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1、1,第三章 蒸馏和吸收塔设备,蒸馏操作和吸收操作从气液传质的角度有着共同的特点，可在同样的塔设备中进行。按其结构形式可分为：板式塔，逐级接触式 填料塔，微分接触式,2,主要内容,板式塔的结构、塔板的类型、板式塔的流体力学性能与操作特性填料塔的结构、填料的类型、填料塔的流体力学性能；了解填料塔的设计原则,3,第一节 概述,塔设备研制开发思路:总体上保证气液两相呈逆流流动 提供最大的传质推动力每块板上或填料层内保证气液两相充分接触 尽可能减小传质阻力提供足够大的气液两相通道 保证大通量、低压降、合适的弹性,4,评价塔设备性能的指标:生产能力大；分离效率高；阻力小，压降低；操作弹性大；满足工业对生产
2、设备的一般要求：结构简单、造价低、安装维修方便等。,5,第二节 板式塔,塔板的结构,板式塔为逐级接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰以及降液管和受液盘等部件构成。,板式塔的结构,1-壳体2-塔板3-溢流堰4-受液盘5-降液管,板式塔,液相,连续相,气相,分散相,6,塔板的类型,塔板,有降液管式塔板,无降液管式塔板,塔板的分类,(a)有降液管式塔板(b)无降液管式塔板,错流式,逆流式,1.塔板分类,7,2.塔板的主要结构形式,(1)泡罩塔板,操作弹性适中；,塔板不易堵塞。,生产能力及板效率较低；,结构复杂、造价高。,优点：,缺点：,8,特点：工业上应用最早的塔板，由升气管及泡罩
3、构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有80mm、100mm和150mm三种尺寸，可根据塔径大小选择。泡罩下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。,9,泡罩塔板,(a)操作示意图(b)塔板平面图(c)圆形泡罩,10,泡罩实物,11,(2)筛孔塔板,板上液面落差小，气体压降低；,生产能力大；,操作弹性小；,结构简单、造价低；,塔板效率较高。,优点：,缺点：,筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、黏度大的物料。,12,特点：筛孔塔板简称筛板 结构特点是在塔板上开有许多均匀小孔，孔径一般为38mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流
4、堰，使板上能保持一定厚度的液层。,13,筛孔塔板,（a）操作示意图（b）筛孔布置图,14,(3)浮阀塔板,操作弹性大；,生产能力大；,处理易结焦、高黏度物料阀片易与塔板黏结；,操作时阀片易脱落或卡死。,结构简单、造价低；,塔板效率较高。,优点：,缺点：,15,特点：在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片.阀片本身连有几个阀腿，可限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边有向下弯的定距片，当气速很低时，可防止阀片与板面的黏结。,16,浮阀实物,17,浮阀塔板,（a）F1 型浮阀（b）V-4 型浮阀（c）T 型浮阀,18,新型浮阀塔板 VV塔板,19,梯形导向浮阀塔板
5、,新型浮阀塔板,20,(4)喷射型塔板 1）舌形塔板 其结构特点是，在塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，有18、20、25三种（一般为20），舌片尺寸有50mm50mm和25mm25mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管。,21,舌形塔板示意图,22,2）浮舌塔板 结构特点是，其舌片可上下浮动。兼有浮阀板和固定舌形板的特点。处理能力大、压降低、操作弹性大。,浮舌塔板示意图,23,常见塔板的性能比较 塔板类型 相对生 相对塔 操作 压力降 结构 成本 产能力 板效率 弹性 泡罩塔板 1.0 1.0 中 高 复杂 1.0
