化工原理-第10章-气液传质设备

化工原理-第10章-气液传质设备

知识要点

用于蒸馏和吸收塔的塔器分别称为蒸馏塔和吸收(解吸)塔。通称气液传质设备。本章应重点掌握板式塔和填料塔的基本结构、流体力学与传质特性（包括板式塔的负荷性能图)。

1. 概述

高径比很大的设备叫塔器。

蒸馏与吸收作为分离过程，基于不同的物理化学原理，但其均属于气液两相间的传质过程，有共同的特点可在同样的设备中进行操作。

(1) 塔设备设计的基本原则

① 使气液两相充分接触，以提供尽可能大的传质面积和传质系数，接触后两相又能及时完善分离。

② 在塔内气液两相最大限度地接近逆流，以提供最大的传质推动力。 (2) 气液传质设备的分类

① 按结构分为板式塔和填料塔

② 按气液接触情况分为逐级式与微分式

通常板式塔为逐级接触式塔器，填料塔为微分接触式塔器。

2. 板式塔

(1) 板式塔的设计意图：总体上使两相呈逆流流动，每一块塔板上呈均匀的错流接触。 (2) 筛孔塔板的构造

① 筛孔——塔板上的气体通道，筛孔直径通常为3~8mm 。 ② 溢流堰——为保证塔板上有液体。

③ 降液管——液体自上层塔板流至下层塔板的通道。 (3) 筛板上的气液接触状态

筛板上的气液接触状态有鼓泡接触、泡沫接触、喷射接触，比较见表10-1。

表10-1 气液接触状态比较

项 目 鼓泡接触状态 泡沫接触状态 喷射接触状态 孔速

很低 较高 高

两相接触面 气泡表面 液膜 液滴外表面 两相接触量 少 多 多 传质阻力 较大 小 小 传质效率 低 高 高 连续相 液体 液体 气体 分散相 气体 气体

液体

适用物系

重

轻σσ<

(正系统)

重

轻σσ>

(负系统)

工业上经常采用的两种接触状态是泡沫接触与喷射接触。由泡沫状态转为喷射状态的临界点称为转相点。

(4) 气体通过塔板的压降 包括塔板本身的干板阻力(即板上各部件所造成的局部阻力)、气体克服板上充气液层的静压力所产生的压力降、气体克服液体表面张力所产生的压力降(一般较小，可忽

略不计)。

(5) 筛板塔内气液两相的非理想流动

① 空间上的反向流动(与主体流动方向相反的液体或气体的流动)：液沫夹带与气泡夹带。 ② 空间上的不均匀流动：气体沿塔板的不均匀流动与液体沿塔板的不均匀流动。

(6) 板式塔的不正常操作现象：液泛(夹带液泛与溢流液泛)、严重漏液、严重液沫夹带和气泡夹带。

(7) 塔板的负荷性能图

塔板的负荷性能图用来检验塔的工艺设计是否合理，考核该塔正常操作的气液流量范围，了解塔的操作弹性，判断塔有无增产能力，减负荷能否正常操作等。

V (m 3/s )

L (m 3/s)

图10-2 塔板的负荷性能图

图10-2所示的负荷性能图由以下几条线组成。 ① 液相负荷下限线

该线为一垂直线，对于平顶直堰，其位置可根据h ow =6mm 确定。若操作的液相负荷低于此下限时，表明液体流量过低，板上液体流动不能均匀分布，气液接触不良，易产生干吹、偏流等现象，导致塔板效率急剧下降。

② 液相负荷上限线

液量超过此上限，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管内的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，使塔板效率下降，以致出现溢流液泛。此线可根据液体在降液管内的实际平均停留时间不小于3~5s 来确定。漏液线(气相负荷下限线)

③ 漏液线

由不同流量下的漏液点组成，其位置漏液点气速确定。实际气相负荷应高于此线，否则将发生严重的漏液现象。

④ 过量液沫夹带线(气相负荷上限线)

该线通常以e V =0.1kg 液/kg 气为依据确定。若气液负荷点位于此线上方，表明液沫夹带现象严重，已不宜采用。

⑤ 溢流液泛线

若操作的气液负荷超过此线时，塔内将发生液泛现象，使塔不能正常操作。 对负荷性能图须了解以下概念。

① 适宜操作区：由五条线所包围的区域

② 操作点：操作时气相负荷V 与液相负荷L 在负荷性能图上的坐标点。 ③ 操作线：通过原点，斜率为V /L 的直线。

④ 塔的上下操作极限：操作线与负荷性能图上两条边界线的交点。 ⑤ 操作弹性：两极限的气相流量之比，即V max /V min 。

设计时应使操作点位于操作区的中央。若操作点紧靠某一条边界线，则负荷稍有波动时，塔的正常操作即被破坏，此时应调整塔的结构参数或改变气液负荷，使操作点居中。对图10-2所示的3个操作点，以B 为最佳。

(8) 全塔效率 E T =N T /N (10-8) 式中：N T ——完成一定分离任务所需的理论板数；

N ——完成一定分离任务所需的实际板数。 精馏塔的全塔效率可用O'Conell 关联式估算，即

245.0)(49.0-=L T E αμ

(10-9)

式中：α——塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度；

L μ——塔顶与塔底平均温度下的液相粘度，mPa∙s 。

(9) 塔板类型

有泡罩塔板、浮阀塔板、筛孔塔板、舌形塔板、网孔塔板、垂直筛板、多降液管塔板等。 (10) 塔板的性能评价

塔板的性能评价指标有以下几方面：

① 生产能力大即单位塔截布气体和液体的通量大 ② 塔板效率高即完成一定分离任务所需的板数少

③ 压降低即气体通过的压降低，能耗低。对于精馏系统则可降低釜温，这对于热敏性物系的分离尤其重要。

④ 操作弹性大 当操作的气液负荷波动时仍能维持板效率的稳定 ⑤ 结构简单，制造维修方便，造价低廉 3. 填料塔

(1) 填料塔的特点：① 生产能力大；② 分离效率高；③ 压力降小，一般情况下，板式塔的每个理论级压降约在0.4~1.1MPa ，填料塔约为0.01~0.27 kPa ；④ 持液量小；⑤ 操作弹性大，填料塔的操作弹性决定于塔内件的设计，特别是液体分布器的设计，板式塔的操作弹性则受到塔板液泛、液沫夹带及降液管能力的限制。

(2) 填料的类型

① 散装填料 如拉西环填料、鲍尔环填料、球形填料、阶梯环填料、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍填料等。

② 规整填料 如格栅填料、波纹填料、脉冲填料。 (3) 填料的性能评价指标：① 压降 ② 通量 ③ 效率 (4) 填料的几何特性

① 比表面积 单位体积填料层的填料比表面积，m 2/m 3； ② 空隙率 空隙率越大，气体通过的能力大且压降低。 ③ 填料因子

a. 干填料因子3

/εα：填料未被液体润湿时的3

/εα，反映填料的几何特性。

b. 湿填料因子φ：填料被液体润湿时，填料表面覆盖了一层液膜，α和ε均发生相应的变化，它反映填料的流体力学性能。

(4) 填料塔的流体力学特性