第11章--气液传质设备课件

第十一章第十一章 气液传质设备气液传质设备一、板式塔的构造一、板式塔的构造二、塔板效率二、塔板效率第第一一节节 板式塔板式塔2024/7/12气液传质设备气液传质设备逐级接触式逐级接触式连续接触式连续接触式板式塔板式塔填料塔填料塔2024/7/12一、板式塔的构造一、板式塔的构造进料回流液塔顶气相塔底液相板式塔内流体的流动板式塔内流体的流动2024/7/121、板式塔的结构、板式塔的结构2024/7/121）塔板的构造）塔板的构造筛孔筛孔降液管降液管溢流堰溢流堰（剖面图）2024/7/12降降液液管管受受液液区区溢流堰溢流堰安定区安定区开孔区开孔区俯视图俯视图2024/7/122024/7/122024/7/122）塔板类型）塔板类型a）泡罩塔板泡罩塔板2024/7/12优点：优点：塔板操作弹性大，塔效率比较高，不易堵塔板操作弹性大，塔效率比较高，不易堵。缺点：缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大结构复杂，制造成本高，塔板阻力大,生产能力小生产能力小。2024/7/12b）筛孔塔板筛孔塔板2024/7/12优点：优点：结构简单、造价低、塔板阻力小结构简单、造价低、塔板阻力小缺点：缺点：操作弹性小。操作弹性小。2024/7/12c）浮阀塔板浮阀塔板2024/7/122024/7/122024/7/122024/7/12优点：优点：浮阀可以根据气体流量，自动调节阀的开度，浮阀可以根据气体流量，自动调节阀的开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，并具有较提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，并具有较高塔板效率，在生产中应用广泛。高塔板效率，在生产中应用广泛。缺点：缺点：浮阀易脱落或损坏。浮阀易脱落或损坏。浮阀的工作原理浮阀的工作原理2024/7/12d）舌型塔板 2024/7/12右右图图是是一一种种喷喷射射型型塔塔板板。其其结结构构是是在在塔塔板板上上冲冲出出若若干干按按一一定定排排列列的的舌舌形形孔孔，舌舌片片向向上上张张角角 以以20左左右为宜。右为宜。20=oo5050R25R25气相气相优优点点：气气流流由由舌舌片片喷喷出出并并带带动动液液体体沿沿同同方方向向流流动动。气气液液并并流流避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。气气流流方方向向近近于于水水平平。相相同同的的液液气气比比下下，舌舌形形塔塔板板的的液液沫沫夹夹带带量较小，故可达较高的生产能力。量较小，故可达较高的生产能力。缺缺点点：张张角角固固定定，在在气气量量较较小小时时，经经舌舌孔孔喷喷射射的的气气速速低低，塔塔板漏液严重，操作弹性小。板漏液严重，操作弹性小。液液体体在在同同一一方方向向上上加加速速，有有可可能能使使液液体体在在板板上上的的停停留留时时间间太太短、液层太薄，板效率降低。短、液层太薄，板效率降低。2024/7/12斜斜孔孔塔塔板板是是在在舌舌形形塔塔板板上上发发展展的的，斜斜孔孔的的开开口口方方向向与与液液流流垂垂直直且且相相邻邻两两排排开开孔孔方方向向相相反反，既既保保留留了了气气体体水水平平喷喷出出、气气液液高高度度湍湍动动的的优优点点，又又避避免免了了液液体体连连续续加加速速，可可维维持持板板上上均均匀匀的的低低液液面面，从从而而既既能能获获得得大大的的生生产产能能力力，又又能能达达到到好好的的传传质质效果。效果。