板式塔与填料塔

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1、板式塔板式塔板式塔是一种应用广泛的气液传质设备，由一个圆筒形壳体及其中装置若 干块水平塔板所构成的。相邻塔板间有一定距离，称为板间距。液相在重力作 用下自上而下最后由塔底排出，汽相在压差推动下经塔板上的开孔由下而上穿 过塔板上液层最后由塔顶排出。每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过 塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。呈错流流动的汽相和液相在塔板上 进行传质过程。显然，塔板的功能应使汽液两相保持密切而又充分的接触，为 传质过程提供足够大且不断更新的相际接触表面，减少传质阻力。在板式塔内 形成气液界面所需的能量是由气体提供的。塔板由下述部分构成。 1，气相通道，气相通道塔板上均匀的开有一定

2、数量供汽相自下而上流动的通道。汽相通道的形式 很多，对塔板性能的影响极大，各种型式的塔板主要区别就在于汽相通道的形 式不同。结构最简单的汽相通道为筛孔。筛孔的直径通常是 38mm。目前大 孔径（1225mm）筛板也得到相当普遍地应用。2 E 2 2，溢流堰溢流堰在每层塔板的出口端通常装有溢流堰（weir） ，板上的液层高度主要由溢流 堰决定。最常见的溢流堰为弓形平直堰，其高度为 hw，长度为 lw。 3，降液管，降液管降液管是液体自上层塔板流到本层塔板的通道。液体经上层板的降液管流 下，横向经过塔板，翻越溢流堰，进入本层塔板的降液管再流向下层塔板。为 充分利用塔板的面积，降液管一般为弓形。降液

3、管的下端离下层塔板应有一定 高度，使液体能通畅流出。为防止汽相窜入降液管中，h0 应小于堰高 hw。 塔板的流体力学状况：尽管塔板的形式很多，但它们之间有许多共性，例如，在塔内汽液流动方 式、汽流对液沫的夹带、降液管内的液流流动、漏液、液泛等都遵循相同的流 体力学规律。通过对塔板流体力学共性的分析，可以全面了解塔板设计原理以 及塔设备在操作中可能出现的一些现象。下面以筛板塔为例进行讨论。其他塔 板在原理上与筛板有许多相同之处，就不再一一重复了。 一、汽液接触状态一、汽液接触状态7 O$ _# f* x$ * 汽相经过筛孔时的速度（简称孔速）不同，可使汽液两相在塔板上的接触 状态不同。当孔速很低

4、时，汽相穿过孔口以鼓泡形式通过液层，板上汽液两相 呈鼓泡（bubbly）接触状态。两相接触的传质面积为汽泡表面。由于汽泡数量 不多，汽泡表面的湍动程度不强，鼓泡接触状态的传质阻力较大。5 V2 p,汽相负荷较大，孔速增加时，汽泡数量急剧增加，汽泡表面连成一片并不 断发生合并与破裂，板上液体大部分以高度活动的泡沫形式存在于汽泡之中， 仅在靠近塔板表面处才有少量清液。这种操作状态称为泡沫（froth）接触状态。 这时液体仍为连续相，而汽相仍为分散相。这种高度湍动的泡沫层为两相传质 创造了良好的流体力学条件。当汽相负荷更高孔速继续增加时，动能很大的汽相从孔口喷射穿过液层， 将板上液体破碎成许多大小不

5、等的液滴抛到塔板上方空间，当液滴落到板上又 汇集成很薄的液层并再次被破碎成液滴抛出。汽液两相的这种接触状态称为喷 射（spray）接触状态。此时就整体而言，板上汽相在连续液相中分散，变成液 体在连续汽相中分散，即发生相转变。喷射接触为两相传质创造了良好的流体力学条件。工业上实际使用的筛板，两相接触不是泡沫状态就是喷射状态，很 少采用鼓泡接触的。 二、漏液二、漏液 汽相通过筛孔的汽速较小时，板上部分液体就会从孔口直接落下，这种现 象称为漏液。上层板上的液体未与汽相进行传质就落到浓度较低的下层板上， 降低了传质效果。严重的漏液将使塔板上不能积液而无法操作。故正常操作时 漏液量一般不允许超过某一规定

6、值。 三、液沫夹带三、液沫夹带 汽相穿过板上液层时，无论是喷射型还是泡沫型操作，都会产生数量甚多、 大小不一的液滴，这些液滴中的一部分被上升汽流挟带至上层塔板，这种现象 称为液沫夹带。浓度较低的下层板上的液体被汽流带到上层塔板，使塔板的提 浓作用变差，对传质是一不利因素。液沫夹带量与汽速和板间距有关，板间距 越小，夹带量就越大。同样的板间距若汽速过大，夹带量也会增加，为保证传 质达到一定效果，夹带量不允许超过 0.1kg 液体/kg 干蒸气。 四、汽相通过塔板的阻力损失四、汽相通过塔板的阻力损失 汽相通过筛孔及板上液层时必然产生阻力损失，称为塔板压降。通常采用 加和性模型来确定塔板压降。汽相通

