x4气液传质设备ppt课件.ppt

2023/1/3,第四章 气液传质设备,1,第四章 气液传质设备,4.1 板式塔4.2 填料塔4.3 填料塔与板式塔的比较本章总结联系图工程案例,2023/1/3,第四章 气液传质设备,2,蒸馏和吸收虽原理不同，但从传质角度讲，有共同特点，即气液两相要密切接触，接触后两相要及时分离。因此，蒸馏和吸收可在相同的设备内进行，此设备即为气液传质设备。气液传质设备中，典型的是塔设备。在塔设备内，液体靠重力作用自上而下流动，气相自下而上流动，两者逆流接触。从结构上分，塔设备分板式塔和填料塔。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,3,4.1 板式塔plate towers,4.1.1 板式塔的结构4.1.2 塔板的类型及性能评价4.1.3 板式塔的流体力学性能与操作特性4.1.4 板式塔的设计,2023/1/3,第四章 气液传质设备,4,4.1 板式塔,4.1.1 板式塔的结构逐级接触式，内装塔板，气液传质在板上液层空间内进行；两相的组成沿塔高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相为连续相，气相为分散相。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,5,溢流堰Weir：维持塔板上一定高度的液层，以保证在塔板上气液两相有足够的接触面积；降液管Downcomer：作为液体从上层塔板流至下层塔板的通道。板式塔特点：生产能力大，塔板效率稳定，操作弹性大，造价低，检修、清洗方便。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,6,板式塔的设计意图,1、在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，以减小传质阻力；2、在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供较大的传质推动力。板式塔：总体上气液呈逆流流动；每块塔板上呈均匀错流。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,7,4.1.2 塔板的类型及性能评价,4.1.2.1 塔板类型塔板分为有降液管式塔板Plate With downcomer（也称溢流式塔板或错流式塔板）：气液两相呈错流方式接触，其塔板效率高，具有较大的操作弹性，使用广泛。无降液管式塔板Plate Without downcomer（也称穿流式塔板或逆流式塔板）：气液两相呈逆流接触，其板面利用率高，生产能力大，结构简单，但效率较低，操作弹性小，应用较少。本节只讨论有降液管式塔板。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,8,4.1.2 塔板的类型及性能评价,1.泡罩塔板Bubble-cap tray 泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其结构如图所示，它主要由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有80、100、150mm三种尺寸，可根据塔径的大小选择。泡罩的下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,9,2023/1/3,第四章 气液传质设备,10,操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,11,泡罩塔板的优点是操作弹性较大，塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价高，板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代，在新建塔设备中已很少采用。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,12,2.筛孔塔板Sieve or perforated tray筛孔塔板简称筛板，其结构如图示。塔板上开有许多均匀的小孔，孔径一般为38mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,13,操作时，气体经筛孔分散成小股气流，鼓泡通过液层，气液间密切接触而进行传热和传质。在正常的操作条件下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,14,筛板的优点是结构简单、造价低，板上液面落差小，气体压降低，生产能力大，传质效率高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。应予指出，筛板塔的设计和操作精度要求较高，过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板塔的操作非常精确，故应用日趋广泛。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,15,3.浮阀塔板Valve tray结构特点：塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片的阀腿，可限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片的定距片，可防止阀片与板面的粘结。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,16,操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，开度增大，使气速不致过大。