氣液傳質(zhì)設(shè)備課件

氣液傳質(zhì)設(shè)備課件第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.1概述

板式塔的設(shè)計(jì)意圖板式塔是一種應(yīng)用極為廣泛的氣液傳質(zhì)設(shè)備，它由一個(gè)通常呈圓柱形的殼體及其中按一定間距水平設(shè)置的若干塔板所組成。如圖所示，板式塔正常工作時(shí)，液體在重力作用下自上而下通過各層塔板后由塔底排出；氣體在壓差推動(dòng)下，經(jīng)均布在塔板上的開孔由下而上穿過各層塔板后由塔頂排出，在每塊塔板上皆貯有一定的液體，氣體穿過板上液層時(shí)，兩相接觸進(jìn)行傳質(zhì)。第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.1概述為有效地實(shí)現(xiàn)氣液兩相之間的傳質(zhì)，板式塔應(yīng)具有以下兩方面的功能：①在每塊塔板上氣液兩相必須保持密切而充分的接觸，為傳質(zhì)過程提供足夠大而且不斷更新的相際接觸表面，減小傳質(zhì)阻力；②在塔內(nèi)應(yīng)盡量使氣液兩相呈逆流流動(dòng)，以提供最大的傳質(zhì)推動(dòng)力。由吸收章可知，當(dāng)氣液兩相進(jìn)、出塔設(shè)備的濃度一定時(shí)，兩相逆流接觸時(shí)的平均傳質(zhì)推動(dòng)力最大。在板式塔內(nèi)，各塊塔板正是按兩相逆流的原則組合起來的。第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.1概述但是，在每塊塔板上，由于氣液兩相的劇烈攪動(dòng)，是不可能達(dá)到充分的逆流流動(dòng)的。為獲得盡可能大的傳質(zhì)推動(dòng)力，目前在塔板設(shè)計(jì)中只能采用錯(cuò)流流動(dòng)的方式，即液體橫向流過塔板，而氣體垂直穿過液層。由此可見，除保證氣液兩相在塔板上有充分的接觸之外，板式塔的設(shè)計(jì)意圖是，在塔內(nèi)造成一個(gè)對傳質(zhì)過程最有利的理想流動(dòng)條件，即在總體上使兩相呈逆流流動(dòng)，而在每一塊塔板上兩相呈均勻的錯(cuò)流接觸。第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.2篩板上的氣液接觸狀態(tài)

塔板上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。如圖所示，當(dāng)液體流量一定時(shí)，隨著氣速的增加，可以出現(xiàn)四種不同的接觸狀態(tài)。（1）鼓泡接觸狀態(tài)當(dāng)氣速較低時(shí)，氣體以鼓泡形式通過液層。由于氣泡的數(shù)量不多，形成的氣液混合物基本上以液體為主，氣液兩相接觸的表面積不大，傳質(zhì)效率很低。第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.2篩板上的氣液接觸狀態(tài)第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.2篩板上的氣液接觸狀態(tài)（2）蜂窩狀接觸狀態(tài)隨著氣速的增加，氣泡的數(shù)量不斷增加。當(dāng)氣泡的形成速度大于氣泡的浮升速度時(shí)，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，板上為以氣體為主的氣液混合物。由于氣泡不易破裂，表面得不到更新，所以此種狀態(tài)不利于傳熱和傳質(zhì)。

第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.2篩板上的氣液接觸狀態(tài)

（3）泡沫接觸狀態(tài)當(dāng)氣速繼續(xù)增加，氣泡數(shù)量急劇增加，氣泡不斷發(fā)生碰撞和破裂，此時(shí)板上液體大部分以液膜的形式存在于氣泡之間，形成一些直徑較小，擾動(dòng)十分劇烈的動(dòng)態(tài)泡沫，在板上只能看到較薄的一層液體。由于泡沫接觸狀態(tài)的表面積大，并不斷更新，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)。第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.2篩板上的氣液接觸狀態(tài)（4）噴射接觸狀態(tài)當(dāng)氣速繼續(xù)增加，由于氣體動(dòng)能很大，把板上的液體向上噴成大小不等的液滴，直徑較大的液滴受重力作用又落回到板上，直徑較小的液滴被氣體帶走，形成液沫夾帶。此時(shí)塔板上的氣體為連續(xù)相，液體為分散相，兩相傳質(zhì)的面積是液滴的外表面。由于液滴回到塔板上又被分散，這種液滴的反復(fù)形成和聚集，使傳質(zhì)面積大大增加，而且表面不斷更新，有利于傳質(zhì)與傳熱進(jìn)行，也是一種較好的接觸狀態(tài)。如上所述，泡沫接觸狀態(tài)和噴射狀態(tài)均是優(yōu)良的塔板接觸狀態(tài)。因噴射接觸狀態(tài)的氣速高于泡沫接觸狀態(tài)，故噴射接觸狀態(tài)有較大的生產(chǎn)能力，但噴射狀態(tài)液沫夾帶較多，若控制不好，會破壞傳質(zhì)過程，所以多數(shù)塔均控制在泡沫接觸狀態(tài)下工作。第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.3氣體通過篩板的阻力損失氣體通過塔板的壓降（塔板的總壓降）包括：塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力），板上充氣液層的靜壓力及液體的表面張力。塔板壓降是影響板式塔操作特性的重要因素。塔板壓降增大，一方面塔板上氣液兩相的接觸時(shí)間隨之延長，板效率升高，完成同樣的分離任務(wù)所需實(shí)際塔板數(shù)減少，設(shè)備費(fèi)降低；另一方面，塔釜溫度隨之升高，能耗增加，操作費(fèi)增大，若分離熱敏性物系時(shí)易造成物料的分解或結(jié)焦。因此，進(jìn)行塔板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮，在保證較高效率的前提下，力求減小塔板壓降，以降低能耗和改善塔的操作。第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.4板式塔的不正常操作現(xiàn)象篩板塔內(nèi)氣體兩相的非理想流動(dòng)包括漏液、液泛和液沫夾帶等，是使塔板效率降低甚至使操作無法進(jìn)行的重要因素，因此，應(yīng)盡量避免這些異常操作現(xiàn)象的出現(xiàn)。（1）漏液在正常操作的塔板上，液體橫向流過塔板，然后經(jīng)降液管流下。當(dāng)氣體通過塔板的速度較小時(shí)，氣體通過升氣孔道的動(dòng)壓不足以阻止板上液體經(jīng)孔道流下時(shí)，便會出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。漏液的發(fā)生導(dǎo)致氣液的兩相在塔板上的接觸時(shí)間減少，塔板效率第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.4板式塔的不正常操作現(xiàn)象

