气液传质设备_0416_20_03

气体通过筛板的阻力损失
• 板压降
• 气体通过筛孔与液层会有一定的阻力损失。
由此造成塔板上下空间对应位置上的压强差
称为板压降
• 板压降=干板压降+液层阻力
即： hf=hd+hl
• （一）干板压降
孔板流量计计算式为：
u 0 C0
指 V 2 gR V
以塔内液体表示压降则有
ρ指= ρL 、R=h d
筛孔塔板的结构
（一）筛孔
塔板上的气体通道，能让气液两相充分接触，孔径一 般为3-8mm，也有12－25mm的大孔。
（二）溢流堰
为了使气液能有充分的接触表面，板上设溢流堰，使 板上有一定高度的液层。
（三）降液管
作为上一块塔板的液体流到下一块塔板的通道。
筛板上的气液接触状态
（1）鼓泡接触状态
• 气速很低时，气泡以互不相连的方式通
气液两相密度，kg/m3。
③降液管阻力Σhf Σhf按下式计算
Ls 1 Ls h f 0 . 153 2 2 gC0 lw h0 lw h0
④液体在降液管内的停留时间τ校核 τ按下式计算
2
2
Af H d 降液管体积 3 ~ 5秒 液体体积流量 Ls
第十章 气液传质设备
组员： 廖静文 梁昌 周宇杰
在化工生产中，吸收或精馏过程的气液传 质在塔式结构设备内进行。 在塔内，液体靠重力自上而下流动;气体通 常靠压差自下而上流动;两者逆向流动，互相接 触，气液间发生物质传递。
第一节 板式塔
在圆柱形壳体内按一定间距 水平设置若干层塔板，液体靠重力 作用自上而下流经各层板后从塔底 排出，各层塔板上保持有一定厚度 的流动液层；气体则在压强差的推 动下，自塔底向上依次穿过各塔板 上的液层上升至塔顶排出。 气、液在塔内逐板接触进行质、 热交换，故两相的组成沿塔高呈阶 跃式变化。
• 液体层在板上各处的厚度不同，在液体的进口处，液
体较厚，在液体的出口处，液体较薄。在液体较厚处， 气体的通行速度较小，而在液体较薄处，气体的通行 速度较大。
②液体流速不均匀
• 在塔板上，在靠近塔板中线位置，由于只受到
塔板的阻力，因此液体流速较大，而在靠近塔
壁处由于同时受到塔板及塔壁的阻力，相应地
EOG 实际板提浓 理论板提浓 y出 y进
y出 y进
气含轻：进低出高，分子实际进出， 分母出取与进液相平衡的气相值。
（二）板效率（默弗里板效率） ①以气相浓度表示的单板效率：
E MV y出 y 进 y出 y 进
*
y出*是与板上液相平均组成平衡的气相 浓度。 ②以液相浓度表示的单板效率
液体的流速较小。
板式塔的不正常操作现象
（一）夹带液泛
当气速增大到一定程度，液层变厚，板间距变小， 夹带量增加，导致恶性循环，液体不能顺利流下，最终 液体从塔顶溢出，这种现象称为夹带液泛。
（二）溢流液泛
由于降液管通行能力的限制，在气液流速
较大时，使液体不能顺利流下。液体在降液管 内逐渐积累，由下一块板涌向上一块板，液体 连在一起，导致气液传质不能顺利进行。最后 液体从塔顶溢出，这种现象称为溢流液泛。
• 网孔塔板：具有生产能力大，压 降低，加工制造容易的特点。
• 垂直筛板：为气液两相提供了很 大的不断更新的相际接触表面， 强化了传质过程，可获得较高的 塔板效率和较大的生产能力。 • 舌形塔板：液沫夹带量较小，可 达较高的生产能力。但在气量较 小时，塔板漏液严重，操作弹性 小。
筛板的设计
筛孔塔板的板面设计如图: 有效传质区：塔板上开有筛 孔的区域，面积用Aa表示。 降液区：降液管面积 Af及上 层降液管下的受液面积Af’。
提高塔板效率的措施
• 选择适当的结构参数
（1）合理选择塔板的开孔率和孔径
使之提供良好的气液接触条件
（2）设置倾斜的进气口
使之减少液沫夹带、增加气液接触时间。
操作参数和塔板的负荷性能图
对确定的物系及塔结构，
气液流量有适宜的范围将
适宜的气液流量范围在气
液流量图上画出，有利于
实际生产的操作。
