化工原理第10章课件

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1、第10章 气液传质设备,吸收和精馏虽基于不同的物理化学原理，但同属于气液相传质过程。所用设备均应提供充分的气液接触，有很大的共性。,板式塔,填料塔,10.1 板式塔,10.1.1 概述 (1)板式塔的设计意图 实现传质过程的塔设备，应创造有利的流 动条件以达到较高传质速率。传质规律为: 传质速率传质系数传质面积传质推动力,根据传质规律，应重点解决三方面问题：,从传质系数来说：通常分散相（泡或滴）内的传质系数很小，所以希望传质界面不断更新和较强湍动。 从传质面积来说：希望气液两相适当分散。 从传质推动力来说：提供尽可能大的传质推动力。对板式塔，目前难以实现真正逆 流，只能做到总体逆流，板上错流。

2、,板式塔的设计意图, 在塔板上造成良好的气液接触，以提供尽 可能大的传质系数和传质面积。 在塔内尽可能地使气液两相逆流流动,以提 供最大的传质推动力。,(2)筛板塔板的构造 1.筛孔： 气体通道。 2.溢流堰：保证塔板上有一定量液体。 3.降液管：液体通道，其下端必须保证液 封。,演示,10.1.2 筛板上的气液接触状态,1.鼓泡接触状态：气体为分散相，接触面积 为气泡表面，因气泡少，湍动程度低，传质 阻力大。 2.泡沫接触状态：气体为分散相，接触面积 为液膜表面，因气泡数量多，湍动程度高， 传质阻力小。 3.喷射接触状态：液体为分散相，接触面积 为液滴外表面积，因液滴多次形成和合并， 传质表

3、面不断更新，传质阻力小。,注意：工业中常用的是泡沫接触状态和喷射接 触状态，鼓泡接触状态很少使用 。,气液接触状态演示,10.1.3 气体通过筛板阻力损失,2.干板压降,1.板压降,3.液层阻力,10.1.3 气体通过筛板阻力损失,1.板压降：气体通过筛孔及板上液层时造成 塔板上、下空间对应位置上的压强差。 板压降由以下两部分组成： 气体通过干板的阻力损失即干板压降hd； 气体穿过板上液层的阻力损失hl;,2.干板压降：气体通过干板与通过孔板的流 动情况极为相似 。 若以塔内液体为指示液， 则:,3.液层阻力： 气体通过液层的阻力损失由三部分组成： (1)克服板上泡沫层的静压 (2)形成气液界

4、面的能量消耗 (3)通过液层的摩擦阻力,注意： 低气速时，液层阻力占主要地位； 高气速时，干板阻力所占比例相对增大。,10.1.4 筛板塔内气液两相的非理想流动,10.1.4.1 空间上的反向流动 (1)液沫夹带：液滴的一部分被上升的气流裹挟 至上层塔板的现象。 产生的因素有两个： 小液滴， (气体流速)，夹带液量 与板间距无关。 大液滴，虽 ，但液滴具有一定 的液量与板间距有关。,演示,(2)气泡夹带：气泡被液体卷到下层塔板的现象 危害：降低了降液管的通过能力。 采取措施：设置出口安定区。 保证液体在降液管内有足够的停 留时间。,（1）气体沿塔板的不均匀流动 液面落差 ：塔板进、出口侧的清液

5、高度差。 在塔板入口处，液层阻力大,气速小于平均 值，气体增浓大。 在塔板出口处，液层阻力小,气速大于平均 值，气体增浓小。 结果：对传质不利。 措施：增大干板阻力。,10.1.4.2 空间上的不均匀流动,气体沿塔板的不均匀流动,（2）液体沿塔板的不均匀分布 在塔板中央，液体行程短，阻力小，流速大。 在塔板边缘，液体行程长，阻力大，流速小。,结果：对传质不利。 措施：采用齿形堰或折流型塔板,演示,10.1.5 板式塔不正常操作现象,（1）夹带液泛：若维持净液体流量L一定，增大 气速，夹带量e增大，液层增厚，相当于板间距减小，夹带量e将进一步增加，恶性循环，直至液体充满全塔的现象。 液泛气速：塔