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,17,浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,18,三种塔板的比较:,1.生产能力：筛板 浮阀 泡罩；2.压降：泡罩 浮阀 筛板；3.操作弹性：浮阀 泡罩 筛板；4.造价：泡罩 浮阀 筛板；5.板效率：浮阀、筛板相当 泡罩。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,19,4.喷射型塔板上述几种塔板，气体是以鼓泡或泡沫状态和液体接触，当气体垂直向上穿过液层时，使分散形成的液滴或泡沫具有一定向上的初速度。若气速过高，会造成较为严重的液沫夹带，使塔板效率下降，因而生产能力受到一定的限制。为克服这一缺点，近年来开发出喷射型塔板，大致有以下几种类型。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,20,（1）舌型塔板tongue plate舌型塔板的结构如图所示，在塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，有18、20、25三种（一般为20），舌片尺寸有5050mm和2525mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管，降液管截面积要比一般塔板设计得大些。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,21,操作时，上升的气流沿舌片喷出，其喷出速度可达2030m/s。当液体流过每排舌孔时，即被喷出的气流强烈扰动而形成液沫，被斜向喷射到液层上方，喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中，流到下一层塔板。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,22,舌型塔板的优点是：生产能力大，塔板压降低，传质效率较高；缺点是：操作弹性较小，气体喷射作用易使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，从而降低塔板效率。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,23,（2）浮舌塔板Float tongue plate如图所示，与舌型塔板相比，浮舌塔板的结构特点是其舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，具有处理能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适宜于热敏性物系的减压分离过程。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,24,（3）斜孔塔板斜孔塔板的结构如图所示。在板上开有斜孔，孔口向上与板面成一定角度。斜孔的开口方向与液流方向垂直，同一排孔的孔口方向一致，相邻两排开孔方向相反，使相邻两排孔的气体向相反的方向喷出。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,25,由于相邻两排孔的气体向相反的方向喷出。这样，气流不会对喷，既可得到水平方向较大的气速，又阻止了液沫夹带，使板面上液层低而均匀，气体和液体不断分散和聚集，其表面不断更新，气液接触良好，传质效率提高。斜斜孔塔板的生产能力比浮阀塔板大30%左右，效率与之相当，且结构简单，加工制造方便，是一种性能优良的塔板。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,26,4.1.2.2 塔板的性能评价,1.生产能力大，即单位塔截面积上气体和液体的通量大；2.分离效率高，即完成一定的分离任务所需的板数少；3.阻力小，压降低，即气体通过单板的压降低，能耗低，对于精馏系统可降低釜温，尤其适用于热敏性物系的分离；4.操作弹性大，即当操作的气液流量发生波动时仍能维持板效率的稳定；5.满足工业对生产设备的一般要求，即结构简单、造价低、安装维修方便等。常见塔板的性能比较见P237表4-2。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,27,4.1.3 板式塔的流体力学性能与操作特性,4.1.3.1 板式塔的流体力学性能1.塔板上气液两相的接触状态塔板上气液两相的接触状态是决定板上两相流流体力学及传质和传热规律的重要因素。如图所示，当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现三种典型的接触状态。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,28,（1）鼓泡接触状态当气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。特点：液体为连续相，气体为分散相；传质在气泡表面进行；湍动程度低，传质阻力大。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,29,（2）泡沫接触状态当气速继续增加，气泡数量急剧增加，并且扰动十分剧烈，在板上只能看到较薄的一层液体。由于泡沫接触状态的表面积大，并不断更新，为两相传热与传质提供了良好的条件，是一种较好的接触状态。特点：液体为连续相，气体为分散相；传质在不断更新的液膜表面进行；湍动程度高，接触面积大，传质阻力小。