板式塔水力学能的测定

第三 蒸馏和吸收塔设备（下册）

塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。

评价塔设备的基本性能指标主要包括以下几项：

生产能力，分离效率，适应能力及操作弹性，流体阻力。 第一节 板式塔

一 塔板结构类型及特点 1泡罩塔

其传质元件为泡罩，泡罩分圆形和条形两种，多数选用圆形泡罩，其尺寸一般为Φ80，100，150（mm）三种直径，泡罩边缘开有纵向齿缝，中心装升气管。升气管直接与塔板连接固定。塔板下方的气相进入升气管，然后从齿缝吹出与塔板上液相接触进行传质。不易发生漏液现象，有较好的操作弹性，塔板不易堵塞，对于各种物料的适应性强；结构复杂，金属耗量大，造价高；板上液层厚，气体流径曲折，塔板压降大，兼因雾沫夹带现象较严重，限制了气速的提高，生产能力不大。液面落差大，气体分布不均，使得板效率不高。

2 浮阀塔板

浮阀是20世纪二战后开始研究，50年代开始启用的一种新型塔板，后来又逐渐出现各种型式的浮阀，其型式有圆形、方形、条形及伞形等。较多使用圆形浮阀，而圆形浮阀又分为多种型式，如图所示。

浮阀取消了泡罩塔的泡罩与升气管，改在塔上开孔，阀片上装有限位的三条腿，浮阀可随气速的变化上、下自由浮动，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降及液面落差，同时具有较高塔板效率，生产能力大。在生产中得到广泛的应用。

3 筛板塔板

筛板塔盘去掉泡罩和浮阀，直接在塔板上，按一定尺寸和一定排列方式开圆形筛孔，作为气相通道。气相穿过筛孔进入塔板上液相，进行接触传质。结构简单，金属耗量小，造价低廉；气体压降小，板上液面落差也较小，其生产能力及板效率较泡罩塔的高。操作弹性范围较窄，小孔筛板容易堵塞。

4 其他型式的塔板： 喷射塔板与浮舌塔板：

将塔上冲压成斜向舌形孔，张角20°左右，如图6.9.8所示。气相从斜孔中喷射出来，一方面将液相分散成液滴和雾沫，增大了两相传质面，同时驱动液相

减小液面落差。液相在流动方向上，多次被分散和凝聚，使表面不断更新，传质面湍动加剧，提高了传质效率。

若将舌形板做成可浮动舌片与塔板铰链，称其为浮舌塔板，可进一步提高其操作弹性。

二 板式塔的水力学性能 1 塔内气、液两相的流动 （1） 塔板上气、液流动状态

从严重漏液到液泛整个范围内存在有五种接触状态，即：鼓泡状态、蜂窝状态、泡沫状态、喷射状态及乳化状态。工业生产中一般希望呈现泡沫态和喷射态两种状态。

a 泡沫状态

随气速的增大，接触状态由鼓泡、蜂窝状两状态逐渐转变为泡沫状，如图（a）所示。由于孔口处鼓泡剧烈，各种尺寸的气泡连串迅速上升，将液相拉成液膜展开在气相内，因泡沫剧烈运动，使泡沫不断破裂和生成，以及产生液滴群，泡沫为传质创造了良好条件。是工业上重要的接触状态之一。

b.喷射状态

当液相流量较小而进一步提高气速时，则泡沫状将逐渐转变为喷射状。从筛孔或阀孔中吹出的高速气流将液相分散高度湍动的液滴群，液相由连续相转变为分散相，两相间传质面为液滴群表面。由于液体横向流经塔板时将多次分散和凝聚，表面不断更新，为传质创造了良好的条件，是工业塔板上另一重要的气、液接触状态。

（2）液泛

气、液两相在塔内总体上呈逆行流动，并在塔板上维持适宜的液层高度，进行接触传质。如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为液泛，液泛原因分为两种。 a.过量雾沫夹带液泛 雾沫夹带造成返混，降低塔板效率。少量夹带不可避免，只有过量的夹带才能引起严重后果。液沫夹带有两种原因引起，其一是气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板。可见，增加板间距可减少夹带量。另一种原因是气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动，此时增加板间距不会奏效。随气速增大，使塔板阻力增大，上层塔板上液层增厚，塔板液流不畅，液层迅速积累，以致充满整个空间，即液泛。由此原因诱发的液泛为液沫夹带液泛。开始发生液泛时的气速称之为液泛气速

