第十章 氣液傳質(zhì)設(shè)備2

1、012345正常操作范圍Ls (m3/h)Vs (m3/h)1. 漏液線(氣相負(fù)荷下限線)2. 過量液沫夾帶線(氣相負(fù)荷上限線) 3. 液相負(fù)荷下限線 4. 液相負(fù)荷上限線 (降液管中液體停留時間不足線 )5. 液泛(淹塔)線 可以作出塔板正常工作的范圍圖適宜工作區(qū)圖 漏液線（氣相負(fù)荷下限線）漏液線（氣相負(fù)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(fù)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)。VVFu500VsNduNdV45420020式中， d0、N、V 均為已知數(shù)，故由此式求出的氣體負(fù)荷Vs 的下限在負(fù)荷性能圖（Vs-Ls圖）中為一水平線。0Ls (m3/h)Vs

2、 (m3/h)對 F1 型重閥取閥孔動能因子 F0=5 時的氣體負(fù)荷為操作的下限值：1若氣液負(fù)荷位于線1下方，表明漏液已使塔板效率大幅度下降過量液沫夾帶線（氣相負(fù)荷上限線）過量液沫夾帶線（氣相負(fù)荷上限線）控制液沫夾帶量 ev 不大于最大允許值的氣體負(fù)荷上限。一般根據(jù)ev=0.1（kg液體/kg氣體），代入計算液沫夾帶量的公式或圖表，求出不同液體負(fù)荷Ls下相應(yīng)的蒸氣負(fù)荷Vs，將所得的 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(fù)荷 Ls 也有一定關(guān)系，但主要取決于氣體負(fù)荷。 0Ls (m3/h)Vs (m3/h)12氣液負(fù)荷位于該線上方，表示液沫夾帶過量，已不

3、宜采用 液相負(fù)荷下限線液相負(fù)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，一般要求堰上液面高度 h1 2 mm ,帶入相應(yīng)的公式計算出相應(yīng)的最小液體負(fù)荷。此線為一垂直線。0Ls (m3/h)Vs (m3/h)3液量小于該下限，板上液體流動嚴(yán)重不均勻而導(dǎo)致板效率急劇下降 323110842/.wlLkh若液量超過此上限，液體在降液管內(nèi)停留時間過短，液流中的氣泡夾帶現(xiàn)象大量發(fā)生，以致出現(xiàn)溢流液泛 ddsAHL 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液相負(fù)荷上限線不易起泡的物系：3s易起泡物系：5s為一垂直線0Ls (m3/h)Vs (m3/h)4由上述 5

4、 條線所包圍的區(qū)域即一定物系在一定結(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。01234Ls (m3/h)Vs (m3/h)液泛線液泛線根據(jù)對降液管中液面高度的限制條件（下式），計算在不同液體負(fù)荷下Ls相應(yīng)的蒸氣負(fù)荷Vs)(.(wTfwLdhHhhhgpH60401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 Vs/Ls 為斜率過原點(diǎn) o 的直線。在適宜工作區(qū)圖上做出反映主要工藝操作條件的操作線,這種圖稱為塔板的負(fù)荷性能圖 5OP012345Ls (m3/h)Vs (m3/h)操作彈性操作彈性塔板的操作彈性：上、下操作極限點(diǎn)的

5、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(diǎn)應(yīng)落在負(fù)荷性能圖的適中位置，使塔具有相當(dāng)?shù)目关?fù)荷波動的能力，保證塔的良好穩(wěn)定操作。OP 線（高氣液比）：上限 a（過量液沫夾帶）下限 a（液相負(fù)荷下限）OPOPOPaabbccOP 線（較高氣液比）：上限 b（液泛）下限 b（漏液）OP 線（低氣液比）：上限 c（液相負(fù)荷上限）下限 c（漏液）第二節(jié)填料塔一、填料塔的結(jié)構(gòu)及其操作原理塔體：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

6、承與壓緊裝置、液體與氣體分布器、液體再分布器以及氣體除沫器等。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(qiáng)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)。 液體入口塔體液體分布器填料液體再分布器填料支承板氣體出口氣體入口液體出口二、填料種類及其特性填料是填料塔的核心，填料表面是氣液兩相接觸進(jìn)行質(zhì)、熱傳遞的場所。1、填料種類 對填料的基本要求：（1）單位體積的表面積要大；（2）堆積密度小，材質(zhì)強(qiáng)度高，不易破碎；（3）液體易于均勻分布；（4）填料層的空隙度大，氣體流動的壓力降小；（5）填料表面易被液體潤濕；（6）填料的幾何形狀不易使填料堆積中相互

