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1、塔内件设计讲义Mass Transfer Equipments 清华大学化学工程系 联系人：钱建兵 电 话： 13222995906 Email:,第一节 概述（Introduction）,气液传质设备的基本功能：形成气液两相充分接触的相界面，使质、热的传递快速有效地进行，接触混合与传质后的气、液两相能及时分开，互不夹带等。,气液传质设备的分类：气液传质设备的种类很多，按接触方式可分为连续（微分）接触式（填料塔）和逐级接触式（板式塔）两大类，在吸收和蒸馏操作中应用极广 。,填料塔,在圆柱形壳体内装填一定高度的填料，液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料
2、层后自塔底排出；气体则在压强差推动下穿过填料层的空隙，由塔的一端流向另一端。气液在填料表面接触进行质、热交换，两相的组成沿塔高连续变化。,板式塔,板式塔,塔内两相操作状态,填料塔和板式塔的主要对比,填料塔和板式塔都可用于吸收或蒸馏操作。,塔型选择,塔径在0.6-0.7米以上的塔，过去一般优先选用板式塔。随着低压降高效率轻材质填料的开发，大塔也开始采用各种新型填料作为传质构件，显示了明显的优越性。塔型选择主要需考虑以下几个方面的基本性能指标：,(1) 生产能力 即为单位时间单位塔截面上的处理量；(2) 分离效率 对板式塔指每层塔板的分离程度；对填料塔指单位高度填料层所达到的分离程度；(3) 操作
3、弹性 指在负荷波动时维持操作稳定且保持较高分离效率的能力，通常以最大气速负荷与最小气速负荷之比表示；(4) 压强降 指气相通过每层塔板或单位高度填料的压强降；(5) 结构繁简及制造成本。,处理能力比较,传质效率（等板高度）比较,塔型选择,第二节 板式塔 tray tower,一、塔板类型,溢流塔板 (错流式塔板)：塔板间有专供液体溢流的降液管 (溢流管)，横向流过塔板的流体与由下而上穿过塔板的气体呈错流或并流流动。板上液体的流径与液层的高度可通过适当安排降液管的位置及堰的高度给予控制，从而可获得较高的板效率，但降液管将占去塔板的传质有效面积，影响塔的生产能力。,溢流式塔板应用很广，按塔板的具体
4、结构形式可分为：泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、网孔塔板、舌形塔板等。,塔板类型,塔板的发展固定塔板（国内）,舌型塔板,筛板塔板,斜孔塔板,塔板的发展固定塔板（国外）,NUTTER 公司的VG或MVG塔板,KUHNI 公司的SLIT塔板,GLITSCH公司的BIFRAC 塔板,SULZER 公司的VORTEX 塔板,塔板的发展固定塔板（国外）,GLITSCH 公司的ULTRAFRAC塔板,立体垂直塔板,塔板的发展浮阀塔板（国内）,华东理工大学的导向浮阀塔板,泽华工程公司的ADV浮阀塔板,F1浮阀塔板,塔板的发展浮阀塔板（国内）,石油大学的SV和飞鹰浮阀塔板,天津大学的导向梯形浮阀塔板,洛阳石化工
5、程公司的箭形浮阀塔板,清华大学HAV自适应浮阀塔板,塔板的发展浮阀塔板（国外）,GLITSCH 公司的SUPERFRAC塔板,GLITSCH 公司的TYPE-A2塔板,GLITSCH 公司的TYPE-A5塔板,第三节 浮阀塔板的流体力学性能,一、浮阀塔板上的气、液流程,浮阀塔板的板面结构：鼓泡区（有效区、开孔区）降液管区受液盘区液体安定区边缘区溢流堰,液体从上一塔板的降液管流入板面上的受液盘区，经进口安定区进入鼓泡区与浮阀吹出的气体进行质、热交换后，再由溢流堰溢出进入降液管流入下一塔板。,浮阀塔板上的气、液流程,来自下一塔板的气体经鼓泡区的阀孔分散成小股气流，并由各阀片边缘与塔板间形成的通道以
6、水平方向进入液层。由于阀片具有斜边，气体沿斜边流动具有向下的惯性，因此只有进入液层一定距离待惯性消失后气体才会折转上升。气体在板面上与液体相互混合接触进行传热传质，而后逸出液面上升到上一层塔板。塔板上气液主体流向为错流流动。,二、气体通过浮阀塔板的压降,气体进、出一块塔板（包括液层）的压强降即为气体通过该塔板的阻力损失（左侧压差计所测的 hf 值）。hf 是以液柱高度表示的塔板的压强降或阻力损失，因此,式中，L 为塔内液体的密度，kg/m3。板压降 hf 可视为由气体通过干板的阻力损失 hd 和气体穿过板上液层的阻力损失 hl 两部分组成，即,1、干板阻力损失 hd,浮阀塔板的干板阻力损失压降
