化工原理 第十章 气液传质设备

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20
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西 10.2.5塔板的共同结构
安
交 1．塔板的几个区域
大
各种塔板版面大致可分
化
为三个区域：降液管所占 的部分称为溢流区；塔板
工 开空部分称为鼓泡区；图
原
10—15中阴影部分称为无 效区。
理
电
子
课
件
21
lw wc
无效区
溢
鼓
溢
流
泡
流
区
区
区
Af
Aa
ws
ws'
图 10－ 15 塔 板 共 同 结 构 示 意 图
子
课
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24
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西 10.2.6筛板塔得结构设计
安
1． 筛板的开孔
t
交
为了使筛板的利用率高，筛孔多取三
角形排列（见图１０－２１）。当孔
大 间距和孔径确定后，开孔面积与塔板
化
开孔区面积之比（ ），由下式计算：
d0
工
A0 0.907( d0 )2
Aa
t
原
开孔区面积对于单溢流塔板可用下式计算： 图 10－ 21 筛 孔 排 列 示 意 图
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西 2．降液管
安 （1）降液管的作用和液体在降液管的停留时间
交 一般要求停留时间大于3～5s,即按下式计算：
大 化


降液管容积m3 液体体积流量m3
/s

Af HT Ls
工（2）降液管的形状 原
理
电
子
Af
Af
课
(a)圆 形
（ b)弓 形
件
图 10－ 16 降 液 管 示 意 图
22
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西
3． 溢流堰
原 图中（2）；
理
在液层上方空间属雾沫区， 如图中（3）。
电
子
课
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18
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西 10.2.3板式塔塔径的估算
安 塔径可按流量方程求得，即
交
大 因此 化
D 4Vs u
Vs

4
D2u
工 气速 的u 计算 原
umax C
L G G
理
电
C 值应按下式进行校正：
子
C20 ( 20)0.2
3( L L DL
)1
2 (ad p )0.4
理 3.气相传质系数
电 子
kV RT aDV
C( GV aV
)0.7 ( V V DV
)1 3 (adP )2
课
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10
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西 四、一些设计指标
安 1．填料尺寸
交
一般认为上述比值至少要等于8，对拉西环填料还须大一些。
大 2．操作气速
化
操作气速可按下列两种方法之一决定：
化
工
原
理
电
子
课
件
图10－2 填料的形状
4
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西
安
三、填料得选择
交 1、填料用材的选择
大 （1）当设备操作温度较低时，塑料能长期操作而不出现变形，在此
种情况下如果体系对塑料无溶胀时可考虑使用塑料，因其价格低、
化 性能良好。塑料填料的操作温度一般不超过1000C，玻璃纤维增强的
工 聚丙烯填料可达1200C左右。塑料除浓硫酸、浓硝酸等强酸外，有较
的固体块、中空的环形填料、表面开口的鞍形填料等，其常用的构造
安 材料包括陶瓷、金属、塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、玻璃、石墨。
交 陶瓷填料耐腐蚀，但易碎，空隙率小；金属填料比表面积及空隙率大，
大
通量大，效率高，但不锈钢价贵，普通钢易腐蚀；塑料填料比表面积 大，空隙率较高，但不耐高温。工业上常用的一些个体填料如下。
理 当气液量达到某一定值时，两相交互作用恶性发展的结果会导致
电 液泛现象的出现。此时上升气流对液流的曳力加大到足以阻止液体
子 下流，于是液体充满填料层空隙，气体只能鼓泡上升。 课
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8
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西
二、填料塔的水力学性能
安 1、压力降
交
反映填料层阻力的压降随填料的类型与尺寸不同而变化。
大 2、 液泛
化
气速通常取泛点气速的50％～80％。填料塔的直径D：
课
C
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西 10.2.4塔板流动形式 安 有降液管得板式塔常用得塔板液流型式有以下几种：
交 1．单溢流型 如图10—14（a）。 2．双溢流型 如图10—14（b）。
大 3．U形溢流型 如图10—14（c）。 4．四溢流型 如图10—14（d）。
化
工
原
理
电
子
(a)
课
(b)
(c)
(d)
图 10－ 14 塔 板 流 动 型 式
理 （３）由表面张力引起的压降。
电 由表面张力引起的压降值一般可忽略，故重要由前两项组成，即
子
p p干＋p液
课
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27
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西
２．筛板的几个操作极限
安（1）漏液点
交
F0漏＝－4.51=0.00848(d0 1.27)(hL 27.9)
大 （2）雾沫夹带
化 ev