。

b·降液管液泛

当塔内气、液两相流量较大，导致降液管内阻力及塔板阻力增大时，均会引起降液管液层升高，当降液管内液层高度难以维持塔板上液相畅通时，降液管内液层迅速上升，以致达到上一层塔板，逐渐充满塔板空间，即发生液泛。并称之为降液管内液泛。

(3)严重漏液

板式塔少量漏液不可避免，当气速进一步降低时，漏液量增大，导致塔板上难以维持正常操作所需的液面，无法操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速(4) 雾沫夹带

 雾沫夹带是指板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象。过多的雾沫夹带将导致塔板效率严重下降。为了保证板式塔能维持正常的操作，控制雾沫夹带量 eV＜0.1kg (液)/kg(气)。

影响雾沫夹带量的因素很多，最主要的是空塔气速和塔板间距。通常间接地用操作时泛点率作为估算雾沫夹带量大小的指标。实际设计气速u与液泛气速之比

称之为泛点率。

。正常操作时，泄漏量应不大于液体流量的 10% 。

在下列泛点率数值范围内，一般可保证雾沫夹带量达到规定的指标，即 eV＜1kg(液)/kg(气)： 大塔

直径0.9m以下的塔 减压塔

泛点率＜80% 泛点率＜70% 泛点率＜75%

(5) 塔板压力降

塔内气体在穿过塔板时要克服塔的阻力，例如：第n块塔板，其阻力

，其值含三部分，即：＊ 气体穿过塔板的干板阻力

体克服塔板上液层静压及穿过液层的阻力

为

，＊ 气

，＊ 克服筛孔处液体表面的张

力的阻力

如图U形压差计指示（6）负荷性能图

a泄漏线：③泄漏线又称为气相负荷下限线。此线表明不发生严重泄漏现象的最低气体负荷，是一条平行于横轴的直线。

b液相负荷下限线：②对于平堰，一般取堰上液层高度 hOW＝0.006m 作为液相负荷下限条件，低于此限时， 便不能保证板上液流的均匀分布，降低气液接触效果。 c液相负荷上限线：④液相负荷上限线又称为降液管超负荷线。此线反映对于液体在降液管内停留时间的起码要求。对于尺寸已经确定的降液管，若液体流量超过某一限度，使液体在降液管内停留时间过短，则其中气泡来不及放出就进入下

所示。所以



层塔板，造成气相返混，降低塔板效率

d液泛线：⑤液泛线表示降液管内泡沫层高度达到最大允许值时的 Vs-Ls 关系，塔板的适宜操作区也应在此线以下，否则将可能发生液泛现象，破坏塔的正常操作。

f液沫夹带上限线：①

通常把气相负荷上、下限之比称为塔板的操作弹性。浮阀塔的操作弹性一般为3～4。

三 设计步骤与计算方法 1塔板流型选择

液相在塔板上横向流过时分程的型式称之为流型。将液相从受液盘直接流向降液的型式为单流型，如图 (a)所示。当液体流量增大至一定程度时，液体流动阻力增大。当流道较长时，则在液体流动方向形成较大液面落差，使得塔板上阻力分布不均，从而影响气相通过塔板的分布不均。亦将引起液相倾向性漏液，不利于传质。

当液体流量大，塔径也随之增大时，则可采用双流型，如图 (b)所示。设两个降液管，使液相从两侧流向中心降液管，或从中心流向两侧的降液管，这样减少了单程液相流量，缩短了流道长度，增大流通截面，从而使阻力减少，塔板液面落差减小，使塔板压降分布比较均匀。

当流体流量继续增大，塔径扩大时，可选择四程流型，阶梯流型如图 (c)(d)所示。反之，当流量小，塔径小时，为保证液相在塔板的停留时间，可选择U型流程。

2塔径和塔高

（1）塔径D:

