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2020年8月31日第四章气液传质设备1/109第四章气液传质设备4.1板式塔4.2填料塔4.3填料塔与板式塔的比较本章总结－联系图工程案例2020年8月31日第四章气液传质设备2/109蒸馏和吸收虽原理不同，但从传质角度讲，有共同特点，即气液两相要密切接触，接触后两相要及时分离。因此，蒸馏和吸收可在相同的设备内进行，此设备即为气液传质设备。气液传质设备中，典型的是塔设备。在塔设备内，液体靠重力作用自上而下流动，气相自下而上流动，两者逆流接触。从结构上分，塔设备分板式塔和填料塔。2020年8月31日第四章气液传质设备3/1094.1板式塔platetowers4.1.1板式塔的结构4.1.2塔板的类型及性能评价4.1.3板式塔的流体力学性能与操作特性4.1.4板式塔的设计2020年8月31日第四章气液传质设备4/1094.1板式塔4.1.1板式塔的结构逐级接触式，内装塔板，气液传质在板上液层空间内进行；两相的组成沿塔高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相为连续相，气相为分散相。板式塔内流体的流动.swf2020年8月31日第四章气液传质设备5/109溢流堰Weir：维持塔板上一定高度的液层，以保证在塔板上气液两相有足够的接触面积；降液管Downcomer：作为液体从上层塔板流至下层塔板的通道。板式塔特点：生产能力大，塔板效率稳定，操作弹性大，造价低，检修、清洗方便。2020年8月31日第四章气液传质设备6/109板式塔的设计意图1、在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，以减小传质阻力；2、在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供较大的传质推动力。板式塔：总体上气液呈逆流流动；每块塔板上呈均匀错流。2020年8月31日第四章气液传质设备7/1094.1.2塔板的类型及性能评价4.1.2.1塔板类型塔板分为有降液管式塔板PlateWithdowncomer（也称溢流式塔板或错流式塔板）：气液两相呈错流方式接触，其塔板效率高，具有较大的操作弹性，使用广泛。无降液管式塔板PlateWithoutdowncomer（也称穿流式塔板或逆流式塔板）：气液两相呈逆流接触，其板面利用率高，生产能力大，结构简单，但效率较低，操作弹性小，应用较少。本节只讨论有降液管式塔板。2020年8月31日第四章气液传质设备8/1094.1.2塔板的类型及性能评价1.泡罩塔板Bubble-captray泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其结构如图所示，它主要由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有Φ80、Φ100、Φ150mm三种尺寸，可根据塔径的大小选择。泡罩的下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。塔-泡罩塔.swf2020年8月31日第四章气液传质设备9/1092020年8月31日第四章气液传质设备10/109操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面。2020年8月31日第四章气液传质设备11/109泡罩塔板的优点是操作弹性较大，塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价高，板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代，在新建塔设备中已很少采用。2020年8月31日第四章气液传质设备12/1092.筛孔塔板Sieveorperforatedtray筛孔塔板简称筛板，其结构如图示。塔板上开有许多均匀的小孔，孔径一般为3～8mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。2020年8月31日第四章气液传质设备13/109操作时，气体经筛孔分散成小股气流，鼓泡通过液层，气液间密切接触而进行传热和传质。在正常的操作条件下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。塔-筛板塔.swf2020年8月31日第四章气液传质设备14/109筛板的优点是结构简单、造价低，板上液面落差小，气体压降低，生产能力大，传质效率高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。应予指出，筛板塔的设计和操作精度要求较高，过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板塔的操作非常精确，故应用日趋广泛。2020年8月31日第四章气液传质设备15/1093.浮阀塔板Valvetray结构特点：塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片的阀腿，可限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片的定距片，可防止阀片与板面的粘结。2020年8月31日第四章气液传质设备16/109操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，开度增大，使气速不致过大。F1型浮阀工作原理.swf塔板-浮阀.swf2020年8月31日第四章气液传质设备17/109浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、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。2020年8月31日第四章气液传质设备18/109三种塔板的比较:1.生产能力：筛板浮阀泡罩；2.压降：泡罩浮阀筛板；3.操作弹性：浮阀泡罩筛板；4.造价：泡罩浮阀筛板；5.板效率：浮阀、筛板相当泡罩。2020年8月31日第四章气液传质设备19/1094.喷射型塔板上述几种塔板，气体是以鼓泡或泡沫状态和液体接触，当气体垂直向上穿过液层时，使分散形成的液滴或泡沫具有一定向上的初速度。若气速过高，会造成较为严重的液沫夹带，使塔板效率下降，因而生产能力受到一定的限制。