第3章 蒸馏和吸收塔设备

1第3章蒸馏和吸收塔设备3.1概述3.2板式塔3.3填料塔2在塔内气、液两相具有最大限度的接近逆流，以提供最大的传质推动力。使气、液两相充分接触，适当湍动，以提供尽可能大的传质面积和传质系数，接触后的两相又能及时分离；1.塔设备的基本功能和性能评价指标1）塔设备的基本功能3（1）通量——单位塔截面的生产能力，表征塔设备的处理能力和允许的空塔气速；2）塔设备的性能评价指标：（2）分离效率——单位压降塔的分离效果，对板式塔以板效率表示，对填料塔以等板高度表示；（3）适应能力——操作弹性，表现为对物料的适应性及对负荷波动的适应性；（4）还应满足流动阻力低、结构简单、金属耗量少、造价低、易于操作控制等要求。1.塔设备的基本功能和性能评价指标4板式塔填料塔逐级（逐板）接触式微分（连续）接触式2.塔设备的类型53.2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（自学）6板式塔为逐级接触式气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、受液盘及降液管等部件构成。板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，操作弹性大，且造价低，检修、清洗方便，故工业上应用较为广泛。板式塔液体气体概述板式塔的构成及特点：7塔内气、液两相成错流流动，既液体溢流横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，但对整个塔来说，两相基本上成逆流流动。错流塔板应用很广，按塔板具体结构形式可分为：泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、舌形塔板等。1）错流塔板（溢流塔板）：错流塔板逆流塔板概述塔板的分类：液相降液管堰气相8有溢流塔板错流塔板的结构齿形堰平顶堰溢流堰降液管溢流装置降液管平顶型溢流堰受液区开孔区9塔板的分类：2）逆流塔板（穿流塔板）：错流塔板逆流塔板概述优点：塔板结构简单，板上无液面差，板面充分利用，生产能力较大；缺点：操作弹性及板效率不及错流塔板。与错塔板相比，逆流塔板应用范围小得多，常见的有栅板、降淋筛板等。液相气相无降液管10结构特点：升气管、泡罩、大孔1.泡罩塔板优点：弹性大、操作稳定可靠。缺点：结构复杂，制造成本高，压降大，生产能力较小。11结构特点：大孔，有活动部件2.浮阀塔板12优点：生产能力大，比泡罩塔版高20%~40%；压降小；弹性大；结构简单；效率相对较高缺点: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。2.浮阀塔板阀型：F1型、V型、T型、A型各种浮阀14降液管受液盘结构特点：筛孔均匀分布，孔径一般3~8mm3.筛板优点：结构简单、造价低廉，气体压降低，板上液面落差小，生产能力及板效率高。缺点：操作弹性小，筛孔小时易堵塞。15美国Celanese公司于1949年对筛板塔进行了大量研究。其中Mayfield等人的研究结论表明，过去由于对筛板塔操作性能掌握得不充分，设计不佳，致使筛板塔不易稳定操作，只要筛板塔设计合理，操作得当，筛板塔不仅可稳定操作，而且操作弹性可达2～3，能满足生产要求。在对筛板塔作出改进后，自廿世纪五十年代至今，筛板塔一直是世界各国广泛应用的塔型。筛板塔比起泡罩塔，生产能力可增大10%～15%，板效率约提高15%，单板压降可降低30%左右，造价可降低20%～50%。3.筛板16三种塔板的比较:生产能力：筛板浮阀塔板泡罩塔板；压降：泡罩塔板浮阀塔板筛板；操作弹性：浮阀塔板泡罩塔板筛板；造价：泡罩塔板浮阀塔板筛板；板效率：浮阀塔板、筛板相当泡罩塔板。174.喷射型塔板1）舌形塔板舌形塔板浮舌塔板斜孔塔板184.喷射型塔板1）舌形塔板舌形塔板浮舌塔板斜孔塔板50气相=20°如液层太薄，板效率降低。优点：缺点：避免返混，液面落差小；塔板压降较小；生产能力大。气液并流，塔板上液层较低，液沫夹带量较小，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。19特点：操作弹性大、压强降小、结构简单、效率高。1983731o202）浮舌塔板4.喷射型塔板舌形塔板浮舌塔板斜孔塔板203）斜孔塔板4.喷射型塔板舌形塔板浮舌塔板斜孔塔板降液管a斜孔结构b塔板布置受液区导向孔斜孔的开口方向与液流垂直且相邻两排开孔方向相反，既保留了气体水平喷出、气液高度湍动的优点，又避免了液体连续加速，可维持板上均匀的低液面，从而既能获得大的生产能力，又能达到好的传质效果。213.2板式塔3.2.1塔板类型3.2.2板式塔的流体力学性能22概述塔内气、液两相的流体力学状况对塔操作有很大影响。板式塔的流体力学性能包括：负荷性能图液面落差漏液雾沫夹带液泛塔板压降状态塔板上气液两相的接触23鼓泡状态喷射状态泡沫状态1.塔板上气液两相的接触状态气液两相在设备中要有良好的接触：接触充分，接触面要大，相界面不断更新鼓泡状态泡沫状态喷射状态242.塔板压降产生原因：lcphhh液体表面张力）液层压降（液层静压强干板压降影响因素：气量↑→塔板压降↑液量↑→塔板压降↑板结构：开孔率↑→u0↓→塔板压降↓有效长度泡沫hlhfhowHTh025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。2.塔板压降因此，进行塔板设计时，应综合考虑，在保证较高效率的前提下，力求减小塔板压降，以降低能耗和改善塔的操作。263.