板式塔填料塔2008

1、第八章 氣液傳質(zhì)設(shè)備Chapter 8 Mass Transfer Equipments,概述（Introduction）,氣液傳質(zhì)設(shè)備的基本功能：形成氣液兩相充分接觸的相界面，使質(zhì)、熱的傳遞快速有效地進行，接觸混合與傳質(zhì)后的氣、液兩相能及時分開，互不夾帶等。,氣液傳質(zhì)設(shè)備的分類：氣液傳質(zhì)設(shè)備的種類很多，按接觸方式可分為連續(xù)（微分）接觸式（填料塔）和逐級接觸式（板式塔）兩大類，在吸收和蒸餾操作中應(yīng)用極廣 。,填料塔,在圓

2、柱形殼體內(nèi)裝填一定高度的填料，液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料層頂部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流經(jīng)填料層后自塔底排出；氣體則在壓強差推動下穿過填料層的空隙，由塔的一端流向另一端。氣液在填料表面接觸進行質(zhì)、熱交換，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化。,散裝填料塑料鮑爾環(huán)填料,規(guī)整填料 塑料絲網(wǎng)波紋填料,板式塔,在圓柱形殼體內(nèi)按一定間距水平設(shè)置若干層塔板，液體靠重力作用自上而下流經(jīng)各層板后從塔底排出，各層塔板上保持有一定厚度的流動液層；氣

3、體則在壓強差的推動下，自塔底向上依次穿過各塔板上的液層上升至塔頂排出。氣、液在塔內(nèi)逐板接觸進行質(zhì)、熱交換，故兩相的組成沿塔高呈階躍式變化。,DJ 塔盤,新型塔板、填料,填料塔和板式塔的主要對比,填料塔和板式塔都可用于吸收或蒸餾操作。,新型填料及規(guī)整填料塔競爭力較強。,塔型選擇,塔徑在0.6~0.7米以上的塔，過去一般優(yōu)先選用板式塔。隨著低壓降高效率輕材質(zhì)填料的開發(fā)，大塔也開始采用各種新型填料作為傳質(zhì)構(gòu)件，顯示了明顯的優(yōu)越性。塔型選擇

4、主要需考慮以下幾個方面的基本性能指標(biāo)：,(1) 生產(chǎn)能力 即為單位時間單位塔截面上的處理量；(2) 分離效率 對板式塔指每層塔板的分離程度；對填料塔指單位高度填料層所達到的分離程度；(3) 操作彈性 指在負荷波動時維持操作穩(wěn)定且保持較高分離效率的能力，通常以最大氣速負荷與最小氣速負荷之比表示；(4) 壓強降 指氣相通過每層塔板或單位高度填料的壓強降；(5) 結(jié)構(gòu)繁簡及制造成本。,板式塔 Plate (tray) to

5、wer,塔板類型,塔板是板式塔的基本構(gòu)件，決定塔的性能。,溢流塔板 (錯流式塔板)：塔板間有專供液體溢流的降液管 (溢流管)，橫向流過塔板的流體與由下而上穿過塔板的氣體呈錯流或并流流動。板上液體的流徑與液層的高度可通過適當(dāng)安排降液管的位置及堰的高度給予控制，從而可獲得較高的板效率，但降液管將占去塔板的傳質(zhì)有效面積，影響塔的生產(chǎn)能力。,溢流式塔板應(yīng)用很廣，按塔板的具體結(jié)構(gòu)形式可分為：泡罩塔板、篩孔塔板、浮閥塔板、網(wǎng)孔塔板、舌形塔板等。,

6、塔板類型,逆流塔板（穿流式塔板）：塔板間沒有降液管，氣、液兩相同時由塔板上的孔道或縫隙逆向穿流而過，板上液層高度靠氣體速度維持。優(yōu)點：塔板結(jié)構(gòu)簡單，板上無液面差，板面充分利用，生產(chǎn)能力較大；缺點：板效率及操作彈性不及溢流塔板。,與溢流式塔板相比，逆流式塔板應(yīng)用范圍小得多，常見的板型有篩孔式、柵板式、波紋板式等。,泡罩塔板（ Bubble-cap Tray ）,在工業(yè)上最早（1813年）應(yīng)用的一種塔板，其主要元件由升氣管和泡罩構(gòu)成，

7、泡罩安裝在升氣管頂部，泡罩底緣開有若干齒縫浸入在板上液層中，升氣管頂部應(yīng)高于泡罩齒縫的上沿，以防止液體從中漏下。,液體橫向通過塔板經(jīng)溢流堰流入降液管，氣體沿升氣管上升折流經(jīng)泡罩齒縫分散進入液層，形成兩相混合的鼓泡區(qū)。優(yōu)點：操作穩(wěn)定，升氣管使泡罩塔板低氣速下也不致產(chǎn)生嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象，故彈性大。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，塔板壓降大，生產(chǎn)強度低。,篩孔塔板（ Sieve Tray ）,篩孔塔板即篩板出現(xiàn)也較早（1830年），是結(jié)構(gòu)最簡單的一

8、種板型。但由于早期對其性能認識不足，為易漏液、操作彈性小、難以穩(wěn)定操作等問題所困，使用受到極大限制。1950 年后開始對篩孔塔板進行較系統(tǒng)全面的研究，從理論和實踐上較好地解決了有關(guān)篩板效率，流體力學(xué)性能以及塔板漏液等問題，獲得了成熟的使用經(jīng)驗和設(shè)計方法，使之逐漸成為應(yīng)用最廣的塔板類型之一。,浮閥塔板（ Valve Tray）,自1950 年代問世后，很快在石油、化工行業(yè)得到推廣，至今仍為應(yīng)用最廣的一種塔板。結(jié)構(gòu)：以泡罩塔板和篩孔塔板