7、随空塔气速 u 的提高而增大。,区域：全部浮阀处于静止状态，气体由阀片与塔板之间由定距片隔开的缝隙通过。缝隙处的气速与压降随气体流量的增大而上升。,区域：气速增至A点，阀片开始升起。浮阀开启的个数及开启度随气体流量不断增加，直至所有浮阀全开 (B点)，气体通过阀孔的气速变化很小，故压降上升缓慢。区域：气体通过浮阀的流通面积固定不变，阀孔气速随气体流量增加而增加，且压降以阀孔气速的平方快速增加。临界孔速 uoc：所有浮阀恰好全开时 (B点) 的阀孔气速。,2、液层阻力 hl,气体通过液层的阻力损失 hl 由以下三个方面构成：(1) 克服板上充气液层的静压；(2) 气体在液相分散形成气液界面的能量
8、消耗；(3) 通过液层的摩擦阻力损失。其中(1)项远大于后两项之和。如果忽略充气液层中所含气体造成的静压，则可由清液层高度代表 hl。可用下式计算,式中： 充气系数，反映液层充气的程度，无因次。 水 =0.5；油 =0.50.35；碳氢化合物 =0.40.5。 hw 和 how 分别为堰高和堰上液流高度，m。,hf 总是随气速的增加而增加，但不同气速下，干板阻力和液层阻力所占的比例有所不同。气速较低时，液层阻力为主；气速高时，干板阻力所占比例增大。,三、塔板上的不正常操作现象,漏液：部分液体不是横向流过塔板后经降液管流下，而是从阀孔直接漏下。原因：气速较小时，气体通过阀孔的速度压头小，不足以抵
9、消塔板上液层的重力；气体在塔板上的不均匀分布也是造成漏液的重要原因。后果：严重的漏液使塔板上不能形成液层，气液无法进行传热、传质，塔板将失去其基本功能。,若设计不当或操作时参数失调，轻则会引起板效率大降低，重则会出现一些不正常现象使塔无法工作。,1、漏液（Weeping）,气体分布均匀与否，取决于板上各处阻力均等否。气体穿过塔板的阻力由干板阻力和液层阻力两部分组成。当板上结构均匀、各处干板阻力相等时，板上液层阻力即液层厚度的均匀程度将直接影响气体的分布。,漏液（Weeping）,板上液层厚度不均匀：液层波动和液面落差。液层波动：波峰处液层厚，阀孔气量小、易漏液。由此引起的漏液是随机的。可在设计
10、时适当增大干板阻力。液面落差：塔板入口侧的液层厚于塔板出口侧，使气流偏向出口侧，入口侧的阀孔则因气量小而发生漏液。塔板上设入口安定区可缓解此现象。,2、液沫夹带和气泡夹带（Entrainment）,液沫夹带：气体鼓泡通过板上液层时，将部分液体分散成液滴，而部分液滴被上升气流带入上层塔板。由两部分组成：,(1) 小液滴的沉降速度小于液层上方空间上升气流的速度，夹带量与板间距无关；(2) 较大液滴的沉降速度虽大于气流速度，但它们在气流的冲击或气泡破裂时获得了足够的向上初速度而被弹溅到上层塔板。夹带量与板间距有关。,气泡夹带：液体在降液管中停留时间太短，大量气泡被液体卷进下层塔板。,后果：液沫夹带是
11、液体的返混，气泡夹带是气体的返混，均对传质不利。严重时可诱发液泛，完全破坏塔的正常操作。液沫夹带和气泡夹带是不可避免的，但夹带量必需严格地控制在最大允许值范围内。,3、液泛（Flooding）,塔内液体不能顺畅逐板流下，持液量增多，气相空间变小，大量液体随气体从塔顶溢出。夹带液泛：板间距过小，操作液量过大，上升气速过高时，过量液沫夹带量使板间充满气、液混合物而引发的液泛。溢流液泛：液体在降液管内受阻不能及时往下流动而在板上积累所致。,为使液体能由上层塔板稳定地流入下层塔板，降液管内必须维持一定的液柱高度,式中：hf 板压降。 h 液体经过降液管的阻力损失。,液泛（Flooding）,气速一定，
12、液体流量时，、how、hf 及 h ，Hd ，即塔板具有自动调节功能。上层塔板溢流堰上缘为 Hd 极限。若再加大液体流量， Hd 与板上液面同时升高，降液管调节功能消失，板上累积液量增加，最终引起溢流液泛。若气速过高，液体中的气泡夹带加重，降液管内的泡沫层随之增高，也易造成溢流液泛。hf 过大必导致 Hd 大，易发生液泛。如降液管设计过小或发生部分堵塞， h 急剧增大，也会导致溢流液泛。夹带液泛与溢流液泛互为诱因，交互影响。过量液沫夹带阻塞气体通道，板阻急增，降液管中泡沫层堆积，从而引发溢流液泛。而溢流液泛发生时，塔板上鼓泡层增高，分离空间降低，夹带液泛也将随之发生。液泛使整个塔不能正常操作，
13、甚至发生严重的设备事故，要特别注意防范。,第四节 负荷性能图及操作弹性,1、负荷性能图,为一定任务设计的塔板，在一定气、液相负荷范围内才能实现良好的气、液流动与接触状态，有高的板效率。当气、液相负荷超出此范围，不仅塔板的分离效率大大降低，甚至塔的稳定操作也将难以维持。有必要对已设计的塔确定出其气、液相操作范围。,0,1,2,3,4,5,正常操作范围,Ls (m3/h),Vs (m3/h),1. 漏液线(气相负荷下限线),2. 过量液沫夹带线(气相负荷上限线),3. 液相负荷下限线,4. 液相负荷上限线,5. 溢流液泛线,漏液线（气相负荷下限线）,操作时防止塔板发生严重漏液现象所允许的最小气体负