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,30,（3）喷射接触状态气速继续增加，由于气体动能很大，把板上的液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用又落回到板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。特点：气体为连续相，液体为分散相；传质在不断更新的液滴表面进行因液滴不断形成和聚集，因此传质面积大大增加。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,31,如上所述，泡沫接触状态和喷射状态均是优良的塔板接触状态。因喷射接触状态的气速高于泡沫接触状态，故喷射接触状态有较大的生产能力，但喷射状态液沫夹带较多，若控制不好，会破坏传质过程，所以多数塔均控制在泡沫接触状态下工作。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,32,2.气体通过塔板的压降,气体通过塔板的压降（塔板的总压降）pp包括：塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力）板上充气液层的静压力液体的表面张力。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,33,塔板压降是影响板式塔操作特性的重要因素。塔板压降增大，一方面塔板上气液两相的接触时间随之延长，板效率升高，完成同样的分离任务所需实际塔板数减少，设备费降低；另一方面，塔釜温度随之升高，能耗增加，操作费增大，若分离热敏性物系时易造成物料的分解或结焦。因此，进行塔板设计时，应综合考虑，在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。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,34,影响塔板压降pp的因素：,气量 pp 液量 pp 开孔率u0 pp 孔径 pp 板上清液层高度 pp 液体表面张力 pp,2023/1/3,第四章 气液传质设备,35,3.塔板上的液面落差,产生原因：液体在塔板上横向流动时要克服流动阻力（摩擦阻力、形体阻力）。不良后果：液面落差会导致气流分布不均，从而造成漏液现象，使板效率下降。影响因素：塔结构复杂、塔径、流量液面落差,2023/1/3,第四章 气液传质设备,36,4.1.3.2 板式塔的操作特性,1.气液两相非理想流动状态（1）气相、液相同主流方向相反的流动。表现在：液沫夹带excessive entraining：指部分液滴随上升的气流一切返回到上层塔板，即液体的方向流动。产生原因：气速，板间距HT不良后果：（1）降低板效;（2）将不挥发性物质逐板送至塔顶造成产品污染;（3）严重时造成液泛。气泡夹带：液体在降液管中停留时间过短，气泡来不及解脱，而被液体卷入下层塔板。产生原因：降液管太小，停留时间短,2023/1/3,第四章 气液传质设备,37,（2）气相、液相不均匀流动液体：流动速度不均匀，中间块，两边慢。气体：液面落差和液层波动，引起气体分布不均匀。液层厚，阻力大，汽速小；,2023/1/3,第四章 气液传质设备,38,2.塔板上的异常操作现象,（1）漏液weeping当气体通过塔板的速度较小时，气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下时，便会出现漏液现象。不良后果：降低板效率，严重时使板上不能积液。产生原因：气速过小，或气体分布严重不均、液体分布严重不均。改进措施：在塔板液体入口处留出一条不开孔的区域，称为安定区，使漏液量不大于液体流量的10%。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,39,（2）液泛flooding塔板正常操作时，在板上维持一定厚度的液层，以和气体进行接触传质。如果由于某种原因，导致液体充满塔板之间的空间，使塔的正常操作受到破坏，这种现象称为液泛。液泛时的气速称为泛点气速，正常操作气速应控制在泛点气速之下。产生原因：气体流量过大，产生了过量的液沫夹带；液体负荷过大，降液管的截面积不够。不良后果：塔压力降急剧增大、板效急剧减小、是不正常操作现象之一,2023/1/3,第四章 气液传质设备,40,当塔板上液体流量很大，上升气体的速度很高时，液体被气体夹带到上一层塔板上的量剧增，使塔板间充满气液混合物，最终使整个塔内都充满液体，这种由于液沫夹带量过大引起的液泛称为夹带液泛。当降液管内液体不能顺利向下流动时，管内液体必然积累，致使管内液位增高而越过溢流堰顶部，两板间液体相连，塔板产生积液，并依次上升，最终导致塔内充满液体，这种由于降液管内充满液体而引起的液泛称为降液管液泛。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,41,3.塔板的负荷性能图Capacity graph,影响板式塔操作状况和分离效果的主要因素为物料性质、塔板性质及气液负荷。对一定的塔板结构，处理固定的物系时，其操作状况便随气液负荷而变。要维持塔板正常操作，必须将塔内的气、液负荷波动控制在一定范围内。以气相负荷V为纵标，以液相负荷L为横标，标绘在直角坐标系中得负荷性能图。它对检验塔的设计是否合理，了解塔的操作状况及改进塔板操作弹性具有一定的指导意义。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,42,线 1为漏液线，可根据漏液点气速确定，若气液负荷位于此线下方，表明漏液已使塔板效率大幅度下降；,2023/1/3,第四章 气液传质设备,43,线2为液沫夹带线，通常以Kg液/Kg干空气为依据确定，气液负荷位于该线上方，表示液沫夹带过量，已不宜采用；,2023/1/3,第四章 气液传质设备,44,线3为液相负荷下限线，液量小于该下限，板上液体流动严重不均匀而导致板效率急剧下降；,2023/1/3,第四章 气液传质设备,45,线4为液相负荷上限线，若液量超过此上限，液体在降液管内停留时间过短，液流中的气泡夹带现象大量发生，以致出现溢流液泛。