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1、第十一章 气液传质设备 Chapter 11 Mass Transfer Equipments,第十一章 气液传质设备 Chapter 11 Mass Transfer Equipments,概述（Introduction）,概述（Introduction）,气液传质设备的基本功能：形成气液两相充分接触的相界面，使质、热的传递快速有效地进行，接触混合与传质后的气、液两相能及时分开，互不夹带等。,气液传质设备的分类：气液传质设备的种类很多，按接触方式可分为连续（微分）接触式（填料塔）和逐级接触式（板式塔）两大类，在吸收和蒸馏操作中应用极广 。,填料塔,填料塔,在圆柱形壳体内装填一定高度的填料，液
2、体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出；气体则在压强差推动下穿过填料层的空隙，由塔的一端流向另一端。气液在填料表面接触进行质、热交换，两相的组成沿塔高连续变化。,散装填料 塑料鲍尔环填料,规整填料 塑料丝网波纹填料,板式塔,板式塔,在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层；气体则在压强差的推动下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。,DJ 塔盘,新型塔板、填料,填料塔和板式塔的主
3、要对比,填料塔和板式塔的主要对比,填料塔和板式塔都可用于吸收或蒸馏操作，不同的使用场合需根据各自的特点或优缺点进行综合比较与选择。,从填料塔和板式塔主要的对比情况可以看出，新型填料及规整填料塔显示出了较强的竞争力。,塔型选择,塔型选择,过去，塔径在0.60.7米以上的塔，一般优先选用板式塔。 近年来，随着低压降高效率轻材质填料的不断开发，许多大塔也开始采用各种新型填料作为传质构件，显示了明显的优越性。,（1）生产能力 即为单位时间单位塔截面上的处理量； （2）分离效率 对板式塔指每层塔板的分离程度；对填料塔指单位高度填料层所达到的分离程度； （3）操作弹性 指在负荷波动时维持操作稳定且保持较高
4、分离效率的能力，通常以最大气速负荷与最小气速负荷之比表示； （4）压强降 指气相通过每层塔板或单位高度填料的压强降； （5）结构繁简及制造成本。 实际应用中，上述各项指标的重要性和优选顺序因其具体情况的差异而会有所不同。,选择塔型或进行塔设备评价，主要需考虑以下几个方面的 基本性能指标：,板式塔 Plate (tray) tower,板式塔 Plate (tray) tower,塔板类型,塔板是板式塔的基本构件，对塔的基本性能有着决定性作用。,溢流塔板（错流式塔板）：塔板间有专供液体溢流的降液管（也称溢流管），横向流过塔板的流体与由下而上穿过塔板的气体呈错流或并流流动。板上液体的流径与液层的高
5、度可通过适当安排降液管的位置及堰的高度给予控制，从而可获得较高的板效率，但降液管将占去塔板的传质有效面积，影响塔的生产能力。,有降液管的溢流式塔板应用很广，按塔板的具体结构形式可分为：泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、网孔塔板、舌形塔板等等。,塔板类型,塔板类型,逆流塔板（穿流式塔板）：塔板间没有降液管，气、液两相同时由塔板上的孔道或缝隙逆向穿流而过，板上液层高度靠气体速度维持。这种塔板结构简单，板上无液面差，板面充分利用，生产能力较大，但板效率及操作弹性通常不及溢流塔板。,与溢流式塔板相比，逆流式塔板应用范围小得多，常见的板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。,泡罩塔板（ Bubble-cap Tr
6、ay ）,泡罩塔板（ Bubble-cap Tray ）,泡罩塔板是最早（1813年）在工业上应用的一种塔板，其主要元件由升气管和泡罩构成，泡罩安装在升气管顶部，泡罩底缘开有若干齿缝浸入在板上液层中，升气管顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。,操作时，液体横向通过塔板经溢流堰流入降液管。气体则沿升气管上升折流经泡罩齿缝分散进入液层，形成两相混合的鼓泡区。 由于有升气管，泡罩塔板即使在低气速下操作，也不致产生严重的漏液现象。 泡罩塔板操作稳定，弹性大，在工业生产中曾是一种广为应用的板型。其缺点是结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低，近几十年逐渐被筛孔塔板、浮阀塔板等所取代。,筛孔塔
