靠压差继续上升，进入上一层塔板；液体基本以清液的形式回落到塔板上，沿流道进入降液管，下降到下一层塔板。图7－19JCPT塔板12015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple25板式塔塔板类型图7－20JCPT塔板2图7－21JCPT塔板36、舌形塔板一种斜喷射型塔板。结构简单，在塔板上冲出若干按一定排列的舌形孔，舌片向上张角以20°左右为宜。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple26板式塔塔板类型20=o50气相图7－22舌形塔板优点：气流由舌片喷出并带动液体沿同方向流动。气液并流避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。气流方向近于水平。相同的液气比下，舌形塔板的液沫夹带量较小，故可达较高的生产能力。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple27板式塔塔板类型缺点：张角固定，在气量较小时，经舌孔喷射的气速低，塔板漏液严重，操作弹性小。液体在同一方向上加速，有可能使液体在板上的停留时间太短、液层太薄，板效率降低。7、浮舌塔板为使舌形塔板适应低负荷生产，提高操作弹性，研制出了可变气道截面（类似于浮阀塔板）的浮舌塔板。1983731o20图7－23浮舌塔板2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple28板式塔塔板类型8、斜孔塔板降液管a斜孔结构b塔板布置受液区导向孔7－24斜孔塔板在舌形塔板上发展的斜孔塔板，斜孔的开口方向与液流垂直且相邻两排开孔方向相反，既保留了气体水平喷出、气液高度湍动的优点，又避免了液体连续加速，可维持板上均匀的低液面，从而既能获得大的生产能力，又能达到好的传质效果。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple29板式塔塔板类型9、网孔塔板挡沫板塔板AA降液管A-A剖视图受液盘7－25网孔塔板网孔塔板由冲有倾斜开孔的薄板制成，具有舌形塔板的特点。这种塔板上装有倾斜的挡沫板，其作用是避免液体被直接吹过塔板，并提供气液分离和气液接触的表面。网孔塔板具有生产能力大，压降低，加工制造容易的特点。2015年11月13日星期五ProcessEngineeringPrinciple30板式塔塔板类型10、垂直筛板7－26垂直筛板在塔板上开按一定排列的若干大孔(直径100～200mm)，孔上设置侧壁开有许多筛孔的泡罩，泡罩底边留有间隙供液体进入罩内。气