14、荷。塔板漏液与阀孔气速直接相关，故可用其大小作为判据。,式中， d0、N、V 均为已知数，故由此式求出的气体负荷Vs 的下限在负荷性能图（Vs-Ls图）中为一水平线。,对 F1 型重阀取阀孔动能因子 F0=5 时的气体负荷为操作的下限值：,1,过量液沫夹带线（气相负荷上限线）,控制液沫夹带量 ev 不大于最大允许值的气体负荷上限。将与 ev=0.1（kg液体/kg气体）相对应的泛点率Fl（如D0.8m 的大塔，取 Fl = 70%）代入下式后所得的 Vs-Ls 关系式作图而得。,此线与横轴并不完全平行，可见发生液沫夹带现象与液相负荷 Ls 也有一定关系，但主要取决于气体负荷。,2,液相负荷下限
15、线,此线为保证塔板上液体流动时能均匀分布所需的最小液量。对平顶直堰，取 how = 6 mm 作为液相负荷下限的标准。,也称气泡夹带线，由液体在降液管中所需的最小停留时间决定,E, lw 已知，为一垂直线。,液相负荷上限线,不易起泡的物系：3s，易起泡物系：5s。为一垂直线。,3,4,由上述 5 条线所包围的区域即一定物系在一定的结构尺寸的塔板上的正常操作区。在此区域内，气、液两相流率的变化对塔板效率的影响不大。,溢流液泛线,降液管中泡沫层高度达最大允许值时的气量与液量的关系,塔板的设计点及操作点都必须在正常操作区内，才能获得较高的塔板效率。对于一定气液比的操作过程，Vs/Ls 为一定值，故塔
16、板的操作线在图上为以 Vs/Ls 为斜率过原点 o 的直线。,5,OP,2、操作弹性,塔板的操作弹性：上、下操作极限点的气体流量之比。对一定结构尺寸的塔板，采用不同气液比时控制塔的操作弹性与生产能力的因素均可能不同。,塔板的设计点应落在负荷性能图的适中位置，使塔具有相当的抗负荷波动的能力，保证塔的良好稳定操作。,OP 线（高气液比）：上限 a（过量液沫夹带）下限 a（低液层）,OP,OP,OP,a,a,b,b,c,c,OP 线（较高气液比）：上限 b（溢流液泛）下限 b（漏液）,OP” 线（低气液比）：上限 c（气泡夹带）下限 c（漏液）,操作弹性,右图表明，因降液管流通面积偏小，使液体负荷成
17、为塔板操作的主要控制因素。,液沫夹带线 2 和溢流液泛线 5 将上移，甚至使线 5 落到正常操作范围之外。,物系一定，负荷性能图取决于塔板的结构尺寸。而负荷性能图的形状在一定程度上也反映了塔板结构尺寸的相对情况。,减小降液管面积，液相上限流量 Ls 下降(线 4 将左移)；,塔板的负荷性能图可清楚地表示塔板的允许的气、液相负荷范围及塔板操作弹性的大小，对塔板的改造和设计以及塔的操作均有一定的指导意义。,OP,a,a,4,2,5,第五节 浮阀塔的设计,板式塔的工艺设计主要包括两大方面：(1) 塔高、塔径以及塔板结构尺寸的计算；(2) 塔板的流体力学校核以及塔板的负荷性能图的确定。,浮阀塔工艺尺寸
18、的计算,实际塔板数,可根据实验数据或用经验公式估算,塔高主要取决于实际塔板数和板间距。给定任务所需实际塔板数可通过平衡级(理论板)假设求得所需的理论板数 N，然后由全塔效率(总板效率)修正,实际塔板数与全塔效率关联式,实际塔板数,实际板数和板间距，塔高,式中：Z1 最上面一块塔板距塔顶的高度，m； Z2 最下面一块塔板距塔底的高度，m。,HT 对塔的生产能力、操作弹性以及塔板效率均有影响。HT，允许的操作气速，塔径，但塔高。HT ，塔高 ，但允许的操作气速 ，塔径。对D0.8m的塔，为了安装及检修需要，需开设人孔。人孔处的板间距一般不应小于 0.6m。,全塔效率的关联式,塔板效率是气、液两相的
19、传质速率、混合和流动状况、以及板间返混(液沫夹带、气泡夹带和漏液等所致)的综合结果。板效率是设计重要数据。由于影响因素很多且关系复杂，至今还难以正确可靠地对其进行预测。工业装置或实验装置的实测数据是板效率最可靠的来源。全塔效率实测数据的关联式可用于塔板效率的估算。奥康内尔（Oconnell）关联方法精馏塔：采用相对挥发度 与液相粘度 L 的乘积为参数来表示全塔效率 ET：, 与 L 取塔顶与塔底平均温度下的值。对多组分物系，取关键组分的 。液相的平均粘度 L 可按下式计算,全塔效率的关联式,横坐标 HP/L中：H 塔顶塔底平均温度下溶质的亨利系数，kmol/(m3kPa)；P 操作压强，kPa
