化工原理第十章气液传质设备,化工原理第十章气液传质设备,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。,10.1 填料塔,10.1.1填料塔和填料一、填料塔的结构10.1 填料塔,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。,二、填料,图102 填料的形状,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。,图102 填料的形状 常用的填料可分为两大类：个体填料与,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100,0,C，玻璃纤维增强的聚丙烯填料可达120,0,C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H,3,PO,4,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。,三、填料得选择,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。,2、填料类型的选择,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250m,2,/m,3,）。,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。,3、填料尺寸的选择,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,载干填料层内，气体流量的增大，将使压降按1.82.0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。,10.1.2填料塔的留题力学性能于传质性能,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。,2、,液泛,气速通常取泛点气速的5080。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,二、填料塔的水力学性能,三、填料的传质性能,1.填料润湿表面的计算,2.液相传质系数计算,3.气相传质系数,三、填料的传质性能1.填料润湿表面的计算2.液相传质,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0.50.8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。,四、一些设计指标,10.1.3填料塔得附属结构,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),（c）条形升气管,图105 填料的支撑,10.1.3填料塔得附属结构(c)（c）条形升气管图105,2、,液体分布器,（1）管式喷淋器,图106 管式喷淋器,2、液体分布器（1）管式喷淋器图106 管式喷淋器,（2）莲蓬式喷淋器,（3）盘式喷淋器,（4）齿槽式分布器,图109 槽式喷淋器,（2）莲蓬式喷淋器（3）盘式喷淋器（4）齿槽式分布器图10,4、,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。,4、其他,10.2 板式塔,10.2 板式塔,10.2.1板式塔的塔型简介,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。,10.2.1板式塔的塔型简介右图中：,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）。,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,气速 的计算,10.2.3板式塔塔径的估算,塔径可按流量方程求得，即,因此,值应按下式进行校正：,气速 的计算10.2.3板式塔塔径的估算塔径可按流量,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1014（a）。2双溢流型 如图1014（b）。,3U形溢流型 如图1014（c）。4四溢流型 如图1014（d）。,10.2.4塔板流动形式,10.2.5塔板的共同结构,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1015中阴影部分称为无效区。,10.2.5塔板的共同结构1塔板的几个区域,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35s,即按下式计算：,（2）降液管的形状,2降液管（2）降液管的形状,堰长 ：为使液流均匀通过塔板，一般对单溢流,对双溢流,一般堰上最大液流量，不宜超过100130m,3,/(m h)。,3,溢流堰,堰长 ：为使液流均匀通过塔板，一般对单溢流 3,降液管到下板间距,一般情况下，,值应使液体通过降液管得阻力不要超过25mm。此外，应浸没在液层中以保持液封防止气体进入降液管，所以此值应小于堰高,，一般取,堰上液层高度,液体通过降液管得阻力,降液管到下板间距堰上液层高度 液体通,10.2.6筛板塔得结构设计,1,筛板的开孔,为了使筛板的利用率高，筛孔多取三角形排列（见图）。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：,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,塔板上的筛孔总数n可用下式计算：,10.2.6筛板塔得结构设计为了使筛板的利用率高，筛孔多取三,2,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50100mm之间，即,对于真空度较高或要求压强很小的情况下，可使 ，此时 。当液流量很大时，可以不设堰。,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。,2 溢流堰,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：,（）干板压降；,（）通过液层的压降；,通过液层得压降按有效液层阻力 计算,（）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,10.2.7筛板塔上流体力学计算塔板压降由如下三部分组成：由,板式塔的设计中要求降液管中的液柱高 不超过板间距 的 倍，即,筛板的几个操作极限,（1）漏液点,（2）雾沫夹带,（）液泛,板式塔的设计中要求降液管中的液柱高 不超过板间,板塔的负荷性能图,将塔板的操作上下限绘在图上，,称为负荷性能图。,(1)图中线a为最小液体负荷线。,(2)线b为漏液线。,(3)线c为最大液体负荷线。,(4)线d按液体在降液管中允许停,留时间计算。,(5)线e为降液管液泛线。,(6)线 f为雾沫夹带线。,板塔的负荷性能图,10.2.8,浮阀塔的设计,1.,浮阀塔型式,图,10,26 F,1,型浮阀,2.,阀的排列,浮阀一般按正三角形排列，也,有采用等腰三角形排列的。,浮阀中心距可取,75,、,100,、,125,、,150mm,等几种。,10.2.8浮阀塔的设计图1026 F1型浮阀2.阀的,3.,阀数确定,4,溢流管及降液管,按,10.2.5,节及,10.2.6,节有关部分设计计算。,5,塔板压降（液体阻力）,（,1,）干板压降,阀全开前,阀全开后,（,2,）通过液层的,3.阀数确定4溢流管及降液管5塔板压降（液体阻力）（1）,泛点率由下列二式求之（采用计算结果中较大的数值）：,及,其中,建议,2,3m,直径的单溢流塔中，若溢流强度不大于,50m,3,/(m h),时，可使塔板倾斜度按每,3m,倾角,1,0,考虑，溢流强度较低时，倾角可小些。,6,液面梯度,7,漏液点核雾沫夹带,（,1,）漏液点,一般认为漏液点的阀孔动能因素为 （对常压及加,压塔），故以此值作为操作下限。,（,2,）雾沫夹带,泛点率由下列二式求之（采用计算结果中较大的数值）：建议23,10.2.9 新型塔设备简介,1A.P.V维斯脱泡罩筛板塔,2多降液管筛板塔（又称MD筛板塔）,（a）,图1031 多降液管筛板塔示意图,10.2.9 新型塔设备简介1A.P.V维斯脱泡罩筛,3网状筛板塔,4浮动舌形塔（简称浮舌塔）,3网状筛板塔4浮动舌形塔（简称浮舌塔）,