第8章气液传质设备

第八章
气液传质设备
板式塔
8—1 板式塔主要类型的结构和特点
一、工业上常用的板式塔有： 泡罩塔 浮阀塔 筛板塔
二、浮阀塔具有的优点： 生产能力大 塔板效率高 操作弹性大 结构简单，安装方便。
塔板结构图
8—2 板式塔的流体力学特性
一、塔内气、液两相的流动
1、设计意图
A 使气液两相在塔板上进行充分接触以增强传 质效果
当浮阀在刚全开操作，气体通过阀孔处的动能因数F0=8～11。
六、塔板的负荷性能图
确定了塔板的工艺尺寸，再按前述的各项进行流体力学验算，便可 确认所设计的塔板能在任务规定的气液负荷下正常操作，此时，还要进 一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操作所允许的气液 负荷波动范围，这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示，在以VS， LS分别为纵横轴的直角坐标系中，标绘出各种不正常流体力学条件下的 VS—LS关系曲线，在以这些曲线为界的范围之内，才是塔的适宜操作区。
4、液面落差
液体从降液管流出在横跨塔板流动时，必须克 服阻力，故进口一侧的液面将比出口这一侧的 高。此高度差称为液面落差。液面落差过大， 可使气体向上流动不均，板效率下降。
可采用双溢流等方法解决。
二、气体通过塔板的压力降
1、压力降的影响： A 气体通过塔板的压力降直接影响到塔底的操作压力，故此压力降数据是 决定蒸馏塔塔底温度的主要依据。 B 压力降过大，会使塔的操作压力改变很大。 C 压力降过大，对塔内气液两相的正常流动有影响。 说明：浮阀塔的压力降一般比泡罩塔板的小，比筛板塔的大。在正常操作 情况，塔板的压力降以290—490 N/m2 .在减压塔中为了减少塔的真空度损 失，一般约为98—245Pa 通常应在保证较高塔板效率的前提下，力求减少 塔板压力降，以降低能耗及改善塔的操作性能。
2、单溢流：又称直径流，液体流径长，塔板效率 较高，塔板结构简单，广泛用于直径2.2 m以下的 塔。
3、双溢流：又称半径流，可减小液面落差，但塔 板结构复杂，一般用于直径2m以上的大塔。
4、阶梯式双溢流：结构最复杂，只宜于塔径很 大，流量很大的特殊场合。
总之，液体在塔板上的流径愈长，气液接触时间就愈长，有利于提高分 离效果；但是液面落差也随之增大，不利于气体均匀分布，使分离效果 降低。
如当液体流量过大时，降液管的截面便不足以使液体及时通过，于 是管内液面升高。
上述两种导致液泛的情况中，比较常遇到的是气体流量过大，故设 计时均先以不发生过量液沫夹带为原则，定出气速的上限，在此限 度内再选定一个合理的操作气速。
四、液沫夹带
定义：是指板上液体被上升气流带入上一层塔板的现象。
为了保证板式塔能维持正常的操作效果，应使每千克上升气体夹带到上 一层塔板的液体量不超过0.1kg，即控制雾沫夹带量eV<0.1kg（液）/kg （气）。
目前，凡直径在2.2m以下的浮阀塔，一般都采用单溢流。但在大塔中， 由于液面落差大或造成浮阀开启不均，使气体分布不均匀及出现泄漏现 象，应采用双溢流以及阶梯流。见表6—5。
五、泄漏
定义： 一但气相负荷减少，致使上升气体通过阀孔的动压不足以阻止流体 经阀孔流下时，便会出现泄漏现象。
泄漏发生，塔板效率严重下降，正常操作时，泄漏应不大于液体流量的10%。 经验证明，阀孔动能因数F0=5～6时，泄漏量常接近10%。故取F0=5～6作为 控制泄漏量的操作下限。
F0 u0 V
8—3板式塔的设计原则
带有降液管的板式塔型虽多，但各种结构塔型的设计原则大致相同， 下面以浮阀塔为例来说明。
一、塔高的计算 Z=(N-1)HT
二、塔径的计算
D4Vsu三、溢流装置的设计板上液体流动形式，主要根据塔径与液体流量来确 定，常用的形式有：
1、U形流：流体流径最长，塔板面积利用率也最 高，但液面落差大，仅用于小塔。
三、液泛（淹塔）
定义：汽液两相中之一的流量增大到某一数值，上、下两层板间的 压力降便会增大到使降液管内的液体不能畅顺地下流。当降液管内 的液体满到上一层塔板溢流堰顶之后，便漫到上层塔板上去，这种 现象，称为液泛（淹塔）
如气速过大，便有大量液滴从泡沫层中喷出，被气体带到上一层塔 板，或有大量泡沫生成。
B 使气液两相在塔内保持逆流，并在塔板上使 气液相保持均匀的错流接触，以获得较大的传 质推动力。
2、气泡夹带(与气体主体流动方向相反的流动) 液体在下降过程中，有一部分该层板上面的气体被带到下层板，这种
现象称为气泡夹带。
3、液（雾）沫夹带：(与液体主体流动方向相反的流动)
气体离开液层时带上一些小液滴，其中一部分可能随气流进入上一层 塔板，这种现象称为液（雾）沫夹带。
在负荷性能图上有五条线所包围的阴影区域，应是塔板用于处理指 定物系时的适宜操作区域。在此区域内，塔板上的流体力学状态是正常 的，但区域内各点的板效率并不完全相同。如果塔的预定气液负荷的设 计点P能落在该区域内的适中位置，则可望获得良好的操作效果，如果操 作点紧靠某一条边界线，则当负荷稍有变动便会使效率急剧下降，甚至 破坏塔的操作。
液相负荷上限线
亦称降液管超负荷线，此线表明液体流量大小应保证液体在降液管内停留 时间的起码条件。
泄漏线
气相负荷上限线，此线表明不发生严重泄漏现象的最低气相负荷，再 低将产生超过液体量的10%泄漏量。
液相负荷下限线 对于平堰，一般取堰上液层高度how=0.06mm作为液相符合下限条件，低 于此限时，便不能保证板上液流的均匀分布，降低气液接触效果。
雾沫夹带线：
液沫夹带上限线表示雾沫夹带量eV<0.1kg（液）/kg（气）时的VS—LS关 系，塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将因过多的液沫夹带而使效 率下降。
液泛线（淹塔线）
此线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时的VS—LS关系，塔板的适 宜操作区应在此线以下，否则将可能发生液泛现象，破坏塔的正常操作。
影响因素：雾沫夹带的因素很多，最主要的是空塔气速和塔板间距。对 于浮阀塔板上雾沫夹带量的计算，迄今尚无适用于一般工业塔的确切公 式。通常是间接地用操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速的比值 作为估算雾沫夹带量大小的指标。此比值称为泛点百分数或称泛点率。
在下列泛点率数值范围内，一般可保证雾沫夹带量达到规定的指标，即eV<0.1kg （液）/kg（气）。