7、过一块塔板的压降 hf 为 hf=hd+h1 m 液柱 式中 hd汽相通过一块干塔板（即板上没有液体）的压降，m 液柱；h1汽相通过液层的压降，m 液柱。筛板塔的干板压降主要由汽相通过筛孔时的突然缩小和突然扩大的局部阻 力引起的。汽相通过干板与通过孔板的流动情况极为相似。 汽相通过液层的阻力损失有克服板上泡沫层的静压、克服液体表面张力的 压降，其中以泡沫层静压所造成的阻力损失占主要部分。板上泡沫层既含汽又 含液，常忽略其中汽相造成的静压。因而液体量大，板上液层厚，汽相通过液 层的阻力损失也愈大。 塔压降：是进料气化段与精馏塔顶的压差。是气相物流经过各层塔盘的压 力损失之和。压降跟精馏塔的进料量

8、、回流量都有关系，进料量大、回流量大 了，都会使精馏塔的压降变大。还有就是填料堵塞后，压降也会变大。如果进 料量大了、回流量大了，负荷增加，用的蒸汽量就大，增大了再沸器、冷凝器 负荷。严重时会造成淹塔。压降变小，表明塔负荷小，塔板漏液等。 五、淹塔五、淹塔 直径一定的塔，可供气、液两相自由流动的截面是有限的。二者之一的流 量若增大到某个限度，降液管压降过大，降液管内的液体便不能顺畅地流下； 当管内的液体满到上层板的溢流堰顶时，便要漫到上层板，产生不正常积液， 最后可导致两层板之间被泡沫液充满，使上升气受阻。这种现象，称为：液泛， 俗称：淹塔 。 原因分析 1.降液管内液体倒流回上层板由于塔板对

9、上升的气流有阻力，下层板上方的压力比上层板上方的压力大， 降液管内泡沫液高度所相当的静压头能够克服这一压力差时，液体才能往下流。当液体流量不变而气体流量加大，下层板与上层板间的压力差亦随着增加，降 液管内的液面随之升高。若气体流量加大到使得降液管内的液体升高到堰顶，管内的液体便不仅不能往下流，反面开始倒流回上层板，板上便开始积液；加 以操作时不断有液体从塔外送入，最后会使全塔充满液体。就形成了液泛。若 气体流量一定而液体流量加大，液体通过降液管的阻力增加，以及板上液层加 厚，使板上下的压力差加大，都会使降液管内液面升高，从而导致液泛。 2.过量液沫夹带到上层板气流夹带到上一层板的液沫，可使板上

10、液层加厚，正常情况下，增加得并 不明显。在一定液体流量之下，若气体流量增加到一定程度，液层的加厚便显 著起来（板上液体量增多，气泡加多、加大） 。气流通过加厚的液层所带出的液 沫又进一步加多。这种过量液沫夹带使泡沫层顶与上一层板底的距离缩小，液 沫夹带持续地有增无减，大液滴易直接喷射到上一层板，泡沫也可冒到上一层 板，终至全塔被液体充满。 淹塔= 精馏塔内受操作条件影响（如加热量小、进料量大、回流量大等） ， 液相大于气相，导致轻组分下降， （漏液）以至于塔釜液位满量程。 现象：塔顶气相难以排出，塔顶温度下降，回馏灌液面下降，冷凝器进出 口温度没变化，塔底液面和压力增高！ 冲塔= 精馏塔内受操

11、作条件影响（如加热量大、回流量小、开车初期气化 速度过快等） ，气相大于液相，导致重组分上升，影响精馏段操作。 现象：（主要是塔底加热量突然增加很大。汽化量太大，超出设计造成的)。 发生冲塔时，因塔内分馏效果变坏，破坏正常的传质传热，致使塔顶温，压力， 侧线馏出口温度，回馏温度均上升，塔底液位突然下降，馏出油颜色变黑！ 六、回流比六、回流比 概念：由精馏塔塔顶回流量 L 与塔顶采出量 D 的比值,即 R=L/D，当塔顶 全回流时，回流比无穷大；回流比越大，塔顶轻组分浓度越高，即塔顶产品纯 度越高，塔顶冷凝品负荷和塔底再沸器负荷都增大，操作费用增加。所以一般 在实际生产中，在保证产品纯度的前提下

