化工原理下冊(cè)第七章-蒸餾與吸收塔設(shè)備

第七章蒸餾和吸收塔設(shè)備

教學(xué)要求

§7-0概述

§7-1板式塔

§7-2填料塔

復(fù)習(xí)教學(xué)要求化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備2/37重點(diǎn)：板式塔與填料塔的特點(diǎn)，塔設(shè)備的選用與設(shè)計(jì)原則。覆蓋內(nèi)容：塔設(shè)備的性能參數(shù)；典型塔板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分類，塔板上的流體力學(xué)特性，正常與非正常操作情況及調(diào)節(jié)；板式塔的設(shè)計(jì)原則及步驟；填料及填料塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，填料塔的流體力學(xué)特性，填料塔的設(shè)計(jì)原則及步驟；板式塔與填料塔的比較，塔的選用原則。§7-0概述化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備3/37氣液傳質(zhì)設(shè)備的基本功能

提供氣液傳質(zhì)場(chǎng)所有效分離氣液兩相氣液傳質(zhì)設(shè)備的分類

連續(xù)（微分）接觸式（填料塔）、逐級(jí)接觸式（板式塔）性能評(píng)價(jià)指標(biāo)通量——生產(chǎn)能力分離效率適應(yīng)能力——操作彈性4§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備5/37一板式塔的結(jié)構(gòu)

按塔內(nèi)氣、液流動(dòng)的方式分類泡罩塔

篩板塔

浮閥塔

噴射塔二性能評(píng)價(jià)錯(cuò)流塔板、逆流塔板三按塔板類型分類處理能力板效率塔板壓降§7-1-1塔板類型化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備6/37液相降液管堰氣相液相氣相逆流塔板優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)液面差，充分利用板面，生產(chǎn)能力較大；缺點(diǎn)：板效率及操作彈性不及溢流塔板。應(yīng)用范圍小，常見的板型有篩孔式、柵板式、波紋板式等。錯(cuò)流式塔板(溢流塔板)液體流動(dòng)板間板上氣體流動(dòng)溢流堰進(jìn)口堰特點(diǎn)：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?！?-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備7/37

泡罩塔的結(jié)構(gòu)主要元件：升氣管、泡罩，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。特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象，故彈性大。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，塔板壓降大，生產(chǎn)強(qiáng)度低。泡罩塔§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備8/37浮閥塔

浮閥的結(jié)構(gòu)形式：圓形、方形、條形及傘形F-1型V-4型A型方形浮閥十字架型安裝特點(diǎn)：閥孔浮閥最小開度最大開度閥片開啟高度與操作氣速的關(guān)系§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備9/37

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，生產(chǎn)能力大，操作彈性大，塔板效率較高。

缺點(diǎn)：處理易結(jié)焦、高粘度的物料時(shí)，閥片易與塔板粘結(jié)；在操作過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。幾種新型浮閥塔板雙流噴射浮閥塔板導(dǎo)向浮閥塔盤

§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備10/37篩板塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，塔板阻力小。垂直篩板結(jié)構(gòu)兩相流動(dòng)特點(diǎn)：提供更大的不斷更新的接觸表面，強(qiáng)化傳質(zhì)過程；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，垂直篩板可獲得較高的塔板效率和較大的生產(chǎn)能力。§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備11/37結(jié)構(gòu)噴射型塔板——舌形塔板優(yōu)點(diǎn)：避免返混、液面落差小，塔板壓降較??；氣流方向近于水平；液沫夾帶量較小，可達(dá)較高的生產(chǎn)能力。缺點(diǎn)：張角固定，可導(dǎo)致塔板漏液嚴(yán)重；操作彈性??；板效率較低。噴射型塔板——浮舌塔板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：處理能力大、壓降低、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)，特別適宜于熱敏性物系的減壓分離過程。

§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備12/37§7-1-2板式塔的流體力學(xué)性能一塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)