下降，嚴(yán)重時(shí)會使塔板不能積液而無法正常操作。通常，為保證塔的正常操作，漏液量應(yīng)不大于液體流量的10%。漏液量達(dá)到10%的氣體速度稱為漏液速度，它是板式塔操作氣速的下限。造成漏液的主要原因是氣速太小和板面上液面落差所引起的氣流分布不均勻。在塔板液體入口處，液層較厚，往往出現(xiàn)漏液，為此常在塔板液體入口處留出一條不開孔的區(qū)域，稱為安定區(qū)。

第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.4板式塔的不正常操作現(xiàn)象

（2）液沫夾帶上升氣流穿過塔板上液層時(shí)，必然將部分液體分散成微小液滴，氣體夾帶著這些液滴在板間的空間上升，如液滴來不及沉降分離，則將隨氣體進(jìn)入上層塔板，這種現(xiàn)象稱為液沫夾帶。液滴的生成雖然可增大氣液兩相的接觸面積，有利于傳質(zhì)和傳熱，但過量的液沫夾帶常造成液相在塔板間的返混，進(jìn)而導(dǎo)致板效率嚴(yán)重下降。為維持正常操作，需將液沫夾帶限制在一定范圍，一般允許的液沫夾帶量為<0.1kg（液）/kg（氣）。影響液沫夾帶量的因素很多，最主要的是空塔氣速和塔板間距?？账馑贉p小及塔板間距增大，可使液沫夾帶量減小。

第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.4板式塔的不正常操作現(xiàn)象（3）液泛塔板正常操作時(shí)，在板上維持一定厚度的液層，以和氣體進(jìn)行接觸傳質(zhì)。如果由于某種原因，導(dǎo)致液體充滿塔板之間的空間，使塔的正常操作受到破壞，這種現(xiàn)象稱為液泛。當(dāng)塔板上液體流量很大，上升氣體的速度很高時(shí)，液體被氣體夾帶到上一層塔板上的量劇增，使塔板間充滿氣液混合物，最終使整個(gè)塔內(nèi)都充滿液體，這種由于液沫夾帶量過大引起的液泛稱為夾帶液泛。第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.4板式塔的不正常操作現(xiàn)象當(dāng)降液管內(nèi)液體不能順利向下流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)液體必然積累，致使管內(nèi)液位增高而越過溢流堰頂部，兩板間液體相連，塔板產(chǎn)生積液，并依次上升，最終導(dǎo)致塔內(nèi)充滿液體，這種由于降液管內(nèi)充滿液體而引起的液泛稱為降液管液泛。液泛的形成與氣液兩相的流量相關(guān)。對一定的液體流量，氣速過大會形成液泛；反之，對一定的氣體流量，液量過大也可能發(fā)生液泛。液泛時(shí)的氣速稱為泛點(diǎn)氣速，正常操作氣速應(yīng)控制在泛點(diǎn)氣速之下。影響液泛的因素除氣液流量外，還與塔板的結(jié)構(gòu)，特別是塔板間距等參數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)中采用較大的板間距，可提高泛點(diǎn)氣速。第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.5板效率的各種表示方法及其應(yīng)用（1）點(diǎn)效率式中——離開塔板上某點(diǎn)的氣相組成；

