大学化工原理第七章_蒸馏与吸收塔设备

主讲：杨虎Tel:13881419522E-Mail:[e-mail]第七章蒸馏和吸收塔设备教学要求§7-0概述§7-1板式塔§7-2填料塔复习材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备2/37教学要求重点：板式塔与填料塔的特点，板式塔与填料塔的设计原则。覆盖内容：塔设备的性能参数；典型塔板的结构特点及分类，塔板上的流体力学特性，正常与非正常操作情况及调节；板式塔的设计原则及步骤；填料及填料塔的结构特点，填料塔的流体力学特性，填料塔的设计原则及步骤；板式塔与填料塔的比较，塔的选用原则。材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备3/37§6-0概述气液传质设备的基本功能提供气液传质场所有效分离气液两相气液传质设备的分类连续（微分）接触式（填料塔）、逐级接触式（板式塔）性能评价指标通量——生产能力分离效率适应能力——操作弹性材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备4/37§7-1板式塔一板式塔的结构按塔内气、液流动的方式分类泡罩塔筛板塔浮阀塔喷射塔二性能评价错流塔板、逆流塔板三按塔板类型分类处理能力板效率塔板压降§7-1-1塔板类型材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备5/37§7-1板式塔液相降液管堰气相液相气相逆流塔板优点：结构简单，无液面差，充分利用板面，生产能力较大；缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。应用范围小，常见的板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。错流式塔板(溢流塔板)液体流动板间板上气体流动溢流堰进口堰特点：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。材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备6/37§7-1板式塔泡罩塔的结构主要元件：升气管、泡罩，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。特点：优点：操作稳定，不会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。泡罩塔材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备7/37§7-1板式塔浮阀塔浮阀的结构形式：圆形、方形、条形及伞形F-1型V-4型A型方形浮阀十字架型安装特点：阀孔浮阀最小开度最大开度阀片开启高度与操作气速的关系材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备8/37§7-1板式塔优点：结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。缺点：处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。几种新型浮阀塔板双流喷射浮阀塔板导向浮阀塔盘材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备9/37§7-1板式塔筛板塔结构特点：结构简单，造价低廉，塔板阻力小。垂直筛板结构两相流动特点：提供更大的不断更新的接触表面，强化传质过程；气液由水平方向喷出，液滴在垂直方向的初速度为零，降低了液沫夹带量，垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的生产能力。材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备10/37§7-1板式塔结构喷射型塔板——舌形塔板优点：避免返混、液面落差小，塔板压降较小；气流方向近于水平；液沫夹带量较小，可达较高的生产能力。缺点：张角固定，可导致塔板漏液严重；操作弹性小；板效率较低。喷射型塔板——浮舌塔板结构特点：处理能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适宜于热敏性物系的减压分离过程。材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备11/37§7-1板式塔§7-1-2板式塔的流体力学性能一塔板上气液两相的接触状态气液两相的接触状态是决定板上两相流流体力学及传质和传热规律的重要因素。蜂窝状态气泡的形成速度大于气泡的浮升速度，气泡在液层中累积。气泡之间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡，板上是以气体为主的气液混合物。气泡不易破裂，表面得不到更新，此种状态不利于传热和传质。鼓泡状态气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备12/37§7-1板式塔泡沫状态泡沫接触状态的表面积大，不断更新，为两相传热与传质提供了良好的条件，是一种较好的接触状态。喷射状态气体为连续相，液体为分散相，两相传质的面积是液滴的外表面。液滴的反复形成和聚集，使传质面积增加，表面不断更新，有利于传质与传热进行，是一种较好的接触状态。二气体通过塔板的压降总压降包括干板压降、静压强及液体表面张力引起的压降影响因素压降与效率材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备13/37§7-1板式塔三塔板上的液面落差流体阻力与液面落差塔板结构与液面落差改善措施：单溢→双溢流或阶梯溢流四塔板上的异常操作现象漏液、液泛和液沫夹带等，应尽量避免异常操作现象的出现。五塔板的负荷性能图通常由五条线组成：漏液线（1）液沫夹带线（2）液相负荷下限线（3）液相负荷上限线（4）液泛线（5）材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备14/37§7-1板式塔OBPAP1LV12345VmaxVmin六．板式塔的操作分析五条线所包围的区域称为塔板的适宜操作区。操作点——A操作线——OA操作弹性——Vmax/Vmin设计时，应使操作点尽可能位于适宜操作区的中央，若操作点紧靠某一条边界线，则负荷稍有波动，塔的正常操作即被破坏。材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备15/37§7-1板式塔§7-1-3板式塔的工艺设计设计分析根据设计任务和工艺要求，确定设计方案根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型确定塔高和塔径塔板的结构设计：溢流装置、塔板布置、升气道设计及排列流体力学验算负荷性能图材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备16/37§7-2填料塔填料塔塔体填料塔内件——填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器操作原理§7-2-1填料塔的结构与特点§7-2-2填料一填料特性：比表面积σ空隙率填料因子(σ/3)——表示填料的流体的流体力学性能。