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,46,线5为溢流液泛线，可根据溢流液泛的产生条件确定，若气液负荷位于此线上方，塔内将出现溢流液泛；,2023/1/3,第四章 气液传质设备,47,说明,操作弹性：上、下限操作极限的气体流量之比称为塔板的操作弹性，操作弹性越大的塔越好，一般要求大于23。板型不同，负荷性能图中所包括的边界线也有所不同。同一板型但设计不同，线的相对位置也会不同。过原点，斜率为V/L的直线称操作线,2023/1/3,第四章 气液传质设备,48,说明,设计时，适当调整塔板结构参数，使操作点尽量位于操作区的中央；若操作点紧靠某一条边界线，则负荷稍有变动，塔的正常操作即被破坏。对设计和操作的指导意义：分析操作状况是否合理，若不合理，为问题的解决提供依据。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,49,4.1.4 板式塔的设计,设计内容：板型：筛板、浮阀等 板上液流型式：单流、双流等 板间距HT 塔径D 板上结构：开孔情况、溢流装置结构设计方法：,若流体力学性能不好，则调整相应结构参数,根据经验选定一些结构参数,设计其他参数,校核各项流体力学性能,2023/1/3,第四章 气液传质设备,50,设计步骤：,1.根据生产任务和分离要求，确定塔径、塔高等工艺尺寸；2.进行塔板设计，包括溢流装置的设计、塔板的布置、升气道（泡罩、筛孔或浮阀等）的设计及排列；3.进行流体力学验算；4.绘制塔板的负荷性能图；5.根据负荷性能图，对设计进行分析，若设计不够理想，可对某些参数进行调整，重复上述设计过程，直至满意。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,51,具体内容：,1.塔高的计算式中：NP实际板层数，不含釜。HT板间距，m，经验值范围见P180表4-3。2.塔径的计算说明（1)精馏段和提馏段的塔径分别计算；,2023/1/3,第四章 气液传质设备,52,（2）空塔气速u的计算空塔气速的上限由严重的液沫夹带或液泛决定，下限由漏液决定，适宜的空塔气速应介于二者之间。设计时，一般依据产生严重液沫夹带时的气速来确定，该气速称为极限空塔气速以Umax表示。极限空塔气速Umax可依据悬浮液滴沉降原理导出。其结果为：式中：C负荷因子，与气液负荷、物性、塔板结构有关，一般由实验测定。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,53,查P181图4-13,得C20,然后按下式进行校正：,2023/1/3,第四章 气液传质设备,54,（3)塔径进行圆整：1m以下，一般间隔100mm，1m以上，一般间隔200mm。3.溢流装置的设计（略）4.塔板布置（略）5.流体力学验算（略）,2023/1/3,第四章 气液传质设备,55,4.2 填料塔packed towers,4.2.1 填料塔的结构与特点4.2.2 填料的类型及性能评价4.2.3 填料塔的流体力学性能4.2.4 填料塔的内件4.2.5 填料塔的设计,2023/1/3,第四章 气液传质设备,56,4.2.1 填料塔的结构与特点,1.填料塔的结构填料层：提供气液接触的场所。液体分布器：均匀分布液体，以避免发生沟流现象。液体再分布器：避免壁流现象发生。支撑板：支撑填料层，使气体均匀分布。除沫器：防止塔顶气体出口处夹带液体。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,57,气体从塔底送入，液相从塔顶进入，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。因壁流现象的存在，故需设置再分布装置。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,58,2.填料塔的特点(与板式塔相比)优点：生产能力大。填料塔内件开孔率大，空隙率大，液泛点高。分离效率高。填料塔每米理论级远大于板式塔，尤其在减压及常压条件下。压降小。空隙率高，阻力小。持液量小。操作弹性大。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,59,2.填料塔的特点(与板式塔相比)缺点：填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,60,4.2.2 填料的类型及性能评价,填料作用提供气液接触面积；强化气体湍动，降低气相传质阻力；更新液膜表面，降低液相传质阻力。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,61,4.2.2 填料的类型及性能评价,4.2.2.1 填料（packings）的类型1.分类按填料形状分：实体填料网体填料按填料的装填方式分：散装填料规整填料,按材质分：金属填料塑料填料陶瓷填料石墨填料,2023/1/3,第四章 气液传质设备,62,2.常用的几种填料拉西环(Rasching ring)：拉西环是工业上最早使用的一种填料，为外径与高度相等的圆环，通常由陶瓷或金属材料制成。拉西环结构简单，制造容易，但堆积时相邻环间易形成线接触，填料层的均匀性差，因而存在严重的向壁偏流和沟流现象，致使传质效率低。而且流动阻力大，操作范围小。其改善方面有形、十字格形的拉西环。,拉西环,环,2023/1/3,第四章 气液传质设备,63,鲍尔环(pall ring)：鲍尔环是在拉西环的壁上开一层或两层长方形窗口，窗孔的母材两层交错地弯向环中心对接。这种结构使填料层内气、液分布性能大为改善，尤其是环的内表面得到充分利用。