化工原理气液传质设备

④常用浮阀
☻ F1型简单，易于制造，应用普遍，定型产品。
分轻阀和重阀。轻阀塔板漏液稍严重，除真空 操作时选用外，一般均采用重阀。
☻ V-4 型 阀 孔 呈 文 丘 里 型 ， 腿 加 长 。 气 体 压 降
小。适用于减压系统。
☻ T型拱形阀片的调节范围有固定于塔板上的支
架（阀笼）限制。结构复杂适于颗粒或易聚合 的物料，
二、板式塔的流体力学特性
两种返混：：雾沫夹带、气泡夹带。塔内流体力 学状况→塔正常、高效操作。 1.塔板压降（Pressure drop) 塔板阻力=干板阻力+液层阻力+液体表面张力
☻压降↑→釜压
吸收：高压输送 精馏：釜压升高
减压操作
☻压降↑→ET↑（液层厚，接触时间增加 ☻综合分析：保证板效，力争降低。
2.液泛（Flooding)：俗称淹塔 气相流量大：液体由高压→低压，正常降液 管静压>板间压差+流动阻力。 液相流量大：降液管面积不足。
☻ 传质：气速高→湍动泡沫层→ET↑。 ☻ 影响因素：气、液流量；流体物性；板结
构；板间距。
☻ 气相流速的上限之一。
3.雾沫夹带（Entrainment)： 雾沫虽利于传质，但过量会造成返混，ET↓。
四、浮阀塔设计
各类板式塔的设计原则、步骤类似： ① 工 艺 尺 寸 计 算 ： Z 、D 、 溢 流 装 置 的设 计、塔板布置、升气道（泡罩、筛板、 浮阀等）的设计与排列； ② 流体力学验算； ③ 绘制塔板负荷性能图； ④ 对②、③进行分析，改进设计。
1.工艺尺寸计算的主要内容
NT ⑴ 塔的有效高度Z： Z = T − 1 HT + Z1 + Z2 E
☻ 生产能力大；操作弹性大；塔板压降小，液面
落差小等。
☻ 有漏液， 吹干”现象，影响传质效果，板效率
降低；塔板结构复杂。
③ 浮舌塔板： 综合浮阀和固定舌形塔板的特点。将固定舌片 改成浮动舌片。
☻ 操作弹性大；压降小；结构简单；效率较高。
塔性能指标：生产能力；塔板效率；操作弹 性；塔板压降。与塔板及塔内流动状态密切相关。 依不同需要选择板型：难分、高纯；量大、易 分；减压（真空）；成本低、易维护。
化工原理
The principles of Chemical Engineering
主讲、制作：佟永纯
河西学院化学系
蒸馏和吸收设备
§1 板式塔 §2 填料塔
蒸馏和吸收基于不同的原理，但均需气液传质 设备(塔)：气液两相充分接触， 有效进行传质、传热，传质后两 相能及时有效分离。 塔设备可分为连续 （ 微 分）接触式（填料塔）和逐级 接触式（板式塔）。
实际板两相传质的完善程度与理论值之比。 1.不同表示方法 ①全塔（总板）效率(overall efficiency) E：
E= NT × 100% Np
②单板效率(Murphree efficiency) ：EmV , EmL
第n块板： 气相单板效率： EmV = 液相单板效率： EmL = ③点效率：EOV , EOL
经济权衡→调整→数据圆整。 浮阀塔板间距参考数值
⑵ 塔径D： 漏液点< u 夹带点（或液泛点）。求出 最大允许气速，即带出（空塔）气速：
C —— 气体负荷系数，m/s。 。
C = f (d ,ξ ) = f (Vs , Ls , ρL , ρV , HT − hL ,σ ……)
说明：
☻校正：
C = C20 (
yn − yn+1 yn*− yn+1
xn−1 − xn xn−1 − xn*
EOV =
y − yn+1 y*− yn+1
xn−1 − x EOL = xn−1 − x *
2.板效率的估算 板效率的估算 物系性质： 物系性质：µ、ρ、σ、D、α等； 塔板结构： 堰高、开孔率等； 塔板结构：D、HT、堰高、开孔率等； 操作条件： 操作条件：T、P、气速、气液流量比。 、气速、气液流量比。 复杂→实验数据、生产数据 经验式 复杂 实验数据、生产数据→经验式 实验数据 ① 较全面考虑传质与流体力学因素 ， 由 EOV→EmV：A.I.Ch.E法。 法 ②经验式：只考虑主要因素，如O’connell法： 经验式：只考虑主要因素， 法 精馏塔： 精馏塔： ET = 0.49(αµ
4.喷射塔板（ Jet Tray） ） 前述三种塔板均为气体分散，气体分散于液层 中完成鼓泡或泡沫接触传质。受雾沫夹带限制，生 产能力不高。喷射塔板气体与液体同向，利用气体 的动能促进两相传质，不再通过较深的液层鼓泡， 压降、夹带均降低，生产能力大，传质效果好。 ① 舌形塔板： 在塔板上冲出若干舌形孔，舌片向上张角α 以20°左右为宜。不设溢流堰，保留降液管。
1.泡罩塔板（Bubble-cap Tray） ） 泡罩塔，应用最早 1883），研究较充分。
① 结构：升气管和泡罩。泡罩底缘开有齿缝浸 入液层，升气管高于齿缝上沿，防漏。