7、板（ Sieve Tray ）,筛孔塔板（ Sieve Tray ）,筛孔塔板即筛板出现也较早（1830年），是结构最简单的一种板型。但由于早期对其性能认识不足，为易漏液、操作弹性小、难以稳定操作等问题所困，使用受到极大限制。 1950 年后开始对筛孔塔板进行较系统全面的研究，从理论和实践上较好地解决了有关筛板效率，流体力学性能以及塔板漏液等问题，获得了成熟的使用经验和设计方法，使之逐渐成为应用最广的塔板类型之一。,浮阀塔板（ Valve Tray）,浮阀塔板（ Valve Tray）,浮阀塔板自1950 年代问世后，很快在石油、化工行业得到推广并逐步取代了泡罩塔以及一些传统旧式塔板，至今仍为
8、应用最广的一种塔板。 浮阀塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板基础上开发的一种板型。有多种浮阀形式，但其结构的基本特点相似，即在塔板上按一定的排列开若干孔，孔的上方安置可以在孔轴线方向上下浮动的阀片。阀片可随上升气量的变化而自动调节开启度。在低气量时，开度小；气量大时，阀片自动上升，开度增大。因此，气量变化时，通过阀片周边流道进入液体层的气速较稳定。同时，气体水平进入液层也强化了气液接触传质。 浮阀塔具有结构简单，生产能力和操作弹性大，板效率高的优点，是一种综合性能较优异的板型。,浮阀塔板（ Valve Tray）,浮阀塔板（ Valve Tray）,F1型浮阀目前应用最普遍，其结构简单，易于制造，已为
9、定型产品。该浮阀的阀片带有三条腿，插入阀孔后将各腿底脚外翻 90，用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度；阀片周边有三块略向下弯的定距片，以保证阀片的最小开启高度。 F1型浮阀分轻阀和重阀。轻阀塔板漏液稍严重，除真空操作时选用外，一般均采用重阀。,JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板 Jet Co-flow Valve Tray）,JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板 Jet Co-flow Valve Tray）,JCV浮阀塔板阀笼与塔板固定，阀片在阀笼内上下浮动。它从根本上改变了传统浮阀塔板的传质机理，将单一鼓泡传质，变为双流传质，一部分为鼓泡、另一部分为喷射湍动传质，使塔的分离效率和生产能力都大
10、大提高。 该塔板可作为化工过程中的气液传质、换热设备。 JCV浮阀塔板具有结构简单、阀片开启灵活、高效、高通量、寿命长、耐堵塞的特点。,JCV浮阀 （改进型双流喷射浮阀）,普通型JCV浮阀,与塔板固定方法,JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板 Jet Co-flow Valve Tray）,JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板 Jet Co-flow Valve Tray）,低负荷下阀片工作状态,JCV浮阀塔板效率曲线,中负荷下阀片工作状态,高负荷下阀片工作状态,JCV浮阀阀片,JCV浮阀塔板,JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板 Jet Co-flow Valve Tray）,2400 JCV浮阀塔板,
11、1800 JCV浮阀塔板,JCPT塔板,JCPT塔板（并流喷射填料塔板 Jet Co-flow Packing Tray）,在板式塔的塔板上按一定的分布形式开设升气孔，在升气孔的上方安放传质单元体，气体从塔板下方以一定的气速通过升气孔，塔板上的液体通过提液管与塔板之间的间隙被气体提升，气液并流通过提液管，在提液管内高速湍动混合、传质，然后气液并流进入填料中进一步强化传质，并完成气液分离。气体靠压差继续上升，进入上一层塔板；液体基本以清液的形式回落到塔板上，沿流道进入降液管，下降到下一层塔板。,JCPT塔板的传质机理与普通塔板有着本质的区别，它是填料与塔板的复合体，靠填料实现传质，靠塔板实现多级
