塔式反应器

计算kL的关联式。
（7-3） 式中 k L——液相传质分系数， kmol/[s· m2· （kmol/m3）]； dp——填料的名义尺寸，m。 GL——液相质量流速，kg/(s· m2)。
34


计算气相传质系数 kG的关联式
式中
kG——气相传质分系数，kmol/(s· m2· kPa)；
CA=0
PA*=HACA/PA =0
HA K AG a k AG a k A1a 1 1
－气相总传质系数
47
(2) CB 高时
塔顶：
塔底：
气相传质控制
48
塔顶： 塔底：
液膜传质控制
49
塔顶： 塔底：
50
化学吸收


结论:
1．
k AG apA k B1aCB
气相反应速率较慢，由较慢的控制。
C——系数，对大于15mm的填料，C=5.23；小于
15mm的填料，C=2.0；
35
轴向混合对传质过程的影响
气液相流动的不均匀，
再加上涡流因素。
由于返混，塔内气液浓度随塔 高的变化曲线与假想情况发生
差异。返混使传质推动力减小，
故应设法减小返混程度。
需适当加高，以保证 预期的分离效果。
轴向混合对塔内气液浓度分布曲线的影响
23


填料塔适用于：


1. 真空操作的精馏，产生泡沫的物料。
填料对泡沫有限制和破碎的作用。


2. 对于超小型的塔填料塔更有优势,塔径在2.5以下。
对于塔径在2.5以上，一般选择板式塔。
3. 对于高腐蚀性的物料精馏。

但冷却移除反应热或溶解热时，结构复杂化。
比较：高效填料材料的使用，使填料塔相对于板式塔的 效率可以以10倍计。

2．
k AG apA k B1aC B
反应在液相内进行，为液相控制。 化学吸收可以大大降低塔的高度，
而物理吸收塔过高，不能够实现。
51
5.3 板式反应器(tray column reactor)
G L
1. 适于易聚合或含有固体悬浮物的物料
2.较适合有多股进料及侧线采出的精馏
3. 比填料塔操作范围较大(最小润湿速率, 液泛现象）
36
物理吸附

为了计算填料塔高度，必须把传质速度方程式和 物料平衡方程式联立求解。计算的空间基准为单
位塔截面，高为dH的微元体积，其中相界面积为
adH；由于稳定操作，时间基准可以任意取△t。
37
38
39
40
KAG，KLG分别是组分A一分压和液相浓度表示的传质系数。
41

动力学控制与扩散控制： 当传递速率远大于化学反应速率时，实际的反应
（3）塔内单位体积具有的填料个数
根据计算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料，即
可确定塔内需要的填料数量。
25
填料塔的流体力学性能

主要包括填料层的压降、持液量、液泛、 填料表面的润湿及返混等。
26
A点称之“载点”（loading point） B点称为“泛点”
当L=0时, Δ p ∝ u 1.8～２.0
第五章 塔式反应器
参考文献:
<现代塔器技术> 兰州石油机械出版社 主编 中国石油化工出版社出版
1
本章内容
1. 填料塔－内部构件,填料特性,流体力学特性 物理吸收,化学吸收 2 板式塔－结构，特性，适用性 3. 降膜反应器, 喷雾反应器特点 4. 鼓泡塔－鼓泡塔流动力学
2
5.1 概述 一、塔式反应器特点及应用
有单管喷洒，蓬式喷洒， 多孔管喷洒，盘式喷洒等
17
液体再分布器
作用: 减轻液体流动时， 逐渐增大的壁流现象。 如令每段填料层的高度为Z， 塔径为D，对乱堆拉西环， 取 随着填料性能的改进， 之值可增大， 该值一般在3至10之间。
18
气体入口布气结构