20、；L 塔顶塔底平均组成及平均温度下的液相粘度，mPas 。,板式塔,吸收塔,塔径,溢流式塔板的塔截面分为两个部分：气体流通截面和降液管所占截面（液体下流截面）。,求 A 得与 Af / AT 后，即可求得 AT ，而塔径,设适宜气速为 u，当体积流量为 Vs 时， A =Vs / u。求 A 的关键在于确定流通截面积上的适宜气速 u 。塔板的计算中，通常是以夹带液泛发生的气速（泛点气速）作为上限。一般取,A 的计算,AT -塔板总截面积，A-气体流道截面积，Af -降液管截面积,A 的计算,液泛气速：在重力场中悬浮于气流中的液滴所受的合力为零时的气速。当 uut 时，液滴将被气流带出。对直径为
21、 dp 的液滴, 索德尔斯和布朗（Souders and Brown）公式,L 、 V 气、液相的密度，kg/m3； 阻力系数； C 气体负荷因子，m/s。,C 取决于dp和。因气泡破裂形成的液滴的直径和阻力系数都难以确定，故 C 需由实验确定。实验研究表明，C 值与气、液流量及密度、板上液滴沉降高度以及液体的表面张力有关。,史密斯（Smith, R. B）关系曲线,HThL：液滴沉降高度，HT 可根据塔径选取，hL 为板上清液层高度，若忽略板上液面落差,常压塔 hL=50100 mm；减压塔 hL=2530 mm。,注意：液相表面张力 = 210-2 N/m,若实际液相表面张力不同，按下式校
22、正,u，A,Af / AT 的确定,Af /AT：降液管面积与塔截面积之比，与液体溢流形式有关。,求取方法：(1)按D和液体流量选取溢流形式，由溢流形式确定堰长 lw 与D 的比值。 单流型：lw/D =0.60.8 双流型：lw/D =0.50.7 易起泡物系 lw/D 可高一些，以保证液体在降液管中的停留时间。(2)由选定的 lw/D 值查图得 Af /AT 。(3)由确定的 A 与 Af /AT 求得塔板面积 AT 和塔径 D ，并进行圆整。,注意：塔高和D的计算涉及的参数(HT、hL、lw/D) 是按经验数据在一定范围选取的，故所得塔高和D是初估值，需根据后面介绍的流体力学原则进行校核
23、。,塔板结构设计,鼓泡区：取决于所需浮阀数与排列；溢流区：与所选溢流装置类型有关。上两区均需根据塔板上的流体力学状况进行专门计算。进口安定区(分布区)：保证进塔板液体的平稳均匀分布，也防止气体窜入降液管。Ws = 50100 mm。出口安定区(脱气区)：避免降液管大量气泡夹带。Ws = 70100 mm。,塔板布置,边缘区：塔板支撑件塔板连接。D 2.5 m WC 60 mm。,溢流装置,溢流装置：由降液管、溢流堰和受液盘组成。降液管：连通塔板间液体的通道，也是供溢流中所夹带的气体分离的场所。常见的有弓形、圆形和矩形降液管弓形降液管：有较大容积，能充分利用塔板面积，一般塔径大于800mm的大塔
24、均采用弓形。降液管的布置确定了液体在塔板上的流径以及液体的溢流形式。液体在塔板上的流径越长，气液接触时间就越长，有利于提高塔板效率；但是液面落差也随之加大，不利于气体均匀分布，使板效率降低。溢流形式的选择：根据塔径及流体流量等条件全面考虑。,液体在降液管中的停留时间 为,单溢流弓形降液管结构尺寸的计算,降液管的宽度 Wd 和截面积 Af,计算塔径时已根据溢流形式确定了堰长与塔径的比值 lw/D。由 lw/D 查图可得 Wd /D 和 Af /AT，D 和 AT 已确定，故降液管的宽度 Wd 和截面积 Af 也可求得。,为降低气泡夹带， 一般不应小于 35s，对于高压塔以及易起泡沫的物系，停留时
25、间应更长些。若计算出的 过短，不满足要求，则应调整相关的参数，重新计算。,出口溢流堰与进口溢流堰,出口堰：维持板上液层高度，各种形式的降液管均需设置。出口堰长 lw：弓形降液管的弦长，由液体负荷及溢流形式决定。 单溢流 lw=(0.60.8)D，双溢流 lw=(0.50.7)D。出口堰高 hw：降液管上端高出板面的高度。堰高 hw 决定了板上液层的高度 hL。,对于平堰：,弗朗西斯（Francis）公式,液流收缩系数 E,出口溢流堰与进口溢流堰,进口堰：保证液体均匀进入塔板，也起液封作用。一般仅在较大塔中设置。进口堰高一般与降液管底隙高度 h0 相等。进口堰与降液管间的水平距离 w0 h0，以
26、保证液体由降液管流出时不致受到大的阻力。,降液管底隙高度及受液盘,降液管底隙高度应保证溢流液顺畅并防止沉淀物堵塞(不可太小) ，但也应防止气体进入降液管(不可太大)。对于弓形降液管可按下式计算,式中：uoL 液体通过降液管底端出口处的流速，m/s。根据经验一般取 uoL = 0.070.25 m/s。D 800 mm，h0 = 40 mm。最大时可达 150 mm。,降液管底隙高度及受液盘,受液盘：承接来自降液管的液体。凹形受液盘：用于大塔（D800mm）。在液体流量低时仍能形成良好的液封，对改变液体流向有缓冲作用，且便于液体的侧线抽出，但不适于易聚合及有悬浮固体的情况。凹形受液盘深度一般在
