化工原理第七章第一节讲稿

第七章 气液传质设备第一节 板式塔

一、板式塔的构造 二、板式塔的流体力学性质 三、板式塔的操作特性 四、塔板效率

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填料塔与板式塔是塔设备(即塔器)的两大类型。用于吸收及精馏的塔器亦称气液传质设备。本章只从气液传

质设备角度介绍塔器。

逐级接触式气液传质设备

板式塔

微分接触式

填料塔

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一、板式塔的构造1、板式塔的结构对于板式塔，气液间的相对 流向有两种类型：错流式 和 逆流式 1)塔板的构造 (剖面图)

筛孔 降液管 溢流堰2013-7-31

俯视图 安定区

开孔区

受 液 区

降 液 管

溢流堰

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2)塔板类型 a)泡罩塔板泡罩塔是Cellier于1813年提出的最早工业规模应用的板式塔型式 。泡罩塔的结构及操作情况如书中图3-2所示。液体通过降液管 从一块塔板流至下一块塔板。为使液体在塔板上有一定的积液 厚度，塔板上液体流出口处设置有溢流堰。在塔板上钻有若干 规则排列的圆孔，每个孔均装有升气管，升气管上又固定有泡 罩。泡罩下缘开有齿缝。操作时，气体向上流过升气管后遇到 泡罩便转而向下流动，经升气管外侧与泡罩内侧构成的通道后 在泡罩齿缝处分散成许多小气泡进入塔板上液层。气体以气泡 形式在液相中浮升并与液体进行相际传质。当气体跃离液面时 液膜破裂，气体便流至上一层塔板。2013-7-31

泡罩塔最大的优点是易于操作，操作弹性大。当液体流 量变化时，由于塔板上液层厚度主要由溢流堰高度控制，使 塔板上液层厚度变化很小。若气体流量变化，泡罩齿缝开启 度会随气体流量改变自动调节，故气体通过齿缝的流速变化 亦较小。于是，塔板操作平稳，气液接触状况不因气液负荷 变化而显著改变，换言之，维持较高传质效率的气液负荷变

化范围很大。泡罩塔的弱点是结构复杂，造价高，气体通过每层塔板 的压降大等。由于泡罩塔的这些弱点，使之在与当今多种优 良塔板型式的比较中处于劣势，所以现在泡罩塔的应用已较 少了。2013-7-31

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b)筛孔塔板 筛板塔约于1832年开始用于工业生产。筛板塔与泡罩塔的

相同点是，都有降液管，塔板上都钻有若干小圆孔，但筛板塔没有升气管及泡罩。筛板塔操作时液体横过塔板，气

体则自板上小孔(筛孔)鼓泡进入板上液层。当气速过低时筛孔会漏液；若气速过高，气体会通过筛孔后排开板上 液体径自向上方冲出，造成过量液沫夹带即严重轴向混合 。所以，筛板塔长期以来被认为操作困难、操作弹性小而 受到冷遇。然而，筛板塔具有结构简单的明显优点。2013-7-31

针对筛板塔操作中存在的问题，

美国Celanese公司于1949年 对筛板塔进行了大量研究。其中Mayfield等人的研究结论表 明，过去由于对筛板塔操作性能掌握得不充分，设计不佳

,致使筛板塔不易稳定操作，只要筛板塔设计合理，操作得当，筛板塔不仅可稳定操作，而且操作弹性可达2~3, 能满足生产要求。在对筛板塔作出改进后，自廿世纪五十 年代至今，筛板塔一直是世界各国广泛应用的塔型。生产 实践说明，筛板塔比起泡罩塔，生产能力可增大10%~15% ,板效率约提高15%,单板压降可降低30%左右，造价可降 低20%~50%。2013-7-31

3)浮阀塔板

浮阀塔是廿世纪五十年代初开发的一种新塔型。其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔处安置一个可上下移动的阀

片。当筛孔气速高时，阀片被顶起、上升，孔速低时，阀片因自重而下降。阀片升降位置随气流量大小作自动调节

,从而使进入液层的气速基本稳定。又因气体在阀片下测水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触

时间，故收到很好的传质效果。

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浮阀的形状如下图所示。浮阀有三条带钩的腿。将浮阀放进筛孔后，将其腿上的钩扳转90度，可防止操作时气速过

大将浮阀吹脱。此外，浮阀边沿冲压出三块向下微弯的“脚”。当筛孔气速降低浮阀降至塔板时， 靠这三只“脚”使阀片与塔板间 保持2.5mm左右的间隙；在浮阀再 次升起时，浮阀不会被粘住，可 平稳上升。浮阀一般都用不锈钢 制成。2013-7-31