与同样尺寸的拉西环相比，鲍尔环的气液通量可提高50%，而压降仅为其一半，分离效果也得到提高。其改进为阶梯形鲍尔环，圆筒部分的一端制成喇叭口形状。这样填料间呈现点接触，床层均匀且空隙率大，与鲍尔环相比气体阻力减少25%，生产能力提高10%。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,64,阶梯环：鲍尔环基础上改造得出的。环壁上开有窗孔，其高度为直径的一半。由于高径比的减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了阻力。喇叭口一边，不仅增加机械强度，而且使填料之间为点接触，有利于液膜的汇集与更新，提高了传质效率。目前所使用的环型填料中最为优良的一种。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,65,弧鞍型(berl saddle)：表面全部敞口，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流动呈弧形，气体阻力小。但两面对称有重叠现象，容易产生沟流。强度差，易破碎。应用较少。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,66,矩鞍型(intolox saddle)：矩鞍形填料结构不对称，堆积时不重叠，均匀性更高。该填料气流阻力小，处理能力大，性能虽不如鲍尔环好，但构造简单，是一种性能优良的填料。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,67,环矩鞍(Intalox)：兼具环型、鞍型填料的优点。敞开的侧壁有利于气体和液体通过，减少了填料层内滞液死区。填料层内流体孔道增多，使气液分布更加均匀，传质效率得以提高。一般采用金属材质，机械强度高。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,68,球型：球体为空心，气体和液体从其内部经过。由于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不易产生空穴和架桥，故气液分散性能好。常采用塑料材质。一般用于特定场合，工程上应用较少。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,69,格栅填料：以条状单元体经一定规则组合而成，其结构随条状单元体的形式和组合规则而变，具有多种结构形式。特点是比表面积较低，主要用于低压降、大负荷、防堵的场合。,木格栅填料,格里奇格栅填料,2023/1/3,第四章 气液传质设备,70,波纹填料：波纹填料是由许多层波纹薄片组成，各片高度相同但长短不等，搭配组合成圆盘状，填料波纹与水平方向成45倾角，相邻两片反向重叠使其波纹互相垂直。圆盘填料块水平放入塔内，相邻两圆盘的波纹薄片方向互成90角。波纹填料因波纹薄片的材料与形状不同分成板波纹填料和网波纹填料。板波纹填料可由陶瓷、塑料、金属、玻璃钢等材料制成。填料的空隙率大，阻力小，流体通量大、效率高，而且制造方便、价格低，正向通用化、大型化方向发展。,金属丝网波纹填料,金属孔板波纹填料,2023/1/3,第四章 气液传质设备,71,脉冲填料：是由带缩颈的中空棱柱形单体，按一定方式拼装而成的一种规则填料。脉冲填料组装后，会形成带锁颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动，在缩颈处，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质，在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。特点是处理量大，压降小。适用于真空精馏，大塔径场合。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,72,4.2.2.2 填料的性能评价,1.填料的几何特性（1）比表面积Specific surface area：单位体积填料层具有的填料表面积，m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大，愈有利于传质。是评价填料性能优劣的重要指标。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,73,4.2.2.2 填料的性能评价,说明操作中有部分填料表面不被润湿，以致比表面积中只有某个分率的面积才是润湿面积。据资料介绍，填料真正润湿的表面积只占全部填料表面积的2050%。有的部位填料表面虽然润湿，但液流不畅，液体有某种程度的停滞现象。这种停滞的液体与气体接触时间长，气液趋于平衡态，在塔内几乎不构成有效传质区。为此，须把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,74,（2）空隙率Porosity or void fraction：单位体积填料层具有的空隙体积，m3/m3。值大则气体通过填料层的阻力小，故值以高为宜。重要指标。对于乱堆填料，当塔径与填料尺寸之比大于8时，因每个填料在塔内的方位是随机的，填料层的均匀性较好，这时填料层可视为各向同性，填料层的空隙率就是填料层内任一横截面的空隙截面分率。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,75,（3）填料因子Packing factor：比表面积与空隙率三次方的比值，/3称为干填料因子，1/m，它反映特定结构和尺寸填料的综合流体力学性能。当填料被液体润湿后，a与均发生相应的变化，此时的/3称为湿填料因子，表示实际操作时填料的流体力学特性，其值由实验测定。填料因子值小表示流动阻力小，液泛速度可以提高。