塔内件设计-培训讲义

塔内件设计讲义MassTransferEquipments清华大学化学工程系联系人：钱建兵电话：[phone]Email:[e-mail]第一节概述（Introduction）气液传质设备的基本功能：形成气液两相充分接触的相界面，使质、热的传递快速有效地进行，接触混合与传质后的气、液两相能及时分开，互不夹带等。气液传质设备的分类：气液传质设备的种类很多，按接触方式可分为连续（微分）接触式（填料塔）和逐级接触式（板式塔）两大类，在吸收和蒸馏操作中应用极广。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。板式塔板式塔塔内两相操作状态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填料塔和板式塔都可用于吸收或蒸馏操作。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；(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；(4)压强降指气相通过每层塔板或单位高度填料的压强降；(5)结构繁简及制造成本。处理能力比较传质效率（等板高度）比较塔型选择第二节板式塔traytower一、塔板类型液相降液管堰气相溢流塔板(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。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。塔板类型塔板的发展固定塔板（国内）舌型塔板筛板塔板斜孔塔板塔板的发展固定塔板（国外）NUTTER公司的VG或MVG塔板KUHNI公司的SLIT塔板GLITSCH公司的BIFRAC塔板SULZER公司的VORTEX塔板塔板的发展固定塔板（国外）GLITSCH公司的ULTRAFRAC塔板立体垂直塔板塔板的发展浮阀塔板（国内）华东理工大学的导向浮阀塔板泽华工程公司的ADV浮阀塔板F1浮阀塔板塔板的发展浮阀塔板（国内）石油大学的SV和飞鹰浮阀塔板天津大学的导向梯形浮阀塔板洛阳石化工程公司的箭形浮阀塔板清华大学HAV自适应浮阀塔板塔板的发展浮阀塔板（国外）GLITSCH公司的SUPERFRAC塔板GLITSCH公司的TYPE-A2塔板GLITSCH公司的TYPE-A5塔板第三节浮阀塔板的流体力学性能一、浮阀塔板上的气、液流程浮阀塔板的板面结构：鼓泡区（有效区、开孔区）降液管区受液盘区液体安定区边缘区溢流堰塔身溢流堰板降液管塔板受液盘安定区降液管区受液盘区鼓泡区液体从上一塔板的降液管流入板面上的受液盘区，经进口安定区进入鼓泡区与浮阀吹出的气体进行质、热交换后，再由溢流堰溢出进入降液管流入下一塔板。浮阀塔板上的气、液流程来自下一塔板的气体经鼓泡区的阀孔分散成小股气流，并由各阀片边缘与塔板间形成的通道以水平方向进入液层。由于阀片具有斜边，气体沿斜边流动具有向下的惯性，因此只有进入液层一定距离待惯性消失后气体才会折转上升。气体在板面上与液体相互混合接触进行传热传质，而后逸出液面上升到上一层塔板。塔板上气液主体流向为错流流动。二、气体通过浮阀塔板的压降气体进、出一块塔板（包括液层）的压强降即为气体通过该塔板的阻力损失（左侧压差计所测的hf值）。hf是以液柱高度表示的塔板的压强降或阻力损失，因此式中，L为塔内液体的密度，kg/m3。