e)斜孔塔板斜孔塔板浮舌塔板浮舌塔板为为使使舌舌形形塔塔板板适适应应低低负负荷荷生生产产，提提高高操操作作弹弹性性，研研制制出出了了可可变变气气道道截截面面（类似于浮阀塔板）的浮舌塔板。（类似于浮阀塔板）的浮舌塔板。1 19 9R R2020R16R168 837373 31 1oo2020降降液液管管a a 斜孔结构斜孔结构b b 塔板布置塔板布置受受液液区区导导向向孔孔2024/7/123）塔板的比较）塔板的比较 塔板性能比较塔板性能比较 塔板类型塔板类型 相相对对生生产能力产能力 相相 对对板效率板效率 操作弹性操作弹性 压降压降 结构结构相对成本相对成本 泡罩板泡罩板 1.0 1.0 45 高高 复杂复杂 1.0 筛板筛板 1.21.4 1.1 23 低低 最最简单简单 0.40.5 浮阀板浮阀板 1.21.3 1.11.2 34中中 一般一般 0.70.8 舌型塔板舌型塔板 1.31.5 1.1 23 低低 简单简单 0.50.6 斜孔板斜孔板 1.51.8 1.1 23低低 简单简单 0.5 2024/7/12各种塔板的优点及适用范围各种塔板的优点及适用范围 优优点点 缺缺点点 适用范围适用范围 塔板类型塔板类型 泡罩板泡罩板 较成熟，操较成熟，操作范围宽作范围宽 结结构构复复杂杂，阻阻力力大，生产能力低大，生产能力低 某某些些要要求求操操作作弹弹性好的特殊塔性好的特殊塔 浮阀板浮阀板 效率高，操效率高，操作范围宽作范围宽 采采用用不不锈锈钢钢，浮阀易脱落浮阀易脱落 分离要求高，分离要求高，负荷变化大负荷变化大筛板筛板 效率较高，效率较高，成本低成本低 安安装装要要求求水水平平,易易堵堵,操操作作范范围围窄窄 分离要求高分离要求高,塔板较多塔板较多舌型板舌型板 结结构构简简单单,生产能力大生产能力大 操操作作范范围围窄窄，效率较低效率较低 分离要求较低分离要求较低的闪蒸塔的闪蒸塔 斜孔板斜孔板 生生 产产 能能 力力大大,效率高效率高 操操作作范范围围比比浮浮阀阀塔和泡罩塔窄塔和泡罩塔窄 分离要求高，分离要求高，生产能力大生产能力大 2024/7/12二、塔板效率二、塔板效率1、塔板效率的表示法、塔板效率的表示法 1）总板效率总板效率E(全塔效率）全塔效率）达到指定分离效果所需理论板数与实际板数的比值。达到指定分离效果所需理论板数与实际板数的比值。简单地反映了整个塔内的平均传质效果。简单地反映了整个塔内的平均传质效果。2）单板效率单板效率EM(默弗里效率默弗里效率)直接反映该层塔板的传质效果直接反映该层塔板的传质效果 2024/7/12单板效率的数值有可能大于单板效率的数值有可能大于100%吗？吗？3）点效率点效率EO 2024/7/12点点效效率率与与单单板板效效率率的的区区别别：点点效效率率中中的的y、y*为为塔塔板板上上某某点点的的气气相相组组成成和和平平衡衡组组成成；单单板板效效率率中中的的yn为为离离开开塔塔板板的的气气相相平平均均组组成成、yn*为为与与xn成成相相平平衡的气相平均组成。衡的气相平均组成。单单板板效效率率与与全全塔塔效效率率的的区区别别：单单板板效效率率反反映映的的是是该该层层塔塔板板的的传传质质效效果果，全全塔塔效效率率反反映映的的是是整整个个塔塔板的平均传质效果。板的平均传质效果。2024/7/122、塔板效率的估算、塔板效率的估算 1）塔板效率的影响因素）塔板效率的影响因素 a）物系性质：物系性质：粘度、密度、表面张力及相对挥发度等。粘度、密度、表面张力及相对挥发度等。b）塔板结构：塔板结构：塔径、板间距、堰高及开孔率等。塔径、板间距、堰高及开孔率等。