大学化工原理第七章蒸馏与吸收塔设备

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§7-1 板式塔
六．板式塔的操作分析
五条线所包围的区域称为
塔板的适宜操作区。
操作点——A
操作线——OA
操作弹性——Vmax/Vmin
设计时，应使操作点尽可能位于适宜操作区的中央，若操作点紧 靠某一条边界线，则负荷稍有波动，塔的正常操作即被破坏。
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§7-1 板式塔
§7-1-3 板式塔的工艺设计
埃克特 (Eckert) 压降通用关联图
横坐标：
纵坐标：
GG ,GL ：kg/(m2.s)； u ：m/s； L ：mPa.s； V , L ：kg/m3； WG ,WL ：kg/s；
ф：湿填料因子(泛点填料因子)，1/m；
g：重力加速度 9.81m/s2； Vs ,Ls ：m3/s； ：液体密度校正系数(水与液相密度之比=/L) 。
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§6-0 概述
➢气液传质设备的基本功能 提供气液传质场所
有效分离气液两相
➢性能评价指标 通量——生产能力 分离效率
适应能力——操作弹性
➢气液传质设备的分类 连续（微分）接触式（填料塔）、
）
逐级接触式（板式塔
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§7-1 板式塔
§7-1-1 塔板类型
源自文库
一 板式塔的结构
按塔内气、液流动的方式分类 错流塔板、 逆流塔板 二 性能评价 处理能力 板效率 塔板压降 三 按塔板类型分类 泡罩塔 筛板塔 浮阀塔 喷射塔
操作原理
§7-2-2 填料 一 填料特性：
比表面积 σ 空隙率 填料因子 (σ /3)——表示填料的流体的流体力学性能。
二 填料类型
散装填料和规整填料
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§7-2 填料塔
1 散装填料 ➢ 拉西环填料
优点：易于制造，价格低廉，研究较为充分。
缺点：高径比大，易形成线接触，存在严重的沟流和壁流
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§7-1 板式塔
泡沫接触状态的表面积大，不断更新， 为两相传热与传质提供了良好的条件，是 一种较好的接触状态。
气体为连续相，液体为分散相，两相传质的面 积是液滴的外表面。液滴的反复形成和聚集， 使传质面积增加，表面不断更新，有利于传质 与传热进行，是一种较好的接触状态。
泡沫状态
二 气体通过塔板的压降
大学化工原理第七章蒸馏与 吸收塔设备
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教学要求
重 点：板式塔与填料塔的特点，板式塔与填料塔的 设计原则。
覆盖内容：塔设备的性能参数；典型塔板的结构特点 及分类，塔板上的流体力学特性，正常与非正常操作 情况及调节；板式塔的设计原则及步骤；填料及填料 塔的结构特点，填料塔的流体力学特性，填料塔的设 计原则及步骤；板式塔与填料塔的比较，塔的选用原 则。
根据设计任务和工艺要求，确定设计方案
根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型
确定塔高和塔径
塔板的结构设计：溢流装置、塔板布置、升气道设计及排列
流体力学验算
负荷性能图
设计分析
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§7-2 填料塔
§7-2-1 填料塔的结构与特点 填料塔
塔体 填料 塔内件——填料支承与压紧装置、液体与气体 分布器、液体再分布器以及气体除沫器
持液量
lg p
L2
液泛气速 C’
载点气速B’
L1 L=0
C
B 载液区
A’ A lg u
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§7-2 填料塔
压降：在一定的液体喷淋密度下
，填料持液量与气速无关，气体
高液量
压降与气速的关系为直线且基本
lg L
与 L=0 的直线平行。
低液量
载点线
载液和液泛对传质的影响：
lg u
载点(B)后，持液量，气液相互 作用，相界面积，湍动增强，
传质过程，填料效率 (HETP )
；P点后，液沫夹带量，液相返
等板高度HETP
泛点C B
P 载液区
混可导致填料效率，(HETP )。
空塔气速 u
填料塔的操作控制在偏离泛点一定距离的载液区内，可得到
较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。
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§7-2 填料塔
二 压降与气速的关联图
压降对填料塔操作的可靠性和经济性有着决定性的影响；选 择填料和确定塔径时，不同系统应控制的压降范围不同。
估算泛点气速对填料塔的设计和操作都十分重要。
➢填料的种类，物系的物性以及气、液相负荷等因素对泛点都 有一定的影响。泛点气速的估算式通常仍是借助于实验数据 所得的各种经验关联式或关联图。
➢对于散装填料，目前广泛采用埃克特(Eckert)压降和气速通 用关联图中的泛点曲线。
➢规整填料有类似的泛点实验关联图，可参考有关文献。
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§7-2 填料塔
适用范围：乱堆填料 (Random packings)