27、50mm 以上。,浮阀的数目与排列,阀孔直径：由浮阀的型号决定。浮阀数 N：由气体负荷量 Vs 决定。可由下式计算,阀孔气速 u0 可根据由实验结果综合的阀孔动能因子 F0 确定,式中：Vs 气体流量，m3/s； u0 阀孔气速，m/s； d0 阀孔直径。对 F1 型浮阀，d0 = 39 mm。,根据工业设备数据，对F1重型浮阀（约33g），当塔板上的浮阀刚全开时，F0 在 812 之间。设计时可在此范围内选择适宜的 F0 后计算 u0 。,浮阀的数目与排列,浮阀在塔板上常按三角形排列，可顺排或叉排。,液流方向,顺排,t,t,叉排,等腰三角形叉排可使相邻的浮阀容易吹开，鼓泡更均匀。通常将同一横
28、排的阀孔中心距定为 75 mm，而相邻两排间的距离可取 65、80、100 mm 等几种规格。,若鼓泡区面积为 Aa，则一个阀孔的鼓泡面积 Aa / N 约为 t t，故有,浮阀的数目与排列,由 t=75mm 及上式计算的 Aa 值可得 t ，据此可确定 t 的实际取值（65、80、100mm）；根据已确定的孔距（t 与 t），按等腰三角形叉排方式作图，确切排出在鼓泡区内可以布置的浮阀总数；若作图排列与计算所得浮阀数相等或相近，则按作图所得浮阀数重算阀孔气速，然后校核 F0 (812) 。若 F0 不在该范围内，应重新调整 t 值，再作图、校核，直到满足要求为止。,对单溢流塔板 Aa 可按下式
29、计算：,浮阀的数目与排列,塔板开孔率 ：塔板上阀孔总面积占塔板总面积的百分数,浮阀塔板的流体力学校核,目的：判断在设计工作点(任务给定的气、液负荷量)下初步设计出的塔板能否正常操作，塔板压降是否超过允许值等，从而确认塔的工艺尺寸设计结果的可靠性。原因：在计算确定浮阀塔的塔高 Z、塔径 D 及塔板结构尺寸时，有部分设计参数来源于一定范围内的经验数据，如 HT、lw /D、hL 等。,塔板压降的校核,气体通过塔板的压强降对塔板的操作性能有着重要影响，通常也是设计任务规定的指标之一。塔板的压降等于干板压降与液层压降之和，即,塔板压降的校核,国内通用的 F1 型浮阀塔板的 hd 可按如下经验公式计算：
30、,阀全开前,阀全开后,式中：u0 阀孔气速，m/s； uoc 阀恰好全开时的阀孔气速(临界气速)，m/s； V、 L 分别为塔内气体和液体的密度，kg/m3。,由上两式可得临界孔速 uoc 的计算式,以上三式是由阀重 33g 和阀孔直径 39mm 的重型浮阀测定的数据关联所得。用于其它重量的浮阀时需进行修正。,塔板压降的校核,液层阻力 hl 为：,如果算出的板压降 hf 值超过规定的允许值，应对相关的设计参数进行调整，如增大开孔率 或降低堰高 hw，以使 hf 值下降。,液沫夹带的校核,正常操作时的液沫夹带量为： ev 0.1kg液体/kg气体。尚无 ev 较准确的直接计算式，通常是间接地用泛
31、点率(泛点百分数) Fl 作为估算 ev 大小的依据。泛点率 Fl ：操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速之比D0.9m ：Fl 80%；D0.9m：Fl 70%；减压塔：Fl 75%,经验公式：,Ls , Vs 分别为塔内液、气相流量，m3/s；L , V 分别为塔内液、气相密度，kg/m3；ZL 板上液相流程长度，m。单溢流：ZL=D - 2Wd；Ab 板上液流面积，m2。单溢流：Ab=AT - 2Af；K 物性系数； CF 泛点负荷因子。,液沫夹带的校核,液沫夹带的校核,若计算所得泛点率 Fl 不在上述范围内，则可认为 ev 超过了最大允许值，必须调整有关参数，如增大板间距HT、或增大
32、塔径 D（降低气速）等，再重新进行校核。,溢流液泛的校核,为避免发生溢流液泛，则应保证降液管中泡沫液层的高度不能超过上层塔板的出口堰，即必须满足, 泡沫层相对密度。,与降液管中泡沫液层高度相当的清液层 Hd 可由下式计算,上式中 hw、how 及 hf 可由前面介绍的公式进行计算。液面落差在 Hd 计算式中相对较小，一般可忽略不计（也可根据一些经验式进行计算）。,易起泡物系： = 0.30.4；一般物系： = 0.5；不易起泡物系： = 0.60.7。,溢流液泛的校核,液体经过降液管的阻力损失 h，主要由降液管底隙处的局部阻力所造成，可按下面的经验公式计算：,塔板上不设进口堰时,塔板上设有进口