9、為基礎(chǔ)基礎(chǔ)。有多種浮閥形式，但基本結(jié)構(gòu)特點相似，即在塔板上按一定的排列開若干孔，孔的上方安置可以在孔軸線方向上下浮動的閥片。閥片可隨上升氣量的變化而自動調(diào)節(jié)開啟度。在低氣量時，開度?。粴饬看髸r，閥片自動上升，開度增大。因此，氣量變化時，通過閥片周邊流道進入液體層的氣速較穩(wěn)定。同時，氣體水平進入液層也強化了氣液接觸傳質(zhì)。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)能力和操作彈性大，板效率高。綜合性能較優(yōu)異。,浮閥塔板（ Valve Tray）,F1型浮閥結(jié)構(gòu)簡

10、單，易于制造，應(yīng)用最普遍，為定型產(chǎn)品。閥片帶有三條腿，插入閥孔后將各腿底腳外翻 90°，用以限制操作時閥片在板上升起的最大高度；閥片周邊有三塊略向下彎的定距片，以保證閥片的最小開啟高度。F1型浮閥分輕閥和重閥。輕閥塔板漏液稍嚴(yán)重，除真空操作時選用外，一般均采用重閥。,JCV浮閥塔板（雙流噴射浮閥塔板 Jet Co-flow Valve Tray）,結(jié)構(gòu)：閥籠與塔板固定，閥片在閥籠內(nèi)上下浮動。將單一鼓泡傳質(zhì)，變?yōu)殡p流傳質(zhì)，一

11、部分為鼓泡、另一部分為噴射湍動傳質(zhì)，使塔的分離效率和生產(chǎn)能力都大大提高。該塔板可作為化工過程中的氣液傳質(zhì)、換熱設(shè)備。特點：結(jié)構(gòu)簡單、閥片開啟靈活、高效、高通量、壽命長、耐堵塞。,JCV浮閥 （改進型雙流噴射浮閥）,普通型JCV浮閥,與塔板固定方法,JCV浮閥塔板（雙流噴射浮閥塔板 Jet Co-flow Valve Tray）,低負荷下閥片工作狀態(tài),JCV浮閥塔板效率曲線,中負荷下閥片工作狀態(tài),高負荷下閥片工作狀態(tài),JCV浮閥閥片

12、,JCV浮閥塔板（雙流噴射浮閥塔板 Jet Co-flow Valve Tray）,?2400 JCV浮閥塔板,?1800 JCV浮閥塔板,JCPT塔板（并流噴射填料塔板 Jet Co-flow Packing Tray）,,塔板上的液體通過提液管與塔板之間的間隙被氣體提升，氣液并流通過提液管，在提液管內(nèi)高速湍動混合、傳質(zhì)，然后氣液并流進入填料中進一步強化傳質(zhì)，并完成氣液分離。氣體靠壓差繼續(xù)上升，進入上一層塔板；液體基本以清液的形式回落

13、到塔板上，沿流道進入降液管，下降到下一層塔板。,,與普通塔板在傳質(zhì)機理上的區(qū)別：它是填料與塔板的復(fù)合體，靠填料實現(xiàn)傳質(zhì)，靠塔板實現(xiàn)多級并流。,JCPT塔板（并流噴射填料塔板 Jet Co-flow Packing Tray）,不同結(jié)構(gòu)型式的JCPT塔板,舌形塔板,一種斜噴射型塔板。結(jié)構(gòu)簡單，在塔板上沖出若干按一定排列的舌形孔，舌片向上張角? 以20°左右為宜。,優(yōu)點：氣流由舌片噴出并帶動液體沿同方向流動。氣液并流避免了返混和液

14、面落差，塔板上液層較低，塔板壓降較小。氣流方向近于水平。相同的液氣比下，舌形塔板的液沫夾帶量較小，故可達較高的生產(chǎn)能力。缺點：張角固定，在氣量較小時，經(jīng)舌孔噴射的氣速低，塔板漏液嚴(yán)重，操作彈性小。液體在同一方向上加速，有可能使液體在板上的停留時間太短、液層太薄，板效率降低。,在舌形塔板上發(fā)展的斜孔塔板，斜孔的開口方向與液流垂直且相鄰兩排開孔方向相反，既保留了氣體水平噴出、氣液高度湍動的優(yōu)點，又避免了液體連續(xù)加速，可維持板上均勻的低

15、液面，從而既能獲得大的生產(chǎn)能力，又能達到好的傳質(zhì)效果。,斜孔塔板,浮舌塔板,為使舌形塔板適應(yīng)低負荷生產(chǎn)，提高操作彈性，研制出了可變氣道截面（類似于浮閥塔板）的浮舌塔板。,網(wǎng)孔塔板,網(wǎng)孔塔板由沖有傾斜開孔的薄板制成，具有舌形塔板的特點。這種塔板上裝有傾斜的擋沫板，其作用是避免液體被直接吹過塔板，并提供氣液分離和氣液接觸的表面。網(wǎng)孔塔板具有生產(chǎn)能力大，壓降低，加工制造容易的特點。,垂直篩板（Vertical Sieve Tray ）,在塔

16、板上開按一定排列的若干大孔(直徑100~200mm)，孔上設(shè)置側(cè)壁開有許多篩孔的泡罩，泡罩底邊留有間隙供液體進入罩內(nèi)。,氣流將由泡罩底隙進入罩內(nèi)的液體拉成液膜形成兩相上升流動，經(jīng)泡罩側(cè)壁篩孔噴出后兩相分離，即氣體上升液體落回塔板。液體從塔板入口流至降液管將多次經(jīng)歷上述過程。 與普通篩板相比，垂直篩板為氣液兩相提供了很大的不斷更新的相際接觸表面，強化了傳質(zhì)過程；且氣液由水平方向噴出，液滴在垂直方向的初速度為零，降低了液沫夾帶量，因此垂直

