第章气液传质设备

第10章气液传质设备
10.1 板式塔
10.1.1 概述
（1）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，减小传质阻力；2.在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。

(板式塔结构录像)
（2）筛孔塔板的构造板式塔的主要构件是塔板，以筛孔塔板为例，塔板的主要构造包括如下部分：
塔板上的气体通道----筛孔各种塔板的主要区别就在于气体通道的形式不同。

溢流堰----塔板上的液层高度或滞液量在很大程度上由堰高决定。

降液管----液体自上层塔板流至下层塔板的通道。

10.1.2.空间上的反向流动
（1）液沫夹带气流穿过板上液层时，无论市喷射还是鼓泡操作都会产生大量的尺寸不同的液滴。

在喷射型操作中，液体是被气流直接分散成液滴的；而在鼓泡型操作中，液滴是因泡沫层表面的气泡破裂而产生的。

这些液滴的一部分会被上升的气流裹挟至上层塔板，这种现象称为液沫夹带。

液沫夹带是一种与液体主流方向相反的液体流动，属返混现象，是对传质有害的因素。

液沫夹带量通常有三种表示方法：
1、1kmol（或kg）干气体所夹带的液体量，以eν表示，单位是
kmol（或 kg）；
2、每层塔板在单位时间内被气体夹带的液体量，以e′表示，单位
是kmol或（或kg）；
3、被夹带的液体量占流经塔板总液体量的分率Ψ。

三者关系如下：
气泡夹带塔板上与气体充分接触后的液体，翻越溢流堰流入降液管时，必含有大量气泡，若液体在降液管内停留时间太短，所含气泡来不及解脱便被卷入下层塔板，形成气泡夹带。

它的最大危害是降低了降液管内的泡沫层平均密度，使降液管通过能力减少，严重时会破坏塔的正常操作。

避免气泡夹带是设计时，确定降液管面积或溢流堰长的依据．（2）空间上不均匀流动
气体沿塔板的不均匀流动
从降液管流出的液体横跨塔板流动，由于克服阻力的需要，板上液面将出现坡度，形成液面落差。

在塔板入口处，液层阻力大，气速或气体流量小于平均数值，而塔板出口处，液层阻力小，气速或气量大于平均值，导致气流在液层中的不均匀分布，进而引起传质的不均匀，因此对传质是有害的。

液体沿塔板的不均匀流动
液体在圆形塔截面上流动时，在塔中央液体行程较短而平直，阻力小，流速大；在塔板边缘部分行程长而弯曲，又受塔壁牵制，阻力大，流速大，所以液体塔板是不均匀流动的，这种不均匀性严重时会造成滞流区，液流的不均匀性同样对传质不利
10.1.5板式塔的不正常操作现象
如果板式塔设计不良或操作不当，有可能产生一些使塔无法工作的不正常现象。

这些不正常现象为：
夹带液泛当气速增加使液沫夹带量过大时，塔板上和降液管内的液量将增加，板上液层厚，实际板间距减小，夹带量进一步增加。

最终液体将充满全塔，并随气体从塔顶溢出形成夹带液泛。

板上开始出现恶性循环的气速为液泛气速uf，塔板上液量越大，液泛气速越小。

溢流液泛因降液管通过能力的限制而引起的液泛。

当降液管液面升至上层塔板溢流堰上缘时，降液管的通过能力达到极限，若液体流量L超过此极限，塔板失去自衡，最终引起液泛。

降液管液面过高主要因板压降过大造成，所以气量、液量过大均会造成溢流液泛。

漏液当气速较小时，部分液体没有横向流过塔板而从板孔直接落下，形成漏液。

漏液分为两种：
随机性漏液，因液层波动造成液层阻力不均，时而这部分板孔漏液，时而那部分板孔漏液，称为随机漏液；
倾向性漏液，液面落差使塔板入口处液层阻力大，气体通过量小，液体就从此处板孔中连续漏下，漏液对筛板塔尤为重要。

