化工原理 第十章 气液传质设备

图10－6 管式喷淋器
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（2）莲蓬式喷淋器 （3）盘式喷淋器
（4）齿槽式分布器
图10－9 槽式喷淋器
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4、 其他 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 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 阻塞。 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 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 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。 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 除雾器、丝网除雾器等。 液体的出口应保证形成塔的液封，并能放置气体的挟带。
第十章 气液传质设备
10.1 填料塔
10.2 板式塔
10.3 塔设备的比较和选型
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10.1 填料塔
10.1.1 填料塔和填料
一、填料塔的结构
填料塔是一种应用广泛的气液两相接触并进行 传热、传质的塔设备，可用于吸收（解吸）、 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 优点，尤其适用于塔直径较小地情形及处理有 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 作，也宜采用填料塔。
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 是矩鞍填料。
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3、 填料尺寸的选择 一般，填料尺寸（直径、波峰高）大，则比表面小，通量（容许 气速）大，压降低，但效率（每米填料的理论半数）也低，故多用于 生产能力（处理气量）大的塔。 大型工业用规整填料塔常用波峰高12mm左右的板波填料（比表面约 为250m2/m3）。
w 0
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10.2.6筛板塔得结构设计 1． 筛板的开孔
t
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 间距和孔径确定后，开孔面积与塔板 开孔区面积之比（ ），由下式计算：

A d 0 0 .9 0 7 ( 0 )2 A t a
d0
开孔区面积对于单溢流塔板可用下式计算： 对于双溢流塔板
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10.2 板式塔
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液 体
液 体
液 体 浮 阀
10.2.1板式塔的塔型简介
升 气 管
右图中： （a）为泡罩塔； （b）为筛板塔； （c）为浮阀塔； (d ) 为固定舌型塔； （e）为浮动喷射塔。
气 流 （ a）
气 流 （ b）
气 流 (c )
液 体
液 体 浮 板
气 流 (d ) 图 10－ 11 常 用 板 式 塔 的 简 图
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。
3、 填料塔的液泛 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
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
下流，于是液体充满填料层空隙，气体只能鼓泡上升。
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二、填料塔的水力学性能 1、压力降
反映填料层阻力的压降随填料的类型与尺寸不同而变化。
图10－2 填料的形状 4
三、填料得选择 1、填料用材的选择 （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、 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 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 好的耐腐蚀性，但塑料表面对水溶液的润湿性差。 （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。 （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 蚀（含C1－的酸除外），但价格较昂贵。
5 m m，此 对于真空度较高或要求压强很小的情况下，可使 h L 2 6 ~ 1 5 m m 。当液流量很大时，可以不设堰。 时h o w
３．其他结构
降液管、内堰、受液盘及安定区、边缘区等要求按10.2.5节 设计。
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10.2.7筛板塔上流体力学计算 1． 塔板压降（流体阻力）
塔板压降由如下三部分组成：
10
四、一些设计指标 1．填料尺寸
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。
2．操作气速 操作气速可按下列两种方法之一决定：
（1）取操作气速等于液泛气速得0.5~0.8倍；
（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 采用得气速。
3．填料层高度
填料层高度由传质单元数或理论板数来推算。
（１）干板压降；
2 2 F 1 ) 0 ( p ＝ 0 . 0 5 1 干 2 C L 0
（２）通过液层的压降；
通过液层得压降按有效液层阻力 h e 计算 （３）由表面张力引起的压降。
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
p p ＋ p 干 液
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２．筛板的几个操作极限 （1）漏液点
(a )
(b ) 图 1 0 － 1 4塔 板 流 动 型 式
(c )
(d )
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10.2.5塔板的共同结构
wc
无 效 区
1．塔板的几个区域
各种塔板版面大致可分 为三个区域：降液管所占 的部分称为溢流区；塔板 开空部分称为鼓泡区；图 10—15中阴影部分称为无 效区。
溢 流 区 Af 鼓 泡 区 Aa 溢 流 区


