第八章 汽液传质设备

第八章 汽液传质设备

本 章 学 习 要 求

1．熟练掌握的内容

板式塔内气液流动方式；板式塔塔板上气液两相非理想流动；板式塔的不正常操作，全塔效率和单板效率；板式塔塔高和塔径的计算；填料塔内流体力学特性；气体通过填料层的压降；泛点气速的计算；填料塔塔径的计算。 2．理解的内容

板式塔的主要类型与结构特点，板式塔塔板上气液两相接触状况；筛板塔溢流装置的设计及踏板板面布置；筛板塔塔板校核；筛板塔负荷性能图的绘制及其作用；填料塔的结构；填料及其特性。 3．了解的内容

气液传质设备类型与基本要求；填料塔的附件；板式塔与填料塔的比较。

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§8.1 气液传质设备类型与基本要求

塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。

根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。 板式塔内沿塔高装有若干层塔板(或称塔盘)，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。

填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。

目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用

填料塔。蒸馏操作的规模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。

气液传质设备的性能通常由以下几个要素表示：

1．塔设备的生产能力或通过能力：指单位时间单位塔截面积上的处理量或气液流量。

2．传质效率：对板式塔而言，传质效率通常用塔板效率来衡量，即实际塔板与理论塔板分离能力之比；对填料塔而言，传质效率通常用传质单元高度，即完成一个传质单元所需要的填料层高度来表示。

3．流体阻力：指气体通过每层塔板或每米填料层高度的压降。

4．塔设备的操作弹性：指最大气速负荷与最小气速负荷之比，其值的大小表明塔对负荷变化的适应能力。

5．塔的设备投资与操作成本、安装及维修方便等因素。

本章重点介绍板式塔的塔板类型，分析操作特点并讨论浮阀塔的设计，同时还介绍各种类型填料塔的流体流体力学特性和计算。

§8.2 板 式 塔

8.2.1 板式塔主要类型的结构和特点 工业上常用的板式塔有：

泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流栅孔板塔 浮阀塔具有的优点：

生产能力大，塔板效率高，操作弹性大，结构简单，安装方便。 8.2.2 板式塔的流体力学特性 1、塔内气、液两相的流动

A 使气液两相在塔板上进行充分接触以增强传质效果

B 使气液两相在塔内保持逆流，并在塔板上使气液量相保持均匀的错流接触，以获得较大的传质推动力。

2、气泡夹带：

液体在下降过程中，有一部分该层板上面的气体被带到下层板上去，这种现象称为气泡夹带。

3、液（雾）沫夹带：

气体离开液层时带上一些小液滴，其中一部分可能随气流进入上一层塔板，这种现象称为液（雾）沫夹带。

4、液面落差

液体从降液管流出的横跨塔板流动时，必须克服阻力，故进口一侧的液面将比出口这一侧的高。此高度差称为液面落差。

液面落差过大，可使气体向上流动不均，板效率下降。 5、气体通过塔板的压力降 压力降的影响：

A 气体通过塔板的压力降直接影响到塔低的操作压力，故此压力降数据是决定蒸馏塔塔底温度的主要依据。

B 压力降过大，会使塔的操作压力改变很大。 C 压力降过大，对塔内气液两相的正常流动有影响。 压力降：ΔPP=ΔPC+ΔPL+ΔPδ 塔板本身的干板阻力ΔPC 板上充气液层的静压力ΔPL 液体的表面张力ΔPδ

折合成塔内液体的液柱高度M，则

ΔPP/?L g=ΔPC/?L g +ΔPL /?L g +ΔPδ/?L g 即hp=hc+hL+hδ

浮阀塔的压力降一般比泡罩塔板的小，比筛板塔的大。在正常操作情况，塔板的压力降以290—490 N/m2 .在减压塔中为了减少塔的真空度损失，一般约为98—245Pa 通常应在保证较高塔板效率的前提下，力求减少塔板压力降，以降低能耗及改善塔的操作性能。