（4）堆积密度p：单位体积填料的质量，以表示，kg/m3。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄以减小堆积密度，这样既增大了空隙率又降低成本。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,76,（5）个数n：单位体积填料层具有的填料个数。根据计算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料的n值，即可确定塔内需要的填料数量。一般要求塔径与填料尺寸之比D/d8（此比值在815之间为宜），以便气、液分布均匀。若D/d8，在近塔壁处填料层空隙率比填料层中心部位的空隙率明显偏高，会影响气液的均匀分布。若D/d值过大，即填料尺寸偏小，气流阻力增大。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,77,2.填料的性能评价填料性能的优劣常根据效率、通量及压降三要素衡量。相同条件下，比表面积愈大，气液分布愈均匀，表面的润湿性能愈优良，传质效率愈高；空隙率愈大，则通量愈大，压降也愈低。常用填料综合性能评价见P269表4-5。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,78,4.2.3 填料塔的流体力学性能,包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。1.填料层的持液量指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以(m3液体)/(m3填料)表示。持液量分为静持液量Hs、动持液量Ho和总持液量Ht。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,79,静持液量Hs是指当填料被充分润湿后，停止气液两相进料，并经排液至无滴液流出时存留于填料层中的液体量，其取决于填料和流体的特性，与气液负荷无关。动持液量H0是指填料塔停止气液两相进料时流出的液体量，它与填料、液体特性及气液负荷有关。总持液量是指在一定操作条件下存留于填料层中的液体总量。显然，总持液量为静持液量和动持液量之和，即,2023/1/3,第四章 气液传质设备,80,填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,81,2.填料层的压降在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,82,将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降P/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸上，可得到如图示的线群。直线0表示无液体喷淋（L=0）时，干填料dry packing P/Zu关系，称为干填料压降线，直线，斜率为1.82.0。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,83,曲线1、2、3表示不同液体喷淋量下，填料层的P/Zu关系，称为填料操作压降线，折线，存在两转折点，下转折点称“载点Loading point”，上转折点称“泛点Flooding point”。这两个点将P/Zu线群分成三个区段，即恒持液量区、载液区和液泛区。,载点,泛点,恒持液量区,载液区,液泛区,2023/1/3,第四章 气液传质设备,84,恒持液量区气速较低时，液体向下流动不受气流的影响，填料表面上覆盖的液膜厚度基本不变，因而填料层的持液量不变。在同一空塔气速下，由于湿填料层内所持液体量占据一定空间，故使气体的真实速度较通过干填料层的速度高，因而压降也大，此时P/Zu位于干填料压降线的左侧，且二者平行。,载点,泛点,恒持液量区,载液区,液泛区,2023/1/3,第四章 气液传质设备,85,载液区气速增大，气体对液膜流动产生阻滞作用，使液膜增厚，填料层的持液量随气速的增加而增大，此现象称为拦液。开始发生拦液现象时的空塔气速称为载点气速，超过载点后，曲线斜率大于2。,载点,泛点,恒持液量区,载液区,液泛区,2023/1/3,第四章 气液传质设备,86,液泛区气速继续增大，由于液体不能顺利向下流动，使填料层的持液量不断增大，填料层内几乎充满液体。气速增加很小便会引起压降的剧增，此现象称为液泛，开始发生液泛现象时的气速称为泛点气速，以uF表示。此区域内曲线斜率可达10以上。,载点,泛点,恒持液量区,载液区,液泛区,2023/1/3,第四章 气液传质设备,87,3.液泛在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,88,填料特性的影响集中体现在填料因子上。填料因子值越小，泛点气速越大，即越不易发生液泛现象。流体物性的影响体现在气体密度V、液体的密度L和粘度L上。气体密度越小，液体的密度越大、粘度越小，则泛点气速越大。操作的液气比愈大，则在一定气速下液体喷淋量愈大，填料层的持液量增加而空隙率减小，故泛点气速愈小。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,89,4.液体喷淋密度和填料表面的润湿填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/(m2h)。为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,90,最小润湿速率(LW)min是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算，也可采用经验值。