作用：防止气体直接冲刷填料层。

当塔径小时,将进气管做成向下45º 的切口, 以免气
速率就完全取决于后者，叫做动力学控制；

反之，如果化学反应的速率很快，而某一步的传
递速率很慢时，例如经过气膜或液膜的传递阻力
很大时，过程速率就完全取决于该步的传递速率， 叫做扩散控制。
42
' rA
化学吸收 反应式为A（气）+B（液）——产品。 采用逆流稳定操作。 气相中失去组分A的物质的量=1/b液相中失去组分B的 物质的量=液相中反应掉的A的物质的量。
G L
52
流向：液体在重力作用下自上而
下通过各层塔板后由塔底排出；
气体在压差推动下，经均布在塔 板上的开孔由下而上穿过各层塔 板后由塔顶排出；在每块塔板上 皆贮有一定的液体，气体穿过板 上液层时，两相接触进行传质。
板式塔的结构 1.塔壳体 2.塔板 3.溢流堰 4.变液盘 5.降液管
53
板式塔的结构
(LW)
min
——最小润湿速率，m3/（m· h）；
a ——填料的比表面积，m2/m3。 最小润湿速率:在塔的截面上，单位长度的
填料周边的最小液体体积流量。
29
直径不超过75mm的散装填料，可取最小 润湿速率 (LW)min=0.08 m3/（m· h）； 对于直径大于 75mm的散装填料，
(LW)min =0.12 m3/（m· h）。
1．填料塔---快速和瞬间反应过程，特别适合与低压和介质 具有腐蚀性的操作。 2．板式塔---中速和快速反应过程。大多采用加压操作，适 用于传质过程控制的加压反应过程。 3．喷雾塔---瞬间反应过程，适合于有污泥，沉淀和生成固体 产物的体系，气膜控制的反应系统，气液两相返混严重。 4．鼓泡塔---储液量大，适合于速度慢和热效应大的反应， 但液相返混严重。适合于采用间歇操作方式。
适合反应器：填料反应器和板式反应器
6
（2）有利于反应选择性的提高
平行副反应：如主反应快于副反应，则采用储液量
较少的反应设备
连串副反应：返混较少的反应器，或半间歇 连串反应产物为主产物，反应速度很慢， 适合反应器型式？
7
（3）有利于降低能量消耗
反应热的回收，压力能的回收，分散液体所需要的动力。
（4）有利于反应温度的控制
G L
用于气液反应时，也可以并流操作
填料塔的塔体横截面有
但绝大部分是圆形。
圆形，矩形及多边形等，
G L
10
乱堆或整砌
壁流
轴向返混可忽略
11

详细说明：塔器采用铝及铝合金、 钛及钛合金、不锈钢、塑料板、 碳钢内衬、热喷涂防腐材料制造 填料塔、筛板塔、浮阀塔、精馏 塔 制造填料的材料有碳钢、不锈钢、
(1) 鲍尔环填料具有低压降、通量大、效率高的特点。
应用： 适用于各种分离、吸收、脱吸装置、常减压装
置、合成胺脱碳、脱硫系统、乙苯分离、异辛烷、甲
苯分离。

(2) 改型鲍尔环:高径比为0.2-0.4，取消了阶梯环的翻
边，采用内弯弧形筋片来提高填料强度，在乱堆时有
序排列，流道结构合理，压降低，在处理能力和传质



填料表面润湿性能与填料的材质有关。 常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言， 以陶瓷填料的润湿性能最好，塑料填料的润湿 性能最差。 喷淋密度过小－增大回流比或采用液体再循环； 采用减小塔径予以补偿； 金属、塑料材质的填料－表面处理方法。
30
塔径计算
式中V——气相体积流量，m3/s
u——操作空塔气速，m/s


Ldx B ' GdYA rA adH b
其中 r
' —宏观反应速度 A
（5.7）
b—B的反应系数与A的反应系数之比。
43
Ldx B ' GdYA rA adH b
p A p A1 p C B1 L L cB ' B1 G (Y A Y A1 ) ( X ) G ( ) ( c ) r XB B－ B1 ) B1 A adH b pV pV 1 b cV cV 1 填料高度为： YA 2 dY pA2 dp A L xB1 dxB A H G GPt YA1 r ' a p A1 ( p p ) 2 r ' a xB 2 r ' a b A t A A A 当处理稀溶液时，填料 塔的高度H为： Pt≈Pu G p A 2 dp A L CB1 dCB H ' p CB 2 r ' a A1 r a p bC Pt 1 T A A
因L3>L2>L1
27
液泛