6、液泛（淹塔）

汽液量相中之一的流量增大到某一数值，上、下两层板间的压力降便会增大到使降液管内的液体不能畅顺地下流。当降液管内的液体满到上一层塔板溢流堰顶之后，便漫但上层塔板上去，这种现象，称为液泛（淹塔）

如气速过大，便有大量液滴从泡沫层中喷出，被气体带到上一层塔板，或有大量泡沫生成。

如当液体流量过大时，降液管的截面便不足以使液体及时通过，于是管内液面即行升高。

上述两种情况导致液泛的情况中，比较常遇到的气体流量过大，故设计时均先以不发生过量液沫夹带为原则，定出气速的上限，在此限度内再选定一个合理的操作气速。

当气速增大到液滴所受阻力恰等于其净重时，液滴便在上升气流中处于稳定的悬浮状态。

因为d、ζ不易准确求得， 所以用C代替，即：

（1）史密斯关联图

横坐标：纵坐标：C20 参数：HT－hL （2）板间距HT

液气动能参数

一般D<1.5m HT=0.2～0.4m D>1.5m HT=0.4～0.6m （3）板上液层高度hL

常压 hL=0.05～0.1m 通常取0.05～0.08m 减压 hL≤0.025m

（4）

C20：由图6—53查得的负荷稀疏值。 C：操作物系的负荷系数。 δ：操作物系的表面张力，N/m。 （5）适宜的空塔气速u，即： u=(0.6～0.8)umax

对于直径较大、板间距较大及加压或常压操作的塔以及不易起泡物系，安全系数可取较高的数值，而对直径较小及减压操作的塔以及严重起泡的物系，安全系数应取较低的数值。

7、液沫夹带

是指板上液体被上升气流带入上一层塔板的现象。

为了保证板式塔能维持正常的操作效果，应使每千克上升气体夹埃到上一层塔板的液体联不超过0.1kg，即控制雾沫夹带量eV<0.1kg（液）/kg（气）。 影响雾沫夹带的因素很多，最主要的是空塔气速和塔板间距。对于浮阀塔板上雾沫夹带量的计算，迄今尚无适用于一般工业塔的确切公式。通常是间接地用操作时的空塔气速与发展液泛时的空塔气速的比值作为估算雾沫夹带量大小的指标。此比值称为泛点百分数或称泛点率。

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<0.1kg（液）/kg（气）。

大塔 F1<80～82% 负压塔 F1<75～77% D<900mm的塔, F1<65～75%

式中，F1：泛点率，%。

CV：气相负荷系数，m3/s. VS,LS：气相及液负荷，m3/s.

ZL：板上液体流径长度，对单溢流塔板ZL=D－2Wd.。 Ab：板上也流面积，对单溢流塔板AB=AT－Af。

CF：泛点负荷系数，可根据气相密度ρV及板间距HT查得。 K：物系系数。

依上式算得的泛点率不在上述范围内，则应当调整有关参数，如板间距、塔径，重新计算，直至符合上述泛点率规定的范围为准。

8、泄漏

但气相符合减少，致使上升气体通过阀孔的动压不足以阻止流体经阀孔流下时，便会出现泄漏现象。

泄漏发生，塔板效率严重下降，正常操作时，泄漏应不大于液体流量的10%。经验证明，但阀孔动能因数F0=5～6时，泄漏量常接近10%。故取F0=5～6作为控制泄漏量的操作下限。

当浮阀在刚全开操作，气体通过阀孔处的动能因数F0=8～11。 9、降液管内液面高度与液体停留时间

为了防止液泛现象的发生，须控制降液管中的清液层和泡沫层高度不能高出上层塔板的出口堰顶，否则年内液体便会漫回本层塔板，令：

一般物系取 Φ= 0.5 发泡暗中物系 Φ=0.3～0.4 不发泡物系 Φ= 0.6～0.8 在降液观被1—1’和下一层板上 液面2—2’之间列柏努利方程，得：

要保证气相夹带不超过允许的程度，降液观内液体停留时间θ应不小于3—5S。

10、塔板的负荷性能图

确定了塔板的工艺尺寸，再按前述的各项进行流体力学验算，便可确认所设计的塔板能在的任务规定的气液负荷下正常操作，此时，还要进一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操作所允许的气液负荷波动，这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示，在以VS，LS分别为纵横轴的直角坐标系中，标绘出各种不正常流体力学条件下的VS—LS关系曲线，在以这些曲线为界的范围之内，才是塔的适宜操作区。

