马后炮培训微课堂-气液传质设备

气液传质设备(MassTransferEquipments)气液传质设备主要内容第一节概述第二节板式塔第三节填料塔第四节填料塔与板式塔的比较第一节概述（Introduction）一、气、液传质设备(塔设备)的作用基本作用有两个：⒈提供气、液两相充分接触的场所，使传热、传质两种传递过程能够迅速有效地进行；⒉使接触后的汽液两相及时分开，互不夹带。二、塔设备的分类板式塔填料塔第一节概述（Introduction）三、评价塔设备的基本性能指标1.生产能力：单位塔截面单位时间的处理量2.分离效率：板式塔：每层塔板的分离程度填料塔：单位高度填料层所能达到的分离程度3.操作弹性：塔的最大处理量与最小处理量之比4.流动阻力：主要指气相阻力第一节概述（Introduction）一、塔板类型（二）有溢流塔板（溢流型塔板）特点：气液相有各自的通道，相对比较稳定，便于操作，技术上也比较成熟，所以目前的塔设备多采用这种方式。（一）无溢流塔板（穿流型塔板）特点：气液相有共同的通道，汽液两相逆流，传质推动力最大，但由于这种塔板不稳定，现在在现场很少使用。第二节板式塔Plate(tray)tower1.泡罩塔板（Bubble-capTray）第二节板式塔Plate(tray)tower气相鼓泡元件：泡罩（泡帽）第二节板式塔Plate(tray)tower泡罩塔缺点：生产能力小、结构复杂，造价高、压降大、效率低。优点：操作弹性大，操作稳定，不易堵塞。第二节板式塔Plate(tray)tower2.浮阀塔板自二十世纪五十年代问世后，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。特点：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。第二节板式塔Plate(tray)tower①F1型浮阀第二节板式塔Plate(tray)tower第二节板式塔Plate(tray)tower②十字架型浮阀第二节板式塔Plate(tray)tower③HTV(HalfTubeValve)型浮阀第二节板式塔Plate(tray)tower3.筛孔塔板（SieveTray）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。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。第二节板式塔Plate(tray)tower20=ao50气相4.舌型塔板第二节板式塔Plate(tray)tower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。舌型塔板特点：优点：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。第二节板式塔Plate(tray)tower浮舌塔板浮阀塔板的最新进展由于浮阀塔板的气体流通面积能随气体负荷变动自动调节,因而能在较宽的气体负荷下保持稳定操作;同时气液接触时间长,雾沫夹带少,具有良好的操作弹性和较高的塔板效率,在工业中得到了较为广泛地应用。下面重点介绍一下浮阀塔板的最新进展。F1型浮阀塔板依然存在着不足:(1)浮阀阀盖上方无鼓泡区,其上方气液接触状况较差,造成塔板传质效率降低;(2)塔板上液面梯度较大,气体在液体流动方向上分布不均匀;(3)从阀孔出来的气体向四周吹出,导致塔板上液体返混程度较大;(4)在操作中,浮阀和阀孔易被磨损,浮阀易脱落。ＡＤＶ微分浮阀ＡＤＶ微分浮阀如图所示。该浮阀在阀盖上开小阀孔,充分利用浮阀上部的传质空间,使气体分散更细密均匀,气液接触更充分，提高了气液分布的均匀度;阀脚采用新的结构设计,使浮阀安装快捷方便,操作时浮阀不易旋转,不会脱落。