6、板上开始出现 恶性循环的气速。 液泛气速与液体 流量有关。,演示,（2）溢流液泛：因降液管通过能力限制而引起 的液泛。 塔板入口处的液层高度由三部分组成： 堰高hw； 堰上液高how； 液面落差。 降液管内的清液高度 为：,降液管内泡沫层高度 ： 若维持气速不变，增加L，则 都将增大，降液管内的液面高度Hd与液体流量L有一一对应关系，塔板有自动平衡的能力。 当泡沫层高度达到上层塔板的溢流堰上缘时，塔板便有可能失去自衡能力而产生溢流液泛。 同样气体流量过大,也可引起溢流液泛。,(3)漏液：当气速较小时，部分液体直接从筛孔落下的现象。 单孔试验表明：同一个筛孔不可能有气体和液 体同时通过 。 因此

7、，要避免漏液必须使气体分布均匀，使每 个筛孔都有气流通过。 气体通过一块板块的压降 包括干板压降 和穿过液层的压降 两部分。,当塔板上局部清液高度 大于 该处会漏液。 塔板上因水力梯度 造成倾向性漏液。 解决措施：在塔板入口处留一条狭窄区域不开孔（入口安定区）。 塔板上因液层波动造成的漏液称随机性漏液。 解决措施：增大气速。,10.1.6 板效率的各种表示方法及其应用,(1)点效率反映气液两相接触状况。,(2)默弗里板效率 包括点效率和板上非理想流动的影响。,(3)湿板效率包括默弗里板效率和板 间的非理想流动的影响。,(4)全塔效率考虑了板效率与不同组成 的影响。,全塔效率是板式塔分离性能的综

8、合度量。 注意：全塔效率以所需理论板数为基准；板效率是单板理论增浓度为基准，两者基准不同。因此，即使塔内各板效率相等，全塔效率在数值上也不等于板效率。,10.1.7 提高塔板效率的措施,（1）结构参数 主要包括塔径、板间距、堰高、堰长以及降液管尺寸。此外，还有开孔率和孔径以及气体进入液层的进气装置等。, 合理选择塔板的开孔率和孔径造成 适应于物系性质的气液接触状态 泡沫接触状态希望液膜是稳定的，有利于 传质。喷射接触状态希望液滴是稳定的，有利于传质。 对正系统 ，液沫、液膜都是 稳定的。 对负系统 ，液沫、液膜都是 不稳定的,结论：正系统宜采用泡沫接触状态，负系统宜采用喷射接触状态。,设置倾斜

9、的进气装置，使全部或部 分气流斜向进入液层 a. 斜向进气时，气体将给液体以部分动量。 消除液面落差，促成气流的均布。 b. 在塔板边缘处适当增加斜向进气装置的数 量，可使液体沿圆形塔板表面流动均匀。 c. 斜向进气时造成的液滴具有倾斜的初速度， 其垂直分量较小，因而液沫夹带量将有所 降。,(2)操作参数和塔板的负荷性能图,对一定物系和一定的塔结构，必相应有一个适宜的气液流量范围。 气体流量过小，将产生严重的漏液而使板效率急剧下降。 气体流量过大，或因严重的液沫夹带而使板效率明显降低，或因液泛而无法正常工作。 液量过小，板上液流严重不均而板效率急剧下降。 液体流量过大，则板效率将因液面落差过大

10、而下降，甚至出现液泛而无法操作。,(2) 操作参数和塔板的负荷性能图,1线过量液膜夹带 线 2线漏夜线 3线溢流液泛线 4线液量下限线 5线液量上限线,10.1.8 塔板型式 (1)工业生产对塔板的评价标准 通量表征塔板的处理能力 效率表征板式塔传质性能的优劣 板压降表征阻力大小 操作弹性表征塔适应能力 结构型式 制造成本,泡罩塔板气体通路是由升气管和 泡罩构成。 优点：气体负荷很低时也不会发生严重漏液,操作 弹性大。 缺点：结构复杂，制造成本高，干板压降大、液 泛气速低、生产能力小。,浮阀塔板设有浮动的盖板(浮阀)。 优点：浮阀可根据气体的流量自行调节开度。 在低气量时，避免了过多的漏液。在

