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传质设备（简介）传质过程常用的设备是塔设备，塔设备主要分为填料塔和板式塔。在塔设备中，填料或塔板提供物流间充分接触的机会和强烈的湍动条件，使传质良好地进行。工业生产中对塔设备的基本要求主要有如下几方面：1.有大的生产能力，即单位塔截面能允许处理的物料量大；2.有高的传质效率，使达到规定分离要求的塔高降低；3.操作易于稳定，并要求当物流流量在相当范围内变化时不致引起传质效率显著的变动；4.对物流（常指气相）的阻力要小，以适合减压操作（如真空蒸馏）或节约动力的要求；5.结构简单，易于加工制造，维修方便，节省材料，并能耐蚀和不易堵塞等。填料塔填料塔是进行吸收操作时常选用的设备，尤其是当需用塔径小于1m时，因难于采用板式塔而只能选用填料塔。填料塔中装有相当高度的填料层，在塔中气流和液流常为逆流流动，液体从塔顶喷洒后沿填料表面呈薄膜向下流动，气体由下向上与液膜接触而进行传质。气体和液体的组成沿塔高连续地变化。填料塔的优点是结构简单，塔内持液量较小，气体流动的压力降比较小，便于选用耐腐蚀填料。填料塔主要由塔体、填料、填料支承板、中间再分布器和气液进出口管所组成。填料填料的选择对于填料塔的操作情况和效率有密切的关系。选用填料要考虑到以下条件：1.单位体积有大的表面积，即大比表面积，并要求填料表面易被吸收剂润湿，使之能在吸收时形成充分的有效接触面；2.有较大的空隙率（单位体积填料所具有的空隙体积，也称为自由空间），以使气体流动时有较小的阻力，即塔中压降较小；3.填料要求重量轻而有较大的机械强度，很多场合下并要求能耐腐蚀；4.价廉易得。各种填料反映出来的性能不同，其特性数据有下列几种：填料个数n比表面积atm2/m3空隙率ε空隙率指干塔状态时单位体积填料所具有的空隙体积m3/m3。在操作时由于填料壁上附有一层液体，故实际的空隙率小于上述的空隙率。一般说来，填料所具有的空隙率较大时，汽液阻力较小，流通能力较大，塔的操作弹性范围较宽。不能根据空隙率一项指标的大小评价填料的优劣。干填料因子及填料因子比表面积和空隙率两个填料特性所组成的复合量称为干填料因子。气体通过干填料层的流动特性往往用干填料因子来关联。在有液体喷淋的填料上，部分空隙被液体所占据，空隙率有所减小，比表面积也会发生变化，因而提出了一个相应的湿填料因子，简称为填料因子Ф，用来关联堆填料层内两相流动的影响。填料因子需由实验测定。3ta液泛速度当填料塔内有液体喷淋时，由于表面张力作用，液体将使填料的内外表面润湿，形成一层液膜，占据一部分空隙。当气体逆流流动时，液膜使气体流道截面减小，提高了气体在填料床层内的实际流速；同时，由于液体在塔顶喷淋，从上往下流动，气体从塔底进入，从下往上流动，气液两相在同一流道内流过，气体对液体产生一部分曳力，阻碍液体往下流动，使液膜增厚；气液界面的状态，如液膜因气流吹击引起的波纹和漩涡，也增大了界面的阻力。因此气液两相逆流流动时，填料床层对气体产生的压降比气体通过干填料床层时要大得多。正常操作的气体流速必须低于液泛速度。为使传质情况良好并有较低的压降和保证正常操作，实际气体流速常选液泛速度的50～85％。填料塔的液泛速度与下列因素有关：液体对气体的质量流量之比：比值越大，即相对液体量较大时，较低的气速就会引起液泛；填料的形状和大小：如拉西环比弧鞍填料易引起液泛；气液的物理性质：如液体的粘度越大，相对地液泛速度越小，即越易引起液泛。目前，广泛采用通用关联图来确定液泛速度。此图显示出压降与泛点、填料因子、液气比等参数的关系。适用于乱堆的拉西环、鲍尔环和鞍形填料。使用整砌拉西环和弦栅填料时的泛点线，纵坐标中Φ值应改为（干填料因子）值。3ta塔径的计算选择较小的空塔气速，则压降小，动力消耗少，操作弹性大，但塔径大，设备投资高而生产能力低。低气速也不利于气液充分接触，使传质效率低。若选用较大气速，则压降大，动力消耗大，且操作不平稳，难于控制，但塔径小，设备投资小。故应作多方案比较以求经济上既是优化的，操作上也是可行的。