氣液兩相的接觸狀態(tài)是決定板上兩相流流體力學(xué)及傳質(zhì)和傳熱規(guī)律的重要因素。蜂窩狀態(tài)

氣泡的形成速度大于氣泡的浮升速度，氣泡在液層中累積。氣泡之間相互碰撞，形成各種多面體的大氣泡，板上是以氣體為主的氣液混合物。氣泡不易破裂，表面得不到更新，此種狀態(tài)不利于傳熱和傳質(zhì)。鼓泡狀態(tài)

氣液兩相接觸的表面積不大，傳質(zhì)效率很低?！?-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備13/37泡沫狀態(tài)

泡沫接觸狀態(tài)的表面積大，不斷更新，為兩相傳熱與傳質(zhì)提供了良好的條件，是一種較好的接觸狀態(tài)。噴射狀態(tài)

氣體為連續(xù)相，液體為分散相，兩相傳質(zhì)的面積是液滴的外表面。液滴的反復(fù)形成和聚集，使傳質(zhì)面積增加，表面不斷更新，有利于傳質(zhì)與傳熱進(jìn)行，是一種較好的接觸狀態(tài)。二氣體通過塔板的壓降總壓降包括干板壓降、靜壓強(qiáng)及液體表面張力引起的壓降影響因素壓降與效率§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備14/37三塔板上的液面落差

流體阻力與液面落差塔板結(jié)構(gòu)與液面落差改善措施：?jiǎn)我纭p溢流或階梯溢流四塔板上的異常操作現(xiàn)象

漏液、液泛和液沫夾帶等，應(yīng)盡量避免異常操作現(xiàn)象的出現(xiàn)。五塔板的負(fù)荷性能圖通常由五條線組成：漏液線（1）液沫夾帶線（2）液相負(fù)荷下限線（3）液相負(fù)荷上限線（4）液泛線（5）§7-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備15/37六．板式塔的操作分析五條線所包圍的區(qū)域稱為塔板的適宜操作區(qū)。操作點(diǎn)——A操作線——OA操作彈性——Vmax/Vmin設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使操作點(diǎn)盡可能位于適宜操作區(qū)的中央，若操作點(diǎn)緊靠某一條邊界線，則負(fù)荷稍有波動(dòng)，塔的正常操作即被破壞?！?-1

板式塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備16/37§7-1-3板式塔的工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)分析根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，選擇塔板類型確定塔高和塔徑塔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：溢流裝置、塔板布置、升氣道設(shè)計(jì)及排列流體力學(xué)驗(yàn)算負(fù)荷性能圖§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備17/37填料塔塔體填料塔內(nèi)件——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除沫器操作原理§7-2-1填料塔的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)§7-2-2

填料一填料特性：比表面積

σ

空隙率

填料因子

(σ/3)——表示填料的流體的流體力學(xué)性能。二填料類型散裝填料和規(guī)整填料18拉西環(huán)鮑爾環(huán)階梯環(huán)環(huán)19板波紋絲網(wǎng)波紋鞍形環(huán)槽式液體分布器§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備20/371散裝填料

拉西環(huán)填料優(yōu)點(diǎn)：易于制造，價(jià)格低廉，研究較為充分。缺點(diǎn)：高徑比大，易形成線接觸，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(rùn)濕率較低，改進(jìn)：衍生的θ環(huán)、十字環(huán)及螺旋環(huán)等。

鮑爾環(huán)（Pallring）填料金屬鮑爾環(huán)填料塑料鮑爾環(huán)填料改型鮑爾環(huán)填料§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備21/37

階梯環(huán)填料金屬階梯環(huán)填料塑料階梯環(huán)

鞍形(Berlsaddle)填料——矩鞍、弧鞍、金屬鞍換優(yōu)點(diǎn)：空隙率高，氣體阻力小，液體分布性能較好。缺點(diǎn)：相鄰填料易套疊?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備22/372規(guī)整填料格柵填料