——進(jìn)入第n塊板的氣相組成；

——與被考察點(diǎn)液相組成x成平衡的氣相組成。為計(jì)算實(shí)際板數(shù)，必須知道離開同一塊實(shí)際塔板的兩相平均組成的關(guān)系。點(diǎn)效率不能滿足此要求。第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.5板效率的各種表示方法及其應(yīng)用（2）默弗里板效率

不僅考慮了塔板上兩相之間的接觸狀況，同時(shí)也計(jì)入了塔板上氣液兩相的非理想流動(dòng)，但未考慮塔板間的非理想流動(dòng)，即液沫夾帶和漏夜。、均小于1。，

第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.5板效率的各種表示方法及其應(yīng)用（3）理論板數(shù)考慮了液沫夾帶的影響即。一般據(jù)修正平衡線的概念，實(shí)驗(yàn)經(jīng)?？迹ㄔO(shè)各板均相等為0.6，全回流求實(shí)際塔板數(shù)）。第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.5板效率的各種表示方法及其應(yīng)用（4）全塔效率（設(shè)計(jì)時(shí)最常用）式中——理論板數(shù)；

——實(shí)際板數(shù)。

第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.6.1結(jié)構(gòu)參數(shù)影響塔板效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)很多，塔徑、板間距、堰高、堰長以及降液管尺寸等對板效率皆有影響，必須按某些經(jīng)驗(yàn)規(guī)則恰當(dāng)?shù)剡x擇。此外，有以下兩點(diǎn)得特別指出。（1）合理選擇塔板的開孔率和孔徑造成適應(yīng)于物系性質(zhì)的氣液接觸狀態(tài)塔板上存在著兩種氣液接觸狀態(tài)——泡沫狀態(tài)和噴射狀態(tài)。不同的孔速下將出現(xiàn)不同的氣液接觸狀態(tài)，不同的物系適宜于不同的接觸狀態(tài)。第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.6.1結(jié)構(gòu)參數(shù)已知，輕組分表面張力小于重組分的物系宜采用泡沫接觸狀態(tài)，輕組分表面張力大于重組分的物系宜采用噴射接觸狀態(tài)。這一點(diǎn)可解釋如下：在泡沫接觸狀態(tài)，氣泡密集，板上液體呈液膜狀態(tài)而介于氣泡之間。在傳質(zhì)過程中，液膜是否穩(wěn)定左右著實(shí)際相界面的大小。如果液膜不穩(wěn)定，則易被撕裂而發(fā)生氣泡的合并，相界面將減少。設(shè)有液膜如圖所示，其表面張力為。若液膜的某一局部發(fā)生質(zhì)量傳遞，該處膜厚減薄，輕組分濃度減小，重組分濃度增加，表面張力發(fā)生變化。第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.6.1結(jié)構(gòu)參數(shù)顯然，對于重組分表面張力較小的物系，局部傳質(zhì)處的表面張力將小于，液體被拉向四周，導(dǎo)致液膜破裂氣泡合并。反之，對于重組分表面張力較大的物系，局部蒸發(fā)處的表面張力將大于，可吸引周圍的液體，使液膜得以恢復(fù)，液膜比較穩(wěn)定。因此，重組分表面張力較大的物系，宜采用泡沫接觸狀態(tài)。若以表示重組分的摩爾分?jǐn)?shù)，這種物系的，故可稱為正系統(tǒng)。第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.6.1結(jié)構(gòu)參數(shù)在噴射狀態(tài)中，液相被分散成液滴而形成界面。與泡沫接觸狀態(tài)中的液膜相反，此時(shí)，液滴的穩(wěn)定性越差，液滴越容易分裂，相界面越大。如圖所示，由于局部質(zhì)量傳遞，液滴表面的某個(gè)局部將出現(xiàn)缺口，此處重組分摩爾分?jǐn)?shù)增加，表面張力發(fā)生變化。對于正系統(tǒng)，缺口處的表面張力大于，缺口得以彌合，液滴穩(wěn)定不易分裂。對于重組分表面張力較小的物系，缺口處的表面張力小于，缺口將自動(dòng)擴(kuò)展加深，導(dǎo)致液滴分裂。第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.6.1結(jié)構(gòu)參數(shù)因此，重組分表面張力較小的物系，宜采用噴射接觸狀態(tài)。