液泛（淹塔）不良后果：塔压力降急剧增大、板效急剧减小、是不正常操作现象之一产生原因：(1)气体流量过大，产生了过量的液沫夹带，(2)液体负荷过大，降液管的截面积不够，定义：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，也称为淹塔。有溢流塔板274.雾沫夹带有溢流塔板控制雾沫夹带量eV0.1kg(液)/kg(气)空塔气速↑→雾沫夹带量↑板间距HT↑→雾沫夹带量↓主要影响因素定义：上升气流穿过塔板上液层时，将板上液体带入上层塔板的现象称为雾沫夹带。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285.漏液定义：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。不良后果：降低板效率，严重时使板上不能积液，是塔不良的操作现象之一。气速太小；气流分布不均匀。产生原因295.漏液漏液量达10%的气流速度为漏液速度，这是塔操作的下限气速。控制漏液量液体流量的10%产生原因及防止措施：1）气速太小305.漏液产生原因及防止措施：2）气流分布不均匀液层波动液面落差气体分布是否均匀，取决于板上各处阻力是否相等。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。316.液面落差使气流偏向出口侧，入口侧的阀孔则因气量小而发生漏液。326.液面落差（1）塔板上设入口安定区可缓解此现象。解决措施：安定区33（2）在塔径或液体流量很大时采用双溢流或阶梯溢流等溢流形式可减少液面落差。6.液面落差解决措施：单流型双流型多流型阶梯流型347.负荷性能图板式塔设计完成后，需要绘制负荷性能图来检验工艺设计是否合理，考核该塔正常操作的气液流量范围，了解塔的操作弹性，判断有无增产能力，减负荷能否正常运行等。图3-4塔板负荷性能图VsLs雾沫夹带线：eV=0.1kg液沫/kg干气确定液泛线液相负荷上限线液相负荷下限线漏液线正常操作范围367.负荷性能图OC线（高气液比）上限：过量液沫夹带下限：低液层OC′线（较高气液比）：上限：溢流液泛下限：漏液OC〞线（低气液比）：上限：气泡夹带下限：漏液VsLsCC′C〞操作点和操作弹性O377.负荷性能图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。板型不同，负荷性能图中所包括的极限线也有所不同。设计时，可根据操作点在负荷性能图中的位置，适当调整塔板结构参数，可改进负荷性能图，满足操作弹性。加大板间距可使液泛线上移；减小塔板开孔率可使漏液线下移；增加降液管面积可使液相负荷上限线右移等。387.气液负荷图VsLsC问题：图中塔板是否设计合理？如不合理，如何改进？39联系题目评价塔板优劣的标准有哪些？鼓泡、泡沫、喷射这三种气液接触状态各有什么特点？板式塔的不正常操作现象有哪几种？筛板塔的负荷性能图受哪几个条件约束何为操作弹性？403.3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413.3填料塔3.3.1填料塔的结构与特点421.填料塔的结构1.除沫器:防止塔顶气体出口处夹带液体。2.液体分布器:均匀分布液体，以避免发生沟流现象。3.填料压紧装置：防止填料松动4.填料层：提供气液接触的场所。5.液体再分布器：避免壁流现象发生。6.支撑板：支撑填料层，使气体均匀分布。液体气体气体液体124563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2.填料塔的特点15.有一吸收塔，填料层高度为3m，操作压强为101.33kpa，温度为20℃，用清水吸收混于空气中的氨。混合气质量流速G=580kg/(m2﹒h),含氨6%（体积），吸收率为99%；水的质量流速W=770kg/(m2﹒h)。该塔在等问下逆流操作，平衡关系为Y*=0.9X。KGa与气相质量流速的0.8次方成正比而与液相质量流速大体无关。试计算当操作条件分别做下列改变时，填料层高度应如何改变才能保持原来的吸收率（塔径不变）；(1)操作压强增大一倍；（2）液体流量增大一倍；（3）气体流量增大一倍。已知：mz3kpaP33.101Ct2002X)/(5802hmkgG%61y%99)/(7702hmkgWXY9.0*8.0GaKG不变,已知：mz3kpaP33.101Ct2002X)/(5802hmkgG%61y%99)/(7702hmkgW8.0GaKG不变,解：OGOGOGOGNNHHzz''''''''YYYYOGOGKKVVaKVaKVHHSSSSSSNNAAOGOG11)1(ln11'11)'1(ln'11'?',2'1zPP）（5.0''''PPKPPKKKGGYY04.0/)1(1wmMWyMGmLmVS5.0'/'/'''PPLVLVmmSSXY9.0*已知：mz3kpaP33.101Ct2002X)/(5802hmkgG%61y%99)/(7702hmkgW8.0GaKG不变,解：OGOGOGOGNNHHzz''''''''YYYYOGOGKKVVaKVaKVHHSSSSSSNNAAOGOG11)1(ln11'11)'1(ln'11'?',2'2zWW）（104.0/)1(1wmMWyMGmLmVS5.0'/'/'''LLLVLVmmSSXY9.0*已知：mz3kpaP33.101Ct2002X)/(5802hmkgG%61y%99)/(7702hmkgW8.0GaKG不变,解：OGOGOGOGNNHHzz''''''''YYYYOGOGKKVVaKVaKVHHSSSSSSNNAAOGOG11)1(ln11'11)'1(ln'11'?',2'3zGG）（574.022'228.08.0'GGKKG