uVDsT4填料塔内传质效率的高低与液体的分布及填料的润湿情况有关，为使填料能获得良好的润湿，应保证塔内液体的喷淋密度不低于某一下限值。所以，算出塔径之后，还应验算塔内的喷淋密度是否大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采用液体再循环以加大液体流量，或在许可范围内减小塔径，或适当增加填料层高度予以补偿。此外，为保证填料润湿均匀，还应注意使塔径欲填料直径之比值在10以上。比值过小液体沿填料下流时常出现趋向塔壁的倾向（简称壁流现象）。对拉西环要求＞20；鲍尔环＞10；鞍形填料＞15。dDTdDTdDT塔的附属设备填料塔的附属设备有液体进塔的分布装置（喷淋器）、塔中的液体再分布器、填料支承板（常用栅板）、液体的出口（常经液封）和气体出口的除雾沫装置。填料支承装置液体分布装置如液体分布不良，必将减少填料的有效润湿表面积，使液体产生沟流，从而降低了气液两相的有效接触表面，使传质恶化，这就要求液体分布器能为填料层提供良好的液体初始分布，即能提供足够多的均匀分布的喷淋点，且各喷淋点的喷淋量相等。喷淋器有多种形式，例如管式喷淋器（用于小型塔）、莲蓬式喷洒器（用于中型塔）、盘式分布器（用于大型塔）。液体再分布器除塔顶液体的分布之外，填料层中液体的再分布使填料塔中的一个重要问题。往往会发现在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心处填料得不到好的润湿，形成所谓“干锥体”的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。因此，在塔较高时，每隔一定距离（塔径2～3倍的高度处）必须设置液体再分布装置，将液体引入塔中心或作再分布，以克服此种现象。除雾沫装置气体出口的除雾沫一般用挡板、填料层或丝网，可以将50μm的雾滴除去。板式塔板式塔中设有相当数量的塔板，从塔顶下流的液体在各塔板上保持一定的数量并顺序往下层塔板流动，气体由下而上以鼓泡或喷射形式通过塔板上的液层，进行换热传质过程。气相和液相的组成沿塔板发生阶梯式的变化。板式塔根据其结构而区分为有降液管的板式塔和无降液管的板式塔。降液管是液体从塔板往下层流动时的溢流装置。有降液管的板式塔还根据气体流动方式分为鼓泡塔（泡罩塔、浮阀塔、筛板塔）和喷射塔（舌形塔、浮舌塔、浮动喷射塔等）。目前化工生产中常使用的板式塔是泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和浮舌塔。工业上用操作弹性作为评价各种塔的一个指标。操作弹性是指同样使塔效率降低15％时物料（常指气体或蒸气）最大负荷与最小负荷之比（因负荷偏离最适值时总会使传质效率降低）。塔板结构板式塔是由一个圆筒形壳体及其中装置若干块水平塔板所构成的。相邻塔板间有一定距离，称为板间距。液相在重力作用下自上而下最后由塔底排出，汽相在压差推动下经塔板上的开孔自下而上穿过塔板上液层最后由塔顶排出，呈逆流流动的汽相和液相在塔板上进行传质过程。显然，塔板的功能应使汽液两相保持密切而又充分的接触，为传质过程提供足够大且不断更新的相际接触表面，减少传质阻力，因而塔板应由下述部分构成。汽相通道塔板上均匀地开有一定数量供汽相自下而上流动的通道。汽相通道的形式很多，对塔板性能的影响极大，各种型式的塔板主要区别就在于汽相通道的形式不同。结构最简单的汽相通道为筛孔，筛孔的直径通常是3～8mm，目前大孔径（12～25mm）筛板也得到相当普遍地应用。溢流堰在每层塔板的出口端通常装有溢流堰，板上的液层高度主要由溢流堰决定，最常见的溢流堰为弓形平直堰，其高度为hW，长度为lW。降液管降液管是液体自上层塔板流到本层塔板的通道。液体经上层板的降液管流下，横向经过塔板，翻越溢流堰，进入本层塔板的降液管再流向下层塔板。为充分利用塔板的面积，降液管一般为弓形。降液管的下端离下层塔板应有一定高度h0，使液体能通畅流出。为防止汽相窜入降液管中，h0应小于堰高hW。