c）操作条件：操作条件：温度、压强、气体上升速度及气液流量比温度、压强、气体上升速度及气液流量比 2）板效率的估算）板效率的估算 奥康内尔（奥康内尔（Oconnell）关联方法）关联方法 精精馏馏塔塔：采采用用相相对对挥挥发发度度 与与液液相相粘粘度度 L的的乘乘积积为为参参数来表示全塔效率数来表示全塔效率ET：2024/7/12 与与 L取取塔塔顶顶与与塔塔底底平平均均温温度度下下的的值值。对对多多组组分分物物系系，取取关关键组分的键组分的 。液相的平均粘度液相的平均粘度 L可按下式计算可按下式计算 吸收塔：吸收塔：采用采用HP/L作为参数来表示全塔效率作为参数来表示全塔效率ET：H 塔顶塔底平均温度下溶质的溶解度系数，塔顶塔底平均温度下溶质的溶解度系数，kmol/(m3 kPa)P 操作压强，操作压强，kPa；L塔顶塔底平均组成及平均温度下的液相粘度，塔顶塔底平均组成及平均温度下的液相粘度，mPa s。2024/7/12第第七七章章 气液传质设备气液传质设备一、一、填料塔的结构与填料填料塔的结构与填料特性特性 二、二、填料塔的附件填料塔的附件第第二二节节 填料塔填料塔2024/7/12一、填料塔的结构与填料特性一、填料塔的结构与填料特性 1、填料塔的结构、填料塔的结构 2024/7/122、填料特性、填料特性1）比表面积）比表面积单位体积填料层的填料表面积，单位体积填料层的填料表面积，以以表示表示；单位：单位：m2/m3。同一种填料，同一种填料，尺寸愈小，比表面积愈大尺寸愈小，比表面积愈大。2）空隙率）空隙率单位体积填料层的空隙体积单位体积填料层的空隙体积，以，以表示；单位为表示；单位为m3/m3。填料的空隙率大，气液通过能力大，气体流动阻力小。填料的空隙率大，气液通过能力大，气体流动阻力小。3）填料因子）填料因子表示填料的流体力学性能，以表示填料的流体力学性能，以干填料因子干填料因子湿填料因子湿填料因子2024/7/123、填料类型、填料类型堆放方式堆放方式乱堆填料乱堆填料规整填料规整填料拉西环、鲍尔环、鞍形、拉西环、鲍尔环、鞍形、网环网环波纹板、波纹网波纹板、波纹网基材基材实体填料实体填料网体填料网体填料环形填料（拉西环、鲍尔环、阶梯环）、环形填料（拉西环、鲍尔环、阶梯环）、鞍形填料（弧鞍、矩鞍）、栅板鞍形填料（弧鞍、矩鞍）、栅板网、波纹网网、波纹网2024/7/121）拉西环（）拉西环（Raschingring）最最早早使使用用的的一一种种填填料料，为为高高径径比比相相等等的的陶陶瓷瓷和和金金属属等等制制成成的空心圆环。的空心圆环。1、乱堆填料、乱堆填料2024/7/12优优点点：易易于于制制造造，价价格格低低廉廉，对对它它的的研研究究较较为为充充分分，所所以以在过去得到了广泛的应用在过去得到了广泛的应用。缺缺点点：形形状状规规则则，堆堆积积时时填填料料间间易易形形成成线线接接触触，故故液液体体常常存存在在严严重重的的沟沟流流和和壁壁流流现现象象。且且拉拉西西环环填填料料的的内内表表面面润润湿湿率较低，因而传质速率也不高。率较低，因而传质速率也不高。为为此此，在在拉拉西西环环基基础础上上衍衍生生了了环环、十十字字环环及及螺螺旋旋环环等等，其其基基本本改改进进是是在在拉拉西西环环内内增增加加一一些些结结构构，以以增增大大填填料料的的比比表表面积。面积。2024/7/12环环十字环十字环2024/7/122）鲍尔环）鲍尔环(Pallring)在在环环的的侧侧壁壁上上开开一一层层或或两两层层长长方方形形小小孔孔，小小孔孔的的母母材材并并不不脱脱离离侧侧壁壁而而是是形形成成向向内内弯弯的的叶叶片片。上上下下两两层层长长方方形形小小孔孔位位置交错。置交错。