同樣，若以表示重組分的摩爾分?jǐn)?shù)，這種物系的，故可稱為負(fù)系統(tǒng)。總之，正系統(tǒng)的液滴或液膜的穩(wěn)定性皆好，宜采用泡沫接觸狀態(tài)而不宜采用噴射接觸狀態(tài)；負(fù)系統(tǒng)的液滴或液膜穩(wěn)定性差，宜采用噴射接觸狀態(tài)而不宜采用泡沫接觸狀態(tài)。第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.6.1結(jié)構(gòu)參數(shù)（2）設(shè)置傾斜的進(jìn)氣裝置，使全部或部分氣流斜向流入液層在塔板上適當(dāng)?shù)卦O(shè)置傾斜進(jìn)氣裝置，使全部或部分氣體沿傾斜于液體流動(dòng)的方向進(jìn)入液層，具有以下優(yōu)點(diǎn)。①斜向進(jìn)氣時(shí)，氣體將給液體以部分動(dòng)量。這樣，液體將在該部分動(dòng)量推動(dòng)下沿塔板流動(dòng)，而不必依靠液面落差。適當(dāng)?shù)胤峙湫毕蜻M(jìn)入的氣量。即可維持一定的液層厚度，還可以消除液面落差，促使氣流的均布。第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.6.1結(jié)構(gòu)參數(shù)②適當(dāng)?shù)匕才判毕蜻M(jìn)氣裝置，即在塔板邊緣處適當(dāng)增加斜向進(jìn)氣裝置的數(shù)量，可使液體沿圓形塔板表面流動(dòng)均勻。③斜向進(jìn)氣時(shí)造成的液滴具有傾斜的初速度，其垂直分量較小，因而液膜夾帶量有所下降。總之，適量采用斜向進(jìn)氣裝置，可減少氣液兩相在塔板上的非理想流動(dòng)，提高塔板效率。實(shí)現(xiàn)斜向進(jìn)氣的塔結(jié)構(gòu)有多種形式。例如，舌形塔板、斜孔塔板、網(wǎng)孔塔板等使全部氣體傾向進(jìn)入液層；而林德篩板則使部分氣體斜向進(jìn)入液層。第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.6.2操作參數(shù)和塔板的負(fù)荷性能圖（1）負(fù)荷性能圖①1為過量液沫夾帶線，通常以Kg液/Kg干空氣為依據(jù)確定，氣液負(fù)荷位于該線上方，表示液沫夾帶過量，已不宜采用；②線2為漏液線，可根據(jù)漏液點(diǎn)氣速確定，若氣液負(fù)荷位于線2下方，表明漏液已使塔板效率大幅度下降；③線3為溢流液泛線，可根據(jù)溢流液泛的產(chǎn)生條件確定，若氣液負(fù)荷位于3上方，塔內(nèi)將出現(xiàn)溢流液泛；第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.6.2操作參數(shù)和塔板的負(fù)荷性能圖④線4為液流量下限線，對平直堰，其位置可根據(jù)6mm確定，對齒形堰有其他辦法確定，液量小于該下限，板上液體流動(dòng)嚴(yán)重不均勻而導(dǎo)致板效率急劇下降；⑤線5為液流量上限線，可根據(jù)不小于3～5確定，若液量超過此上限，液體在降液管內(nèi)停留時(shí)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。上述各線所包圍的區(qū)域?yàn)樗逭２僮鞣秶?。在此范圍?nèi)，氣液兩相流量的變化對板效率影響不大。塔板的設(shè)計(jì)點(diǎn)和操作點(diǎn)都必須位于上述范圍內(nèi)，方能獲得合理的板效率。第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.6.2操作參數(shù)和塔板的負(fù)荷性能圖（2）操作彈性上、下限操作極限的氣體流量之比稱為塔板的操作彈性，操作彈性越大的塔越好。（3）注意①板型不同，負(fù)荷性能圖中所包括的極限線也有所不同。②同一板型但設(shè)計(jì)不同，線的相對位置也會不同。例如板間距減小，則氣速較小時(shí)也會產(chǎn)生液泛及液沫夾帶，線1和線3將下移，而線5將左移，塔的正常操作范圍減??；若降液管面積減小，線1和線3將上移，線5左移可能與線1相交，而將液泛線3劃到正常操作范圍之外，這表明該塔在發(fā)生液泛之前，液體流量已經(jīng)受到降液管的最大液相負(fù)荷所限制。第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.7塔板型式塔板可分為有降液管式塔板（也稱溢流式塔板或錯(cuò)流式塔板）及無降液管式塔板（也稱穿流式塔板或逆流式塔板）兩類，在工業(yè)生產(chǎn)中，以有降液管式塔板應(yīng)用最為廣泛，在此只討論有降液管式塔板。