①液沫夹带线（线1）：当气体流量太大，会产生严重 的液沫夹带。依据能避免产生严重的液沫夹带(临界 值为0.1kg液体/kg气体)的气体流量上限与此时液体流 量关系可作出液沫夹带线； ②漏液线（线2）：当气体流量 太小，会产生严重漏液。依据 能避免产生严重漏液的气体流 量下限与此时液体流量关系可 作出漏液线；
降液管面积由D查图10-38得到；
降液管底部与塔板间隙h0应小于堰高hw。但一般不小于20
~25mm以免堵塞。
（3）安定区与边缘区尺寸
入口安定区宽度取50~100mm，出口安定区宽度取与入口
安定区宽度相同，或不设出口安定区。 固定边缘区宽度取25~50mm。
（4）孔径d0与开孔率(或孔间距)选择
鼓泡型操作筛孔塔d0取3～5mm。
③塔板效率高；
④塔板压降低。
• 板式塔的种类很多，几种典型的板式塔如下。
• 泡罩塔：使用最早的板式塔， 因有升气管，不易漏液。但 由于结构复杂，因此造价高 • 筛板塔：塔板上开有许多筛 孔因结构简单、其价格低、 流体阻力小，但操作弹性小。
• 浮阀塔 ：生产效率高，操作 范围广是目前国内应用最为 广泛的塔型
过板上的液层。
（2）泡沫接触状态
• 孔速再增加时，气泡相连，
并发生合并与破裂，湍动 程度大，传质系数很大。
同时液体主要以液膜的形
式存在，传质面积很大，
因此该状态具有较好的传
质效果。
（3）喷射接触状态
• 孔速更近一步增加，气
体将液体吹成液滴，这
时气体是连续相、液体
是分散相。喷射状态下，
气液传质也具有较好的 效果。 在实际生产为了得到较好的传质效果，因此多采用 后两种气液接触状态。
EML
x 进 x出 x进 x
出
x出*是与板上气相平均组成平衡的气相 浓度。
（三）全塔板效率（总板效率）
定义：
全塔板效率：
理论板数 ET 100% 实际板数
各层板的单板效率并不相等。
注意：全塔效率以所需理论板数为基准定义的，而
板效率是以单板理论增浓度为基准定义的。故即使塔
内各板效率相等，全塔效率在数值上也不等于板效率
（三）漏液
正常情况，液体在板 上横向流过，气体从与板 面垂直的板孔通过。当气 体流速较小时，液体的重 力大于气体的压力时，液 体则会从板孔流下，这种 现象称为漏液。 漏液发生时，榙板 上无液体或液体量较少， 不能为气液接触提供良好 的场所。
板效率的各种表示方法及其应用
（一）点效率
以气相浓度表示的点效率：
面积与塔截面面积之比
→ ⑧计算扣除单降液管的塔截面积=气体体积流量/实际
气速→ ⑨由⑦、⑧可计算出塔的横截面→⑩塔径(圆整)。
板间距与塔径应满足表10-1。如不符则重定板间距。
二、塔板结构的设计 （1）堰长lw根据塔径、堰径比得到。堰高hw 可参考表10-3或查参考资料用相应公式计算
得到。
（2）降液管尺寸
代入上式得：
hd
1 V 2g L
u0 C 0

2
• （二）液层阻力
1. 克服液层静压的损失；
2. 形成气液界面的能量损失；
3. 通过液层的摩擦损失。 • 其中(1)项远大于后两项之和。
• 总结：低气速时，液层阻力占主要。高气速时，干板
压降占占主要。
气液两相非理想流动
开孔率
筛孔板的设计参数
• 塔板的主要结构参数包括： ① 塔板直径D；
② 板间距HT；
③ 溢流堰的形式、长度lw 、高度hw； ④ 降液管的形式、降液管底部与塔板间隙h0； ⑤ 液体进出口安定区的宽度、边缘区宽度； ⑥ 筛孔孔直径d0、孔间距t。
筛孔板的设计程序
一、板间距与塔径的确定
①假定板间距HT→ ②计算两相流动参数FLV(式10-29)→③由 HT 、FLV两者查图10-40得物系表面张力为20mN/m的负荷 系数Cf20 →④用式10-31计算液泛气速uf → ⑤实际气速取 液泛气速uf的0.8~0.85→⑥选取适合的堰长与塔径比(单流 型取0.6~0.8) → ⑦由此可计算(或查图10-38)得到降液管