与Ｆ1型浮阀相比,微分浮阀的塔板效率提高了10%～20%,塔板处理能力提高约40%。高效锥形浮阀高效锥形浮阀如图所示。它的特点在于:在锥体的正底部和腰部钻4个合适尺寸的小孔,运行中气流沿小孔均匀喷出,一方面给阀体一个向上的提升力,减少塔板的压力降;另一方面改善气液接触,消除Ｆ1浮阀阀盖上部的液体滞留区,优化传质作用;导流锥和小孔的共同作用,使气流均匀顺畅地沿阀体四周流出,避免了浮阀的磨损、脱落、卡死等现象的发生。导向圆浮阀如图所示，导向圆浮阀在阀盖上开设导向孔,增大了气体通道的有效面积,气体分布较为均匀,有效地降低了气速,减少了雾沫夹带量,同时降低了液面梯度和塔板压力降,提高了传质效果。另外,它同时在阀孔内设置槽孔,避免了阀体的旋转、磨损、脱落。与Ｆ1型浮阀相比,塔板压降降低了100～200Ｐａ,处理能力提高15%～35%,塔板效率提高10%～20%。条形浮阀条形浮阀的特点为:条形浮阀不会旋转,因而不易磨损,阀片不会卡死、脱落;由于条形浮阀的气体从两侧喷出,不像圆形浮阀从四周喷出,所以塔板上的液体返混小于圆形类浮阀塔板,效率相对较高;可以排出较圆孔形更大的开孔率,从而提高处理能力。条形浮阀存在的不足①与传统圆形浮阀类似,阀盖上方无鼓泡区,造成塔板传质效率降低;②液面落差较大③长条形阀孔的四个锐角会形成严重的应力集中,易引起塔板的机械损坏。因此近年来国内不仅对条形浮阀的性能进行大量研究,还针对条形浮阀的不足,开发出多种形式的条形浮阀。JF复合浮阀塔板如图所示,ＪＦ复合浮阀塔板在条形浮阀的阀盖上开孔，开孔方向朝着降液管，使阀盖上的气、液两相并流,气相推动液相流动,液面梯度及塔板压降减小,通量增大。解决了传统浮阀上端存在传质死区的不足,板效率大大提高。导流浮阀塔板洛阳石油化工工程公司设备研究所开发的导流浮阀塔板，在浮阀的前阀腿上开孔,如图所示。气流在水平通过阀体两侧的同时,增加一个向前吹出的气流动力,导引液体向前流动有利于克服液体滞流与返混现象,减小液面落差,这对于降低塔板压降和提高塔板效率都有积极作用。该导流浮阀的塔板压降较Ｆ1浮阀平均降低约200～250Ｐａ,塔板泄漏约低10%,塔板效率提高约10%。梯形导向浮阀梯形导向浮阀如图所示。阀盖呈梯形,推动液体在塔板上流动,另外又在阀盖上开设导向孔,增大阀体的整体导向作用。另外还有箭形浮阀,如图所示,这种浮阀在具有导向作用的箭形阀盖上冲出导气孔或设置浮阀,提高了传质效率。齿边浮阀浮阀阀面侧边的形状为向下折的齿形边,使气体流出浮阀侧孔时被分割成许多股小气流,从而增大气液接触面积,提高塔板传质效率;齿形边向下弯曲后,通过浮阀时一部分气体碰到齿形边后以斜向下的方向喷入浮阀间液层,而另一部分气体则通过齿间的空隙以斜向上的方向喷入浮阀上部液层,使得浮阀间及浮阀上部液层的局部气含率趋于一致,提高操作稳定性;浮阀阀面中心具有向下凹的楔形槽,可以降低气体通过浮阀的阻力;在背液阀腿上设置有导向孔,可以减小塔板上的液面梯度,并消除塔板上的液体滞流区。这是一种综合性能良好的浮阀。齿边浮阀BVT浮阀在ＨＴＶ船形浮阀塔板的基础上,石油大学又开发出一种对液体有导向作用、低压降的ＢＶＴ塔板,如图所示。ＢＶＴ(ＢｕｔｔｅｒｆｌｙＶａｌｖｅＴｒａｙ)浮阀将ＨTＶ浮阀等半径的半圆管形改为前端小、后端大的半锥形结构,并在大端开有舌形导向孔。舌孔和阀孔中吹出的气体对液体具有双重的向前推动力,在相当程度上减小了液面梯度,减少板面上的积液,不同程度上消除了液体滞留区,从而提高了传质效率,塔板压降也相应减小。BVT浮阀塔板作为HTV浮阀塔板的一种发展改型,经过几个工业塔的成功应用表明:该塔板在实际应用中安装方便,操作灵活,在保持产品质量合格的基础上,增大了处理量,油品分割效果和轻油收率得到提高,具有广泛的应用前景。该浮阀采用Ｕ形带翼结构,阀体侧翼开孔和开缝,提高塔板气液接触均匀性,防止浮阀结焦和结垢沉积。