6、筛孔塔板 1.2 1.4 1.1 低 低 简单 0.4 0.5 浮阀塔板 1.2 1.3 1.1 1.2 大 中 一般 0.4 0.5 舌形塔板 1.3 1.5 1.1 小 低 简单 0.4 0.5 斜孔塔板 1.5 1.8 1.1 中 低 简单 0.4 0.5,二、塔板的类型,24,25,26,27,降液管,受液区,俯视图,28,29,30,2）塔板类型a）泡罩塔板,31,32,33,b）筛孔塔板,34,35,c）浮阀塔板,36,37,38,39,d）舌型塔板,40,41,e）斜孔塔板,42,板式塔的流体力学性能,塔板压力降液泛雾沫夹带漏液液面落差,43,1.鼓泡接触状态,鼓泡接触状态,气速
7、较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。,一、塔板上气液两相的接触状态,44,2.蜂窝状接触状态,蜂窝状接触状态,随着气速增加，气泡数量不断增加。当气泡形成速度大于气泡浮升速度时，气泡在液层中累积。气泡间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡。由于气泡不易破裂，表面得不到更新，所以此种状态不利于传热和传质。,45,3.泡沫接触状态,泡沫接触状态,当气速继续增加，气泡数量急剧增加，气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，形成一些直径较小、扰动十分剧烈的动态泡沫，由于泡沫接触状态表面积大，
8、并不断更新，所以是一种较好的接触状态。,46,4.喷射接触状态,喷射接触状态,当气速继续增加，把板上液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用落回到塔板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。液滴回到塔板上又被分散，这种液滴反复形成和聚集，使传质面积增加，表面不断更新，是一种较好的接触状态。,47,气体通过塔板需克服一定的阻力塔板压降。,塔板阻力,板上各部件所造成的局部阻力。,板上充气液层的静压力形成的阻力。,液体表面张力形成的阻力。,塔板压降=干板压降+充气液层压降+表面张力压降,二、气体通过塔板的压降,干板阻力,充气液层阻力,表面张力阻力,48,气液接触时间,塔板效率,塔釜温
9、度气体阻力,塔板压降,塔板压降,能量消耗,保证较高效率的前提下，力求减小塔板压降，以降低能耗和改善塔的操作。对热敏性物系的分离，应采用较低的塔板压降。,分析,49,当液体横向流过塔板时，为克服板上的摩擦阻力和板上部件（如泡罩、浮阀等）的局部阻力，需要一定的液位差，则在板上形成由液体进入板面到离开板面的液面落差。,塔板上的液面落差示意图,三、塔板上的液面落差,液面落差,液面落差：,塔板进、出口侧的清液高度差,50,与塔板的结构有关,泡罩塔板,大,浮阀塔板,中,筛孔塔板,小,与塔径、液体流量有关,塔径,流量,液面落差大,气流的不均匀分布,漏液,板效率下降,51,塔板溢流类型,（a）U形流（b）单溢
10、流（c）双溢流（d）阶梯式双溢流,52,四、板式塔的操作特性,1、塔板上的异常操作现象,1）漏液:气体速度较小时，气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下时，便会出现漏液现象。,漏液,两相在塔板上的接触时间,板效率,控制：漏液量不大于液体流量的10%。,漏液气速：,漏液量达到10%的气体速度。,板式塔操作的气速下限,原因：,气速太小、板面上液面落差引起的气流分布不均匀,53,2）雾沫夹带,影响因素空塔气速：空塔气速减小，雾沫夹带量减小塔板间距：板间距增大，雾沫夹带量减小,现象：,液滴随气体进入上层塔板。,后果：,过量雾沫夹带，造成液相在板间的返混，板效率下降,控制：,雾沫夹带量eV0
11、.1kg(液)/kg(气)。,54,3）液泛：液体充满塔板之间的空间，使塔的正常操作受到破坏，这种现象称为液泛。,夹带液泛 气速过大,降液管液泛 液体流量过大,原因：,气液两相流速过大,影响因素：,流量、塔板结构,板间距大,液泛速度高,55,2、塔板的负荷性能图,V,56,雾沫夹带线（气体流量上限线）线1 液泛线（线2）液相负荷上限线（线3）漏液线（气体流量下限线，线4）液相负荷下限线（线5）,1）负荷性能图中各线的意义,1，2，3，4，5五条线所包围的区域，既是一定物系在一定的结构尺寸塔板上正常操作区。,57,2）负荷性能图的分析,V,58,操作弹性:,两极限的气体流量之比,操作点位于操作区