1.泡罩塔板泡罩塔板是工業(yè)上應(yīng)用最早的塔板，其結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要由升氣管及泡罩構(gòu)成。泡罩安裝在升氣管的頂部，分圓形和條形兩種，以前者使用較廣。泡罩有f80、f100、f150mm三種尺寸，可根據(jù)塔徑的大小選擇。泡罩的下部周邊開有很多齒縫，齒縫一般為三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上為正三角形排列。第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.7塔板型式操作時(shí)，液體橫向流過塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液層，齒縫浸沒于液層之中而形成液封。升氣管的頂部應(yīng)高于泡罩齒縫的上沿，以防止液體從中漏下。上升氣體通過齒縫進(jìn)入液層時(shí)，被分散成許多細(xì)小的氣泡或流股，在板上形成鼓泡層，為氣液兩相的傳熱和傳質(zhì)提供大量的界面。泡罩塔板的優(yōu)點(diǎn)是操作彈性較大，塔板不易堵塞；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，板上液層厚，塔板壓降大，生產(chǎn)能力及板效率較低。泡罩塔板已逐漸被篩板、浮閥塔板所取代，在新建塔設(shè)備中已很少采用。第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.7塔板型式

2.篩孔塔板篩孔塔板簡稱篩板，其結(jié)構(gòu)如圖所示。塔板上開有許多均勻的小孔，孔徑一般為3～8mm。篩孔在塔板上為正三角形排列。塔板上設(shè)置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液層。操作時(shí)，氣體經(jīng)篩孔分散成小股氣流，鼓泡通過液層，氣液間密切接觸而進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)。在正常的操作條件下，通過篩孔上升的氣流，應(yīng)能阻止液體經(jīng)篩孔向下泄漏。第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.7塔板型式篩板的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力大，傳質(zhì)效率高。其缺點(diǎn)是篩孔易堵塞，不宜處理易結(jié)焦、粘度大的物料。應(yīng)予指出，篩板塔的設(shè)計(jì)和操作精度要求較高，過去工業(yè)上應(yīng)用較為謹(jǐn)慎。近年來，由于設(shè)計(jì)和控制水平的不斷提高，可使篩板塔的操作非常精確，故應(yīng)用日趨廣泛。第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.7塔板型式

3.浮閥塔板浮閥塔板具有泡罩塔板和篩孔塔板的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。浮閥的類型很多，國內(nèi)常用的有如圖片3-4所示的F1型、V-4型及T型等。浮閥塔板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在塔板上開有若干個(gè)閥孔，每個(gè)閥孔裝有一個(gè)可上下浮動(dòng)的閥片，閥片本身連有幾個(gè)閥腿，插入閥孔后將閥腿底腳撥轉(zhuǎn)90°，以限制閥片升起的最大高度，并防止閥片被氣體吹走。閥片周邊沖出幾個(gè)略向下彎的定距片，當(dāng)氣速很低時(shí)，由于定距片的作用，閥片與塔板呈點(diǎn)接觸而坐落在閥孔上，在一定程度上可防止閥片與板面的粘結(jié)。第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.7塔板型式操作時(shí)，由閥孔上升的氣流經(jīng)閥片與塔板間隙沿水平方向進(jìn)入液層，增加了氣液接觸時(shí)間，浮閥開度隨氣體負(fù)荷而變，在低氣量時(shí)，開度較小，氣體仍能以足夠的氣速通過縫隙，避免過多的漏液；在高氣量時(shí)，閥片自動(dòng)浮起，開度增大，使氣速不致過大。浮閥塔板的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，生產(chǎn)能力大，操作彈性大，塔板效率較高。其缺點(diǎn)是處理易結(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。第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.7塔板型式

4.噴射型塔板上述幾種塔板，氣體是以鼓泡或泡沫狀態(tài)和液體接觸，當(dāng)氣體垂直向上穿過液層時(shí)，使分散形成的液滴或泡沫具有一定向上的初速度。若氣速過高，會造成較為嚴(yán)重的液沫夾帶，使塔板效率下降，因而生產(chǎn)能力受到一定的限制。為克服這一缺點(diǎn)，近年來開發(fā)出噴射型塔板，大致有以下幾種類型。（1）舌型塔板舌型塔板的結(jié)構(gòu)如圖所示，在塔板上沖出許多舌孔，方向朝塔板液體流出口一側(cè)張開。舌片與板面成一定的角度，有18°、20°、25°三種（一般為20°），舌片尺寸有50×50mm和25×25mm兩種。舌孔按正三角形排列，塔板的液體流出口一側(cè)不設(shè)溢流堰，只保留降液管，降液管截面積要比一般塔板設(shè)計(jì)得大些。第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.7塔板型式操作時(shí)，上升的氣流沿舌片噴出，其噴出速度可達(dá)20～30m/s。當(dāng)液體流過每排舌孔時(shí)，即被噴出的氣流強(qiáng)烈擾動(dòng)而形成液沫，被斜向噴射到液層上方，噴射的液流沖至降液管上方的塔壁后流入降液管中，流到下一層塔板。舌型塔板的優(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)能力大，塔板壓降低，傳質(zhì)效率較高；缺點(diǎn)是：操作彈性較小，氣體噴射作用易使降液管中的液體夾帶氣泡流到下層塔板，從而降低塔板效率。第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.7塔板型式（2）浮舌塔板如圖所示，與舌型塔板相比，浮舌塔板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其舌片可上下浮動(dòng)。因此，浮舌塔板兼有浮閥塔板和固定舌型塔板的特點(diǎn)，具有處理能力大、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。第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.1.7塔板型式（3）斜孔塔板斜孔塔板的結(jié)構(gòu)如圖所示。在板上開有斜孔，孔口向上與板面成一定角度。斜孔的開口方向與液流方向垂直，同一排孔的孔口方向一致，相鄰兩排開孔方向相反，使相鄰兩排孔的氣體向相反的方向噴出。這樣，氣流不會對噴，既可得到水平方向較大的氣速，又阻止了液沫夾帶，使板面上液層低而均勻，氣體和液體不斷分散和聚集，其表面不斷更新，氣液接觸良好，傳質(zhì)效率提高。斜孔塔板克服了篩孔塔板、浮閥塔板和舌型塔板的某些缺點(diǎn)。斜孔塔板的生產(chǎn)能力比浮閥塔板大30%左右，效率與之相當(dāng)，且結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，是一種性能優(yōu)良的塔板。第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.1填料塔的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)特性