33、堰时,式中：Ls 液体体积流量，m3/s； lw 堰长，亦即降液管底隙长度，m； h0 降液管底隙高度，m； uoL 液体通过降液管底隙时的流速，m/s。,第四节 负荷性能图及操作弹性,1、负荷性能图,为一定任务设计的塔板，在一定气、液相负荷范围内才能实现良好的气、液流动与接触状态，有高的板效率。当气、液相负荷超出此范围，不仅塔板的分离效率大大降低，甚至塔的稳定操作也将难以维持。有必要对已设计的塔确定出其气、液相操作范围。,0,1,2,3,4,5,正常操作范围,Ls (m3/h),Vs (m3/h),1. 漏液线(气相负荷下限线),2. 过量液沫夹带线(气相负荷上限线),3. 液相负荷下限线,
34、4. 液相负荷上限线,5. 溢流液泛线,漏液线（气相负荷下限线）,操作时防止塔板发生严重漏液现象所允许的最小气体负荷。塔板漏液与阀孔气速直接相关，故可用其大小作为判据。,式中， d0、N、V 均为已知数，故由此式求出的气体负荷Vs 的下限在负荷性能图（Vs-Ls图）中为一水平线。,对 F1 型重阀取阀孔动能因子 F0=5 时的气体负荷为操作的下限值：,1,过量液沫夹带线（气相负荷上限线）,控制液沫夹带量 ev 不大于最大允许值的气体负荷上限。将与 ev=0.1（kg液体/kg气体）相对应的泛点率Fl（如D0.8m 的大塔，取 Fl = 70%）代入下式后所得的 Vs-Ls 关系式作图而得。,此
35、线与横轴并不完全平行，可见发生液沫夹带现象与液相负荷 Ls 也有一定关系，但主要取决于气体负荷。,2,液相负荷下限线,此线为保证塔板上液体流动时能均匀分布所需的最小液量。对平顶直堰，取 how = 6 mm 作为液相负荷下限的标准。,也称气泡夹带线，由液体在降液管中所需的最小停留时间决定,E, lw 已知，为一垂直线。,液相负荷上限线,不易起泡的物系：3s，易起泡物系：5s。为一垂直线。,3,4,由上述 5 条线所包围的区域即一定物系在一定的结构尺寸的塔板上的正常操作区。在此区域内，气、液两相流率的变化对塔板效率的影响不大。,溢流液泛线,降液管中泡沫层高度达最大允许值时的气量与液量的关系,塔板
36、的设计点及操作点都必须在正常操作区内，才能获得较高的塔板效率。对于一定气液比的操作过程，Vs/Ls 为一定值，故塔板的操作线在图上为以 Vs/Ls 为斜率过原点 o 的直线。,5,OP,填料塔（Packed Tower）,塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。 填料：大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。塔内件：包括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等。操作原理：液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。,填料（Tow
37、er packing）,填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所。填料的流体力学和传质性能与填料的材质、大小和几何形状紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：比表面积 a：单位体积填料层所具有的表面积(m2/m3)。被液体润湿的填料表面就是气液两相的接触面。大的 a 和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。对同种填料，填料尺寸越小，a 越大，但气体流动的阻力也要增加。空隙率 ：单位体积填料所具有的空隙体积(m3/m3)。代表的是气液两相流动的通道， 大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。 = 0.450.95。填料因子 ：填料比表面积与空隙率三次方的比值(1/m)，a/3，表
38、示填料的流体力学性能，值越小，流动阻力越小。有干填料因子与湿填料因子之分。,填料（Tower packing）,堆积密度 p ：单位体积填料的质量(kg/m3)。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小填料的堆积密度，从而既可降低成本又可增加空隙率。机械强度大，化学稳定性好以及价格低廉等也是优良填料应尽量兼有的性质。注意：一些难以定量表达的因素(几何形状)对填料的流体力学和传质性能也有重要的影响。新型填料的开发一般是改进填料几何形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。,常用的填料（Typical tower packing）,常用的填料可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料在塔内可乱堆