17、篩板可獲得較高的塔板效率和較大的生產(chǎn)能力。,浮閥塔板的流體力學(xué)性能,浮閥塔板上的氣、液流程,浮閥塔板的板面結(jié)構(gòu)：鼓泡區(qū)（有效區(qū)、開孔區(qū)）降液管區(qū)受液盤區(qū)液體安定區(qū)邊緣區(qū)溢流堰,液體從上一塔板的降液管流入板面上的受液盤區(qū)，經(jīng)進口安定區(qū)進入鼓泡區(qū)與浮閥吹出的氣體進行質(zhì)、熱交換后，再由溢流堰溢出進入降液管流入下一塔板。,浮閥塔板上的氣、液流程,來自下一塔板的氣體經(jīng)鼓泡區(qū)的閥孔分散成小股氣流，并由各閥片邊緣與塔板間形成的通道以水平方

18、向進入液層。由于閥片具有斜邊，氣體沿斜邊流動具有向下的慣性，因此只有進入液層一定距離待慣性消失后氣體才會折轉(zhuǎn)上升。氣體在板面上與液體相互混合接觸進行傳熱傳質(zhì)，而后逸出液面上升到上一層塔板。塔板上氣液主體流向為錯流流動。,氣體通過浮閥塔板的壓降,氣體進、出一塊塔板（包括液層）的壓強降即為氣體通過該塔板的阻力損失（左側(cè)壓差計所測的 hf 值）。hf 是以液柱高度表示的塔板的壓強降或阻力損失，因此,式中，?L 為塔內(nèi)液體的密度，kg/

19、m3。板壓降 hf 可視為由氣體通過干板的阻力損失 hd 和氣體穿過板上液層的阻力損失 hl 兩部分組成，即,干板阻力損失 hd,浮閥塔板的干板阻力損失壓降隨空塔氣速 u 的提高而增大。,區(qū)域Ⅰ：全部浮閥處于靜止?fàn)顟B(tài)，氣體由閥片與塔板之間由定距片隔開的縫隙通過?？p隙處的氣速與壓降隨氣體流量的增大而上升。,區(qū)域Ⅱ：氣速增至A點，閥片開始升起。浮閥開啟的個數(shù)及開啟度隨氣體流量不斷增加，直至所有浮閥全開 (B點)，氣體通過閥孔的氣速變化很小

20、，故壓降上升緩慢。區(qū)域Ⅲ：氣體通過浮閥的流通面積固定不變，閥孔氣速隨氣體流量增加而增加，且壓降以閥孔氣速的平方快速增加。臨界孔速 uoc：所有浮閥恰好全開時 (B點) 的閥孔氣速。,液層阻力 hl,氣體通過液層的阻力損失 hl 由以下三個方面構(gòu)成：(1) 克服板上充氣液層的靜壓；(2) 氣體在液相分散形成氣液界面的能量消耗；(3) 通過液層的摩擦阻力損失。其中(1)項遠大于后兩項之和。如果忽略充氣液層中所含氣體造成的靜壓，則

21、可由清液層高度代表 hl?？捎孟率接嬎?式中：? —— 充氣系數(shù)，反映液層充氣的程度，無因次。 水 ? =0.5；油 ? =0.5~0.35；碳氫化合物 ? =0.4~0.5。 hw 和 how —— 分別為堰高和堰上液流高度，m。,hf 總是隨氣速的增加而增加，但不同氣速下，干板阻力和液層阻力所占的比例有所不同。氣速較低時，液層阻力為主；氣速高時，干板阻力所占比例增大。,塔板上的不正常操

22、作現(xiàn)象,漏液：部分液體不是橫向流過塔板后經(jīng)降液管流下，而是從閥孔直接漏下。原因：氣速較小時，氣體通過閥孔的速度壓頭小，不足以抵消塔板上液層的重力；氣體在塔板上的不均勻分布也是造成漏液的重要原因。后果：嚴(yán)重的漏液使塔板上不能形成液層，氣液無法進行傳熱、傳質(zhì)，塔板將失去其基本功能。,若設(shè)計不當(dāng)或操作時參數(shù)失調(diào)，輕則會引起板效率大降低，重則會出現(xiàn)一些不正?，F(xiàn)象使塔無法工作。,漏液（Weeping）,氣體分布均勻與否，取決于板上各處阻力均等

23、否。氣體穿過塔板的阻力由干板阻力和液層阻力兩部分組成。當(dāng)板上結(jié)構(gòu)均勻、各處干板阻力相等時，板上液層阻力即液層厚度的均勻程度將直接影響氣體的分布。,漏液（Weeping）,板上液層厚度不均勻：液層波動和液面落差。液層波動：波峰處液層厚，閥孔氣量小、易漏液。由此引起的漏液是隨機的。可在設(shè)計時適當(dāng)增大干板阻力。液面落差：塔板入口側(cè)的液層厚于塔板出口側(cè)，使氣流偏向出口側(cè)，入口側(cè)的閥孔則因氣量小而發(fā)生漏液。塔板上設(shè)入口安定區(qū)可緩解此現(xiàn)象。,雙

24、流型、多流型或階梯型塔板：,在塔徑或液體流量很大時可減少液面落差。,漏液（Weeping）,雙流型,多流型,液沫夾帶和氣泡夾帶（Entrainment）,液沫夾帶：氣體鼓泡通過板上液層時，將部分液體分散成液滴，而部分液滴被上升氣流帶入上層塔板。由兩部分組成：,(1) 小液滴的沉降速度小于液層上方空間上升氣流的速度，夾帶量與板間距無關(guān)；(2) 較大液滴的沉降速度雖大于氣流速度，但它們在氣流的沖擊或氣泡破裂時獲得了足夠的向上初速度而被彈濺

25、到上層塔板。夾帶量與板間距有關(guān)。,氣泡夾帶：液體在降液管中停留時間太短，大量氣泡被液體卷進下層塔板。,后果：液沫夾帶是液體的返混，氣泡夾帶是氣體的返混，均對傳質(zhì)不利。嚴(yán)重時可誘發(fā)液泛，完全破壞塔的正常操作。液沫夾帶和氣泡夾帶是不可避免的，但夾帶量必需嚴(yán)格地控制在最大允許值范圍內(nèi)。,液泛（Dumping of liquid）,塔內(nèi)液體不能順暢逐板流下，持液量增多，氣相空間變小，大量液體隨氣體從塔頂溢出。夾帶液泛：板間距過小，操作液量過