1.填料塔的結(jié)構(gòu)如圖所示為填料塔的結(jié)構(gòu)示意圖，填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動(dòng)。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.1填料塔的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)特性氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。當(dāng)液體沿填料層向下流動(dòng)時(shí)，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時(shí)，需要進(jìn)行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.1填料塔的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)特性分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。填料塔也有一些不足之處，如填料造價(jià)高；當(dāng)液體負(fù)荷較小時(shí)不能有效地潤濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等。第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.1填料塔的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)特性

2.填料特性的評價(jià)（1）比表面積塔內(nèi)單位體積填料層具有的填料表面積，m2/m3。填料比表面積的大小是氣液傳質(zhì)比表面積大小的基礎(chǔ)條件。須說明兩點(diǎn)：第一，操作中有部分填料表面不被潤濕，以致比表面積中只有某個(gè)分率的面積才是潤濕面積。據(jù)資料介紹，填料真正潤濕的表面積只占全部填料表面積的（20～50）%。第二，有的部位填料表面雖然潤濕，但液流不暢，液體有某種程度的停滯現(xiàn)象。這種停滯的液體與氣體接觸時(shí)間長，氣液趨于平衡態(tài)，在塔內(nèi)幾乎不構(gòu)成有效傳質(zhì)區(qū)。為此，須把比表面積與有效的傳質(zhì)比表面積加以區(qū)分。但比表面積仍不失為重要的參量。第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.1填料塔的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)特性（2）空隙率塔內(nèi)單位體積填料層具有的空隙體積，m2/m3。為一分?jǐn)?shù)。值大則氣體通過填料層的阻力小，故值以高為宜。對于亂堆填料，當(dāng)塔徑與填料尺寸之比大于8時(shí)，因每個(gè)填料在塔內(nèi)的方位是隨機(jī)的，填料層的均勻性較好，這時(shí)填料層可視為各向同性，填料層的空隙率就是填料層內(nèi)任一橫截面的空隙截面分率。當(dāng)氣體以一定流量過填料層時(shí)，按塔橫截面積計(jì)的氣速稱為“空塔氣速”（簡稱空速），而氣體在填料層孔隙內(nèi)流動(dòng)的真正氣速為。二者關(guān)系為：。第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.1填料塔的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)特性（3）塔內(nèi)單位體積具有的填料個(gè)數(shù)根據(jù)計(jì)算出的塔徑與填料層高度，再根據(jù)所選填料的n值，即可確定塔內(nèi)需要的填料數(shù)量。一般要求塔徑與填料尺寸之比（此比值在8～15之間為宜），以便氣、液分布均勻。若，在近塔壁處填料層空隙率比填料層中心部位的空隙率明顯偏高，會影響氣液的均勻分布。若值過大，即填料尺寸偏小，氣流阻力增大。第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.2氣液兩相在填料層內(nèi)的流動(dòng)

填料塔的流體力學(xué)性能主要包括填料層的持液量、填料層的壓降、液泛、填料表面的潤濕及返混等。

1.填料層的持液量填料層的持液量是指在一定操作條件下，在單位體積填料層內(nèi)所積存的液體體積，以(m3液體)/(m3填料)表示。持液量可分為靜持液量Hs、動(dòng)持液量Ho和總持液量Ht。靜持液量是指當(dāng)填料被充分潤濕后，停止氣液兩相進(jìn)料，并經(jīng)排液至無滴液流出時(shí)存留于填料層中的液體量，其取決于填料和流體的特性，與氣液負(fù)荷無關(guān)。

第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.2氣液兩相在填料層內(nèi)的流動(dòng)動(dòng)持液量是指填料塔停止氣液兩相進(jìn)料時(shí)流出的液體量，它與填料、液體特性及氣液負(fù)荷有關(guān)?？偝忠毫渴侵冈谝欢ú僮鳁l件下存留于填料層中的液體總量。顯然，總持液量為靜持液量和動(dòng)持液量之和，即填料層的持液量可由實(shí)驗(yàn)測出，也可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。一般來說，適當(dāng)?shù)某忠毫繉μ盍纤僮鞯姆€(wěn)定性和傳質(zhì)是有益的，但持液量過大，將減少填料層的空隙和氣相流通截面，使壓降增大，處理能力下降。第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.2氣液兩相在填料層內(nèi)的流動(dòng)

2.填料層的壓降在逆流操作的填料塔中，從塔頂噴淋下來的液體，依靠重力在填料表面成膜狀向下流動(dòng)，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)，在一定的氣速下，液體噴淋量越大，壓降越大；在一定的液體噴淋量下，氣速越大，壓降也越大。將不同液體噴淋量下的單位填料層的壓降DP/Z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。