当流型初步确定之后，即可确定气体通道截面的型式。气体流量已由设计条件给定

，

。若能确定

引起塔板液泛的最小气速

，即液泛气速。由

确

定设计点的操作空塔气速积

及塔径D。

a. 液泛气速

及u

。进而求得气相通道截面积A和塔截面

液泛气速与系统气、液两相物性、流动参数及塔板结构有关。由气相中的悬浮液滴的力分析可得：

 m/s ， C－气体负荷因子

与气体负荷如图所示。

Fair关联了气、液两相流动参数(VL/VG)(ρG/ρL)1/2，塔板间距因子C20的关系，获得液体表面张力

mN/m时气体负荷因子

当液相的表面张力偏离20mN/m时，则下式进行校正可得 

称之为泛点率，设计一般泛点率为0.6～0.8，。

。 气体流通截面A等于全塔截面

将实际设计气速u与液泛气速之比从而求得设计塔气速u:

b塔径D的确定

以单流型为例，，即:

减去降液管所占的面积

于是可导得：；

初始塔径：

根据工程经验，函数关系，故相应可取取0.06～0.12为宜。由于堰长比为0.6～0.75，如图所示。 与存在一定 塔径标准值： 0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2 …以0.2m递增。 （2）塔高： a 塔板间距: 其与塔径有关，也与物料的性质有关，通常参考塔径D选择板间距，最终由塔板水力学性能校核确认。板间距选择参考范围如下表所示. 塔板间距和塔径的经验关联 D(m) 1.6～2.0 2.0～2.4 >2.4 0.45～0.2～0.3 0.3～0.35 0.35～0.45 0.5～0.8 ≥0.6 （m） 0.6 0.3～0.5 0.5～0.8 0.8～1.6

塔径确定之后，重新计算塔的泛点率。由标准塔径D计算实际气速： b塔高计算：

 精馏塔总高是塔装有塔板的有效高度和其因工艺要求和安装需要辅助高度之和。 实际塔板数

；

；有效高度

2 塔板设计

(1) 溢流装置

溢流装置含降液管、溢流堰、底隙等几部分。

降液管是塔板间的液体通道及液相夹带气泡的分离场所，如右图所示。 降液管有弓形、圆形或矩形几种型式。液相流量较大时一般采用弓形降液管，小流量采用圆形或矩形降液管，故工业上一般采用弓形降液管，如图中(a)(b)(c)所示。其他型式(d)(e)(f)用于实验装置。