0.22(73)[ uG 12(HT hf
理 电 子
Aa 2[x
对于双溢流塔板
r2

x2

r2
sin 1
x] r
Aa 2[x
r2

x2

r2
sin 1
x r
]

2[
x1
r2

x12
r2
sin 1
x] r
塔板上的筛孔总数n可用下式计算：
课 件
n
1185105 t2
Aa

n' Aa
25
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西
2． 溢流堰
安 溢流堰设计按10.2.5节考虑，筛板塔的堰高可按以下要求设计：
Байду номын сангаас
原
塔截面的中心位置，管端作向下倾斜的切口或向下弯的喇叭口。 对于大塔，应采取其他更为有效的措施。
理
气体出口有时需设置除雾沫装置，常用的除沫装置有折流板
电 除雾器、丝网除雾器等。
子
液体的出口应保证形成塔的液封，并能放置气体的挟带。
课
件
15
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西
安
交
大
化
工
10.2 板式塔
原
理
电
子
课
件
16
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西 10.2.1板式塔的塔型简介 安 交 大 右图中： 化 （a）为泡罩塔； 工 （b）为筛板塔； 原 （c）为浮阀塔； 理 (d ) 为固定舌型塔； 电 （e）为浮动喷射塔。 子 课 件
好的耐腐蚀性，但塑料表面对水溶液的润湿性差。
原
理
（2）陶瓷填料一般用于腐蚀性介质，尤其是高温时，但对HF和高 温下的H3PO4与碱不能使用。
电 （3）金属材料一般耐高温，但不耐腐蚀。不锈钢可耐一般的酸碱腐
子 蚀（含C1－的酸除外），但价格较昂贵。
课
件
5
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西
2、 填料类型的选择
安
首先取决于工艺要求，如所需理论级数，生产能力（气量），容
23
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西 ４．堰上液层高度
安 交
how

2.84( Lh lw
)2
3
大
５．液体通过降液管得阻力
化
hc

0.153( Ls lwh0
)2
工
６．降液管到下板间h距0
原
一般情况下，h0 值应使液体通过降液管得阻力不要超过25mm。此
理
外，应浸没在液层中以保持液封防止气体进入降液管，所以此值
电
应小于堰高hw ，一般取hw h0 6 ~ 13mm
工 3、载液
D 4Vs u
原
从正常到载液的过渡往往是一段圆滑曲线。
理 4、持液量
持液量指单位体积填料层载其空隙中所持有地液体量。
电 5、润湿速率
子
润湿速率＝ 喷淋密度 ＝液体体积流量/填料层截面积 填料比表面 填料层表面积/填料层体积
课
＝
液体体积流量
＝ 液体体积流量
填料层表面积/填料层高度 填料层得周边长
电 优点，尤其适用于塔直径较小地情形及处理有
子
腐蚀性的物料或要求压强较小的真空蒸馏系统 ，此外，对于某些液气比较大的蒸馏或吸收操
课 作，也宜采用填料塔。
件
2
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西 二、填料
安
填料式填充于填料塔中的材料，它是填料塔的主要内构件，其作用 是增加气、液两相的接触面积，并提高液体的湍动程度以利于传质、
交 传热的进行。因此填料应能使气、液接触面积大、传质系数高，同时
西
安
交
大 化工原理 第十章 气液传质设备
化
工
原
理
电
子
课
件
1
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西
10.1 填料塔
安
交 大 10.1.1 填料塔和填料
化 一、填料塔的结构
工 填料塔是一种应用广泛的气液两相接触并进行
原 传热、传质的塔设备，可用于吸收（解吸）、
理
精馏和萃取等分离过程。填料塔不仅结构简单 ，而且具有阻力小和便于用耐腐蚀材料制造等
电 并在较高气速下操作。
子
课
件
7
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西 10.1.2填料塔的留题力学性能于传质性能
安 一、填料塔内的流体流动
交 1、填料层中的流动
大 气体在填料层内的流动相当与气体在颗粒层内的流动。
化
2、 气液两相流动的交互影响和载点
工 载干填料层内，气体流量的增大，将使压降按1.8~2.0次方增长。
原
3、 填料塔的液泛
14
图10－9 槽式喷淋器
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西
4、 其他
安
为避免操作中因气速波动而使填料被冲动及损坏，常需在填
交
料层顶部设置填料压板或挡网，否则有可能使填料层结构及塔的 性能急剧恶化，破碎的填料也可能被代入气、液出口管路而造成
大 阻塞。
化
填料塔气体进口的构形应考虑液体倒灌，更重要的是要有利
工 于气体均匀地进入填料层，对于小塔常见地方式是使进气管伸至
交 许压降，物料特性（液体黏度、气相和液相中是否有悬浮物或生产过
大
程中的聚合等）等，然后结合填料特性来选择，要求所选填料能满足 工艺要求，技术经济指标先进，易安装和维修。
化
由于规则填料气、液分布较均匀，放大效应小，技术指标由于乱
工 堆填料，故近年来规则填料的应用日趋广泛，尤其是大型塔和要求压
原 降低的塔，但装卸清洗较为困难。
安
how
交
hw
降液管 h0
We
Wd
r
大
HT
化
工
筛板 lw
溢流堰
Ws Af
x
Af Aa
原
图 10－ 17 单 溢 流 塔 板 示 意 图
堰长 ：lw为使液流均匀通过塔板，一般对单溢流
理
lw 0.6 ~ 0.8
电 对双溢流 子
D
lw 0.5 ~ 0.7 D
课 一般堰上最大液流量，不宜超过100～130m3/(m h)。 件
交
1、 支承板
大
化
工
原
理
电
（c）条形升气管
子
课
(a)栅 板
(b)升 气 管 式
图10－5 填料的支撑
件
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西 2、 液体分布器 安 （1）管式喷淋器 交 大 化 工
(a)
原 理 电 子
(b)
课 件
13
BA BA
A－ A
(c)
B－ B
图10－6 管式喷淋器
(d)
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西 （2）莲蓬式喷淋器 安 （3）盘式喷淋器 交 大 化 工 原 （4）齿槽式分布器 理 电 子 课 件
电
降液管、内堰、受液盘及安定区、边缘区等要求按10.2.5节
子 设计。
课
件
26
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西 10.2.7筛板塔上流体力学计算
安 1． 塔板压降（流体阻力）
交 塔板压降由如下三部分组成：
大 （１）干板压降；
化
p干＝0.051
F02 C02
(1- 2 ) L
工 （２）通过液层的压降；
原
通过液层得压降按有效液层阻力 he 计算
件
9
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西
三、填料的传质性能
安 1.填料润湿表面的计算
交 大
aW 1 exp[1.45( c )0.75( GL )0.1( GL2 )0.05( GL2 )0.2 ]
a