为克服这一缺点，近年来开发出喷射型塔板，大致有以下几种类型。2020年8月31日第四章气液传质设备20/109（1）舌型塔板tongueplate舌型塔板的结构如图所示，在塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，有18°、20°、25°三种（一般为20°），舌片尺寸有50×50mm和25×25mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管，降液管截面积要比一般塔板设计得大些。塔板-舌形.swf2020年8月31日第四章气液传质设备21/109操作时，上升的气流沿舌片喷出，其喷出速度可达20～30m/s。当液体流过每排舌孔时，即被喷出的气流强烈扰动而形成液沫，被斜向喷射到液层上方，喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中，流到下一层塔板。2020年8月31日第四章气液传质设备22/109舌型塔板的优点是：生产能力大，塔板压降低，传质效率较高；缺点是：操作弹性较小，气体喷射作用易使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，从而降低塔板效率。2020年8月31日第四章气液传质设备23/109（2）浮舌塔板Floattongueplate如图所示，与舌型塔板相比，浮舌塔板的结构特点是其舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，具有处理能力大、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。浮舌塔板示意图.swf2020年8月31日第四章气液传质设备24/109（3）斜孔塔板斜孔塔板的结构如图所示。在板上开有斜孔，孔口向上与板面成一定角度。斜孔的开口方向与液流方向垂直，同一排孔的孔口方向一致，相邻两排开孔方向相反，使相邻两排孔的气体向相反的方向喷出。2020年8月31日第四章气液传质设备25/109由于相邻两排孔的气体向相反的方向喷出。这样，气流不会对喷，既可得到水平方向较大的气速，又阻止了液沫夹带，使板面上液层低而均匀，气体和液体不断分散和聚集，其表面不断更新，气液接触良好，传质效率提高。斜斜孔塔板的生产能力比浮阀塔板大30%左右，效率与之相当，且结构简单，加工制造方便，是一种性能优良的塔板。2020年8月31日第四章气液传质设备26/1094.1.2.2塔板的性能评价1.生产能力大，即单位塔截面积上气体和液体的通量大；2.分离效率高，即完成一定的分离任务所需的板数少；3.阻力小，压降低，即气体通过单板的压降低，能耗低，对于精馏系统可降低釜温，尤其适用于热敏性物系的分离；4.操作弹性大，即当操作的气液流量发生波动时仍能维持板效率的稳定；5.满足工业对生产设备的一般要求，即结构简单、造价低、安装维修方便等。常见塔板的性能比较见P237表4-2。2020年8月31日第四章气液传质设备27/1094.1.3板式塔的流体力学性能与操作特性4.1.3.1板式塔的流体力学性能1.塔板上气液两相的接触状态塔板上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。如图所示，当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现三种典型的接触状态。2020年8月31日第四章气液传质设备28/109（1）鼓泡接触状态当气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。特点：液体为连续相，气体为分散相；传质在气泡表面进行；湍动程度低，传质阻力大。2020年8月31日第四章气液传质设备29/109（2）泡沫接触状态当气速继续增加，气泡数量急剧增加，并且扰动十分剧烈，在板上只能看到较薄的一层液体。由于泡沫接触状态的表面积大，并不断更新，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。特点：液体为连续相，气体为分散相；传质在不断更新的液膜表面进行；湍动程度高，接触面积大，传质阻力小。2020年8月31日第四章气液传质设备30/109（3）喷射接触状态气速继续增加，由于气体动能很大，把板上的液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用又落回到板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。特点：气体为连续相，液体为分散相；传质在不断更新的液滴表面进行因液滴不断形成和聚集，因此传质面积大大增加。2020年8月31日第四章气液传质设备31/109如上所述，泡沫接触状态和喷射状态均是优良的塔板接触状态。因喷射接触状态的气速高于泡沫接触状态，故喷射接触状态有较大的生产能力，但喷射状态液沫夹带较多，若控制不好，会破坏传质过程，所以多数塔均控制在泡沫接触状态下工作。2020年8月31日第四章气液传质设备32/1092.气体通过塔板的压降气体通过塔板的压降（塔板的总压降）Δpp包括：塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力）板上充气液层的静压力液体的表面张力。2020年8月31日第四章气液传质设备33/109塔板压降是影响板式塔操作特性的重要因素。塔板压降增大，一方面塔板上气液两相的接触时间随之延长，板效率升高，完成同样的分离任务所需实际塔板数减少，设备费降低；另一方面，塔釜温度随之升高，能耗增加，操作费增大，若分离热敏性物系时易造成物料的分解或结焦。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。2020年8月31日第四章气液传质设备34/109影响塔板压降Δpp的因素：气量↑→Δpp↑液量↑→Δpp↑开孔率↑→u0↓→Δpp↓孔径↓→Δpp↑板上清液层高度↑→Δpp↑液体表面张力↑→Δpp↑2020年8月31日第四章气液传质设备35/1093.塔板上的液面落差产生原因：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，从而造成漏液现象，使板效率下降。影响因素：塔结构复杂、塔径↑、流量↑→液面落差↑有溢流塔板2020年8月31日第四章气液传质设备36/1094.1.3.2板式塔的操作特性1.气液两相非