12、内的适中位置,可获得稳定良好的操作效果,同一层塔板，操作情况不同，控制负荷上下限的因素也不同,物系一定时，负荷性能图中各线的相对位置随塔板尺寸而变例：加大板间距或增大塔径可使液泛线上移，增加降液管截面积可使液相上限线右移，减少塔板开孔率可使漏液线下移。,59,第三节 填料塔,填料塔的结构,填料塔为连续接触式气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、液体分布器、填料支承板、塔填料、填料压板及液体再分布装置等部件构成。,1-塔壳体2-液体分布器3-填料压板4-填料5-液体再分布6-填料支承板,填料塔结构示意图,填料塔,液相,连续相,气相,分散相,60,与板式塔相比，填料塔具有以下特点：,生产能力大；,侧线
13、进料和出料较难。,压力降小，持液量小；,操作弹性大；,分离效率高；,造价较高；,易堵塞；,填料塔的特点,61,填料性能 1.散装填料 乱堆填料：将拉西环、鲍尔环、矩鞍形填料等小型填料不规则地堆放在填料塔内。整砌填料：尺寸较大填料有规则地砌在填料塔内。（1）拉西环：最早使用的填料，横放时内表面不易被湿润，流体阻力较大、气液接触面积小，使用较少。,62,（2）鲍尔环：流体阻力较小、气液接触面积较大，性能优良，应用广泛，其材料有金属、金属和塑料。（3）矩鞍形填料：空隙率较大，流体阻力较小，气液接触面积较大，性能优良，材料有陶瓷和塑料。,63,2.整装填料：将金属丝或多孔板制成波纹状，然后组装成若干个
14、某种高度（50-250mm）的填料层，分层整装进塔内。波纹整装填料：空隙率高，流体阻力小，流体分布均匀，性能优良，但价格较高。,64,1）拉西环（Rasching ring）,65,2）鲍尔环(Pall ring),66,3）阶梯环(cascade mini rings),67,4）弧鞍与矩鞍（berl saddle and intolox saddle）,68,5）金属鞍环,69,6）波纹板及波纹网,70,7）规整填料,71,金属孔板波纹填料,金属丝网波纹填料,一、填料的类型,72,陶瓷板波纹填料,塑料板波纹填料,一、填料的类型,73,填料的性能评价,填料的性能评价指标：,生产能力大；,传质
15、效率高；,填料层压降低；,操作弹性大；,造价低。,74,9 种填料综合性能评价 填料名称 评估值 评 价 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填料 0.59 相当好 3 金属鞍形环填料 0.57 相当好 4 金属阶梯环填料 0.53 一般好 5 金属鲍尔环填料 0.51 一般好 6 瓷Intalox填料 0.41 较好 7 瓷鞍形环填料 0.38 略好 8 瓷拉西环填料 0.36 略好 9,75,3.填料性能指标（1）比表面积a：指单位体积填料中所具有的填料表面积，单位m2（表面积）/m3（填料层体积）。同一种填料，尺寸小的比表面积大；
16、比表面积大，气液接触面积就大；不同结构的填料，比表面积相同，气液接触面积可能相差很大。（2）空隙率：单位体积填料层中所具有的空隙体积，单位m3（空隙体积）/m3（填料层体积）。空隙率大，流体阻力小，流通量大。,76,（3）堆积密度：单位体积填料层的质量，单位是kg/m3。机械强度允许条件下，应减小堆积密度，以增大空隙率和减少材料消耗。（4）干填料因子a/3：比表面积与空隙率所组成的复合量，单位m-1。（5）湿填料因子：用来关联填料层内气液两相流动参数之间关系的因子，单位m-1。4.对填料的基本要求:要求填料比表面积和空隙率大，堆积密度小，有足够的机械强度，化学稳定性和液体润湿性好，价格低廉。,
17、77,填料塔的流体力学性能,持液量（liquid hold up）：单位体积填料层中滞留的液体体积。液体流量一定时，气体流量越大，持液量就越大，气体通过填料层的压力降也越大。空塔气速：气体在空塔中流过的速度，即气体体积流量除以塔截面积所得的流速。,78,一、填料层的持液量,填料层的持液量是指在一定操作的条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积。,持液量,总持液量 Ht,动持液量 Hc,静持液量 Hs,HtHc Hs,分析,Ht,填料层压降,传质效率,生产能力,79,二、气体通过填料层的压降,填料层的压降形成,液膜与上升气体的摩擦,u 一定，,L,L 一定，,u,填料塔的流体力学性能,分析,u