浮阀(F1型)

浮阀塔的生产能力比泡罩塔约大20%~40%,操作弹性可达7

~9,板效率比泡罩塔约高15%,制造费用为泡罩塔的60%~80%,为筛板塔的120%~130%。国内常用的浮阀有三种，即

前图所示的F1型及下图所示的V-4型与T型。V-4型的特点是阀孔被冲压成向下弯的喷咀形，气体通过阀孔时因流道形 状渐变可减小阻力。T型阀则借助固定于塔板的支架限制阀 片移动范围。三类浮阀中，F1型浮阀最简单，该类型浮阀 已被广泛使用。我国已有部颁标准(JB1118—68)。

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浮阀(a)V-4型，(b)T型

F1型阀又分重阀与轻阀两种，重阀用厚度2mm的钢板冲成 ，阀质量约33克，轻阀用厚度1.5mm的钢板冲成，质量约25 克。阀重则阀的惯性大，操作稳定性好，但气体阻力大。 一般采用重罚。只有要求压降很小的场合，如真空精馏时 才使用轻阀。下表是这三种浮阀主要尺寸一览表。2013-7-31

三种常用浮阀的主要尺寸表

阀型 主要尺寸

F1型(重阀)

V-4型

T型

筛孔直径，mm 阀片直径，mm 阀片厚度，mm 最大开度，mm 静止开度，mm 阀片质量，g

39 48 2 8.5 2.5 32~34

39 48 1.5 8.5 2.5 25~26

39 50 2 8 1.0~2.0 30~32

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3)塔

板的比较塔板性能比较 相 对 生 相 对 操作范围 压强 结构 塔板类型 降 产能力 板效率 泡罩板 筛板 浮阀板 1.0 1.0 10~100 高 复杂 简单 一般 最简单 简单

成本1.0

1.2~1.4

1.1

35~100 低中 低 低

0.4~0.50.7~0.8

1.2~1.3 1.1~1.2 10~100

舌型塔板 1.3~1.5斜孔板 1.5~1.82013-7-31

01.11.1

50~100 30~100

0.5~0.60.5

各种塔板的优点及适用范围 塔板类型 优 适用范围 点 缺 点

泡罩板浮阀板

较成熟，操 结构复杂，阻力 作范围宽 大，生产能力低

某些要求弹性好 的特殊塔

效率高，操 采 用 不 锈 钢 ， 分离要求高,负荷变化 作范围宽 浮阀易脱落 大;原油常压分馏塔

筛板

效率较高， 安装要求水平,易 分离要求高,塔板较 成本低 堵,操作范围窄 多;化工中丙烯塔

舌型板 结 构 简 单 , 操 作 范 围 窄 ， 分离要求较低的闪 生产能力大 效率较低 蒸塔斜孔板 生 产 能 力 操作范围比浮阀 分离要求高 ， 生产 大,效率高 塔和泡罩塔窄 能力大

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二、板式塔的流体力学性质1、塔板上气液两相的接触状态1)鼓泡接触状态两相接触面积为气泡表面 2)泡沫接触状态 传质表面面积很大的液膜 3)喷射接触状态

两相传质面积是液滴的外表面2013-7-31

2、气体通过塔板的压降干板压降塔板压降 液层阻力 克服板上泡沫层的静压 形成气液界面的能量消耗 通过液层的摩擦阻力损失

接触时间↑压降增大 塔釜温度↑

板效率↑

板数↓

设备费↓操作费↑

能耗↑

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。2013-7-31

3、塔板上的液面落差液面落差△: 塔板进、出口侧的清液高度差 当液体横向流过板面时，为克服阻力和板上部件的局 部阻力，需要一定液位差，则在板面上形成液面落差，以 △ 表示. 液面落差 严重 不均匀 气流的不均匀分布 板效率下降

漏液

与塔板结构、塔径、流量有关。2013-7-31

三、板式塔的操作特性1、塔板上的异常操作现象1)漏液 漏液 两相在塔板上的接触时间↓ 板效率↓

原因： 气速太小、板面上液面落差引起的气流分布不均匀控制：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 安定区2013-7-31

2)液沫夹带 现象： 液滴随气体进入上层塔板。

后果：过量液沫夹带，造成液相在板间的返混，板效率下降控制： 液沫夹带量e <0.1kg(液)/kg(气)。 V 影响因素 空塔气速：空塔气速减小，液沫夹带量减小 塔板间距：板间距增大，液沫夹带量减小

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