2.液相传质系数计算
0 G ) ( k ( ) . 0 0 5 1 ( )( a d ) g a D
L 1 L3 3 L 2 1 2 L L W L LL
0 . 4 p
3.气相传质系数
k R T G 0 . 7 1 3 2 V C ( V) ( V) ( a d ) P a D a D V V V V
2
二、填料 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、 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 通量大而阻力小。表征填料特性的主要参数有： 1． 比表面积 2． 空隙度 3． 单位堆体积内的填料数目n 4． 堆积密度 5． 干填料因子及填料因子 6． 机械强度及化学稳定性 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 要求。
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４．堰上液层高度
h ow 2.84( L h 23 ) lw
５．液体通过降液管得阻力
L hc 0.153( s )2 lwh0
６．降液管到下板间距 h0
h 0 值应使液体通过降液管得阻力不要超过25mm。此 一般情况下， 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 h 6 ~ 1 3 m m 应小于堰高h w ，一般取h
lw
w 图 10－ 15
w s' 塔 板 共 同 结 构 示 意 图
s
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2．降液管 （1）降液管的作用和液体在降液管的停留时间
一般要求停留时间大于3～5s,即按下式计算：
3 A 降 液 管 容 积 m fH T 3 液 体 体 积 流 量 ms / L s
（2）降液管的形状
Af
Af (a)圆 形 （ b)弓 形 图 10－ 16 降 液 管 示 意 图
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10.1.3填料塔得附属结构
(c)
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， 气、液体进口及出口装置等。
1、 支承板
（c）条形升气管
(a)栅 板
(b)升 气 管 式
图10－5 填料的支撑
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2、 液体分布器 （1）管式喷淋器
B A B A (a) A－ A
(c)
B－ B
(d) (b)
3
常用的填料可分为两大类：个体填料与规整填料。个体填料由实心 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 材料包括陶瓷、金属、塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等）、玻璃、石墨。 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， 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。
D
4V s u
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
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三、填料的传质性能 1.填料润湿表面的计算
2 2 a G G 0 . 7 5 0 . 1 0 . 0 5G . 2 W c L L L 0 1 e x p [ 1 . 4 5 ( ) ( )( 2) ( )] a a g L L L
气 流 (e)
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10.2.2板式塔的操作原理 通常在塔板以上形成三种 不同状态的区间： 靠近塔板的液层底部属鼓 泡区，如图中（1）； 在液层表面属泡沫区，如 图中（2）； 在液层上方空间属雾沫区， 如图中（3）。
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10.2.3板式塔塔径的估算 塔径可按流量方程求得，即
D 4V s u
Vs
2 2 2 1x A 2 [ xr x r s i n ] a r
图 10－ 21 筛 孔 排 列 示 意 图
塔板上的筛孔总数n可用下式计算：
x x 2 2 2 1 2 2 2 1 Ax 2 [ rx r s i n ] 2 [ x rxr s i n ] a 1 1 r r
5 1 1 8 5 1 0 ' n A nA a a 2 t
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2． 溢流堰 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： 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
0 . 1 0 0 h 0 . 0 5 0 h o wh w o w
5
2、 填料类型的选择 首先取决于工艺要求，如所需理论级数，生产能力（气量），容 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 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。 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 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 降低的塔，但装卸清洗较为困难。 对于生产能力（塔径）大，或分离要求较高，压降有限制的塔， 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。
对于理论板数很多或塔高受厂房限制的场合，一般用小尺寸、高 比表面填料。
对于易结垢或易沉淀的物料通常用大尺寸的栅板（格栅）填料， 并在较高气速下操作。
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10.1.2填料塔的留题力学性能于传质性能 一、填料塔内的流体流动
1、填料层中的流动
气体在填料层内的流动相当与气体在颗粒层内的流动。 2、 气液两相流动的交互影响和载点
F ＝ － 4 . 5 1 = 0 . 0 0 8 4 8 ( d 1 . 2 7 ) ( h 2 7 . 9 ) 0 L 0 漏
（2）雾沫夹带
u u 7 3 . 0 0 5 7 3 . 2 0 G G e 0 . 2 2 ( ) [ ] v 1 2 ( H h H h T f) T f
2 D u 4
因此 气速
u 的计算
uwk.baidu.comax C
L G G
C

值应按下式进行校正：
C20 20 ( )0.2 C
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10.2.4塔板流动形式 有降液管得板式塔常用得塔板液流型式有以下几种： 1．单溢流型 如图10—14（a）。 2．双溢流型 如图10—14（b）。
3．U形溢流型 如图10—14（c）。 4．四溢流型 如图10—14（d）。
2、 液泛 气速通常取泛点气速的50％～80％。填料塔的直径D： 3、载液 从正常到载液的过渡往往是一段圆滑曲线。 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。 5、润湿速率
喷 淋 密 度 液 体 体 积 流 量 / 填 料 层 截 面 积 润 湿 速 率 ＝ ＝ 填 料 比 表 面 填 料 层 表 面 积 / 填 料 层 体 积
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3． 溢流堰
W e 降液管 how hw HT h0 筛板 溢流堰 lw Af Aa W s r x Af W d
图 10－ 17 单溢流塔板示意图
lw 堰长 ：为使液流均匀通过塔板，一般对单溢流
对双溢流
lw 0.6 ~ 0.8 D
lw 0.5 ~ 0.7 D
一般堰上最大液流量，不宜超过100～130m3/(m h)。