12、并流。,JCPT塔板的特点,JCPT塔板的特点,(1) 通量大，较浮阀塔板通量大50%100%以上。JCPT塔板上气液混合物并流通过提液管，从上部填料层流出，气液分离性能好，充分利用了塔板间空间，即使空塔气速大，其雾沫夹带量也较小；其次，塔板开孔较大(圆形孔约为100mm；方形孔约为70mmX80mm)，开孔率较高，一般为820%，即使空塔气速大，其板压降也较低；塔板上液体基本为清液，降液管不易液泛。 (2) 效率高。实验结果表明，JCPT塔板分离效率较浮阀塔板提高了10%以上；与新型垂直筛板塔相比，其效率比新型垂直筛板(New VST)高5%以上。其原因是提液管内液气比大，气液碰撞混合作用激
13、烈，填料提供了大的气液接触面积以及液流的再循环。 (3) 板压降低。与鼓泡型塔板相比，这种新型塔板具有较大的开孔与开孔率，气体处理量相同时，其干板压降小；同时，气体不穿过液层，只是把液体向上吹成液滴并通过填料层，所以湿板压降也不高。对比实验表明JCPT塔板的板压降较新型垂直筛板低8%，较浮阀塔板低30%。 (4) 操作弹性大，约为4。该塔板的操作范围主要受气速影响，受塔板液层高度的影响较小。在较高气速下操作时，其雾沫夹带量小、板压降也不高，而且漏液时的气速较低，所以在较大的气速范围内能维持稳定的高效率。 (5) 耐堵塞。由于这种新型塔板具有较大的开孔与开孔率，气液在提液管内高速并流，因此具有很
14、高的抗堵塞性。对于结焦、聚合、含固体颗粒的物系，塔板传质单元顶部的填料将采用大波纹填料、折板、大筛孔等结构取代，使塔板具有更好的耐堵塞性。 (6) 经济性。由于JCPT塔板具有高效和高通量的特点，将其用于新设计可大幅度缩小塔径，节省设备投资；用于老塔改造原降液管、塔圈可保持不变，只需更换塔板，可节约投资，缩短改造施工周期，节省施工费用。,JCPT塔板,JCPT塔板（并流喷射填料塔板 Jet Co-flow Packing Tray）,不同结构型式的JCPT塔板,舌形塔板,舌形塔板,1960年代提出的一种斜喷射型塔板。其结构简单，只需在塔板上冲出若干按一定排列的舌形孔即可，舌片向上张角 以20左
15、右为宜。,上升的气流沿舌片喷出并带动液体在同方向上流动。由于气液并流，气体推动液体前进，避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。 与气流垂直穿过液层的筛板和浮阀塔板相比，舌形塔板因气流方向近于水平。相同的液气比下，舌形塔板的液沫夹带量较小，故可达较高的生产能力。 因其张角固定，在气量较小时，经舌孔喷射的气速低，塔板漏液严重，操作弹性小。 由于液体在同一方向上不断被气体加速，有可能使液体在板上的停留时间太短、液层太薄，板效率降低，因而使用上受到限制。,舌形塔板,在舌形塔板上发展的斜孔塔板，舌孔的开口方向与液流垂直且相邻两排开孔方向相反，既保留了气体水平喷出、气液高度湍动的优点，又避免
16、了液体连续加速，可维持板上均匀的低液面，从而既能获得大的生产能力，又能达到好的传质效果。,斜孔塔板,舌形塔板,为使舌形塔板适应低负荷生产，提高操作弹性，研制出了可变气道截面（类似于浮阀塔板）的浮舌塔板。,网孔塔板,网孔塔板,网孔塔板由冲有倾斜开孔的薄板制成，具有舌形塔板的特点。这种塔板上装有倾斜的挡沫板，其作用是避免液体被直接吹过塔板，并提供气液分离和气液接触的表面。 网孔塔板具有生产能力大，压降低，加工制造容易的特点。,垂直筛板,垂直筛板（Vertical Sieve Tray ）,垂直筛板是在塔板上开有按一定排列的若干大孔（直径为100200mm），孔上设置侧壁开有许多筛孔的泡罩，泡罩底边留有间隙供液体进入罩内。,上升的气流将由泡罩底隙进入罩内的液体拉成液膜形成两相上升流动，经泡罩侧壁筛孔喷出后两相分离，即气体上升液体落回塔板。液体从塔板入口流至降液管将多次经历上述过程。 与普通筛板相比，垂直筛板为气液两相提供了很大的不断更新的相际接触表面，强化了传质过程；且垂直筛板气液由水平方向喷出，液滴在垂直方向