（1）、液沫夹带上限线AA’

液沫夹带上限线表示雾沫夹带量eV<0.1kg（液）/kg（气）时的VS—LS关系，塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将因过多的液沫夹带而使效率下降。

此线可根据下式作出，即：

对于一定的物系及一定的塔板结构尺寸CV，ZL，Ab，CF，K均为已知值，相应于雾沫夹带量eV<0.1kg（液）/kg（气）时的泛点率F1值亦可确定，将已知值代入，便可得出一个

(2)液泛线BB’（淹塔线）

此线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时的VS—LS关系，塔板的适

的关系的函数式，据以作出AA’线。

宜操作区应在此线以下，否则将可能发生液泛现象，破坏塔的正常操作。

将hc，hL，hl及hd的计算式代入上式，便可得出一个函数式，据以作出BB’线，据以作出BB’。

（3）液相负荷上限线CD

的关系的

亦称降液管超负荷线，此线表明液体流量大小应保证液体在降液管内停留时间的起码条件。

θ不应小于3～5S，而按θ=5S计算，则：

依上式求得液相负荷上限LS的数值（常数），据以作出液相负荷上限线。 （4）泄漏线

气相负荷上限线，此线表明不发生严重泄漏现象的最低气相负荷，再低将产生超过液体量的10%泄漏量。对于FI重阀，当阀孔动能因数F0=5～6时，泄漏量接近10%，即以此阀孔动能因数作为气相负荷下限的依据，按F0=5计算，则

式中ρV，N，d都为已知值，故可依上式求出气相负荷VS的下限值，据以作出一条水平的泄漏线DE。

（5）液相负荷下限线EE’

对于平堰，一般取堰上液层高度how=0.06mm作为液相符合下限条件，低于此限时，便不能保证板上恩流的均匀分布，见低气液接触效果。

式中：Lh—塔内液体流量，m3/h. Lw—堰长，m。

E—液流收缩稀疏，可从图6—57查得。 一般情况下可取E值为1。所引起的误差不大。

将已知的LW值及hOW的下限值，便可求得的下限值（常数），据以作出EE’。

在负荷性能图上有五条线所包围的阴影区域，应是塔四用于出力指定物系时的适宜操作区域。在此区域内，塔四上的流体力学状态是正常的，但区域内各点的板效率并不完全相同。如果塔的预定气液负荷的设计点P能落在该区域内的适中位置，则可望获得良好的操作效果，如果操作电紧靠某一条标界线，则当负荷稍有变动便会使效率急剧下降，甚至破坏塔的操作。

三、板式塔的设计原则

带有降液管的板式塔型虽多，但各种结构塔型的设计原则大致相同，下面一浮阀塔为例来说明。

1、板上液体的流动形式

板上液体流动形式，主要根据塔径与液体流量来确定，常用的形式有： U形流：流体流径最长，塔板面积利用率也最高，但液面落差大，仅用于小塔。

单溢流：又称直径流，液体流径长，塔板效率较高，塔板结构简单，广泛用于直径2.2 m以下的塔。

双溢流：又称半径流，可减小液面落差，但塔板结构复杂，一般用于直径2m以上的大塔。

阶梯式双溢流：结构最复杂，只宜于塔径很大，流量很大的特殊场合。 总之，液体在塔板上的流径愈长，气液接触时间就愈长，有利于提高分离效果；但是液面落差也随之增大，不利于气体均匀分布，使分离效果降低。

目前，凡直径在2.2m以下的浮阀塔，一般都采用单溢流。但在大塔中，由于液面落差大或造成浮阀开启不均，使气体分布不均匀及出现泄漏现象，应采用双遗留以及阶梯流。见表6—5。

2、降液管

确定降液管底隙高度的原则是：保证液体流经此处时的阻力不太大，同时要有良好的液封。

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