二填料类型散装填料和规整填料材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备17/37§7-2填料塔1散装填料拉西环填料优点：易于制造，价格低廉，研究较为充分。缺点：高径比大，易形成线接触，存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，改进：衍生的θ环、十字环及螺旋环等。鲍尔环（Pallring）填料金属鲍尔环填料塑料鲍尔环填料改型鲍尔环填料材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备18/37§7-2填料塔阶梯环填料金属阶梯环填料塑料阶梯环鞍形(Berlsaddle)填料——矩鞍、弧鞍、金属鞍换优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好。缺点：相邻填料易套叠。材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备19/37§7-2填料塔2规整填料格栅填料格栅填料优点：格栅填料层整体性好，空隙率高。缺点：但比表面积较低。波纹填料金属丝网波纹填料按结构——网波纹填料和板波纹填料按材质——金属、塑料、陶瓷等材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备20/37§7-2填料塔金属压延孔板波纹填料金属孔板波纹填料各种陶瓷规整填料脉冲填料特点:处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备21/37§7-2填料塔填料名称评估值语言值排序丝网波纹填料0.86很好1孔板波纹填料0.61相当好2金属Intalox0.59相当好3金属鞍形环0.57相当好4金属阶梯环0.53一般好5金属鲍尔环0.51一般好6瓷Intalox0.41较好7瓷鞍形环0.38略好8瓷拉西环0.36略好9材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备22/37§7-2填料塔包括持液量、压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。一气体通过填料层的压强降压降与气速的关系——L=0、L≠0的情况载点、泛点恒持液量区、载液区、液泛区持液量载液区CC’BB’AA’L=0L1L2lgulgp载点气速液泛气速§7-2-3填料塔的流体力学性能材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备23/37§7-2填料塔压降：在一定的液体喷淋密度下，填料持液量与气速无关，气体压降与气速的关系为直线且基本与L=0的直线平行。载液和液泛对传质的影响：载点(B)后，持液量，气液相互作用，相界面积，湍动增强，传质过程，填料效率(HETP)；P点后，液沫夹带量，液相返混可导致填料效率，(HETP)。填料塔的操作控制在偏离泛点一定距离的载液区内，可得到较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。lgu高液量低液量载点线lgLPB泛点C载液区空塔气速u等板高度HETP材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备24/37§7-2填料塔压降对填料塔操作的可靠性和经济性有着决定性的影响；选择填料和确定塔径时，不同系统应控制的压降范围不同。吸收（mmH2O/m）蒸馏（mmH2O/m）系统不起泡系统起泡常压或加压真空20~358~2035~658~35压降——表面摩擦阻力、形体阻力影响因素：填料特性(几何形状、比表面积、等)，流体物性(、等)、操作条件(气液流量、T等)。由各种经验关联式或关联图进行估算。二压降与气速的关联图材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备25/37§7-2填料塔埃克特(Eckert)压降通用关联图GG,GL：kg/(m2.s)；u：m/s；L：mPa.s；V,L：kg/m3；WG,WL：kg/s；ф：湿填料因子(泛点填料因子)，1/m；g：重力加速度9.81m/s2；Vs,Ls：m3/s；：液体密度校正系数(水与液相密度之比=/L)。横坐标：505050.VLss.LVGL.LVGLVLWW,GG或纵坐标：202202.LLVG.LLVgGgu或材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备26/37§7-2填料塔适用范围：乱堆填料(Randompackings)最上方的三条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线。其余为乱堆填料的等压降线。材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备27/37§7-2填料塔三、液泛与泛点气速防止液泛：u0max0.95uF，设计点时取u0=0.5~0.8uF。故正确估算泛点气速对填料塔的设计和操作都十分重要。填料的种类，物系的物性以及气、液相负荷等因素对泛点都有一定的影响。泛点气速的估算式通常仍是借助于实验数据所得的各种经验关联式或关联图。对于散装填料，目前广泛采用埃克特(Eckert)压降和气速通用关联图中的泛点曲线。规整填料有类似的泛点实验关联图，可参考有关文献。根据两相流动参数即可由埃克特(Eckert)关联图中的泛点线查纵坐标值，若填料因子已知，即可求得泛点气速。材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备28/37§7-2填料塔§7-2-4填料塔的内件填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。一填料支承装置作用：支承填料要求：机械强度、自由面积材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备29/37§7-2填料塔二填料压紧装置作用：防止填料层的松动和跳动。分类：填料压板和床层限制板填料压板：自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。床层限制板：用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。材料与化学工程学院化工教研室化工原理蒸馏和吸收塔设备30/37§7-2填料塔三液体分布装置液体分布装置的种类多样，有喷头式