26、大，上升氣速過高時，過量液沫夾帶量使板間充滿氣、液混合物而引發(fā)的液泛。溢流液泛：液體在降液管內(nèi)受阻不能及時往下流動而在板上積累所致。,為使液體能由上層塔板穩(wěn)定地流入下層塔板，降液管內(nèi)必須維持一定的液柱高度,式中：hf —— 板壓降。 h? —— 液體經(jīng)過降液管的阻力損失。,液泛（Dumping of liquid）,氣速一定，液體流量?時，?、how、hf 及 h? ?，Hd ?，即塔板具有自動調(diào)節(jié)功能。上層塔

27、板溢流堰上緣為 Hd 極限。若再加大液體流量， Hd 與板上液面同時升高，降液管調(diào)節(jié)功能消失，板上累積液量增加，最終引起溢流液泛。若氣速過高，液體中的氣泡夾帶加重，降液管內(nèi)的泡沫層隨之增高，也易造成溢流液泛。hf 過大必導(dǎo)致 Hd 大，易發(fā)生液泛。如降液管設(shè)計過小或發(fā)生部分堵塞， h? 急劇增大，也會導(dǎo)致溢流液泛。夾帶液泛與溢流液泛互為誘因，交互影響。過量液沫夾帶阻塞氣體通道，板阻急增，降液管中泡沫層堆積，從而引發(fā)溢流液泛。而溢流

28、液泛發(fā)生時，塔板上鼓泡層增高，分離空間降低，夾帶液泛也將隨之發(fā)生。液泛使整個塔不能正常操作，甚至發(fā)生嚴(yán)重的設(shè)備事故，要特別注意防范。,浮閥塔的設(shè)計,板式塔的工藝設(shè)計主要包括兩大方面：(1) 塔高、塔徑以及塔板結(jié)構(gòu)尺寸的計算；(2) 塔板的流體力學(xué)校核以及塔板的負荷性能圖的確定。,浮閥塔工藝尺寸的計算,實際塔板數(shù),可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)或用經(jīng)驗公式估算,塔高主要取決于實際塔板數(shù)和板間距。給定任務(wù)所需實際塔板數(shù)可通過平衡級(理論板)假設(shè)求得

29、所需的理論板數(shù) N，然后由全塔效率(總板效率)修正,實際塔板數(shù)與全塔效率關(guān)聯(lián)式,實際塔板數(shù),實際板數(shù)和板間距，塔高,式中：Z1 —— 最上面一塊塔板距塔頂?shù)母叨?，m； Z2 —— 最下面一塊塔板距塔底的高度，m。,HT 對塔的生產(chǎn)能力、操作彈性以及塔板效率均有影響。HT?，允許的操作氣速?，塔徑?，但塔高?。HT ? ，塔高? ，但允許的操作氣速? ，塔徑?。對D>0.8m的塔，為了安裝及檢修需要，需

30、開設(shè)人孔。人孔處的板間距一般不應(yīng)小于 0.6m。,全塔效率的關(guān)聯(lián)式,塔板效率是氣、液兩相的傳質(zhì)速率、混合和流動狀況、以及板間返混(液沫夾帶、氣泡夾帶和漏液等所致)的綜合結(jié)果。板效率是設(shè)計重要數(shù)據(jù)。由于影響因素很多且關(guān)系復(fù)雜，至今還難以正確可靠地對其進行預(yù)測。工業(yè)裝置或?qū)嶒炑b置的實測數(shù)據(jù)是板效率最可靠的來源。全塔效率實測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)式可用于塔板效率的估算。奧康內(nèi)爾（O’connell）關(guān)聯(lián)方法精餾塔：采用相對揮發(fā)度 ? 與液相

31、粘度 ?L 的乘積為參數(shù)來表示全塔效率 ET：,? 與 ?L 取塔頂與塔底平均溫度下的值。對多組分物系，取關(guān)鍵組分的 ? 。液相的平均粘度 ?L 可按下式計算,全塔效率的關(guān)聯(lián)式,橫坐標(biāo) HP/?L中：H — 塔頂塔底平均溫度下溶質(zhì)的亨利系數(shù)，kmol/(m3?kPa)；P — 操作壓強，kPa；?L — 塔頂塔底平均組成及平均溫度下的液相粘度，mPa?s 。,板式塔,吸收塔,塔徑,溢流式塔板的塔截面分為兩個部分：氣體流通截

32、面和降液管所占截面（液體下流截面）。,求 A’ 得與 Af / AT 后，即可求得 AT ，而塔徑,設(shè)適宜氣速為 u’，當(dāng)體積流量為 Vs 時， A’ =Vs / u’。求 A’ 的關(guān)鍵在于確定流通截面積上的適宜氣速 u’ 。塔板的計算中，通常是以夾帶液泛發(fā)生的氣速（泛點氣速）作為上限。一般取,A’ 的計算,AT -塔板總截面積，A’-氣體流道截面積，Af -降液管截面積,A’ 的計算,液泛氣速：在重力場中懸浮于氣流中的液滴所受的合

33、力為零時的氣速。當(dāng) u>ut 時，液滴將被氣流帶出。對直徑為 dp 的液滴,—— 索德爾斯和布朗（Souders and Brown）公式,?L 、 ?V —— 氣、液相的密度，kg/m3； ? —— 阻力系數(shù)； C —— 氣體負荷因子，m/s。,C 取決于dp和?。因氣泡破裂形成的液滴的直徑和阻力系數(shù)都難以確定，故 C 需由實驗確定。實驗研究表明，C 值與氣、液流量及密度、板上液滴

