第三章 蒸馏和吸收塔设备

第3章蒸馏和吸收塔设备3.1概述3.2板式塔塔板类型及特点板式塔的流体力学性能板式塔的工艺设计3.3填料塔填料塔的结构与特点填料塔的流体力学性能填料塔的计算填料塔附件3.1概述1塔设备的基本功能和性能评价指标1)基本原则提供大的传质面积和传质系数,并能及时分离提供最大传质推动力2)评价指标•通量：单位塔截面的生产能力•分离效率：（板式塔：塔板效率；填料塔：等板高度）•适应能力：操作弹性•其它：流动阻力低、结构简单、造价低、易于操作与控制3.1概述2塔设备的类型1）板式塔：气相为分散相，液相为连续相，逐级接触逆流操作。2）填料塔：气相为连续相，液相为分散相，微分接触逆流操作。3本章主要内容1)结构与性能2)工艺设计方法3)选型3.2板式塔3.2.1塔板类型3.2.2板式塔的流体力学性能3.2.3板式塔的工艺设计有溢流塔板降液管平顶型溢流堰受液区开孔区3.2.1塔板类型、结构及特点：齿形堰平顶堰溢流堰降液管溢流装置全塔：逆流接触塔板上：错流接触两相接触方式流动推动力液体：重力气体：压力差塔板上理想流动情况：液体横向均匀流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。传质的非理想流动情况：①反向流动雾沫夹带、气泡夹带，即：返混现象后果：使已分离的两相又混合，板效率降低，能耗增加。②不均匀流动液面落差（水力坡度）：引起塔板上气速不均；塔壁作用（阻力）：引起塔板上液速不均，中间近壁；后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。塔板类型：泡罩型优点：不易漏液，弹性大、操作稳定可靠。缺点：结构复杂，造价高；压降大，雾沫夹带严重，生产能力及板效率均较低。•结构：筛孔，直径3－8mm，正三角形排列•优点：结构简单，造价低；气体压降小，液面落差小；生产能力大，板效率高；•缺点：操作弹性小。塔板类型：筛板型•结构：浮阀，F1、V-4、T型•优点：结构上较泡罩简单，比筛板复杂，生产能力大，操作弹性大，塔板效率高，气体压降小及液面落差小，造价低。塔板类型：浮阀型（1）舌形塔板塔板类型：其它型（2）斜孔塔板1塔板上气液两相的接触状态3.2.2板式塔的流体力学性能气液接触方式有四种：喷雾状泡沫状蜂窝状鼓泡状气液两相在设备中要有良好的接触：接触充分，接触面要大，相界面不断更新2塔板压降3.2.2板式塔的流体力学性能干板阻力，液层静压强阻力，表面张力阻力不良后果：（1）单板压降大，气体流动阻力大，对输送要求较高。（2）过高的单板压降会使塔顶与塔底的压差较大，从而影响体系的相平衡关系以及气液流动情况，这对真空操作尤为重要。一般，常压塔：单板压降40~65mmH2O减压塔：单板压降10~35mmH2O3液泛定义：塔板上的液体不能正常流下，产生积液，也叫淹塔。原因：气体或液体流量过大，气速过高，塔板间距过小。种类：降液管液泛，雾沫夹带液泛。结果：塔板压降升高，不能正常操作。①过量雾沫夹带液泛原因：①气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板；②气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。②降液管液泛当塔内气、液两相流量较大，导致降液管内阻力及塔板阻力增大时，均会引起降液管液层升高，当降液管内液层高度难以维持塔板上液相畅通时，降液管内液层迅速上升，以致达到上一层塔板，逐渐充满塔板空间，即发生液泛。并称之为降液管内液泛。说明：开始发生液泛时的气速称之为液泛气速。两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。4雾沫夹带定义：上升气流将板上液体带入上一层塔板的现象。结果：造成液相反混，降低板效率。