aL L2g
L
化 2.液相传质系数计算
工 原
kL
(
L Lg
1
)3

0.0051( GL aW L
)2
工 （1）取操作气速等于液泛气速得0.5~0.8倍；
原 （2）根据生产条件，规定出可容许得压力降，由此压力将反算出可
理
采用得气速。
电 3．填料层高度
子
填料层高度由传质单元数或理论板数来推算。
课
件
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10.1.3填料塔得附属结构
(c)
西
填料塔得附属结构包括填料支撑板，液体分布器，液体再分布器，
安 气、液体进口及出口装置等。
17
液 体
液 体
升气管
气流 （ a）
气流 （ b）
液 体
浮阀
气流 (c)
液
液
体
体
浮板
气流
气流
(d)
(e)
图 10－ 11 常 用 板 式 塔 的 简 图
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西 10.2.2板式塔的操作原理
安
交
通常在塔板以上形成三种 不同状态的区间：
大 靠近塔板的液层底部属鼓
化 泡区，如图中（1）；
工 在液层表面属泡沫区，如
交
对一般的塔，应使塔上清夜层高度（堰高＋堰上液流高度）在50 ～100mm之间，即
大
化
0.100 how hw 0.050 how
工
对于真空度较高或要求压强很小的情况下，可使 hL 25mm ，此 时 how 6 ~ 15mm 。当液流量很大时，可以不设堰。
原
理 ３．其他结构
理
对于生产能力（塔径）大，或分离要求较高，压降有限制的塔，
电 选用孔板波纹填料较宜，如苯乙烯—乙苯精馏塔、润滑油减压塔等。
子
对于一些要求持液量较高的吸收体系中，一般用乱堆填料。乱堆填料 中，综合技术性能较优越是金属鞍环、阶梯环、其次是鲍尔环，再次
课 是矩鞍填料。
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6
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西 3、 填料尺寸的选择
安
一般，填料尺寸（直径、波峰高）大，则比表面小，通量（容许
大 通量大而阻力小。表征填料特性的主要参数有：
化 1． 比表面积
工 2． 空隙度
原 3． 单位堆体积内的填料数目n
理 4． 堆积密度
电 5． 干填料因子及填料因子
子 6． 机械强度及化学稳定性
课
此外，性能优良的填料还必须满足制造容易、造价低廉等多方面的
件 要求。
3
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