格柵填料優(yōu)點(diǎn)：格柵填料層整體性好，空隙率高。缺點(diǎn)：但比表面積較低。

波紋填料

金屬絲網(wǎng)波紋填料按結(jié)構(gòu)——網(wǎng)波紋填料和板波紋填料按材質(zhì)——金屬、塑料、陶瓷等§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備23/37金屬壓延孔板波紋填料金屬孔板波紋填料各種陶瓷規(guī)整填料脈沖填料

特點(diǎn):處理量大，壓降小，是真空精餾的理想填料。因其優(yōu)良的液體分布性能使放大效應(yīng)減少，故特別適用于大塔徑的場(chǎng)合?！?-2填料塔填料名稱評(píng)估值語(yǔ)言值排序絲網(wǎng)波紋填料0.86很好1孔板波紋填料0.61相當(dāng)好2金屬Intalox0.59相當(dāng)好3金屬鞍形環(huán)0.57相當(dāng)好4金屬階梯環(huán)0.53一般好5金屬鮑爾環(huán)0.51一般好6瓷Intalox0.41較好7瓷鞍形環(huán)0.38略好8瓷拉西環(huán)0.36略好924/37§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備25/37包括持液量、壓降、液泛、填料表面的潤(rùn)濕及返混等。一氣體通過填料層的壓強(qiáng)降壓降與氣速的關(guān)系——L=0、L≠0的情況載點(diǎn)、泛點(diǎn)恒持液量區(qū)、載液區(qū)、液泛區(qū)持液量載液區(qū)高液量低液量CC’BB’AA’L=0L1L2lgulgp載點(diǎn)氣速液泛氣速§7-2-3填料塔的流體力學(xué)性能§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備26/37壓降：在一定的液體噴淋密度下，填料持液量與氣速無(wú)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。載液和液泛對(duì)傳質(zhì)的影響：載點(diǎn)(B)后，持液量，氣液相互作用，相界面積，湍動(dòng)增強(qiáng)，傳質(zhì)過程，填料效率

(HETP)；P點(diǎn)后，液沫夾帶量，液相返混可導(dǎo)致填料效率，(HETP)。填料塔的操作控制在偏離泛點(diǎn)一定距離的載液區(qū)內(nèi)，可得到較高的傳質(zhì)效率，填料層的壓降也不會(huì)過大。lgu高液量低液量載點(diǎn)線lgLPB泛點(diǎn)C載液區(qū)空塔氣速

u等板高度HETP§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備27/37壓降對(duì)填料塔操作的可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著決定性的影響；選擇填料和確定塔徑時(shí)，不同系統(tǒng)應(yīng)控制的壓降范圍不同。吸收（mmH2O/m）蒸餾（mmH2O/m）系統(tǒng)不起泡系統(tǒng)起泡常壓或加壓真空20~358~2035~658~35壓降——表面摩擦阻力、形體阻力影響因素：填料特性(幾何形狀、比表面積、等)，流體物性(、等)、操作條件(氣液流量、T等)。由各種經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或關(guān)聯(lián)圖進(jìn)行估算。二壓降與氣速的關(guān)聯(lián)圖§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備28/37?？颂?Eckert)壓降通用關(guān)聯(lián)圖GG,GL：kg/(m2.s)；u

：m/s；L

：mPa.s；V,L：kg/m3；WG,WL：kg/s；ф：濕填料因子(泛點(diǎn)填料因子)，1/m；g：重力加速度9.81m/s2；Vs,Ls：m3/s；：液體密度校正系數(shù)(水與液相密度之比=/L)