第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.2氣液兩相在填料層內(nèi)的流動(dòng)在圖中，直線0表示無液體噴淋（L=0）時(shí)，干填料△P/Z～u關(guān)系，稱為干填料壓降線。曲線1、2、3表示不同液體噴淋量下，填料層的△P/Z～u關(guān)系，稱為填料操作壓降線。從圖中可看出，在一定的噴淋量下，壓降隨空塔氣速的變化曲線大致可分為三段：當(dāng)氣速低于A點(diǎn)時(shí)，氣體流動(dòng)對液膜的曳力很小，液體流動(dòng)不受氣流的影響，填料表面上覆蓋的液膜厚度基本不變，因而填料層的持液量不變，該區(qū)域稱為恒持液量區(qū)。此時(shí)△P/Z～u為一直線，位于干填料壓降線的左側(cè)，且基本上與干填料壓降線平行。當(dāng)氣速超過A點(diǎn)時(shí)，氣體對液膜的曳力較大，對液膜流動(dòng)產(chǎn)生阻滯作用，使液膜增厚，填料層的持液量隨氣速的增加而增大，此現(xiàn)象稱為攔液。開始發(fā)生攔液現(xiàn)象時(shí)的空塔氣速稱為載點(diǎn)氣速，曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)A，稱為載點(diǎn)。第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.2氣液兩相在填料層內(nèi)的流動(dòng)若氣速繼續(xù)增大，到達(dá)圖中B點(diǎn)時(shí)，由于液體不能順利向下流動(dòng)，使填料層的持液量不斷增大，填料層內(nèi)幾乎充滿液體。氣速增加很小便會引起壓降的劇增，此現(xiàn)象稱為液泛，開始發(fā)生液泛現(xiàn)象時(shí)的氣速稱為泛點(diǎn)氣速，以uF表示，曲線上的點(diǎn)B，稱為泛點(diǎn)。從載點(diǎn)到泛點(diǎn)的區(qū)域稱為載液區(qū)，泛點(diǎn)以上的區(qū)域稱為液泛區(qū)。應(yīng)予指出，在同樣的氣液負(fù)荷下，不同填料的△P/Z～u關(guān)系曲線有所差異，但其基本形狀相近。對于某些填料，載點(diǎn)與泛點(diǎn)并不明顯，故上述三個(gè)區(qū)域間無截然的界限。第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.2氣液兩相在填料層內(nèi)的流動(dòng)

3.液泛在泛點(diǎn)氣速下，持液量的增多使液相由分散相變?yōu)檫B續(xù)相，而氣相則由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?，此時(shí)氣體呈氣泡形式通過液層，氣流出現(xiàn)脈動(dòng)，液體被大量帶出塔頂，塔的操作極不穩(wěn)定，甚至?xí)黄茐?，此種情況稱為淹塔或液泛。影響液泛的因素很多，如填料的特性、流體的物性及操作的液氣比等。填料特性的影響集中體現(xiàn)在填料因子上。填料因子F值越小，越不易發(fā)生液泛現(xiàn)象。流體物性的影響體現(xiàn)在氣體密度rV、液體的密度rL和粘度mL上。氣體密度越小，液體的密度越大、粘度越小，則泛點(diǎn)氣速越大。操作的液氣比愈大，則在一定氣速下液體噴淋量愈大，填料層的持液量增加而空隙率減小，故泛點(diǎn)氣速愈小。第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.2氣液兩相在填料層內(nèi)的流動(dòng)

4.液體噴淋密度和填料表面的潤濕填料塔中氣液兩相間的傳質(zhì)主要是在填料表面流動(dòng)的液膜上進(jìn)行的。要形成液膜，填料表面必須被液體充分潤濕，而填料表面的潤濕狀況取決于塔內(nèi)的液體噴淋密度及填料材質(zhì)的表面潤濕性能。液體噴淋密度是指單位塔截面積上，單位時(shí)間內(nèi)噴淋的液體體積，以U表示，單位為m3/（m2·h）。為保證填料層的充分潤濕，必須保證液體噴淋密度大于某一極限值，該極限值稱為最小噴淋密度，以Umin表示。第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.2氣液兩相在填料層內(nèi)的流動(dòng)最小噴淋密度通常采用下式計(jì)算，即式中Umin——最小噴淋密度，m3/（m2·h）；

(LW)min——最小潤濕速率，m3/（m·h）；

a——填料的比表面積，m2/m3。第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.2氣液兩相在填料層內(nèi)的流動(dòng)

最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，也可采用經(jīng)驗(yàn)值。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(LW)min為0.08m3/（m·h）；對于直徑大于75mm的散裝填料，取(LW)min=0.12m3/（m·h）。填料表面潤濕性能與填料的材質(zhì)有關(guān)，就常用的陶瓷、金屬、塑料三種材質(zhì)而言，以陶瓷填料的潤濕性能最好，塑料填料的潤濕性能最差。實(shí)際操作時(shí)采用的液體噴淋密度應(yīng)大于最小噴淋密度。若噴淋密度過小，可采用增大回流比或采用液體再循環(huán)的方法加大液體流量，以保證填料表面的充分潤濕；也可采用減小塔徑予以補(bǔ)償；對于金屬、塑料材質(zhì)的填料，可采用表面處理方法，改善其表面的潤濕性能。第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.2氣液兩相在填料層內(nèi)的流動(dòng)