11、高 气量时，避免了过高的压降。 缺点：结构仍嫌复杂，易于脱落,筛孔塔板 优点：结构简单，造价低廉。设计优良的筛板 压降、效率和生产能力等大体与浮阀塔 板相当。 缺点：设计要求高，否则操作弹性小，难以操 作。,舌形塔板 优点：高生产能力，液沫夹带小。板上液层厚 度和板压降低。 缺点：当气速较大时，板上液层太薄，会使效 率显著降低。当气速很低时，易漏液。,10.2 填料塔,（1）填料塔的主要结构 塔体 填料,（2）填料塔的附属结构 支承板支承塔内填料，又能让气液两相顺 利通过的结构。 液体分布器使液体初始分布均匀。 液体再分布器使向壁偏流的液体重新分布 均匀。 除沫器用来捕获由填料层顶部逸出气体中

12、 夹带的液滴。,（2）填料塔的附属结构,（2）填料塔的附属结构,液体分布器,（3）填料塔特性的评价 比表面积a 空隙率 填料的几何形状,（4）几种常用的填料 拉西环 鲍尔环 矩鞍形填料 阶梯环填料 网体填料 规整填料,10.2.2 气液两相在填料层内的流动,（1）液体成膜条件 （2）填料塔内液膜表面的更新 不规则填料表面有助于液膜的湍动, 有利 于物质传递。 同时可能存在某些液流所不及的死角。,（3）填料塔内液体分布 一方面，乱堆填料具有一定分散液体的能力。另一方面，液体会部分地在填料表面汇集成沟流。液体经过一段填料高度后，会形成一定液体的分布称之为填料的特征分布。,（4）填料塔中的持液量 持

13、液量：单位填充体积所具有的液体量 ( )。 持液量与填料表面的液膜厚度有关。 （5）气体在填料层内的流动 气体在干填料(L=0)层内的流动。 气体在湿填料( )层内的流动。 u 一定时,增大，填料空隙减小，压降增 大。 一定时,u 增大，填料空隙减小，压降增 大。,（6）气液两相流动的交互影响和载点 载点：气液两相流动的交互影响开始变 得比较显著的点。,（7）填料塔的液泛 泛点:开始出现液泛现象的点。 自载点以后，气液两相交互作用强烈。气量增加，液膜将增厚，实际气速将进一步增加；在泛点之前，每一个气量对应一个膜厚，此时，液膜可能很厚，但气体仍保持为连续相。 当气速增大至泛点时，出现了恶性的循环

14、，塔内滞液量将迅速增加，最后，液相转为连续相，而气体转而成为分散相，传质效果极差 。,（8）填料塔的操作范围 A区：u较小，扩散传质，HETP大 B区：u较小，液膜湍动促进传质，HETP小 C区：u很高，超过泛点，夹带、返混 严重，HETP大,最小喷淋密度：保证填料充分润湿时液体最小 流量。 等板高度HETP：分离效果相当于一块理论板 的填料层高度。,10.2.3 填料塔与板式塔比较,（1）填料塔操作范围小。 （2）填料塔不宜处理含固体悬浮物的物系。 （3）当需要换热时,用板式塔方。 （4）板式塔直径一般600mm。 （5）板式塔的设计资料较可靠。 （6）当塔径不很大时，填料塔因结构简单而造价便宜。,（7）填料塔对易起泡物系，填料塔更适合，因填料对泡沫有限制和破碎的作用。 （8）对于腐蚀性物系，填料塔更适合，因可采用瓷质填料。 （9）填料塔适合真空操作。 （10）对热敏性物系宜采用填料塔，因为填料塔内的滞液量比板式塔少，物料在塔内的停留时间短。 （11）填料塔的压降比板式塔小，因而对真空操作更为适宜。,筛孔塔板的构造 演示,返回,气液接触状态演示,返回,空间上的反向流动 演示,返回,空间上的不均匀流动 演示,返回,板式塔的不正常操作现象 演示,返回,板式塔的设计意图演示,返回,