塔板的流体力学状况尽管塔板的形式很多，但它们之间有许多共性，例如，在塔内汽液流动方式、汽流对液沫的夹带、降液管内的液流流动、漏液、液泛等都遵循相同的流体力学规律。通过对塔板流体力学共性的分析，可以全面了解塔板设计原理以及塔设备在操作中可能出现的一些现象。汽液接触状态汽相经过筛孔时的速度（简称孔速）不同，可使汽液两相在塔板上的接触状态不同。当孔速很低时，汽相穿过孔口以鼓泡形式通过液层，板上汽液两相呈鼓泡接触状态，两相接触的传质面积为汽泡表面，由于汽泡数量不多，汽泡表面的湍动程度不强，鼓泡接触状态的传质阻力较大。汽相负荷较高，孔速增加时，汽泡数量急剧增加，汽泡表面连成一片并不断发生合并与破裂，板上液体大部分以高度活动的泡沫形式存在于汽泡之中，仅在靠近塔板表面处才有少量清液，这种操作状态称为泡沫接触状态，这是液体仍为连续相，而汽相仍为分散相，这种高度湍动的泡沫层为两相传质创造了良好的流体力学条件。当汽相负荷更高，孔速继续增加时，动能很大的汽相从孔口喷射穿过液层，将板上液体破碎成许多大小不等的液滴抛到塔板上方空间，当液滴落到板上又汇集成很薄的液层并再次被破碎成液滴抛出，汽液两相的这种接触状态称为喷射接触状态，此时，就整体而言，板上汽相在连续液相中分散，变成液体在连续汽相中分散，即发生相转变，喷射接触为两相传质创造了良好的流体力学条件。泡沫状喷射状塔板操作特性1塔板操作特性2塔板操作特性3漏液汽相通过筛孔的汽速较小时，板上部分液体就会从孔口直接落下，这种现象称为漏液。上层板上的液体未与汽相进行传质就落到浓度较低的下层板上，降低了传质效果。严重的漏液将使塔板上不能积液而无法操作，故正常操作时漏液量一般不允许超过某一规定值。液沫夹带汽相穿过板上液层时，无论是喷射型还是泡沫型操作，都会产生数量甚多，大小不一的液滴，这些液滴中的一部分被上升汽流挟带至上层塔板，这种现象称为液沫夹带。浓度较低的下层板上的液体被汽流带到上层塔板，使塔板的提浓作用变差，对传质是一不利因素。液沫夹带量与汽速和板间距有关，板间距越小，夹带量就越大，同样的板间距若汽速过大，夹带量也会增加，为保证传质达到一定效果，夹带量不允许超过0.1kg液体/kg干蒸气。汽相通过塔板的阻力损失汽相通过筛孔及板上液层时必然产生阻力损失，称为塔板压降。液泛汽相通过塔板的压降一方面随汽速的增加而增大，因而降液管内的液面亦随汽速的增加而升高；另一方面，当液体流经降液管时，降液管对液流有各种局部阻力，流量大则阻力增大，降液管内液面随之升高，故汽液流量增加都使降液管内液面升高，严重时可将泡沫层升举到降液管的顶部，使板上液体无法顺利流下，导致液流阻塞，造成液泛。液泛是汽液两相作逆向流动时的操作极限，因此，在板式塔操作中要避免发生液泛现象。塔板上液体的返混液体在塔板的主流方向是自入口端横向流至出口端，因汽相搅动，液体在塔板上会发生反向流动，这些与主流方向相反的流动即所谓返混。只有当返混极为严重时，板上液体才能混合均匀。假若塔板上液体完全混合，这时板上各点的液体浓度都相同，有浓度均匀的汽相与塔板上各点的液体接触传质，离开各点的汽相浓度也相同。假若塔板上液体完全没有返混，液体在塔板上呈活塞流流动，这时塔板上液体沿液流方向上浓度梯度最大，塔板进口处液体浓度大于出口浓度，当浓度均匀的汽相与塔板上各点液体接触传质后，离开塔板各点的汽相浓度也不相同，液体进口处的汽相浓度壁出口处的浓度高。理论与实践都证明了这种情况的塔板效率比液体完全混合时的高。塔板上液体完全不混合是一种理想情况，而实际塔板上液体处于部分混合状态。塔板上的液面落差液体在板上从入口端流向出口端时必须克服阻力，故板上液面将出现坡度，塔板进、出口侧的液面高度差称为液面落差，或称为水力梯度。在液体入口侧因液层厚，故汽速小，出口处液层薄，汽速大，导致汽流分布不均匀，在液体进口侧汽相增浓程度大，而在液体出口侧汽相增浓程度小，所以实际上汽相的浓度分布并不是均匀一致的，为使汽流分布均匀，减小液面落差，对大液流量或大塔径的情况，则需采用前述的双流型和多流型塔板。塔径的计算显然，计算塔径的关键在于确定适宜的空塔汽速，所谓空塔汽速是指汽相通过塔