10.1.6 板效率的各种表示方法及其应用
10.1.7提高塔板效率的措施
1、合理地选择塔板的开孔率和孔径，造成适应于物系性质的气液接触状态
2、设置倾斜的进气装置，使全部或部分气流斜向进入液层。

3、合理选择气液两相流量，使设计点和操作点位于负荷性能图所定的范围内
塔板负荷性能图如下：
10.1.9筛板塔的设计
筛孔塔板的板面布置
1、有效传质区，即塔板上开有筛孔的面积，以符号Aa表示；
2、降液区，包括降液管面积A和接受上层塔板液体的受液盘面积A‘，对垂直降液管A=A’。

3、塔板入口安定区其宽度为W′s
4、塔板出口安定区其宽度为Ws
5、边缘区即在塔板边缘留出宽度为W c的面积不开孔供塔板固定用。

筛孔塔板的设计参数
1、塔板直径D
2、板间距HT
3、溢流堰的型式，长度lw和高度hw
4、降液管型式，降液管底部与塔板间距的距离ho
5、液体进、出口安定区的宽度W′s、Ws，边缘区宽度Wc
6、筛孔直径do,孔间距to
筛孔塔板的设计步骤
1、选择板间距和初步确定塔径
2、根据初选塔经，对筛板进行具体结构设计:
（1）、溢流堰的型式和高度的选择
（2）、降液管的受液盘的结构和有关尺寸的选择
（3）、安定区和边缘区选择
3、对所设计的塔板进行流体力学校核：
筛孔塔板的校核
（1）、塔板的校核
（2）、液沫夹带的校核
（3）、溢流液泛条件的校核
a、堰上液高h ow
b、液面落差Δ
c、降液管阻力Σh f
d、液体在降液管内停留时间的校核
e、漏液点的校核
10.2填料塔
填料塔也是一种应用很广泛的气液传质设备，它具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点.
10.2.1填料塔的结构及填料特性
填料塔的结构填料塔由圆形塔体、填料(整砌或乱堆)、液体分布装置、填料支承装置、填料压板（有时用）、液体再分布装置、除沫装置（有时用）等构成。

填料塔的结构动态演示
填料塔的操作
操作时，液体由塔上部进入，通过液体分布器均匀喷洒于塔截面上,在填料表面呈膜状流下。

当填料层较高时，因液体有趋壁效应，填料应分若干层，各层填料间设置液体再分布装置；气体自塔下部进入，通过填料层中的空隙由塔顶排出，气液两相在填料层中逆流接触，填料的润湿表面即为传质面。