2024/7/12鲍鲍尔尔环环因因为为具具有有优优良良性性能能，因因而而应应用用十十分分广广泛泛。可可由由金金属属或塑料制成。或塑料制成。与与拉拉西西环环相相比比，同同尺尺寸寸的的鲍鲍尔尔环环虽虽有有相相同同的的比比表表面面积积和和空空隙隙率率，但但鲍鲍尔尔环环在在其其侧侧壁壁上上的的小小孔孔可可供供气气液液流流通通，使使环环的的内壁面得以充分利用。内壁面得以充分利用。因因此此，鲍鲍尔尔环环不不仅仅具具有有较较大大的的生生产产能能力力和和较较低低的的压压降降，且且分离效率较高，沟流现象也大大降低。分离效率较高，沟流现象也大大降低。2024/7/123）弧鞍与矩鞍（）弧鞍与矩鞍（berlsaddleandintoloxsaddle）弧鞍弧鞍一一种种表表面面全全部部展展开开的的具具有有马马鞍鞍形形状状的的瓷瓷质质填填料料(马马鞍鞍填填料料)。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道。2024/7/12优优点点：空空隙隙率率高高，气气体体阻阻力力小小，液液体体分分布布性性能能较较好好，填填料料性能优于拉西环。性能优于拉西环。缺缺点点：相相邻邻填填料料易易相相互互套套叠叠，使使填填料料有有效效表表面面降降低低，从从而而影响传质速率。并且强度较差，容易破碎。影响传质速率。并且强度较差，容易破碎。2024/7/12矩矩鞍鞍填填料料的的两两端端为为矩矩形形，且且填填料料两两面面大大小小不不等等。克克服服了了弧弧鞍鞍填填料料相相互互重重叠叠的的缺缺点点，填填料料的的均均匀匀性性得得到到改改善善。液液体体分分布布均均匀匀，气气液液传传质质速速率率得得到到提提高高。瓷瓷矩矩鞍鞍填填料料是是目目前前采采用用最多的一种瓷质填料。最多的一种瓷质填料。矩鞍矩鞍2024/7/124）阶梯环）阶梯环(cascademinirings)阶阶梯梯环环的的结结构构与与鲍鲍尔尔环环相相似似，环环壁壁上上开开有有长长方方形形小小孔孔，环环内内有有两两层层交交错错45的的十十字字形形叶叶片片，环环的的高高度度为为直直径径的的一一半半，环的一端成喇叭口形状的翻边环的一端成喇叭口形状的翻边。2024/7/12这这样样的的结结构构使使得得阶阶梯梯环环填填料料的的性性能能在在鲍鲍尔尔环环的的基基础础上上又又有有提提高高，其其生生产产能能力力可可提提高高约约10%，压压降降则则可可降降低低25%，且且由由于于填填料料间间呈呈多多点点接接触触，床床层层均均匀匀，较较好好地地避避免免了了沟沟流流现现象。象。阶阶梯梯环环一一般般由由塑塑料料和和金金属属制制成成，由由于于其其性性能能优优于于其其它它侧侧壁壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。上开孔的填料，因此获得广泛的应用。2024/7/125）金属鞍环）金属鞍环 有有环环形形与与鞍鞍形形的的结结构构特特点点，生生产产能能力力大大、压压降降低低、液液体体分分布布性性能能好好、传传质质速速率率高高、操操作作弹弹性性大大，在在减减压压蒸蒸馏馏中中其其优优势更为显著。势更为显著。2024/7/12波纹板波纹板2、规整填料、规整填料规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。使使用用时时根根据据填填料料塔塔的的结结构构尺尺寸寸，叠叠成成圆圆筒筒形形整整块块放放入入塔塔内内或分块拼成圆筒形在塔内装砌。或分块拼成圆筒形在塔内装砌。波纹网波纹网2024/7/12优优点点：空空隙隙大大，生生产产能能力力大大，压压降降小小。