齿缝有矩形、三角形和梯形。泡罩正三角排列。 ② 优点：齿缝浸入液层形成液封，气体折流经齿 缝分散充分 ， 形成两相混合的鼓泡区和泡沫 层，传质面积大，升气管使低气速也不致严重 漏液，操作稳定弹性大，效率稳定，不易堵， 应用广。 ③ 缺点：结构复杂，金属耗量大，造价高；液层 厚，气相路径曲折，阻力大→压降大，雾沫夹 带严重，限制气速，生产能力和板效率较低。 逐渐被筛板和浮阀塔板替代。
逆流塔板（穿流式塔板）：塔板间没有降液 管，气、液两相同时由塔板上的孔道或缝隙逆向 穿流而过，板上液层高度靠气体速度维持。 优点：塔板结构简单，板上无液面差，板面 充分利用，生产能力较大； 缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。 与溢流式塔板相比，逆流式塔板应用范围小 得多。常见的板型有筛孔式、栅板式、波纹板式 等。
☻操作点( Vs, Ls)，操作线（R一定，Vs/Ls一定）； ， ☻操作上、下限： ☻操作点尽量居中。 ☻操 作 情 况 不 同 ， 控 制
上、下限因素不同。
Vs,max Vs,min
=操作弹性 操作弹性
☻调节塔板的结构参数：
HT 、D、降液管面积、 开孔率。
☻以最不利塔板为准。
三、塔板效率
☻原因：气速>液滴沉降速度；弹溅。 ☻限制：雾沫夹带量 V<0.1 kg(液)/kg(气)。 气。 ☻影响因素：空塔气速；板间距。 ☻气相流速上限之二。 ☻气泡夹带：液体流速过大。
4.漏液（Weeping)： 接触效率↓。严重时形成干板。
☻原因：气速过小。 ☻限制：漏液量<板上液体流量的 。 ☻影响因素：气速；液面落差→气流分布不均
⑶ 溢流装置：溢流堰、降液管、受液盘 圆形：S小→气泡夹带；周边利用率低。 小 降液管 弓形： 较大，板面利用充分。 溢流型式→液体流径。长：接触充分但落差大。
液体负荷与溢流类型的关系
☻弓形降液管的溢流装置设计：
① 出口堰（溢流堰）： hW、hOW、lW、hL、hn
单溢流：(0.6～0.8)D ～ lW：据Lh及溢流型式定： 双溢流：(0.5～0.6)D ～
5/2 lW 2/5 Lh = 0.735( hn )[hOW − (hOW − hn ) ] (超齿顶)
☻ h 由齿根算起
OW
常压塔： hL = 0.05 ~ 0.1 m 则：
0.1 − hOW ≥ hW ≥ 0.05 − hOW
☻ hW≈0.03～0.05 m，减压塔较低。
② 弓形降液管的宽度和截面积：Wd、Af 查图。（ D、HT一定，确定了lW→降液管尺寸）
3.浮阀塔板（ Valve Tray） ） 兼有前两者的优点，应用最广（石油、化工）。 ① 结构：开大孔(φ39mm)，装有上下浮动的阀片 (三条腿，限高8.5mm)，周边冲出向下弯曲的定 距片（保持2.5mm开度，点接触）。可据气量大 小调节间隙，小气量时由定距缝隙通过。 ② 优点：生产能力大；弹性大；板效率高（水平 吹，接触时间长，夹带少）；压降及落差小； 造价较低。 ③ 缺点：不易处理结焦或粘度过大的体系。
2.筛孔塔板（Sieve Tray） 筛孔塔板（ 筛孔塔板 ） 1830年，结构最简单。早期对性能认识不 年 结构最简单。 漏液、操作弹性小、难以稳定操作。 足，漏液、操作弹性小、难以稳定操作。 开有φ3～ 的筛孔。 ☻ 开有 ～8mm的筛孔。正三角形排列。溢流 的筛孔 正三角形排列。 堰形成液层，通过上升气流阻止液体漏下。 堰形成液层，通过上升气流阻止液体漏下。 简单，价廉，压降小，液面落差小， ☻ 简单，价廉，压降小，液面落差小，生产能 力及板效率高于泡罩塔。 力及板效率高于泡罩塔。 操作弹性小，易堵。可采用大孔径筛板（ ☻ 操作弹性小，易堵。可采用大孔径筛板（直 ），避免堵塞 径10～25mm），避免堵塞，提高生产能力。 ～ ），避免堵塞，提高生产能力。
价廉，易维护。应用广泛。
一、塔板类型
塔板决定塔的性能。
溢流塔板 (错流式塔板)：整体仍为逆流。通 过降液管和溢流堰控制流径和液层高度，板效率 高。但降液管占板有效面积，影响塔生产能力；液 液体横过塔板要克服阻力，形 成位差（液面落差）→气体分 布不均，影响效率。 应用广，具体结构有：泡 罩塔板 、 筛孔塔板 、 浮阀塔 板、网孔塔板、舌形塔板等。
☻结构、原理、流体力学特性
及设计计算。
§1 板式塔——逐级接触
塔 板 ( 气 孔 ) ； 降 液 管 ( 溢流 堰）。液体靠重力自上而下在板 形成流动液层；气体靠压差，自 下而上穿过板上液层。气、液在 塔内逐板接触形成气泡和液沫 （面积↑）进行质、热交换，两 相的组成沿塔高呈阶跃式变化。
☻ 气速、生产能力大，效率高，
匀（入口安定区：不开孔）。
☻气相流速下限。
5.液面落差（Fluid head)： 克服板面及塔板上部件的流动阻力。∆↑→ 气流不均→漏液→ET↓。