18、c,单位高度填料层压降,80,填料层的p/z-u关系,泛点,载点,液泛区,载液区,恒持液量区,81,三、液 泛,在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至被破坏，此种情况称为液泛。,液泛时的空塔气速,泛点气速 uF,82,uF,影响液泛的因素,填料特性,流体物性,L,L,V,液气比,wL/wV,分析,uF,uF,uF,uF,83,当流体流量L=0时，气体通过干填料层的压力降与空塔气速的关系为一条直线。当填料上有液体喷淋时，在相同的空塔气速下，持液量增加，气流通道减小，通过填料层
19、的压力降增加。c.在一定液体喷淋量L条件下，当空塔气速低于A点的气速时，液体沿填料表面向下流动，很少受向上的气流牵制，持液量基本不变，此时气体压力降随空塔气速增大的关系于干填料时的直线几乎平行。,填料层的压力降与液体流量及空塔气速的关系,84,d.当空塔气速增大到A点后，填料表面的液膜受气流的阻拦明显起来。此时持液量随气速增大而增多，气流通道减少，气体的压力降增大，压力降-空塔气速的关系曲线斜率增大。曲线上的这个转折点A称为载点（loading point)e.从载点开始，当空塔气速增大时，持液量继续增多，当达到B点时，填料层几乎充满液体，气体通过填料层的压力降迅速上升，表现为曲线垂直上升。此
20、时，塔内已发生液泛，点B称为液泛点。,85,f.液泛点后，空塔气速稍有增加，液体将受阻而积聚在填料层中，不能向下流动，从塔顶溢出，液泛点是填料塔操作的上限。g.从载点至液泛点之间是填料塔正常操作范围。液泛点所对应的空塔气速称为泛点气速。在确定填料塔直径时，先求出泛点气速，然后取泛点气速的倍为适宜的操作气速。,86,填料塔工艺尺寸的计算,1.塔径的计算,空塔气速 u 计算：,泛点气速法，,用于散装填料塔计算；,87,(1)泛点气速法,液泛气速 uF,空塔气速 u,泛点率(安全系数),散装填料,规整填料,85%,95%,88,1）贝恩霍根关联式,式中：A、K 关联式常数，由有关手册查出。,2）埃克
21、特(Eckert)通用关联图,散装填料的泛点气速可用埃克特通用关联图计算。,89,埃克特通用关联图,横坐标,纵坐标,90,填料层高度的计算,(1)传质单元高度法,(2)等板高度法,注意问题：,设计填料层高度,91,填料层压降的计算,1.散装填料压降的计算,2.规整填料压降的计算,由压降关联式计算；,由实验曲线计算。,计算方法：由埃克特通用关联图计算。,计算方法：,92,横坐标,纵坐标,埃克特通用关联图,93,例,用清水吸收混合气中的SO2，混合气体处理量为1000m3/h，密度为1.34kg/m3，用水量为27000kg/h，溶液密度为1000kg/m3。操作压力降为101.325kPa，温度
22、为20。试求填料吸收塔的直径及设计空塔气速下每米填料层的压力降，填料为乱堆填料。,94,95,96,填料支承装置,填料支承装置的作用是支承塔内的填料。,填料支承装置类型,栅板型,孔管型,驼峰型,97,填料压紧装置,填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。,填料压紧装置类型,栅板型,网板型,98,液体分布装置,液体分布装置作用是将进塔液体均匀分布，以喷洒在填料层的上方。,液体分布装置类型,喷头式,盘式,管式,槽式,槽盘式,99,喷头式液体分布器,三、液体分布装置,100,盘式液体分布器,三、液体分布装置,101,管式液体分布器,102,槽式液体分布器,三、液体分布装置,103,槽盘式液体分布器,三、液体分布装置,104,液体收集及再分布装置,液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象壁流。壁流导致填料层内气液分布不均，使传质效率下降。为减小壁流现象，可间隔一定高度在填料层内设置液体再分布装置。,液体收集及再分布装置类型,截锥式,斜板式,槽盘式液体分布器,105,截锥式液体收集及再分布器,四、液体收集及再分布装置,106,斜板式液体收集器,四、液体收集及再分布装置,