规定：雾沫夹带量不超过10％或ev0.1kg(液)/kg(气)不良后果：（1）降低板效，（2）将不挥发性物质逐板送至塔顶造成产品污染，（3）严重时造成液泛。影响雾沫夹带量的主要因素：空塔气速和塔板间距。5漏液产生的原因：气速过小，或气体、液体分布严重不均。不良后果：降低板效，严重时使板上不能积液，是塔不良的操作现象之一。漏液量达10%的气速为漏液速度，是塔操作的下限气速。产生原因：液体在塔板上横向流动时要克服流动阻力（摩擦阻力、形体阻力）。不良后果：液面落差会导致气流分布不均6液面落差（1）雾沫夹带线（2）液泛线（3）液相负荷上限线（4）漏液线（5）液相负荷下限线（6）操作线与操作点7负荷性能图操作弹性=气量上限/气量下限操作弹性要求大于2～3设计步骤（1）根据设计任务和工艺要求，确定设计方案（2）根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型（3）确定塔径、塔高等工艺尺寸（4）塔板结构设计（5）流体力学验算（6）绘制塔板负荷性能图（7）对设计进行分析与修正3.2.3板式塔的工艺设计1浮阀塔工艺尺寸的计算1）塔高(=有效高度+底部空间+顶部空间+裙座高度)，其中有效高度为：•板间距大，空塔气速高，塔径小，塔高•板间距小，空塔气速低，塔径大，塔低•板数较多的塔，板间距应小，塔径大•板间距根据经济指标确定•板间距的数值应按照规定选取整数•易起泡物系，负荷波动大，板间距应大1TTTNZHE3.2.3板式塔的工艺设计2）塔径：关键在于空塔气速的确定，根据什么？4sVDumaxLVVuC3.2.3板式塔的工艺设计0.22020CCmax0.6~0.8uu•标准塔径（mm）：600，700，800，1000，1200，1400，1600，1800，2000，……4200•若精馏段与提馏段上升气量差别较大时，两段塔径应分别计算3.2.3板式塔的工艺设计(1)降液管的类型与溢流方式降液管：圆形，弓形降液管的布置：U型流，单溢流，双溢流，阶梯式双溢流3）溢流装置——出口堰、弓形降液管、进口堰及受液盘出口堰•堰长：•堰高：•堰上液层高度0.60.80.50.6WWlDlD单溢流：双溢流：LWOWhhh232.841000hOWWLhEl平直堰：(2)溢流装置的设计计算250.0442hnOWWLhhl齿形堰：55222646[()]whOWOWnnlLhhhh6070OWhmm0.050.1Lhm0.10.05OWWOWhhh弓形降液管•宽度和截面积：根据堰长与塔径之比求算。•底隙高度(确保液封，且阻力不太大)3.2.3板式塔的工艺设计3600fThAHL003600'hWLhlu0'0.07~0.25/ums00.006Whh降液管内液体停留时间：(3~5s)进口堰：降液管液封，保证液体分布均匀，一般不设受液盘：平受液盘，凹受液盘进口堰及受液盘塔板：整块式，分块式塔板分区（1）鼓泡区：气液传质有效区（2）溢流区：降液管，受液盘，液体通道（3）破沫区：安定区，避免气体进入降液管（4）无效区：边缘区，供安装用1.5,60751.5,80100SSDmWmmDmWmm30505075CCWmmWmm小塔：大塔：4塔板布置（1）阀孔动能因数与阀孔数目00vFu0912F00Fuv2004sVNdu5浮阀的数目与排列所有浮阀刚刚处于全开时操作性能最好浮阀的开度与阀孔处气相的动压有关，以动能因数F0作为衡量气相动压的指标F1型重阀：正三角形、等腰三角形顺排、叉排（2）阀孔排列同一排阀孔中心距t：等边三角形等腰三角形开孔区面积00.907aaAtdA'atAtN2222arcsin180axAxRxRR(),2dsDxWWm,2cDRWm1）气体通过浮阀塔板的压强降pclpppppclhhhh2浮阀塔板的流体力学验算1）干板阻力阀全开前阀全开后00cuu0.175019.9pLuh00cuu205.342VcLuhgLcu175.009.19guLcV234.5201.825073.1cVu2）板上充气液层阻力3）液体表面张力造成的阻力经验值：常压、加压塔：265－530Pa减压塔：200Pa0lLhh2Lhhg说明：若塔板阻力过大，可增加开孔率或降低堰高。