D x Wd WS 2
D x Wd WS 2
D r Wc 2
1 2 2 d0 孔面积A0 半圆面积 d0 2 4 0.907 有效面积Aa 三角形面积 1 t 2 sin 600 t 2
喷射型操作筛孔塔d0取12～25mm。
取孔间距t=(2.5~5) d0（孔径）ห้องสมุดไป่ตู้
三、塔板的校核 （1）板压降的校核 板压降=干板压降+液层阻力
hf=hd+hl
hd 1 V 2g L u0 C 0
2
hl=β(hw+how)
β液层充气系数，查图10-46。hw堰高、how堰上液高，用 后面的式10-34计算。 如要降低板压降，可增大开孔率或降低堰高。
包含两类：空间上的反向流动 、空间上的不均匀流动。 （一）两种空间上的反向流动 ①液沫夹带 气体通过板上液层时，会将板上的液体以液滴的方 式带至上一块塔板，这种现象称为液沫夹带。 液沫夹带使吸收时液体从高浓度流向低浓度区(精馏 则相反)，导致传质推动力下降。
②气泡夹带 液体从上一块板流到下一块板，会夹带一定数量 的气泡，造成吸收时气体从高浓度流向低浓度区(精馏 则相反)，导致传质推动力下降。 （二）两种空间上的不均匀流动 ①气体流速不均匀
（2）液沫夹带校核
以泛点率和两相流动参数FLV查图10-45得到液沫夹带分
率 ψ。
按下式计算干气体夹带的液体量
L ev 1 V
FLV
LS VS
L V
ev不能超过0.1kg液体/kg干气。
（3）溢流液泛的校核 泡沫液层高
H fd
Φ 为相对泡沫密度
Hd H T hW
降液管内的清液高度Hd

Hd=hw+how+Δ+Σhf+hf
堰高、堰上液高、液面落差、降液管阻力、板压
降
①堰上液高how
E how C0 2 g Lh l W
23
Lh 2.8410 E l W
3
23
式中：E校正系数，可查图； C0-堰流系数； Lh-液体体积流量，m3/h； Lw-堰长，m。
塔板入口安定区：防止气泡进入降液管及防止降
液管液体冲出导致漏液，在溢流堰附近不开孔的 区域，宽度Ws ’ 。 塔板出口安定区：使气泡溢出、减少气泡夹带的 溢流堰附近不开孔的区域，宽度Ws。
边缘区：塔板边缘留出宽度为Wc不开孔的区域，
用作固定塔板。
• 传质有效面积
2 2 2 1 x 2 2 2 1 x Aa 左 右 x r x r sin x r x r sin r r • 式中
③溢流液泛线（线3）：当气、液流量
超过一定数值时，会产生溢流。能 避免溢流现象产生的气液流量上限 关系可作出溢流液泛线；
④液量下限线（线4）：液量小到 某个数值将会出现液体流动严重 不均，导致板效率急剧下降，依 此可作出液量下限线；
⑤液量上限线（线5）：液量大到 某个数值将会出现液体在降液管 内的停留时间过短，气泡夹带严 重，导致板效率急剧下降，依此 可作出液量上限线。 上述五线包围的区域为正常 操作区。在此范围内，气液 两相流量变化对板效率的影 响不大。塔设计及操作的气 、液流量应在此范围。
②液面落差Δ
Δ按式计算
式中： Δ液面落差，m；
b 4Hf L Ls z 0.0476 3 bH f L V
2
b-液流平均宽度，(D+lw)/2，m； z-液流长度，m；
Hf-鼓泡层高度，为板上液层的2.5倍，m；
Ls-液体体积流量，m3/s；μL-液体粘度，mPa∙s; ρV、ρL-
⑤漏液点的校核
气体孔速u0与漏液孔速uow之比k(称筛板稳定
系数)不小于1.5～2.0。
即：
• 过原点作若干直线与负荷性能图线段相交，得到气
液流量的上限点与下限点，上下限点的气体流量之 比，称为塔板的操作弹性。 在高气液比时，生产能力受到
液沫夹带控制
在中等气液比时，生产能力受到
溢流液泛控制
在低气液比时，生产能力受到 气泡夹带控制
塔板形式
对塔板的要求:
①结构简单，制造成本低；
②通过能力大；