34、沉降高度以及液體的表面張力有關(guān)。,史密斯（Smith, R. B）關(guān)系曲線,HT?hL：液滴沉降高度，HT 可根據(jù)塔徑選取，hL 為板上清液層高度，若忽略板上液面落差,常壓塔 hL=50~100 mm；減壓塔 hL=25~30 mm。,注意：液相表面張力? = 2?10-2 N/m,若實際液相表面張力不同，按下式校正,,u’，A’,Af / AT 的確定,Af /AT：降液管面積與塔截面積之比，與液體溢流形式有關(guān)。,求取方法：(1

35、)按D和液體流量選取溢流形式，由溢流形式確定堰長 lw 與D 的比值。 單流型：lw/D =0.6~0.8 雙流型：lw/D =0.5~0.7 易起泡物系 lw/D 可高一些，以保證液體在降液管中的停留時間。(2)由選定的 lw/D 值查圖得 Af /AT 。(3)由確定的 A’ 與 Af /AT 求得塔板面積 AT 和塔徑 D ，并進行圓整。,注意：塔高和D的計算涉及的參數(shù)(HT、hL、lw/D) 是

36、按經(jīng)驗數(shù)據(jù)在一定范圍選取的，故所得塔高和D是初估值，需根據(jù)后面介紹的流體力學(xué)原則進行校核。,塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計,鼓泡區(qū)：取決于所需浮閥數(shù)與排列；溢流區(qū)：與所選溢流裝置類型有關(guān)。上兩區(qū)均需根據(jù)塔板上的流體力學(xué)狀況進行專門計算。進口安定區(qū)(分布區(qū))：保證進塔板液體的平穩(wěn)均勻分布，也防止氣體竄入降液管。Ws’ = 50~100 mm。出口安定區(qū)(脫氣區(qū))：避免降液管大量氣泡夾帶。Ws = 70~100 mm。,塔板布置,D900mm

37、 分塊式塔板。,邊緣區(qū)：塔板支撐件塔板連接。D 2.5 m WC ? 60 mm。,溢流裝置,溢流裝置：由降液管、溢流堰和受液盤組成。降液管：連通塔板間液體的通道，也是供溢流中所夾帶的氣體分離的場所。常見的有弓形、圓形和矩形降液管弓形降液管：有較大容積，能充分利用塔板面積，一般塔徑大于800mm的大塔均采用弓形。降液管的布置確定了液體在塔板上的流徑以及液體的溢流形式。液體在塔板上的流徑越長，氣液接觸時間就越長，有

38、利于提高塔板效率；但是液面落差也隨之加大，不利于氣體均勻分布，使板效率降低。溢流形式的選擇：根據(jù)塔徑及流體流量等條件全面考慮。D 2.0 m 雙溢流式或階梯流式,液體在降液管中的停留時間 ? 為,單溢流弓形降液管結(jié)構(gòu)尺寸的計算,降液管的寬度 Wd 和截面積 Af,計算塔徑時已根據(jù)溢流形式確定了堰長與塔徑的比值 lw/D。由 lw/D 查圖可得 Wd /D 和 Af /AT，D 和 AT 已確定，故降液管的寬度 Wd 和

39、截面積 Af 也可求得。,為降低氣泡夾帶，? 一般不應(yīng)小于 3~5s，對于高壓塔以及易起泡沫的物系，停留時間應(yīng)更長些。若計算出的 ? 過短，不滿足要求，則應(yīng)調(diào)整相關(guān)的參數(shù)，重新計算。,出口溢流堰與進口溢流堰,出口堰：維持板上液層高度，各種形式的降液管均需設(shè)置。出口堰長 lw：弓形降液管的弦長，由液體負荷及溢流形式?jīng)Q定。 單溢流 lw=(0.6~0.8)D，雙溢流 lw=(0.5~0.7)D。出口堰高 hw：降液管上端高出板面的

40、高度。堰高 hw 決定了板上液層的高度 hL。,對于平堰：,弗朗西斯（Francis）公式,液流收縮系數(shù) E,出口溢流堰與進口溢流堰,進口堰：保證液體均勻進入塔板，也起液封作用。一般僅在較大塔中設(shè)置。進口堰高一般與降液管底隙高度 h0 相等。進口堰與降液管間的水平距離 w0 ≥ h0，以保證液體由降液管流出時不致受到大的阻力。,降液管底隙高度及受液盤,降液管底隙高度應(yīng)保證溢流液順暢并防止沉淀物堵塞(不可太小) ，但也應(yīng)防止氣體進入降液

41、管(不可太大)。對于弓形降液管可按下式計算,式中：uoL —— 液體通過降液管底端出口處的流速，m/s。根據(jù)經(jīng)驗一般取 uoL = 0.07~0.25 m/s。D 800 mm，h0 = 40 mm。最大時可達 150 mm。,降液管底隙高度及受液盤,受液盤：承接來自降液管的液體。凹形受液盤：用于大塔（D>800mm）。在液體流量低時仍能形成良好的液封，對改變液體流向有緩沖作用，且便于液體的側(cè)線抽出，但不適于易聚合及有懸

42、浮固體的情況。凹形受液盤深度一般在 50mm 以上。,浮閥的數(shù)目與排列,閥孔直徑：由浮閥的型號決定。浮閥數(shù) N：由氣體負荷量 Vs 決定?？捎上率接嬎?閥孔氣速 u0 可根據(jù)由實驗結(jié)果綜合的閥孔動能因子 F0 確定,式中：Vs —— 氣體流量，m3/s； u0 —— 閥孔氣速，m/s； d0 —— 閥孔直徑。對 F1 型浮閥，d0 = 39 mm。,根據(jù)工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)，對F1