为提高塔板上开孔区面积，降液管底部适当收缩，以减少受液盘面积，如图中(b)(c)所示。

降液盘顶部设有溢流堰hw，以维持塔板上一定液层高度。降液管底部留有底隙hb，为液体进入下层塔板的通道。

溢流堰长 大小直接影响液体进入降液管的流通能力，从而影响堰上液头高，随

单位堰上液体流量即溢液强度增大而提高。由以下公式求得

m 

式中

－液体流量，

；

－堰长，m；

E－液流收缩系数；E液流收缩系数反映塔壁对液流收缩的影响，由下图查得。 堰高

常压与加压塔

直接影响液层高度和气液接触时间和状态或相际接触面。根据工程经验，

，减压塔或要求阻力很小的塔板其

取25mm左右。降液管的。通常取为30～40mm。

底隙应保证一定的液封，避免气体窜入降液管，所以应略小于

对物料较脏，有结焦或聚合物的物料，应适当加大，以防堵塞。

（2）筛孔及筛孔排列方式

筛孔直径

可取3～8mm，可更小，也可更大。大筛孔

为12～25mm。对较脏或易

堵塞的物料则采用大筛孔；一般则采用小筛孔。

筛孔的开孔率 可表示为：筛孔总面积

，筛孔气速

筛孔一般按等边三角形排列，开孔率一般取0.06～0.14，相应孔心距t为

。加压塔其<0.10，塔板的厚度一般取3～5mm。

3 液沫夹带量校核

少量液沫夹带不可避免，应避免过量的液沫夹带。要求单位质量（或摩尔）的气体夹带液体质量（或摩尔）可由Hunt提出经验公式求得：

或

。其

式中

－液体表面张力

m

（即

－塔板上泡沫层高度； ）

u－实际操作气速（对应A的气体流速） 若将液沫夹带总量e，表示为液沫夹带分率

，即夹带液体量占横向塔板

液体总量的分率，与关系可表示为： 



或由上式解得



当塔板各尺寸初步确定之后，还需安照物流性质及塔板的结构，应用流体流动的基本原理进行核算，检验塔板设计的合理性，能否避免异常流动，对不合理的尺寸进行及时调整。

Fair将筛板塔和泡罩塔板的液沫夹带分率两相流动参数

和泛点率

关联为

的函数，如图6.9.2

的大小，即可

及

也可确定设计工

0所示。已知两相流参数

由图确定不同泛点率的泡沫夹点分率况下的泛点率能力。

4塔板阻力的计算及核算

。反之，已知

，显然，泛点率的大小即反映了塔的安全程度及塔的生产

a. 干板压降  m液柱

式中

为

－为筛孔中气速，m/s； 函数，由

－气体通过筛孔的孔液系数。

在图6.9.22中查得。

图 6.9.22 塔板孔流系数

b. 液层阻力

：

图 6.9.23 充气系数β与动能因子Fa的关系



为塔板上液层的充气系数，与气体通过塔板传质区Aa的动能因子

有关。其

c. 液体表面张力阻力

，m/s。

 m汞柱

由于引起阻力较小，常常可忽略不计，所以

在塔板上分布的均匀程度，对气相的分布较大，在 较小处必然气相流量大，反之较小，对传质影响不利。为此，应使干板阻力占主导，减小液层波动对塔板阻力分布的影响，保证塔板阻力分布均匀，气相分布均匀以利于传质。 5降液管液泛校核

为避免发生降液管内的液泛，必须保证足够大的推动力以驱动液体流动，或者液体流动过程阻力小可保证液流畅通。否则，液流不畅，液体积累逐步发展为降液管内的液泛。

保证液体在塔板上畅通的推动力，是提高降液管内液层高，即位能，使液体克服降液管内、底隙、塔板等沿程阻力以及塔板的阻力。由降液管液面与塔板上液流方向上的截面，列机械能衡算分程分析可得式中

－液体通过降液管的阻力，m清液柱

－塔板上液面落差，m清液柱

因筛板塔板上液体流动时阻力，其液面落差一般不大，可以不计。当液体流

量大，塔径很大时，可按下式计算：· 式中

－液体粘度 ，

；z－液体横过塔板行程，m

，m；



b－液体横过塔板流动平均宽度

－塔板上泡沫层高度；m；Ls－液体流量，。

：式中

或

－底隙处液体流速，m/s；

，由静力学原理

m液柱

－液体体积流量



。

降液管内泡沫层高度

为降液管内泡沫层相对密度，与物流发泡性能有关。对一般液体

可取0.5～0.6，对于易发泡液体取0.4。

为避免降液管液泛，则要求满足条件。说明降液管内泡沫层最高不可达到上层塔板，否则，将发生降液管液泛。

液体在降液管停留时间的校核：

为了保证液体中夹带的气体较完全的释放出来，必须保证液体在降液管中停留足够时间。在降液管内平均停留时间可表示为

根据实际过程经验，一般应使该停留时间 6 漏液校核

一般少量漏液不可避免，只要气速不是过低，分布均匀，漏液情况可大大地改善，少量漏液与液沫夹带有本质区别。



当气速进一步减少，使塔板发生严重漏液，使塔板效率明显降低。称开始严重漏液的气速

为漏液点气速

，将正常操作孔流气速

与漏液点气速

之比，

定义为稳定系数k，一般要求稳定系数k：

严重漏液时干板阻力

可由下式计算：

由干板阻力公式解得漏液点气速

与操作孔流气速相比， 。

当稳定系数k过小时，应适当减少开孔率或堰高7塔板负荷性能图 （1）函数关系

① 过量液沫夹带线，或气相上限线

过量液沫夹带量

，故取



将式中操作气速u表示为：

 由以上分程整理可得：（6.9.24） 由式（6.9.24）绘制曲线① 液相下限线：当堰上液头高＝6mm，塔板效率急剧下降，则不宜再减了，是平直堰最小溢流强度，即液相流量的下限。 （6.9.25）由上式解得 所以，液相下限线为一垂直线，如图中②所示。 当气相流量降到一定程度时，塔将 版权所有：黄冈师范学院 技术支持：湖北华秦教育软件技术有限公司 返回页面顶部

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