5．返混在填料塔內(nèi)，氣液兩相的逆流并不呈理想的活塞流狀態(tài)，而是存在著不同程度的返混。造成返混現(xiàn)象的原因很多，如：填料層內(nèi)的氣液分布不均；氣體和液體在填料層內(nèi)的溝流；液體噴淋密度過大時(shí)所造成的氣體局部向下運(yùn)動(dòng)；塔內(nèi)氣液的湍流脈動(dòng)使氣液微團(tuán)停留時(shí)間不一致等。填料塔內(nèi)流體的返混使得傳質(zhì)平均推動(dòng)力變小，傳質(zhì)效率降低。因此，按理想的活塞流設(shè)計(jì)的填料層高度，因返混的影響需適當(dāng)加高，以保證預(yù)期的分離效果。第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.3填料塔的傳質(zhì)干填料比表面積為，實(shí)際操作中潤濕的填料比表面積為，由于只有在潤濕的填料表面才可能發(fā)生氣、液傳質(zhì)，故值具有實(shí)際意義。下面介紹計(jì)算的恩田（Onda）公式，該公式為：

式中——液體表面張力，N/m；

——填料上液體鋪展開的最大表面張力，N/m。要求<

，的值見表7-3。

——液體空塔質(zhì)量通率，kg/(s·m2)；，——液體的粘度，N·s/m2和密度，kg/m3。第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.3填料塔的傳質(zhì)表中不同填料材質(zhì)的σC值材質(zhì)σC/（mN/m）材質(zhì)σC/（mN/m）碳56聚乙烯33陶瓷61鋼75玻璃73涂石蠟的表面20聚氯乙烯40

第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.3填料塔的傳質(zhì)

2.傳質(zhì)系數(shù)恩田（Onda）等關(guān)聯(lián)了大量液相和氣相傳質(zhì)數(shù)據(jù)，分別提出液、氣兩相傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式如下：（1）液相傳質(zhì)系數(shù)

式中——液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2skmol/m3）；

——溶液在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

——填料的名義尺寸，m。第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.3填料塔的傳質(zhì)（2）氣相傳質(zhì)系數(shù)式中——系數(shù)，大于15mm的環(huán)形和鞍形填料為5.23，小于

15mm的填料為2.0；

——?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù)，kmol/（m2skPa）；

——?dú)怏w常數(shù)，8.314KJ/（kmolK）；

——?dú)怏w溫度，K；

——溶質(zhì)在氣體中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

——?dú)怏w粘度，；

——?dú)怏w密度，kg/m3；

——?dú)庀嗟馁|(zhì)量流速，kg/（m2s）；

第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.3填料塔的傳質(zhì)恩田提出的關(guān)聯(lián)式（10-45）和式（10-46）是以式（10-44）計(jì)算的潤濕表面積為基準(zhǔn)整理的。因此，將算出的、乘以式（10-44）算出的即得體積傳質(zhì)系數(shù)和，從而可進(jìn)一步計(jì)算傳質(zhì)單元高度或填料塔高度。填料塔的傳質(zhì)速率也可以直接用體積傳質(zhì)總系數(shù)、傳質(zhì)單元高度和等板高度表示。關(guān)于這些表示方法的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式很多，此處不再舉例。

第六十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.4填料塔的附屬結(jié)構(gòu)支承板：支承板的主要用途是支承板內(nèi)的填料，同時(shí)又能保證氣液兩相順利通過。支承板若設(shè)計(jì)不當(dāng)，填料塔的液泛可能首先在支承板上發(fā)生。對于普通填料，支承板的自由截面積應(yīng)不低于全塔面積的50%，并且要大于填料層的自由截面積，常用的支承板有柵板和各種具有升氣管結(jié)構(gòu)的支承板（圖10-56）。液體分布器液體分布器對填料塔的性能影響極大。分布器設(shè)計(jì)不當(dāng)，液體預(yù)分布不均，填料層內(nèi)的有效潤濕面積減少而偏流現(xiàn)象和溝流現(xiàn)象增加，即使填料性能再好也很難得到滿意的分離效果。第六十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日10.2.4填料塔的附屬結(jié)構(gòu)據(jù)10.2.1所述，填料塔內(nèi)產(chǎn)生向壁偏流是因?yàn)橐后w觸及塔壁之后，其流動(dòng)不再具有隨機(jī)性而沿壁流下。既然如此，直徑越大的填料塔，塔壁所占的比例越小，向壁偏流現(xiàn)象應(yīng)該越小才是。然而，長期以來填料塔確實(shí)由于偏流現(xiàn)象而無法放大?，F(xiàn)已基本搞清，除填料本身性能方面的原因外，液體初始分布不均，特別是單位塔截面上的噴淋點(diǎn)數(shù)太少，是產(chǎn)生上述狀況的重要因素。近一、二十年來