12、适当降低回流比可以降低能耗。 降低回流比，塔顶采出增加了，塔内轻组分减少，塔压会有所下降，底部 的轻组分会上移，导致底部重组分增加，同时，偏多的重组分上升到塔顶，导 致塔顶的重组分增加。塔顶温度升高。 在全回流条件下，分离所需的理论板数最少。当回流比减小至某一数值时， 理论上为达到指定分离要求所需板数趋于无穷大，这是回流比的下限，称为最 小回流比。当操作回流比下降到小于最小回流比时，就不能达到规定的分离要 求。最小回流比不仅取决于分离要求，还与料液的相对挥发度和料液组成以及 进料的热状态有关。 传质：是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程。体系中由于 熵自动向最大值移动，即趋向均匀，如

13、果各部分温度不均匀，会趋向一个平均 温度，如果浓度不均匀，也会趋向一个平均浓度，但浓度的传递必须发生在流 体中间，可以是两种流体之间，也可以是一种流体和固体之间传质(如萃取)， 但不可能在两种固体之间发生传质过程(虽然可以发生传热过程)。在化学工业 中，一般应用的是气-液系统；液-液系统和固-液系统之间的传质过程。 七、与塔板相关七、与塔板相关 1 1，塔板间距，塔板间距 塔板的间距决定了整个精馏塔的高度，因此，希望塔板间距尽可能小一些。 最小的板间距受两个条件限制：1)要避免发生液泛。即板间距要大于保证液体 从上一块塔板顺利地流到下一块塔板的最小间距。由回流液通过溢流斗的流动阻力来计算。显然

14、，它和溢流斗的结构形式密切相关，并与塔板进口挡板高度 有关；2)要保证无雾沫夹带。在塔板上，蒸气通过筛孔，经过液层鼓泡而上升， 筛板上的传质区域基本上由以下几个部分组成：紧贴筛板为静液层，它很薄； 而后为鼓泡层；其上为蜂窝状结构的泡沫层。由于泡沫的破裂并受蒸气的喷射 作用，其中还夹带着飞溅的液滴，这就形成了雾沫层。如果蒸气夹带着液滴上 升到上一块塔板，即形成雾沫夹带。为了保证精馏工况的正常进行，保证无雾 沫夹带的最小塔板间距，应该是塔板泡沫层高度再加上气液分离空间。一般情况下，当下塔的空塔速度 Wn0.1m/s 时，上塔空塔速度 Wn0.3m/s 时，分离空间为 1520mm。实际的板间距应大

15、于不发生液泛的板间距，又要大 于无雾沫夹带的板间距。在设计时还应该考虑操作弹性，通常以设计负荷20% 进行校核。为了制造的方便。一个精馏塔的板间距应统一且规格化。国产中大 型空分塔的板间距一般为 90mm、110mm、130mm、150mm，每一级相差 20mm。 （空塔速度：又称表观速度。在精馏、吸收等操作中所应用的板式塔或填料塔， 当计算通过塔内的流体速度时，不考虑塔内装入的物件，按空塔计算流体通过 塔的平均流速，以流体的流量被塔的总截面积除而得到的数值。 ） 2，理论塔板数，理论塔板数 目前建立数学模型直接求解出板式精馏塔内的实际塔板数仍十分困难，只 能通过先求解出理论塔板数，进而推到计

16、算出根据分离要求所需要的实际塔板 数。所谓理论塔板，是指能提供给塔板上的气、液两相流体充分接触的时间和 空间，使之充分接触，进行传热和传质，并使板上的气、液两相流体在离开该 塔板时呈现出平衡状态（指热平衡和相平衡）的塔板。实际操作中，由于塔板 上的气、液两相流体的接触时间和空间都是有限的，不可能进行充分的传热和 传质，所以理论塔板实际上是不存在的。它只反映塔板上的气、液两相流体间 传质所能达到的最大限度，从而为衡量实际塔板上的分离效率提供理论上的依 据。因此实际塔板数要比理论塔板数要多。 从精馏角度讲，在进料条件和回流比一定的情况下，产品纯度越高，需要 的塔板数也越多。但塔板数越多，塔板阻力就越大，塔的操作压力相应也要提 高，这将使分离效果反而降低；此外，塔板数多，塔的成本也提高。因此，塔 板数应该适当，不能说越多越好。 3，进料口最佳位置的确定，进料口最佳位置的确定普通双组分连续操作精馏塔内一般皆以进料口为界，分为精馏和提馏两个操 作段。精馏操作段位于进料口的上方，其作用为提纯轻组分（易挥发组分） ；提 馏操作段位于进料口的下方，其作用为提纯重组