无进口堰：有进口堰：dpLdHhhh22000.1530.153'sdWLhulh22000.20.2'sdWLhulh()dTWHHh（2）液泛说明：若泡沫高度过大，可减小塔板阻力或增大塔板间距。（3）雾沫夹带大塔：泛点率80%直径0.9m以下的塔：泛点率70%减压塔：泛点率75%1.36100%VSSLLVFbVLZKCA泛点率＝说明：超过允许值，可调整塔板间距或塔径。在下列泛点率范围内，一般可保证eV0.1kg液/kg气泛点率：操作时空塔气速与发生液泛时的空塔气速的比值，是用来估算雾沫夹带量的指标。100%0.78VSLVFTVKCA泛点率＝或取阀孔动能因数作为控制漏液量的操作下限，此时漏液量接近10%。056F说明：如果漏液量较大，可减小开孔率或降低堰高。（4）漏液以上流体力学验算结束后，需绘制负荷性能图，计算塔板操作弹性。【例3－2】拟建一浮阀塔用以分离苯－甲苯混合物，决定采用F1型浮阀（重阀），试根据以下条件作出浮阀塔的设计计算。smVs/61.13smLs/0056.033/78.2mkgV3/875mkgLmmN/3.20浮阀塔设计实例：3.3填料塔3.3.1填料塔的结构与特点3.3.2填料3.3.3填料塔的流体力学性能3.3.4填料塔的计算3.3.5填料塔附件1结构3.3.1填料塔的结构与特点2特点•结构简单，生产能力大•分离效率高，持液量小•操作弹性大，压降低•可处理腐蚀性物料•特别适用于真空精馏•造价高•不易处理含有悬浮物的原料，易聚合的物料•不适宜有侧线出料的场合3.3.1填料塔的结构与特点3.3.2填料1填料特性（1）比表面积σ（2）空隙率ε（3）填料因子σ/ε3干填料因子，湿填料因子Φ选择填料的原则比表面积要大，空隙率要大，润湿性能要好，质量轻，造价低，足够的力学强度。3.3.2填料2填料类型分类散堆填料环形鞍形球形拉西环鲍尔环阶梯环弧鞍（贝鞍）矩鞍（英特洛克斯）金属环矩鞍规整填料波纹型隔栅型丝网波纹孔板波纹格利希隔栅鲍尔环拉西环阶梯环金属环矩鞍弧鞍环规整填料填料类型1．拉西环：外径与高度相等的圆环。结构简单，研究充分沟流、壁流严重、滞留液量大、气流阻力大2．鲍尔环：在拉西环的侧壁上开出方孔。结构复杂效率高、阻力小3．阶梯环：高度为直径的一半，环的一端制成喇叭口。结构复杂效率高、阻力小、气量大4．弧鞍与矩鞍：表面全部敞开，表面利用率高。弧鞍：易套叠矩鞍：不套叠、阻力小5．金属环矩鞍环：综合了环形填料和鞍形填料的优点，性能优于鲍尔环和矩鞍填料。6．波纹板及波纹网波纹板：陶瓷、塑料、金属材料波纹网：金属丝1填料层的持液量概念：一定操作条件，单位体积填料层内在填料表面和填料空隙中积存的液体量，m3液体/m3填料静持液量：取决于填料和液体特性动持液量：取决于填料和液体特性以及气液负荷要求：适当的持液量对操作与传质有利，过大的持液量导致压强降增大，生产能力降低持液量由实验测定或者由经验公式估算3.3.3填料塔的流体力学性能tscHHH恒持液区；载点；载液区；液泛点；液泛区。说明：通常情况下，填料塔应在载液区操作。气体通过填料层压降示意图L=0•决定了塔的动力消耗，是塔设计的重要参数•以单位高度填料层压强降与空塔气速的关系表示2气体通过填料层的压强降•在泛点气速下，液体被气流大量带出塔顶的现象•适宜气速根据泛点气速确定•影响泛点气速的因素：填料特性、流体物性、液气比等（1）填料特性比表面积，空隙率，几何形状，反映在填料因子上（2）流体物性气体密度，液体粘度，液体密度（3）液气比液气比大，持液量大，空隙率小，泛点气速低•泛点气速的确定埃克特通用关联图3液泛润湿性能与传质效率密切相关影响因素：填料材质、表面形状、装