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW)min为0.08 m3/（mh）；对于直径大于 75mm的散装填料，取(LW)min=0.12 m3/（mh）。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,91,填料表面润湿性能与填料的材质有关，就常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言，以陶瓷填料的润湿性能最好，塑料填料的润湿性能最差。实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采用增大回流比或采用液体再循环的方法加大液体流量，以保证填料表面的充分润湿；也可采用减小塔径予以补偿；对于金属、塑料材质的填料，可采用表面处理方法，改善其表面的润湿性能。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,92,5返混在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同程度的返混。造成返混现象的原因很多，如：填料层内的气液分布不均；气体和液体在填料层内的沟流；液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动；塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。填料塔内流体的返混使得传质平均推动力变小，传质效率降低。因此，按理想的活塞流设计的填料层高度，因返混的影响需适当加高，以保证预期的分离效果。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,93,4.2.4 填料塔的内件,1.填料支承装置Packing support：主要用途是支承塔内的填料，同时又能保证气液两相顺利通过。若设计不当，填料塔的液泛可能首先在填料支承装置上发生。对填料支承装置的要求：对于普通填料，支承装置的自由截面积应不低于全塔面积的50%，并且要大于填料层的自由截面积；具有足够的机械强度、刚度；结构要合理，利于气液两相均匀分布，阻力小，便于拆装。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,94,2.填料压紧装置安装在填料层上端。作用是保持填料层为一高度固定的床层，从而保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，防止在高压降、瞬时负荷波动等情况下，填料层发生松动或跳动。分为：填料压板。自由放置于填料上端，靠自身重量将填料压紧。适用于陶瓷、石墨材质的散装填料。床层限制板。固定在填料上端。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,95,2023/1/3,第四章 气液传质设备,96,3.液体分布装置Liquid distributor填料塔操作要求液体沿同一塔截面均匀分布。为使液流分布均匀，液体在塔顶的初始分布须均匀。经验表明，对塔径为0.75m以上的塔，每平方米塔横截面上应有4050个喷淋点；对塔径在0.75m以下的塔，喷淋点密度集至少应为160个/m2塔截面。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,97,4.液体收集及再分布装置Liquid redistributor作用是减小壁流现象。壁流现象：在乱堆填料层内存在的液体逐渐流向塔壁的现象。在填料层内每隔一定高度设置液体再分布装置。对拉西环填料，再分布器的距离约为塔径的253倍，对鲍尔环及鞍形等较好填料约为塔径的510倍，但通常不应超过6m。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,98,5.除沫装置当塔内操作气速较大或液沫夹带现象严重时，可在液体分布器的上方设置除沫装置，主要用途是除去出口气流中的液滴。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,99,4.2.5 填料塔的设计,填料塔的设计计算主要包括塔径和塔高的计算，是在物料衡算、热量衡算以及吸收剂种类和用量确定的基础上进行。1.填料的选择选择填料的主要依据是比表面积要大，空隙率大，堆积密度小，机械强度和稳定性好，以及价格便宜等。其大小规格的选取一般为：D300mm时，选用25mm填料；300D900mm时，选用3850mm填料；D900mm时，选用50mm以上填料。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,100,2.塔径的计算,根据所选填料，气液两相流量和物性，由埃克特通用关联图(P207图4-33)求取泛点气速uF(空塔气速的其它计算方法见P208)；选取空塔气速u=(0.50.8)uF(气相动能因子法和气相负荷因子法不需此步)；计算塔径D，并根据塔径标准进行圆整。一般塔径标准为300、400、500、600、800、1000，1200，1400等(单位mm)，选取适当的塔径。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,101,校核(1)泛点率。计算实际空塔气速u=4Vs/(D2)，并按照泛点率=u/uF，核算其是否在5080%范围之内，否则需调整塔径；(2)塔径与填料尺寸之比。一般要求应使D/d815。(3)液体喷淋密度。为了保证液体喷淋量能完全润湿填料层截面，通常要求液体喷淋密度U大于最小喷淋密度Umin的(25)倍以上。即：(4)每米填料层压降p/Z。P283公式4-39&4-40，一般p/Z应控制在500Pa以内。,2023/1/3,第四章 气液传质设备,102