7、重疊，而使一部分填料表面積失去作用；（7）價格便宜，制造簡便。填料分為兩大類：個體（散裝）填料與規(guī)整填料。常見個體填料的形狀可分為三種類型短管形填料：拉西環(huán)優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：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)效率也不高。是最早使用的一種填料，為高徑比相等的陶瓷或金屬等材料制成的空心圓環(huán)。在拉西環(huán)基礎(chǔ)上衍生了環(huán)、十字環(huán)及螺旋環(huán)等，其基本改進(jìn)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。(1)拉西環(huán)填料(2)(2)鮑爾環(huán)填料鮑爾環(huán)填料在環(huán)的側(cè)壁上開

8、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。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。鮑爾環(huán)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(diǎn)接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象。(3)(3)階梯環(huán)填料階梯環(huán)填料階梯環(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

9、小孔，環(huán)內(nèi)有向內(nèi)彎的葉片，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。階梯環(huán)鞍形填料： 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(diǎn)：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(diǎn)，填料的均勻性得到改善。液體分布均勻，氣液傳質(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(diǎn)：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?；“靶魏途匕靶翁?/p>

10、料弧鞍形和矩鞍形填料短管形與鞍形填料的結(jié)合型填料： 有環(huán)形與鞍形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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。金屬環(huán)矩鞍規(guī)整填料規(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(diǎn)：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(diǎn)：造價較高，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。 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

11、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，表征填料特性的參數(shù)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?：單位體積填料層所具有的空隙體積(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。 = 0.450.95。當(dāng)氣體以一定流量通過填料層時，按塔橫截面積計的氣速u稱為“空塔氣速”(簡稱空速)，而氣體在填料層孔隙內(nèi)流動的真正氣速為u1。二者關(guān)系為：u1

12、=u/ 。填料特性參數(shù)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。堆積密度 p ：單位體積填料的質(zhì)量(kg/m3)。對同一種填料，堆積密度由填料尺寸及堆積方式?jīng)Q定。在機(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)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(dá)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(jìn)填料幾何形狀使之更為合理，從而獲得高的填料效率。 三、填料塔的水力特性在逆

13、流操作的填料塔中，液體依靠重力在填料表面成膜狀向下流動，上升氣體與下降液膜的摩擦阻力形成了填料層的壓降。填料層壓降與液體噴淋量及氣速有關(guān)，將不同噴淋量下單位填料層的壓降p與空塔氣速u的關(guān)系標(biāo)繪在對數(shù)坐標(biāo)紙上，可得到如圖所示的曲線簇。載液區(qū)高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg p載點(diǎn)氣速液泛氣速L=0：氣體通過干填料層的壓降 p 與空塔氣速 u 的關(guān)系在雙對數(shù)坐標(biāo)上為直線，斜率 1.92.0載液區(qū)高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg p載點(diǎn)氣速液泛氣速有一定持液量時，pu 將不再為簡單的直線關(guān)系(噴淋密度為L1、L2曲線)，且存在兩個較明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。原因：噴淋液體在填

14、料上形成液膜，占據(jù)部分空隙，減小了氣體的流通截面，對相同空塔氣速壓降升高。氣速較低時，氣液相間相互影響小，在一定的液體噴淋密度下，填料持液量與氣速無關(guān)，氣體壓降與氣速的關(guān)系為直線且基本與 L=0 的直線平行。載點(diǎn)(B)后，持液量，氣液相互作用，相界面積，湍動增強(qiáng)，傳質(zhì)過程，填料效率 (HETP )；在此階段，液流雖遇到阻礙，但液體仍可沿填料表面流下，未發(fā)生液體停滯或積液現(xiàn)象。 載液區(qū)高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg p載點(diǎn)氣速液泛氣速在C點(diǎn)，液膜增厚幾乎封閉周圍的氣體通道，塔內(nèi)的部分區(qū)域發(fā)生“轉(zhuǎn)相”，即液相變?yōu)檫B續(xù)相，氣相成為分散相。若氣速再稍增大，氣體對液體的曳力迅速增加，

15、這時，因塔頂不斷進(jìn)液，塔內(nèi)液體又不能暢流而下，塔內(nèi)積液，液位不斷上升，最終使塔的正常操作受到破壞。這種狀況即為“液泛” 。一般把對應(yīng)于液泛開始狀況的空塔氣速叫做液泛氣速，簡稱“泛速”，圖中C點(diǎn)對應(yīng)的空速即為泛速。一般認(rèn)為正常操作的空速應(yīng)在載點(diǎn)氣速之上，在泛點(diǎn)氣速的0.8倍之下。 四、填料塔的設(shè)計指標(biāo)1、填料尺寸：要求D/d8uVD4體積流量V一般由精餾或吸收過程的工藝計算數(shù)據(jù)定出，通常沿塔高是變化的，設(shè)計時，一般取最大值。氣速u一般取泛點(diǎn)氣速的0.5至0.8倍速。一般填料塔的操作氣速大致在0.21.0m/s。2、塔徑的決定：按公式按上式算出的塔徑，應(yīng)按壓力容器公稱直徑進(jìn)行圓整，如圓整為600、