在泛点气速下，液体被大量带出塔顶，塔 的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情 况称为淹塔或液泛。
28
液体喷淋密度: 指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积， 以U表示，单位为m3/m2· h）。
百度文库
U min ( Lw ) min a
式中 U
3/（m2· —— 最小喷淋密度， m h）； min
32
气液传质面积
干填料比表面积为a，润湿的填料比表面积为aw
式中σ—液体表面张力，N/m； σC—填料上液体铺展开的最大表面张力，N/m。 m2)； G L ——液体空塔质量通率，kg/(s·
，
L L —液体的粘度，N· s/m2和密度，kg/m3。
33
气液传质系数的经验关联式 液相传质系数
降膜、板式塔、鼓泡塔：易；填料塔：难
（5）应能在较少流体流率下操作
填充床反应器、降膜反应器和喷射反应器有限制。
8
气液反应器的形式和特点 气相 I II 分散 连续 液相 连续 分散 举 鼓泡反应器 喷雾反应器 例 板式反应器 文氏反应器
III
连续
膜状连续 填料反应器
降膜反应器
9
5.2 填充床反应器（packed column reactor)
31
填料塔逆流操作时的持液量
1.动持液量：在填料塔正常操作时突然停止喷淋液体和输 入气体，由填料层流出的液体体积与填料层体积之比。
2.静持液量：当停止喷淋液体和输入气体后经过一段时间
仍然滞留在填料层内的液体体积与填料层体积之比。
Ht H0 H s
静持液量Hs、动持液量Ho 总持液量Ht 适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益。
发展历史:

早期以碎石为填料，碎石比表面积小，空隙率低，堆
积密度大，造成塔体很重，逐渐暴露出其缺点。

随着填料塔塔径的增大，塔内气液分布不匀现象更趋
严重。“放大效应”，或称“放大问题”。

改进塔顶液体原始喷淋的均匀性，多设喷淋点，在填 料层中设置液体再分布器及控制塔径与填料尺寸的比 值等。 此外，人们对于填料形状对减小沟流的作用已给予了 足够的重视。
3
瞬 间 反 应
快 反 应
慢
反
应
中 速 反 应
4
二、工业生产对气－液反应器的要求
（1）应具备较高的生产强度 （a）气膜控制情况
气相容积传质系数大的反应器：
液体高度分散；
气体高速湍动。
气相为连续相，液相为分散相
5
（b）快速反应情况
反应基本上是在界面近旁的液膜中进行 要求反应器：表面积较大，具备一定的液相传质系数

陶瓷、聚丙烯、增强聚丙烯



产量0.5-6500万吨年系列产品， 填料塔 塔径：0.25-4.5（m） 塔高：6-28（m）
12
填料（packings）
拉西环
球形填料
共 轭环
鲍尔环 矩 鞍环
陶瓷波纹填料 聚丙烯球 海尔环
13
麦拉派克
(Mellapark)填料
格利奇(Glitsch)填料
14

由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等 部件组成。塔板是板式塔的核心部件，它提供气液 接触的场所。 ① 气体通道-筛板、浮阀、泡罩等对塔板性能影响很大 ② 降液管(液体通道)-多为弓形
体直接冲刷填料层。对大塔，气体入塔向下
方做成喇叭形以扩大或多空管气体分布器。
19
除沫器
气体流过曲折通道时，
气流中夹带的液滴因
惯性附于折流板壁，
然后流回塔内。
20
支承板
栅条间距为填料 外径的0.6~0.8倍
21
消泡和防旋板

作用：防止液体旋涡流动，有利于泡沫浮 升破碎和减小液体对气体的夹带。
22
24 板式塔不宜堵塞，填料塔则不然，所以有串连的做法
填料特性的评价
（1）比表面积
－塔内单位体积填料层具有的填料表面积，m2/m3。 须把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。 （2）空隙率 －塔内单位体积填料层具有的空隙体积，m3/m3。 u-空塔气速; u1气体在填料层孔隙内流动的真正气速。
u1 u /
性能上均有所改善 。
15

(3) 阶梯环: 吸取了短拉西环的优点而对鲍尔环的改
进。减少了气体通过床层的阻力，并增大了通量，填
料强度较高，由于其结构特点，使气液分布均匀，增
加了气液接触面积而提高了传质效率。
(4) 马鞍环:低压降、通量大、传质效率高。 应用： 蒸馏、气体吸收、再生及脱吸系。
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液体喷淋装置
CT≈CU
44
当处理稀溶液时，Pt≈Pu CT≈CU 可得到微分物料平
衡方程
G L dpA — dcA B pt bCT
对塔内任一截面的组分积分, 求得 G/Pt (PA－PA1) = － L/bCT (CB－CB1)
45
例1
物理吸附
G L dpA dcA pt CT
46
PA=20 PA