最上方的三条线分别为弦 栅、整砌拉西环及乱堆填 料的泛点线。其余为乱堆 填料的等压降线。
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§7-2 填料塔
三、液泛与泛点气速
➢防止液泛：u0max < 0.95uF，设计点时取u0=0.5~0.8uF。故正确
二 填料压紧装置
§7-2 填料塔
作用：防止填料层的松动和跳动。 分类：填料压板和床层限制板 填料压板：自由放置于填料层上端 ，靠自身重量将填料压紧。它适用 于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎 的散装填料。
床层限制板：用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装 填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影 响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对 于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。
缺点：相邻填料易套叠。
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2 规整填料
§7-2 填料塔
➢格栅填料 优点：格栅填料层整体性好，空隙率高。 缺点：但比表面积较低。
➢ 波纹填料
格栅填料
按结构——网波纹填料和板波纹填料 按材质——金属、塑料、陶瓷等
金属丝网波纹填料
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§7-2 填料塔
各种陶瓷规整填料
➢脉冲填料
金属压延孔板波纹填料
4
金属阶梯环
0.53
一般好
5
金属鲍尔环
0.51
一般好
6
瓷Intalox
0.41
较好
7
瓷鞍形环
0.38
略好
8
瓷拉西环
0.36
略好
9
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§7-2 填料塔
§7-2-3 填料塔的流体力学性能
包括持液量、压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。
一 气体通过填料层的压强降
压降与气速的关系——L=0 、L≠0的情况 载点、泛点 恒持液量区、载液区、液 泛区
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§7-2 填料塔
盘式分布器——筛孔型分布器、盘式溢流管式分布器等。分
布盘直径为塔径的0.6～0.8倍，适用于D <800mm 的塔。
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§7-2 填料塔
管式分布器:由不同结构形式的开孔管制成，有排管式、环管 式等不同形状。 。 特点：结构简单，供气体流过的自由截面大，阻力小。 缺点：小孔易堵塞，弹性一般较小。
喷射状态
总压降包括干板压降、静压强及液体表面张力引起的压降 影响因素 压降与效率
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§7-1 板式塔
三 塔板上的液面落差
流体阻力与液面落差
塔板结构与液面落差
改善措施：单溢→双溢流或阶梯溢流
四 塔板上的异常操作现象
漏液、液泛和液沫夹带等，应尽 量避免异常操作现象的出现。
五 塔板的负荷性能图 通常由五条线组成： 漏液线（1） 液沫夹带线（2） 液相负荷下限线（3） 液相负荷上限线（4） 液泛线（5）
板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。
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§7-1 板式塔
泡罩塔 ➢ 泡罩塔的结构
主要元件：升气管、泡罩，泡罩安装在升气管顶部，泡罩 底缘开有若干齿缝浸入在板上液层中，升气管顶部应高于泡 罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。
➢特点： 优点：操作稳定，不会产生严 重的漏液现象，故弹性大。 缺点：结构复杂，造价高，塔 板压降大，生产强度低 。
喷射型塔板——舌形塔板 ➢结构
➢优点：避免返混、液面落差小，塔板压降 较小；气流方向近于水平；液沫夹带量较 小，可达较高的生产能力。 ➢缺点：张角固定，可导致塔板漏液严重； 操作弹性小；板效率较低。
喷射型塔板——浮舌塔板 ➢结构
➢特点：处理能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适 宜于热敏性物系的减压分离过程。
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§7-2 填料塔
三 液体分布装置 液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽 盘式等。
喷头式分布器：液体由半球形喷头的 小孔喷出，小孔直径为3～10mm，作同 心圈排列，喷洒角 ≤80°，直径为
(1/3~1/5)D。这种分布器结构简单，
只适用于直径小于600mm的塔中。因小 孔容易堵塞，一般应用较少。
特点:处理量大，压降小，是真 空精馏的理想填料。因其优良的 液体分布性能使放大效应减少， 故特别适用于大塔径的场合。
金属孔板波纹填 料
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§7-2 填料塔
填料名称
评估值
语言值
排序