流流道道规规则则，只只要要液液体体初初始始分分布布均均匀匀，则则在在全全塔塔中中分分布布也也均均匀匀，因因此此规规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。缺缺点点：造造价价较较高高，易易堵堵塞塞、难难清清洗洗，因因此此工工业业上上一一般般用用于于较难分离或分离要求很高的情况。较难分离或分离要求很高的情况。2024/7/12二、填料塔的附件二、填料塔的附件 1、填料支承装置、填料支承装置 2024/7/122024/7/122、液体分布装置、液体分布装置a)管式喷淋器管式喷淋器 2024/7/12b)弹溅式喷淋器弹溅式喷淋器2024/7/12b)齿槽式喷淋器齿槽式喷淋器2024/7/123、液体再分布装置、液体再分布装置 升气管式液体再布器升气管式液体再布器2024/7/12齿槽式液体再布器齿槽式液体再布器2024/7/124、液体收集装置、液体收集装置 斜板式液体收集器斜板式液体收集器2024/7/125、除沫装置、除沫装置 2024/7/12丝网除沫器丝网除沫器2024/7/12lg(p/z)lgu三、填料塔的流体力学性能三、填料塔的流体力学性能 1、气体通过填料层的压强降、气体通过填料层的压强降 载点载点泛点泛点恒持液恒持液量区量区载液区载液区液泛区液泛区2024/7/122024/7/122、压降的计算、压降的计算埃克特通用关联图埃克特通用关联图100.011.00.10.060.040.020.20.40.6234680.0010.010.10.080.060.020.040.80.0061.00.0020.0080.0040.60.40.24050200015020030040050010001001500整砌拉西环泛点线整砌拉西环泛点线散堆填料泛点线散堆填料泛点线p/z2024/7/123、润湿性能、润湿性能液体的喷淋密度：液体的喷淋密度：单位时间在单位塔截面上喷淋的液体体积。单位时间在单位塔截面上喷淋的液体体积。润湿速率：润湿速率：在塔的截面上，单位长度的填料周边上液体的体在塔的截面上，单位长度的填料周边上液体的体积流量。积流量。泛点率泛点率：塔内操作气速与泛点气速的比值，一般要求在塔内操作气速与泛点气速的比值，一般要求在0.50.8。2024/7/124、填料塔的持液量、填料塔的持液量 在一定的操作条件下，单位体积填料层内的液体体积。在一定的操作条件下，单位体积填料层内的液体体积。静持液量静持液量：填料表面被充分润湿后，在静止状态下能附着在填料表面被充分润湿后，在静止状态下能附着在 填料表面的液体体积填料表面的液体体积。总持液量总持液量：在一定操作条件下，单位体积填料层中液体总体积。在一定操作条件下，单位体积填料层中液体总体积。动持液量动持液量：总持液量与静持液量间的差值。总持液量与静持液量间的差值。5、气体动能因子、气体动能因子定义式：定义式：气体动能因子是填料塔重要的操作参数。气体动能因子是填料塔重要的操作参数。2024/7/121、塔径、塔径 填料塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算填料塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算式中：式中：Vs操作条件下气体体积流量，操作条件下气体体积流量，m3/s；u操作条件下的空塔气速，操作条件下的空塔气速，m/s。一般取一般取u=(0.50.8)uF。对对一一定定气气体体负负荷荷，计计算算塔塔径径关关键键在在于于空空塔塔泛泛点点气气速速的的求求取取。