39、，也可以整砌。,优点：易于制造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用。缺点：高径比大，堆积时填料间易形成线接触，故液体常存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高。,拉西环（Raschig ring）填料,最早使用的一种填料，为高径比相等的陶瓷和金属等制成的空心圆环。,在拉西环基础上衍生了环、十字环及螺旋环等，其基本改进是在拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积。,鲍尔环（Pall ring）填料,在环的侧壁上开一层或两层长方形小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。上下两层长方形小孔位置交错。,鲍尔环填料的优良性
40、能使它一直为工业所重视，应用十分广泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。,同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使环的内壁面得以充分利用。比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。,这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。,阶梯环填料（Stair ring）,阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状
41、的翻边。,阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。,弧鞍形(Berl saddle)矩鞍形(Intalox saddle)填料,一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质型填料 (马鞍填料)。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道，,优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，填料性能优于拉西环。,矩鞍填料的两端为矩形，且填料两面大小不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，填料的均匀性得到改善。液体分布均匀，气液传质速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料。,缺点：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影响传质速率。,优点：网丝细密
42、，空隙很高，比表面积很大。由于毛细管作用，填料表面润湿性能很好。故网体填料气体阻力小，传质速率高。缺点：造价很高，故多用于实验室中难分离物系的分离。,金属英特洛克斯（Intalox）填料,有环形与鞍形的结构特点，生产能力大、压降低、液体分布性能好、传质速率高及操作弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。,与实体填料对应的另一类填料为网体填料。有多种形式，如金属丝网制成的网环和鞍型网等。,网体填料（Wire gauze packings）,规整填料,规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。,优点：空隙大，生产能力大
43、，压降小。流道规则，只要液体初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。缺点：造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。,新型规整填料,填料的流体力学性能,压降,填料塔效率主要取决于填充填料流体力学性能和传质性能。压降、液泛气速、持液量及气液分布对填料塔的设计和操作参数的确定至关重要。,压降与气速的关系：气体通过干填料层时的流动与气体通过颗粒固定床的流动相似，只是通常填料层的空隙率更大，故气体在空隙中的流速更高而处于湍流。,载液区,高液量,低液量,C,C,B,B,A,A,L=0,L1,L2,lg u,lg p,载点气速,