。橫坐標(biāo)：縱坐標(biāo)：§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備29/37適用范圍：亂堆填料(Randompackings)最上方的三條線分別為弦柵、整砌拉西環(huán)及亂堆填料的泛點(diǎn)線。其余為亂堆填料的等壓降線?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備30/37三、液泛與泛點(diǎn)氣速防止液泛：u0max<0.95uF，設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)取u0=0.5~0.8uF。故正確估算泛點(diǎn)氣速對(duì)填料塔的設(shè)計(jì)和操作都十分重要。填料的種類，物系的物性以及氣、液相負(fù)荷等因素對(duì)泛點(diǎn)都有一定的影響。泛點(diǎn)氣速的估算式通常仍是借助于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的各種經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或關(guān)聯(lián)圖。對(duì)于散裝填料，目前廣泛采用?？颂?Eckert)壓降和氣速通用關(guān)聯(lián)圖中的泛點(diǎn)曲線。規(guī)整填料有類似的泛點(diǎn)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖，可參考有關(guān)文獻(xiàn)。根據(jù)兩相流動(dòng)參數(shù)即可由?？颂?Eckert)關(guān)聯(lián)圖中的泛點(diǎn)線查縱坐標(biāo)值，若填料因子已知，即可求得泛點(diǎn)氣速。

31四、填料塔的附件（一）支承板（二）液體分布器32管式管式槽式蓮蓬頭式盤式盤式§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備33/37§7-2-4填料塔的內(nèi)件填料支承裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。一填料支承裝置作用：支承填料要求：機(jī)械強(qiáng)度、自由面積§7-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備34/37二填料壓緊裝置作用：防止填料層的松動(dòng)和跳動(dòng)。分類：填料壓板和床層限制板填料壓板：自由放置于填料層上端，靠自身重量將填料壓緊。它適用于陶瓷、石墨等制成的易發(fā)生破碎的散裝填料。床層限制板：用于金屬、塑料等制成的不易發(fā)生破碎的散裝填料及所有規(guī)整填料。床層限制板要固定在塔壁上，為不影響液體分布器的安裝和使用，不能采用連續(xù)的塔圈固定，對(duì)于小塔可用螺釘固定于塔壁，而大塔則用支耳固定?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備35/37三液體分布裝置

液體分布裝置的種類多樣，有噴頭式、盤式、管式、槽式及槽盤式等。

噴頭式分布器：液體由半球形噴頭的小孔噴出，小孔直徑為3～10mm，作同心圈排列，噴灑角≤80°，直徑為(1/3~1/5)D。這種分布器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只適用于直徑小于600mm的塔中。因小孔容易堵塞，一般應(yīng)用較少?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備36/37盤式分布器——篩孔型分布器、盤式溢流管式分布器等。分布盤直徑為塔徑的0.6～0.8倍，適用于D<800mm的塔?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備37/37管式分布器:由不同結(jié)構(gòu)形式的開孔管制成，有排管式、環(huán)管式等不同形狀。。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，供氣體流過的自由截面大，阻力小。缺點(diǎn)：小孔易堵塞，彈性一般較小。應(yīng)用：由于液體分布性能優(yōu)越，適合于較多噴淋點(diǎn)和較低液體負(fù)荷的場(chǎng)合；要求物料中無(wú)固體顆粒，在立管進(jìn)料口應(yīng)設(shè)有過濾網(wǎng)；列管式液體分布器操作彈性好；在高操作彈性的場(chǎng)合，可采用雙排管式液體分布器；適合大、中、小型塔中采用?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備38/37槽式液體分布器:通常由分流槽（主槽或一級(jí)槽）、分布槽（副槽或二級(jí)槽）構(gòu)成的。分布槽的槽底（或槽壁）上設(shè)有孔道（或?qū)Ч埽?，將液體均勻分布于填料層上。具有較大的操作彈性和極好的抗污堵性，適合于大氣液負(fù)荷及含有固體懸浮物、粘度大的液體的分離場(chǎng)合。由于槽式分布器具有優(yōu)良的分布性能和抗污堵性能，應(yīng)用范圍非常廣泛?！?-2填料塔化工原理蒸餾和吸收塔設(shè)備39/37壁流：液體沿