板压降hf可视为由气体通过干板的阻力损失hd和气体穿过板上液层的阻力损失hl两部分组成，即fLpghpldfhhh有效长度泡沫hlhfhowHTh01、干板阻力损失hd浮阀塔板的干板阻力损失压降随空塔气速u的提高而增大。区域Ⅰ：全部浮阀处于静止状态，气体由阀片与塔板之间由定距片隔开的缝隙通过。缝隙处的气速与压降随气体流量的增大而上升。区域Ⅱ：气速增至A点，阀片开始升起。浮阀开启的个数及开启度随气体流量不断增加，直至所有浮阀全开(B点)，气体通过阀孔的气速变化很小，故压降上升缓慢。区域Ⅲ：气体通过浮阀的流通面积固定不变，阀孔气速随气体流量增加而增加，且压降以阀孔气速的平方快速增加。临界孔速uoc：所有浮阀恰好全开时(B点)的阀孔气速。ABIIIIIIuoc气速u干板压降pd2、液层阻力hl气体通过液层的阻力损失hl由以下三个方面构成：(1)克服板上充气液层的静压；(2)气体在液相分散形成气液界面的能量消耗；(3)通过液层的摩擦阻力损失。其中(1)项远大于后两项之和。如果忽略充气液层中所含气体造成的静压，则可由清液层高度代表hl。可用下式计算式中：——充气系数，反映液层充气的程度，无因次。水=0.5；油=0.5~0.35；碳氢化合物=0.4~0.5。hw和how——分别为堰高和堰上液流高度，m。hf总是随气速的增加而增加，但不同气速下，干板阻力和液层阻力所占的比例有所不同。气速较低时，液层阻力为主；气速高时，干板阻力所占比例增大。owwlhhh三、塔板上的不正常操作现象漏液：部分液体不是横向流过塔板后经降液管流下，而是从阀孔直接漏下。原因：气速较小时，气体通过阀孔的速度压头小，不足以抵消塔板上液层的重力；气体在塔板上的不均匀分布也是造成漏液的重要原因。后果：严重的漏液使塔板上不能形成液层，气液无法进行传热、传质，塔板将失去其基本功能。若设计不当或操作时参数失调，轻则会引起板效率大降低，重则会出现一些不正常现象使塔无法工作。1、漏液（Weeping）气体分布均匀与否，取决于板上各处阻力均等否。气体穿过塔板的阻力由干板阻力和液层阻力两部分组成。当板上结构均匀、各处干板阻力相等时，板上液层阻力即液层厚度的均匀程度将直接影响气体的分布。漏液（Weeping）板上液层厚度不均匀：液层波动和液面落差。液层波动：波峰处液层厚，阀孔气量小、易漏液。由此引起的漏液是随机的。可在设计时适当增大干板阻力。液面落差：塔板入口侧的液层厚于塔板出口侧，使气流偏向出口侧，入口侧的阀孔则因气量小而发生漏液。塔板上设入口安定区可缓解此现象。2、液沫夹带和气泡夹带（Entrainment）液沫夹带：气体鼓泡通过板上液层时，将部分液体分散成液滴，而部分液滴被上升气流带入上层塔板。由两部分组成：(1)小液滴的沉降速度小于液层上方空间上升气流的速度，夹带量与板间距无关；(2)较大液滴的沉降速度虽大于气流速度，但它们在气流的冲击或气泡破裂时获得了足够的向上初速度而被弹溅到上层塔板。夹带量与板间距有关。气泡夹带：液体在降液管中停留时间太短，大量气泡被液体卷进下层塔板。后果：液沫夹带是液体的返混，气泡夹带是气体的返混，均对传质不利。严重时可诱发液泛，完全破坏塔的正常操作。液沫夹带和气泡夹带是不可避免的，但夹带量必需严格地控制在最大允许值范围内。3、液泛（Flooding）塔内液体不能顺畅逐板流下，持液量增多，气相空间变小，大量液体随气体从塔顶溢出。夹带液泛：板间距过小，操作液量过大，上升气速过高时，过量液沫夹带量使板间充满气、液混合物而引发的液泛。溢流液泛：液体在降液管内受阻不能及时往下流动而在板上积累所致。hhhhHfowwd为使液体能由上层塔板稳定地流入下层塔板，降液管内必须维持一定的液柱高度Hdhf+hHTh0howhw式中：hf——板压降。