填料特性评价
比表面积a 单位填充体积所具有的填料表面，填料应有较高的比表面积。

对同种填料，小尺寸填料具有较大的比表面积。

空隙率ε流体通过颗粒层的阻力与空隙率ε密切相关，为减小气体中的流动阻力，提高填料塔的允许气速（处理能力）填料层应具有尽可能大的空隙率。

填料的几何形状形状理想的填料为气液两相提供了合适的通道，气体流动降低、通量大，且液层易于铺展成液膜，液膜的表面更新迅速。

其他要求耐腐、耐热、强度高、润湿好、造价低、化学稳定性好等。

填料类型
拉西环它是一段高度与外径相等的短管，形状简单、制造容易、其流体力学和传质方面的特性比较清楚。

鲍尔环它的构造是在拉西环的壁上沿周向冲出一层或两层长方形小孔，这种构造，提高了环内空间和环内表面的有效利用程度，使空气流动阻力大为降低。

鲍尔环上的两层方孔
是错开的，在堆积时即使相邻填料形成线接触也不会阻碍气液两相的流动，不致产生严重的偏流和沟流现象。

矩鞍环又称英特洛克斯鞍环,填料结构不对称，填料两面的大小不等，堆积时不会重叠。

填料层的均匀性大为提高。

矩鞍环的气体流动阻力大，各方面的性能虽不及鲍尔环，仍不失为一种性能优良的填料。

另外，这种填料的制造比鲍尔环方便。

阶梯环环壁上有长方形孔，孔内有两层交替成45度的十字形或米字型翅片,阶梯环比鲍尔环短,通常只有直径的一半,阶梯环的一端制成喇叭形,因此在填料层中填料之间多点接触、不易重叠、床层均匀且空隙率大.
网体填料此种填料以金属网或多孔金属片为基本材料制成,网体填料的特点是网材薄,填料尺寸小,比表面积和空隙率都大,液体均布能力强,因此,网体填料的气体阻力小,传质效率高.但是这种填料的造价过高,在大型的工业生产中应用较少.
规整填料将金属丝网或多孔板压制成波纹状并叠成圆筒形整块放入塔内.对大直径的塔,可分块拼成圆筒形砌入塔内,只要液体的初始分布均匀,全塔填料层内的液体分布良好,克服了大塔的放大效应,转质性能高,但填料造价高,易被杂物堵塞且难以清洗.
10.1.2气液两相在填料层内的流动
液体成膜条件σLS+σGL<σGS
式中σLS,σGL,σGS分别为液固、气液、气固间的界面张力（N/m）。

对一定物系,成膜条件取决于填料的材质和表面性质.
填料塔内液膜表面的更新
在填料塔内,液膜所流经的填料表面形状极不规则,它有助于液膜的湍动,特别是当液体从一个填料通过接触点流至下一个填料时,易产生表面更新现象.表面更新现象有助加快液相内部的物质传递.但填料层中也可能存在液流所不及的死角.
塔内液体的分布
液体在填料中可随机、自动地分散开来。

但因各种因素影响，液体在填料层中也可能行成沟流，壁流等不均匀分布。

液体流经足够高的一段填料层之后，将形成一个发展了的液体分布，称为填料的特征分布。

在同一填料塔内，喷淋液量越大，特征分布越均匀。

气液在填料层内的流动
填料塔中的持液量持液量由静持液量与动持液量组成.计算支承板
强度时,既要考虑填料量,也要考虑持液量，对传质，一般认为填料中持
液量较小好，同时液量较小，阻力小。

当气液两相逆流流动时，液膜占
去一部分气体流动空间，在相同的气体流量下，填料空隙间的实际气速
有所增加，压降也相应增大。

同理在气体流量相同的情况下，流体流量
越大，液膜越厚，压降越大气体在填料层内的流动近似于流体在颗粒层
内的流动。

两者主要区别是，在颗粒层内流速一般较低，通常处于层流
状态，流动阻力与气速成正比；而在填料层内，由于气体的流动通道较
大，因而一般处于湍流状态。

气液两相交互影响和载点
当填料层内存在两相逆流流动时，压降随气体流量增加的趋势比干填料层大，这是因为气体流量的增大使液膜增厚，塔内自由截面减小，气体的实际流速更大，从而造成附加的压降增高，低气速时膜厚随气速变化不大，液膜增厚所造成的附加压降增高并不显著。

当气液两相流动的交互影响开始变得显著时，对应的气速点为载点，即图中A点。

填料塔的液泛
自载点以后气液两相的交互作用越来越强烈，当气液流量达到某一定值时，即压降曲线上的B点，两相交互
作用恶性发展，将出现液泛现象。

10.2.4填料塔的附属结构
支撑板主要用途是支撑塔内的填料，同时又保证气液两相顺利通过。

常用的支撑板有栅板和各种具有升气管结构的支撑板。

液体分布器常用的液体分布器有多孔管式分布器、槽式分布器、孔板式分布器。

槽式分布器多用于直径较大的填料塔，这种分布器不易堵塞，对气体阻力小。

多孔管式分布器能适应较大的液体流量波动，对安装水平要求不高，对气体的阻力也很小，但由于壁上的小孔易堵塞，被分散的液体必须是清洁的。

孔板式分布器对液体分布情况与槽式相似，但对于气体阻力较大，只适用气体负荷不太大的场合。