丝网波纹填料
0.86
很好
1
孔板波纹填料
0.61
相当好
2
金属Intalox
0.59
相当好
3
金属鞍形环
0.57
相当好
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§7-1 板式塔
筛板塔
➢结构
➢特点：结构简单，造价低廉，塔 板阻力小。
垂直筛板
➢结构
➢两相流动 特点：提供更大的不断更新的接触表面，强化传质过程；气液 由水平方向喷出，液滴在垂直方向的初速度为零，降低了液沫 夹带量，垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的生产能力。
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§7-1 板式塔
应用：由于液体分布性能优越，适合于较多喷淋点和较低液体 负荷的场合；要求物料中无固体颗粒，在立管进料口应设有过 滤网；列管式液体分布器操作弹性好；在高操作弹性的场合， 可采用双排管式液体分布器；适合大、中、小型塔中采用。
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§7-2 填料塔
槽式液体分布器:通常由分流槽（主槽或一级槽）、分布槽 （副槽或二级槽）构成的。分布槽的槽底（或槽壁）上设有 孔道（或导管），将液体均匀分布于填料层上。具有较大的 操作弹性和极好的抗污堵性，适合于大气液负荷及含有固体 悬浮物、粘度大的液体的分离场合。由于槽式分布器具有优 良的分布性能和抗污堵性能，应用范围非常广泛。
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§7-1 板式塔
➢错流式塔板 (溢流塔板 )
液体流动 板间 板上
气体流动
溢流堰 进口堰 特点：获得较高的板效率，但降液管
液相
降液管
液
相
将占去塔板的传质有效面积，影响塔
堰
的生产能力。
➢逆流塔板
气气相相
优点：结构简单，无液面差，充分利用板面，生产能力较大；
缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。应用范围小，常见的
吸收（mmH2O/m）
系统不起泡
系统起泡
20~35
8~20
蒸馏（mmH2O/m）
常压或加压
真空
35~65
8~35
压降——表面摩擦阻力、形体阻力
影响因素：填料特性(几何形状、比表面积、 等)，流体物性 (、 等)、操作条件(气液流量、T 等)。
由各种经验关联式或关联图进行估算。
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§7-2 填料塔
现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，
改进：衍生的θ环、十字环及螺旋环等。
➢ 鲍尔环（Pall ring）填料
金属鲍尔环填料 塑料鲍尔环填料 改型鲍尔环填料
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➢ 阶梯环填料
§7-2 填料塔
金属阶梯环填料
塑料阶梯环
➢ 鞍形(Berl saddle)填料——矩鞍、弧鞍、金属鞍换
优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好。
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§7-1 板式塔
§7-1-2 板式塔的流体力学性能 一 塔板上气液两相的接触状态
气液两相的接触状态是决定板上两相流流体力学及传质 和传热规律的重要因素。
气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。
鼓泡状态 蜂窝状态
气泡的形成速度大于气泡的浮升速度，气泡 在液层中累积。气泡之间相互碰撞，形成各种 多面体的大气泡，板上是以气体为主的气液混 合物。气泡不易破裂，表面得不到更新，此种 状态不利于传热和传质。
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§7-1 板式塔
浮阀塔
➢ 浮阀的结构形式：圆形、方形、条形及伞形
F-1型
方形浮阀
A型
V-4型
➢安装特点：阀孔 浮阀 最小开度 最大开度
➢阀片开启高度与操作气速的关系
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§7-1 板式塔
➢几种新型浮阀塔板
导向浮阀塔盘
双流喷射浮阀塔板
➢ 优点：结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板 效率较高。 ➢ 缺点：处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结； 在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率 和操作弹性下降 。
➢根据两相流动参数即可由埃克特(Eckert)关联图中的泛点线 查纵坐标值，若填料因子已知，即可求得泛点气速。
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§7-2 填料塔
§7- 2-4 填料塔的内件
填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再 分布装置等。
一 填料支承装置
作用：支承填料 要求：机械强度、自由面积
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§7-2 填料塔
四 液体收集及再分布装置