43、重型浮閥（約33g），當(dāng)塔板上的浮閥剛?cè)_時，F(xiàn)0 在 8~12 之間。設(shè)計時可在此范圍內(nèi)選擇適宜的 F0 后計算 u0 。,浮閥的數(shù)目與排列,浮閥在塔板上常按三角形排列，可順排或叉排。,,液流方向,順排,,,,,,,,t,t’,叉排,等腰三角形叉排可使相鄰的浮閥容易吹開，鼓泡更均勻。通常將同一橫排的閥孔中心距定為 75 mm，而相鄰兩排間的距離可取 65、80、100 mm 等幾種規(guī)格。,若鼓泡區(qū)面積為 Aa，則一個閥孔的鼓泡面積

44、Aa / N 約為 t ? t’，故有,浮閥的數(shù)目與排列,由 t’=75mm 及上式計算的 Aa 值可得 t ，據(jù)此可確定 t 的實際取值（65、80、100mm）；根據(jù)已確定的孔距（t’ 與 t），按等腰三角形叉排方式作圖，確切排出在鼓泡區(qū)內(nèi)可以布置的浮閥總數(shù)；若作圖排列與計算所得浮閥數(shù)相等或相近，則按作圖所得浮閥數(shù)重算閥孔氣速，然后校核 F0 (8~12) 。若 F0 不在該范圍內(nèi)，應(yīng)重新調(diào)整 t 值，再作圖、校核，直到滿足要求

45、為止。,對單溢流塔板 Aa 可按下式計算：,浮閥的數(shù)目與排列,常壓塔或減壓塔：? = 10~14%加壓塔： ? < 10%,塔板開孔率 ?：塔板上閥孔總面積占塔板總面積的百分?jǐn)?shù),浮閥塔板的流體力學(xué)校核,目的：判斷在設(shè)計工作點(任務(wù)給定的氣、液負荷量)下初步設(shè)計出的塔板能否正常操作，塔板壓降是否超過允許值等，從而確認塔的工藝尺寸設(shè)計結(jié)果的可靠性。原因：在計算確定浮閥塔的塔高 Z、塔徑 D 及塔板結(jié)構(gòu)

46、尺寸時，有部分設(shè)計參數(shù)來源于一定范圍內(nèi)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，如 HT、lw /D、hL 等。,塔板壓降的校核,氣體通過塔板的壓強降對塔板的操作性能有著重要影響，通常也是設(shè)計任務(wù)規(guī)定的指標(biāo)之一。塔板的壓降等于干板壓降與液層壓降之和，即,塔板壓降的校核,國內(nèi)通用的 F1 型浮閥塔板的 hd 可按如下經(jīng)驗公式計算：,閥全開前,閥全開后,式中：u0 — 閥孔氣速，m/s； uoc — 閥恰好全開時的閥孔氣速(臨界氣速)，m/s；

47、 ?V、 ?L — 分別為塔內(nèi)氣體和液體的密度，kg/m3。,由上兩式可得臨界孔速 uoc 的計算式,以上三式是由閥重 34g 和閥孔直徑 39mm 的重型浮閥測定的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)所得。用于其它重量的浮閥時需進行修正。,塔板壓降的校核,液層阻力 hl 為：,如果算出的板壓降 hf 值超過規(guī)定的允許值，應(yīng)對相關(guān)的設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整，如增大開孔率 ? 或降低堰高 hw，以使 hf 值下降。,液沫夾帶的校核,正常操作時的液沫夾帶量為： ev ?

48、0.1kg液體/kg氣體。尚無 ev 較準(zhǔn)確的直接計算式，通常是間接地用泛點率(泛點百分?jǐn)?shù)) Fl 作為估算 ev 大小的依據(jù)。泛點率 Fl ：操作時的空塔氣速與發(fā)生液泛時的空塔氣速之比D>0.9m ：Fl < 80%；D<0.9m：Fl < 70%；減壓塔：Fl < 75%,經(jīng)驗公式：,Ls , Vs —— 分別為塔內(nèi)液、氣相流量，m3/s；?L , ?V —— 分別為塔內(nèi)液、氣相密度，kg/m3

49、； ZL —— 板上液相流程長度，m。單溢流：ZL=D - 2Wd； Ab —— 板上液流面積，m2。單溢流：Ab=AT - 2Af； K —— 物性系數(shù)； CF —— 泛點負荷因子。,液沫夾帶的校核,液沫夾帶的校核,若計算所得泛點率 Fl 不在上述范圍內(nèi)，則可認為 ev 超過了最大允許值，必須調(diào)整有關(guān)參數(shù)，如增大板間距HT、或增大塔徑 D（降低氣速）等，再重新進行校核。,溢流液泛的校核

50、,為避免發(fā)生溢流液泛，則應(yīng)保證降液管中泡沫液層的高度不能超過上層塔板的出口堰，即必須滿足,? ——泡沫層相對密度。,與降液管中泡沫液層高度相當(dāng)?shù)那逡簩?Hd 可由下式計算,上式中 hw、how 及 hf 可由前面介紹的公式進行計算。液面落差Δ在 Hd 計算式中相對較小，一般可忽略不計（也可根據(jù)一些經(jīng)驗式進行計算）。,易起泡物系： ? = 0.3~0.4；一般物系： ? = 0.5；不易起泡物系： ? = 0.6~0.7。,溢流液泛

51、的校核,液體經(jīng)過降液管的阻力損失 h?，主要由降液管底隙處的局部阻力所造成，可按下面的經(jīng)驗公式計算：,塔板上不設(shè)進口堰時,塔板上設(shè)有進口堰時,式中：Ls —— 液體體積流量，m3/s； lw —— 堰長，亦即降液管底隙長度，m； h0—— 降液管底隙高度，m； uoL —— 液體通過降液管底隙時的流速，m/s。,負荷性能圖及操作彈性,負荷性能圖,為一定任務(wù)設(shè)計的塔