当当缺缺乏乏实实测测数数据据时时，泛泛点点气气速速uF 可可用用埃埃克克特特(Eckert)压压降降关关联图估算。一般填料塔的操作气速大致在联图估算。一般填料塔的操作气速大致在0.21.0m/s。按按上上式式算算出出的的塔塔径径，应应按按压压力力容容器器公公称称直直径径进进行行圆圆整整，如如圆圆整为整为600、800、1000、1200mm等。等。四、填料塔塔径与塔高的计算四、填料塔塔径与塔高的计算2024/7/12验验算算液液体体喷喷淋淋密密度度，以以确确保保填填料料能能得得到到充充分分的的润润湿湿。填填料料塔塔的液体最小喷淋密度与填料的比表面积的液体最小喷淋密度与填料的比表面积 有关，其关系为：有关，其关系为：式中：式中：Umin最小喷淋密度，最小喷淋密度，m3/(m2 s)；(Lw)min最小润湿速率，最小润湿速率，m3/(m s)。最最小小润润湿湿速速率率：在在塔塔横横截截面面上上，单单位位长长度度的的填填料料周周边边上上润润湿湿填料所需最少液体的体积流量。填料所需最少液体的体积流量。直直径径45mm的环形填料，的环形填料，(Lw)min=0.12m3/(m h)。实实际际喷喷淋淋密密度度应应大大于于最最小小喷喷淋淋密密度度。若若不不能能满满足足此此条条件件，可可采采用用增增大大回回流流比比或或液液体体再再循循环环等等方方法法加加大大塔塔内内液液体体流流量量，或或适当提高气速，减小塔径等。适当提高气速，减小塔径等。2024/7/12取决于所需的取决于所需的填料层高度填料层高度及及塔内附属构件塔内附属构件所需的高度。所需的高度。附附属属构构件件(如如气气液液分分布布装装置置，除除沫沫器器及及液液体体再再分分布布器器等等)的的高高度要由所选的类型和计算的尺寸来确定。度要由所选的类型和计算的尺寸来确定。填料层的高度通常采用填料层的高度通常采用传质单元法传质单元法或或等板高度法等板高度法进行计算。进行计算。等等板板高高度度(HETP)：等等价价为为一一层层理理论论板板的的填填料料层层高高度度。等等板板高度的大小，反映了填料传质效率的高低。高度的大小，反映了填料传质效率的高低。等板高度一般由实验测定，或取生产设备的经验数据。等板高度一般由实验测定，或取生产设备的经验数据。若完成分离任务所需的理论板数为若完成分离任务所需的理论板数为N，则填料层高度则填料层高度h 为为2、塔高、塔高 2024/7/12默里奇默里奇(Murch)等板高度经验公式等板高度经验公式 GG 气体的空塔质量速度，气体的空塔质量速度，kg/(m2 h)；相对挥发度；相对挥发度；D塔径，塔径，m；L液液体体粘粘度度，mPa s；Z分分段段填填料料层层高高度度，m；L液体的密度，液体的密度，kg/m3；A,B,C 常数，取决于填料类型及尺寸。常数，取决于填料类型及尺寸。适用范围：适用范围：(1)常压操作，操作气速为泛点气速的常压操作，操作气速为泛点气速的2585%；(2)高回流比操作；高回流比操作；(3)相对挥发度不大于相对挥发度不大于4，组分扩散系数相近，组分扩散系数相近；(4)分分段段填填料料层层高高度度为为1.02.0m，塔塔径径为为0.10.8m，填填料料尺尺寸寸不大于塔径的不大于塔径的1/8。2024/7/12默里奇（默里奇（Murch）等板高度经验公式中的常数等板高度经验公式中的常数填料类型填料类型尺寸尺寸mmABC陶瓷拉西环陶瓷拉西环91.36104-0.341.2412.54.48104-0.241.24252.39103-0.101.24501.510301.24弧鞍弧鞍12.52.55104-0.451.11252.11103-0.141.11例例11-42024/7/12