44、液泛气速,有一定持液量时，pu 将不再为简单的直线关系(喷淋密度为L1、L2曲线)，且存在两个较明显的转折点。,压降,气体通过干填料层的压降 p 与空塔气速 u 的关系在双对数坐标上为直线，斜率 1.82.0。,原因：喷淋液体在填料上形成液膜，占据部分空隙，减小了气体的流通截面，对相同空塔气速压降升高。,P点后，液沫夹带量，液相返混可导致填料效率，(HETP )。,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 )；,载液和液泛对传质的影响：,压降,气速较低时，气液相间相互影响小，在一定的液体喷淋密度下，填料持液量与气速无关，气体压降与气速的关系为直线且
45、基本与 L=0 的直线平行。,P,B,泛点C,载液区,空塔气速 u,等板高度HETP,填料塔的操作一般控制在偏离泛点一定距离的载液区内，这样，既可得到较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。,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。,压降：表面摩擦阻力+形体阻力，前者是气体在空隙中流动时在填料表面和气液界面上产生的粘性应力，后者是由于气体流道的突然增大或缩小，方向的改变等造成的动能损失。影响因素：填料特性(几何形状、比表面积、 等)，流体物性(、 等)以及操作条件(气液流量、T 等)。难以进行准确的理论计算，迄今
46、仍然只能由各种经验关联式或关联图进行估算。,埃克特 (Eckert) 压降通用关联图,横坐标：,GG ,GL 气体和液体的质量流速，kg/(m2.s)； u 空塔气速，m/s； V , L 气体和液体的密度，kg/m3； L 液体的粘度，mPa.s；WG ,WL 气体和液体的质量流量，kg/s； 湿填料因子(泛点填料因子)，1/m； Vs ,Ls 气体和液体的体积流量，m3/s； g 重力加速度 9.81m/s2； 液体密度校正系数(水与液相密度之比=/L) 。,纵坐标：,埃克特 (Eckert) 压降通用关联图,适用范围：乱堆填料(Random packings)，如拉西环、鲍尔环、矩鞍环等
47、。与泛点线相对应的空塔气速为空塔液泛气速。利用此图可根据选定的空塔气速求压降，或根据规定的压降求算相应的空塔气速。,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。,泛点气速,泛点：液泛开始发生，是填料塔的操作极限。泛点气速：开始发生液泛时的气速，泛点的直接表达参数。,为防止液泛发生，最大操作气速应 95%泛点气速，设计点的气速通常取泛点气速的50%80%。故正确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
48、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。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。,持液量（Liquid holdup）,填料的持液量：操作时单位体积填料在表面和空隙中所积存的液体体积量。由静持液量和动持液量两部分组成。动持液量：停止气液两相进料后从填料中排放出来的液体。与填料特性，物性及气液两相流量有关。静持液量：液体排放完后仍保留在填料层内的那部分液体。与填料表面积，表面特征及润湿性有关。持液量对填料的压降、气液通量以及分离效率均有影响。液体在填料层中的停留时
49、间与持液量成正比，故热敏性物系分离不宜采用持液量大的填料。对间歇蒸馏不宜采用持液量大的填料。填料塔稳定操作时持液量越小，灵敏度越高。理想的操作：大传质表面，较小持液量。,填料塔内的气、液分布,气、液两相分布不均匀对塔效率会产生不利的影响。小尺度不良分布：单个填料尺度或规整填料的通道尺度上的不均匀分布。原因：由于气体的弥散性，气体在小尺度上容易分布均匀。而液体能否在填料表面扩展成膜与填料的润湿性直接相关。即使填料润湿性很好，液体的初始分布也很均匀，但在向下流过一定高度的填料层后部分液体必然会汇集为细股流，使另一部分填料表面不能为液体所润湿。小尺度的不良分布是填料的特性，当液体流经一定距离后，这种
50、不良分布特性保持稳定，称为特征分布。通常散装填料的小尺度不良分布较规整填料突出。,填料塔内的气、液分布,大尺度不良分布：由液体初始分布不均、填料层结构不均和塔体倾斜等非正常因素所引起。壁效应：若塔壁附近空隙率显著大于填料主体区，则会造成液体向壁区偏流并最终形成沿塔壁垂直向下的壁流，减少了填料气体区的液流量。塔体倾斜会造成液体优先流向下方塔壁而汇集，上方塔壁及靠壁区液体分布则不足。填料破碎、变形等也会造成大范围的液流分布不均。大尺度液流不均还会引发气流分布不均，造成气体走短路，使填料塔操作恶化。改进措施：加强液流入塔的初始分布均匀性，在塔内设置液体再分布器，填料充填均匀，对大型塔填料尺寸与塔径之