52、板，在一定氣、液相負荷范圍內(nèi)才能實現(xiàn)良好的氣、液流動與接觸狀態(tài)，有高的板效率。當(dāng)氣、液相負荷超出此范圍，不僅塔板的分離效率大大降低，甚至塔的穩(wěn)定操作也將難以維持。有必要對已設(shè)計的塔確定出其氣、液相操作范圍。,,,0,1,2,3,4,5,正常操作范圍,Ls (m3/h),,,Vs (m3/h),,,,,,1. 漏液線(氣相負荷下限線),2. 過量液沫夾帶線(氣相負荷上限線),3. 液相負荷下限線,4. 液相負荷上限線,5. 溢流液泛線

53、,漏液線（氣相負荷下限線）,操作時防止塔板發(fā)生嚴(yán)重漏液現(xiàn)象所允許的最小氣體負荷。塔板漏液與閥孔氣速直接相關(guān)，故可用其大小作為判據(jù)。,式中， d0、N、?V 均為已知數(shù)，故由此式求出的氣體負荷Vs 的下限在負荷性能圖（Vs-Ls圖）中為一水平線。,,對 F1 型重閥取閥孔動能因子 F0=5 時的氣體負荷為操作的下限值：,1,過量液沫夾帶線（氣相負荷上限線）,控制液沫夾帶量 ev 不大于最大允許值的氣體負荷上限。將與 ev=0.1（kg液體

54、/kg氣體）相對應(yīng)的泛點率Fl（如D>0.8m 的大塔，取 Fl = 70%）代入下式后所得的 Vs-Ls 關(guān)系式作圖而得。,此線與橫軸并不完全平行，可見發(fā)生液沫夾帶現(xiàn)象與液相負荷 Ls 也有一定關(guān)系，但主要取決于氣體負荷。,,2,液相負荷下限線,此線為保證塔板上液體流動時能均勻分布所需的最小液量。對平頂直堰，取 how = 6 mm 作為液相負荷下限的標(biāo)準(zhǔn)。,也稱氣泡夾帶線，由液體在降液管中所需的最小停留時間決定,E, lw

55、已知，為一垂直線。,液相負荷上限線,不易起泡的物系：3s，易起泡物系：5s。為一垂直線。,,3,,4,由上述 5 條線所包圍的區(qū)域即一定物系在一定的結(jié)構(gòu)尺寸的塔板上的正常操作區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，氣、液兩相流率的變化對塔板效率的影響不大。,溢流液泛線,降液管中泡沫層高度達最大允許值時的氣量與液量的關(guān)系,塔板的設(shè)計點及操作點都必須在正常操作區(qū)內(nèi)，才能獲得較高的塔板效率。對于一定氣液比的操作過程，Vs/Ls 為一定值，故塔板的操作線在圖上為以

56、Vs/Ls 為斜率過原點 o 的直線。,5,OP,,,,操作彈性,塔板的操作彈性：上、下操作極限點的氣體流量之比。對一定結(jié)構(gòu)尺寸的塔板，采用不同氣液比時控制塔的操作彈性與生產(chǎn)能力的因素均可能不同。,塔板的設(shè)計點應(yīng)落在負荷性能圖的適中位置，使塔具有相當(dāng)?shù)目关摵刹▌拥哪芰ΓＷC塔的良好穩(wěn)定操作。,OP 線（高氣液比）：上限 a（過量液沫夾帶）下限 a’（低液層）,OP,OP＇,OP＂,a’,a,b’,b,c,c’,,,,OP’ 線（較

57、高氣液比）：上限 b（溢流液泛）下限 b’（漏液）,OP’’ 線（低氣液比）：上限 c（氣泡夾帶）下限 c’（漏液）,,操作彈性,右圖表明，因降液管流通面積偏小，使液體負荷成為塔板操作的主要控制因素。,液沫夾帶線 2 和溢流液泛線 5 將上移，甚至使線 5 落到正常操作范圍之外。,物系一定，負荷性能圖取決于塔板的結(jié)構(gòu)尺寸。而負荷性能圖的形狀在一定程度上也反映了塔板結(jié)構(gòu)尺寸的相對情況。,減小降液管面積，液相上限流量 Ls 下降(線

58、 4 將左移)；,塔板的負荷性能圖可清楚地表示塔板的允許的氣、液相負荷范圍及塔板操作彈性的大小，對塔板的改造和設(shè)計以及塔的操作均有一定的指導(dǎo)意義。,OP,a’,a,4’,,,,,2’,5’,填料塔（Packed Tower）,塔體：一般取為圓筒形，可由金屬、塑料或陶瓷制成，金屬筒體內(nèi)壁常襯以防腐材料。 填料：大致可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類，是傳熱和傳質(zhì)的場所。塔內(nèi)件：包括填料支承與壓緊裝置、液體與氣體分布器、液體再分布器以及氣體

59、除沫器等。操作原理：液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流動，并與在壓強差推動下穿過填料空隙的氣體相互接觸，發(fā)生傳熱和傳質(zhì)。,填料（Tower packing）,填料塔的核心，是氣液兩相接觸進行質(zhì)、熱傳遞的場所。填料的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能與填料的材質(zhì)、大小和幾何形狀緊密相關(guān)，材質(zhì)一定時，表征填料特性的數(shù)據(jù)主要有：比表面積 a：單位體積填料層所具有的表面積(m2/m3)。被液體潤濕的填料表面就是氣液兩相的

60、接觸面。大的 a 和良好的潤濕性能有利于傳質(zhì)速率的提高。對同種填料，填料尺寸越小，a 越大，但氣體流動的阻力也要增加?？障堵??：單位體積填料所具有的空隙體積(m3/m3)。代表的是氣液兩相流動的通道， ? 大，氣、液通過的能力大，氣體流動的阻力小。 ? = 0.45~0.95。填料因子 ?：填料比表面積與空隙率三次方的比值(1/m)，a/?3，表示填料的流體力學(xué)性能，值越小，流動阻力越小。有干填料因子與濕填料因子之分。,填料（To