h——液体经过降液管的阻力损失。液泛（Flooding）气速一定，液体流量时，、how、hf及h，Hd，即塔板具有自动调节功能。上层塔板溢流堰上缘为Hd极限。若再加大液体流量，Hd与板上液面同时升高，降液管调节功能消失，板上累积液量增加，最终引起溢流液泛。若气速过高，液体中的气泡夹带加重，降液管内的泡沫层随之增高，也易造成溢流液泛。hf过大必导致Hd大，易发生液泛。如降液管设计过小或发生部分堵塞，h急剧增大，也会导致溢流液泛。夹带液泛与溢流液泛互为诱因，交互影响。过量液沫夹带阻塞气体通道，板阻急增，降液管中泡沫层堆积，从而引发溢流液泛。而溢流液泛发生时，塔板上鼓泡层增高，分离空间降低，夹带液泛也将随之发生。液泛使整个塔不能正常操作，甚至发生严重的设备事故，要特别注意防范。hhhhHfowwd第四节负荷性能图及操作弹性1、负荷性能图为一定任务设计的塔板，在一定气、液相负荷范围内才能实现良好的气、液流动与接触状态，有高的板效率。当气、液相负荷超出此范围，不仅塔板的分离效率大大降低，甚至塔的稳定操作也将难以维持。有必要对已设计的塔确定出其气、液相操作范围。012345正常操作范围Ls(m3/h)Vs(m3/h)1.漏液线(气相负荷下限线)2.过量液沫夹带线(气相负荷上限线)3.液相负荷下限线4.液相负荷上限线5.溢流液泛线漏液线（气相负荷下限线）操作时防止塔板发生严重漏液现象所允许的最小气体负荷。塔板漏液与阀孔气速直接相关，故可用其大小作为判据。VVFu500VsNduNdV45420020式中，d0、N、V均为已知数，故由此式求出的气体负荷Vs的下限在负荷性能图（Vs-Ls图）中为一水平线。0Ls(m3/h)Vs(m3/h)对F1型重阀取阀孔动能因子F0=5时的气体负荷为操作的下限值：1过量液沫夹带线（气相负荷上限线）控制液沫夹带量ev不大于最大允许值的气体负荷上限。将与ev=0.1（kg液体/kg气体）相对应的泛点率Fl（如D0.8m的大塔，取Fl=70%）代入下式后所得的Vs-Ls关系式作图而得。此线与横轴并不完全平行，可见发生液沫夹带现象与液相负荷Ls也有一定关系，但主要取决于气体负荷。%10036.1bFLsVLVslAKCZLVF0Ls(m3/h)Vs(m3/h)12液相负荷下限线此线为保证塔板上液体流动时能均匀分布所需的最小液量。对平顶直堰，取how=6mm作为液相负荷下限的标准。32100084.2006.0wsowlLEhfTsAHL也称气泡夹带线，由液体在降液管中所需的最小停留时间决定E,lw已知，为一垂直线。液相负荷上限线不易起泡的物系：3s，易起泡物系：5s。为一垂直线。0Ls(m3/h)Vs(m3/h)34由上述5条线所包围的区域即一定物系在一定的结构尺寸的塔板上的正常操作区。在此区域内，气、液两相流率的变化对塔板效率的影响不大。01234Ls(m3/h)Vs(m3/h)溢流液泛线降液管中泡沫层高度达最大允许值时的气量与液量的关系wTddhHHHhhhhHfowwd塔板的设计点及操作点都必须在正常操作区内，才能获得较高的塔板效率。对于一定气液比的操作过程，Vs/Ls为一定值，故塔板的操作线在图上为以Vs/Ls为斜率过原点o的直线。5012345Ls(m3/h)Vs(m3/h)2、操作弹性塔板的操作弹性：上、下操作极限点的气体流量之比。对一定结构尺寸的塔板，采用不同气液比时控制塔的操作弹性与生产能力的因素均可能不同。塔板的设计点应落在负荷性能图的适中位置，使塔具有相当的抗负荷波动的能力，保证塔的良好稳定操作。O