16、800、1000、1200 mm 等。取決于所需的填料層高度及塔內(nèi)附屬構(gòu)件所需的高度。附屬構(gòu)件(如氣液分布裝置，除沫器及液體再分布器等)的高度要由所選的類型和計算的尺寸來確定。填料層的高度通常采用傳質(zhì)單元法 (第9章吸收計算) 或等板高度法進(jìn)行計算。等板高度(HETP)：與一層理論塔板的分離效果相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨取５劝甯叨鹊拇笮?，表明填料效率的高低。等板高度一般由?shí)驗(yàn)測定，或取生產(chǎn)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。若完成分離任務(wù)所需的理論板數(shù)為 N，則填料層高度 Z 為HETPNZ3、塔高常用公式VLGp210)(式中，p填料層的壓力降，mm水柱/m填料；G氣體的質(zhì)量速度，kg/m2s； L液體的質(zhì)量速度，kg/

17、m2s； V氣體的密度，kg/m3； ，常數(shù)，對不同填料有不同的取值。4、填料層的壓降五、填料塔的附屬結(jié)構(gòu)主要包括：填料支承裝置、液體分布及再分布裝置、氣體進(jìn)口分布裝置及出口除沫裝置等。1、填料支承板用以支承填料的部件。它應(yīng)具有：(1) 足夠的機(jī)械強(qiáng)度以承受設(shè)計載荷量，支承板的設(shè)計載荷主要包括填料的重量和液泛狀態(tài)下持液的重量。(2) 足夠的自由面積以確保氣、液兩相順利通過?？傞_孔面積應(yīng)盡可能不小于填料層的自由截面積。開孔率過小可導(dǎo)致液泛提前發(fā)生。一般開孔率在 70% 以上。常用的支承板有柵板、升氣管式和氣體噴射式等類型。柵板：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價低；缺點(diǎn)是柵板間的開孔容易被散裝填料擋住，使有效

18、開孔面積減小。升氣管式：具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點(diǎn)。氣體由升氣管側(cè)面的狹縫進(jìn)入填料層。 氣體噴射式 ：具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點(diǎn)。氣體由波形的側(cè)面開孔噴射入填料層。 床層限位圈和填料壓板：床層限位圈和填料壓板：填料壓緊和限位裝置安裝在填料層頂部，用于阻止填料的流化和松動，前者為直接壓在填料之上的填料壓圈或壓板，后者為固定于塔壁的填料限位圈。規(guī)整填料一般不會發(fā)生流化，但在大塔中，分塊組裝的填料會移動，因此也必需安裝由平行扁鋼構(gòu)造的填料限制圈。2、液體分布器 作用：將液體均勻分布于填料層頂部。液體初始分布質(zhì)量將直接影響到液體在整個填料層的分布，從而影響填料塔的分離效率和

19、操作彈性，因此液體分布器是填料塔的一個極為重要的內(nèi)部構(gòu)件。蓮蓬頭分布器：噴頭的下部為半球形多孔板，噴頭直徑為塔徑的1/31/5，一般用于直徑在0.6m以下的塔中。它的主要缺點(diǎn)是噴灑孔易堵塞，且氣量較大時液沫夾帶量大。 壓力型多孔管式分布器：有環(huán)形和梯形兩種。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、造價低、易于支承。缺點(diǎn)：也存在小孔易堵塞的問題，故被噴淋的液體不能有固體顆?；驊腋∥?。 優(yōu)點(diǎn)：抗堵、抗腐蝕能力強(qiáng)，操作可靠，可處理含固體的物料，操作彈性和處理量較大。缺點(diǎn)：分布質(zhì)量極易受液面的波動和分布器水平度的影響，故通常必須裝有水平調(diào)節(jié)裝置。 槽式溢流分布器：液體從通常為V字形的溢流口中溢出。一般適用于直徑大于 1.0 m 的填料塔中。3、液體再分布器、液體再分布器隨液體流經(jīng)的填料層厚度的增加，偏流程度增加，液體的大尺度不良分布就越嚴(yán)重。解決方法：每隔一定高度設(shè)置一液體再分布器。偏流效應(yīng)越嚴(yán)重，設(shè)置液體再分布器的填料間隔應(yīng)越小，如拉西環(huán)每段填料高度一般約為塔徑的 3 倍，而鮑爾環(huán)和鞍形填料可分為塔徑的 510 倍。再分布器的形式：有盤式、槽式及截錐式等。盤式液體再分布器截錐式再分布器4、氣體分布器、氣體分布器對于直徑小于3000塔，可采用單管底部雙排孔分布器。不僅氣體分布均勻、阻力小，而且結(jié)構(gòu)簡單、造價低。超