61、wer packing）,堆積密度 ?p ：單位體積填料的質(zhì)量(kg/m3)。在機械強度允許的條件下，填料壁要盡量薄，以減小填料的堆積密度，從而既可降低成本又可增加空隙率。機械強度大，化學(xué)穩(wěn)定性好以及價格低廉等也是優(yōu)良填料應(yīng)盡量兼有的性質(zhì)。注意：一些難以定量表達的因素(幾何形狀)對填料的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能也有重要的影響。新型填料的開發(fā)一般是改進填料幾何形狀使之更為合理，從而獲得高的填料效率。,常用的填料（Typical tower

62、packing）,常用的填料可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。散裝填料在塔內(nèi)可亂堆，也可以整砌。,優(yōu)點：易于制造，價格低廉，且對它的研究較為充分，所以在過去較長的時間內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。缺點：高徑比大，堆積時填料間易形成線接觸，故液體常存在嚴(yán)重的溝流和壁流現(xiàn)象。且拉西環(huán)填料的內(nèi)表面潤濕率較低，因而傳質(zhì)速率也不高。,拉西環(huán)（Raschig ring）填料,最早使用的一種填料，為高徑比相等的陶瓷和金屬等制成的空心圓環(huán)。,在拉西環(huán)基礎(chǔ)上衍生了

63、θ環(huán)、十字環(huán)及螺旋環(huán)等，其基本改進是在拉西環(huán)內(nèi)增加一結(jié)構(gòu)，以增大填料的比表面積。,鮑爾環(huán)（Pall ring）填料,在環(huán)的側(cè)壁上開一層或兩層長方形小孔，小孔的母材并不脫離側(cè)壁而是形成向內(nèi)彎的葉片。上下兩層長方形小孔位置交錯。,鮑爾環(huán)填料的優(yōu)良性能使它一直為工業(yè)所重視，應(yīng)用十分廣泛?？捎商沾伞⒔饘倩蛩芰现瞥?。,同尺寸的鮑爾環(huán)與拉西環(huán)雖有相同的比表面積和空隙率，但鮑爾環(huán)在其側(cè)壁上的小孔可供氣液流通，使環(huán)的內(nèi)壁面得以充分利用。比之拉西環(huán)，鮑

64、爾環(huán)不僅具有較大的生產(chǎn)能力和較低的壓降，且分離效率較高，溝流現(xiàn)象也大大降低。,這樣的結(jié)構(gòu)使得階梯環(huán)填料的性能在鮑爾環(huán)的基礎(chǔ)上又有提高，其生產(chǎn)能力可提高約10%，壓降則可降低25%，且由于填料間呈多點接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象。,階梯環(huán)填料（Stair ring）,階梯環(huán)填料的結(jié)構(gòu)與鮑爾環(huán)填料相似，環(huán)壁上開有長方形小孔，環(huán)內(nèi)有兩層交錯 45°的十字形葉片，環(huán)的高度為直徑的一半，環(huán)的一端成喇叭口形狀的翻邊。,階梯環(huán)一般由

65、塑料和金屬制成，由于其性能優(yōu)于其它側(cè)壁上開孔的填料，因此獲得廣泛的應(yīng)用。,弧鞍形(Berl saddle)矩鞍形(Intalox saddle)填料,一種表面全部展開的具有馬鞍形狀的瓷質(zhì)型填料 (馬鞍填料)?；“疤盍显谒?nèi)呈相互搭接狀態(tài)，形成弧形氣體通道，,優(yōu)點：空隙率高，氣體阻力小，液體分布性能較好，填料性能優(yōu)于拉西環(huán)。,矩鞍填料的兩端為矩形，且填料兩面大小不等。克服了弧鞍填料相互重疊的缺點，填料的均勻性得到改善。液體分布均勻，氣液傳

66、質(zhì)速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一種瓷質(zhì)填料。,缺點：相鄰填料易相互套疊，使填料有效表面降低，從而影響傳質(zhì)速率。,優(yōu)點：網(wǎng)絲細密，空隙很高，比表面積很大。由于毛細管作用，填料表面潤濕性能很好。故網(wǎng)體填料氣體阻力小，傳質(zhì)速率高。缺點：造價很高，故多用于實驗室中難分離物系的分離。,金屬英特洛克斯（Intalox）填料,有環(huán)形與鞍形的結(jié)構(gòu)特點，生產(chǎn)能力大、壓降低、液體分布性能好、傳質(zhì)速率高及操作彈性大，在減壓蒸餾中其優(yōu)勢更為顯著。

67、,與實體填料對應(yīng)的另一類填料為網(wǎng)體填料。有多種形式，如金屬絲網(wǎng)制成的網(wǎng)環(huán)和鞍型網(wǎng)等。,網(wǎng)體填料（Wire gauze packings）,,規(guī)整填料,規(guī)整填料一般由波紋狀的金屬網(wǎng)絲或多孔板重疊而成。使用時根據(jù)填料塔的結(jié)構(gòu)尺寸，疊成圓筒形整塊放入塔內(nèi)或分塊拼成圓筒形在塔內(nèi)砌裝。,優(yōu)點：空隙大，生產(chǎn)能力大，壓降小。流道規(guī)則，只要液體初始分布均勻，則在全塔中分布也均勻，因此規(guī)整填料幾乎無放大效應(yīng)，通常具有很高的傳質(zhì)效率。缺點：造價較高，

68、易堵塞難清洗，因此工業(yè)上一般用于較難分離或分離要求很高的情況。,規(guī)整填料,Corrugated MetalPlates Packings? 6400金屬板波紋規(guī)整填料,? 300脈沖規(guī)整填料,各種陶瓷規(guī)整填料,,填料的流體力學(xué)性能,壓降,填料塔效率主要取決于填充填料流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能。壓降、液泛氣速、持液量及氣液分布對填料塔的設(shè)計和操作參數(shù)的確定至關(guān)重要。,壓降與氣速的關(guān)系：氣體通過干填料層時的流動與氣體通過顆粒固定床的流動