试验操作表明,该塔板操作灵活,浮阀活动自如,同时阀翼开缝对阀体有优良的自清洗作用,但雾沫夹带略大。二、塔板的结构1.塔板的分区鼓泡区：气液两相传热、传质降液区：液体通道，小气泡聚合成大气泡再返回受液区：接受降液管的液体安定区：减少降液管气泡夹带量边缘区：支撑塔板及塔板上液体第二节板式塔Plate(tray)tower2.主要构件气体通道鼓泡元件：形成气液两相传热传质的主要构件，型式有筛板型、泡罩型、浮阀型、喷射型等等降液管溢流堰受液盘第二节板式塔Plate(tray)tower(1)降液管作用：液体通道，让液体在其中停留一段时间，使液体所夹带的汽泡有充分的时间得以从液体中溢出。型式：弓形、圆形、矩形；圆形弓形矩形液体通道第二节板式塔Plate(tray)tower(2)受液盘作用：接受由降液管下来的液体，缓冲液体流下时的冲击作用，稳定塔板上液体的流动状态，以确保传质过程的稳定进行。型式：平形、凹形平形凹形第二节板式塔Plate(tray)tower(3)溢流堰（出口堰）作用：维持塔板上有一定的液面高度，以确保传质过程的顺利进行，再者将降液管出口封在液面以下，以免汽体短路从降液管中上升，影响传质过程的进行。形式：平形、齿形平形齿形第二节板式塔Plate(tray)tower(4)溢流型式单溢流双溢流U型溢流第二节板式塔Plate(tray)tower1.塔板压降计算公式：hhhhlCP=其中：hp－塔板压降m液柱hC－干板压降m液柱hl－气体通过板上液层压降m液柱hσ－气体克服液体表面张力产生压降m液柱三、板式塔的流体力学特性第二节板式塔Plate(tray)tower(1)干板压降hC：气体通过阀孔及阀件的阻力所产生的压降，随气速提高而增加。对不同的塔板有不同的经验公式计算。对F1型重阀（33g）：阀全开前：阀全开后：（m液柱）（m液柱）Lcuh175.009.19=guhLVc234.520=第二节板式塔Plate(tray)tower为判断浮阀是否全开，引入动能因数的概念。VuF=动能因数F计算公式：动能因数是衡量气体流动时动压大小的指标。阀孔动能因数F0的计算公式：VuF00=对F1型重阀，F0＝8～11时阀全开。第二节板式塔Plate(tray)tower(2)气体通过板上液层压降hl：对F1型重阀：32336001035.24.0=wswllLhh式中：Ls──液体体积流量m3/hhw──溢流堰高mlw──溢流堰长m第二节板式塔Plate(tray)tower(3)克服液体表面张力产生压降hσ:ghhLol2=计算公式：式中：σl──液体表面张力N/mho──阀的最大开度mρL──液体密度kg/m3第二节板式塔Plate(tray)tower2.堰上清液层高度hl3200284.0=whllLkh式中：k──收缩系数，对通常物系，k=1Lh──液体体积流量m3/h平口堰计算公式：第二节板式塔Plate(tray)tower3.漏液要求：正常操作时，泄漏量不大于塔板上液体流量的10%。判据：阀孔动能因数F0对F1型重阀，F0＝5～6时泄漏量已接近10％，因此要求F0≥5～6。第二节板式塔Plate(tray)tower第二节板式塔Plate(tray)tower4.降液管内液面高度及液体停留时间为防止发生液泛及使气泡分离完全，对降液管内液面高度和液体在降液管内的停留时间有一定的要求0.40.6dTwHHh防止淹塔的限制条件：flwLdhhhgpH=fLlwLdhgphhgpH=21)(第二节板式塔Plate(tray)towerflwLdhhhgpH=降液管内液体停留时间θLAHdd=式中：Ad──降液管面积m2Hd──板间距mL──液体流量m3/s要求：θ≥3～5s计算公式：第二节板式塔Plate(tray)tower5.雾沫夹带要求：雾