气液传质设备板式塔1

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1、装置大型化,同等规模下，单套精馏装置 比双套装置、 投资减少24% 能耗减少19% 比三套装置 投资减少55% 能耗减少29%,塔器大型化,我国节能降耗、提高分离过程水平的战略决策 年产1000万吨以上的炼油装置 年产100万吨的乙烯装置 常压塔直径9m 减压塔直径13m,塔器大型化存在的技术关键,（1）液体分布问题 填料塔的大型化 塔径与填料直径比增大 填料层的径向分散系数减小 将初始不良分布转化为自然流分布更困难,液体分布器,液体初始分布 影响因素： 分离程度、理论技术、分布质量、填料形式及尺寸、液体流率、塔径、堵塞的可能性、加料状态及造价等等 措施： 通过流体力学实验及现代计算流体力学技

2、术 优化设计高性能液体分布器,（2）气体分布问题,填料塔 气流在填料床内自然可以达到均匀分布 措施： 通过计算流体力学进行模拟计算、优化设计,大型塔器对气体分布装置的要求,（1）均布性能好 （2）流动阻力小 （3）占塔内空间小、高度低 （4）能有效防止气液相互夹带 （5）不易持液、结焦、堵塞等 （6）结构简单，安装维修方便,（3）液面梯度问题,液面梯度大 严重影响气体的均匀流动 气液接触不充分 塔板效率降低 措施： 通过气体的拖曳实现，利用计算流体力学技术 对塔盘结构及浮阀的设计进行优化 低液面梯度塔盘,（4）大型内构件的变形问题,塔内支撑的结构设计 对支撑梁的要求：矛盾 足够的强度、刚度和抗

3、变形要求 附近气体横向和纵向的通透性、流体流动的均匀性 工字钢、槽钢 通透支撑装置,热变形问题,材质不同和传热的影响 塔壳体和内部构件变形不一致 集油箱开裂和泄露 措施： 现代力学分析技术,（5）长周期运转问题,要求稳定运行时间长、可靠性高 塔器的特点： 不存在备用塔 操作周期中不允许检修 液体分布器或填料的堵塞 原因：固体物质、易聚合物料、腐蚀等,101 板式塔 Plate Column,一、概述：,1813年已应用于工业生产 目前用量最大、应用范围最广的气液传质设备,1 、板式塔的设计意图：,功能： （1）塔板提供气液两相充分接触的场所（接触面积），减小传质阻力 （2）塔内整体为逆流流动，

4、提供最大的传质推动力 （3）提供足够大的气液两相通道，保证大通量、低压降、合适的操作弹性,2 、板式塔的特点：,（1）空塔气速较高，则生产能力大 （2）塔板效率稳定，操作弹性大 （3）造价低、检修、清洗方便,3、塔板的构造：,以筛孔塔板为例 （1）筛孔Sieve 作用：提供气体上升的通道 各类塔板的主要区别在于气体通道的差别,（2）溢流堰weir： 作用：使塔板上保持一定厚度的流动液层 高：hw，长：lw,（3）降液管Downcomer,作用：液体从上层塔板流至下层塔板的通道 降液管底部留有底隙ho 液封： ho hw,形状：弓形：工业上使用最多，流量大 为提高塔板上开孔区面积，降液管底部适当

5、收缩，以减少受液盘面积,圆形和矩形等： 适于流量小，如实验装置,二、 筛板上的气液接触状态,1、鼓泡接触状态：,气速较低时 液体：连续相，气体：分散相 两相接触面积：气泡表面，小 以液体为主，气泡所占比例较小 传质效率很低,2、蜂窝状接触状态：,当气泡形成速度大于气泡浮升速度时 气泡在液层内积累，继而形成多面体的大气泡，不易破裂，表面得不到更新 不利于传热和传质,3、泡沫接触状态：,气泡数量随气速增加而急剧增加 直径较小、扰动十分剧烈的动态泡沫 不断发生碰撞和破裂，导致两相接触面积：不断更新的液膜表面 表面积大 板上清液层基本消失 利于两相传热与传质 使用最多,前三种状态： 液体：连续相 气体

6、：分散相,4、喷射接触状态：,气速进一步提高 高速气体从孔中把板上液相分散高度湍动的液滴群 泡沫状喷射状；液相：连续相分散相 两相间传质面：液滴群表面 由于液体横向流经塔板时将多次分散和凝聚，表面不断更新 工业塔板上另一重要的气、液接触状态,优点：生产能力大 缺点：液沫夹带 较小的则被气体带至上层塔板（较大的液滴受重力作用又落回板上） 液沫夹带较多，若控制不好，会破坏传质过程,5、乳化状态,高压高液流量时 高速液流剪切力下使气相形成小气泡均匀分布在液体中 形成均匀两相流体，即乳化态流体 不利于两相的分离,三、气体通过塔板的 阻力损失（或总压降 ）,Drop in Pressure,1、板压降h

7、f：,上升气流通过塔板时需克服一定的阻力 构成塔板的压降 实为：塔板阻力,板压降的三个组成：,（1）板上充气液层的静压力hl （2）塔板本身的干板压降hd （即板上各部件所造成的局部阻力） （3）液体的表面张力：很小,塔板压降增大对板式塔操作性能的影响,优点： 塔板上气液两相接触时间随之增长 板效率增大 完成同样的分离任务所需实际塔板数减少 设备费用降低 缺点： 塔釜温度升高 能耗增加，操作费用增大 对热敏性物料的分离不利,故塔板压降在设计中应在保证塔板效率较高的前提下 原则：力求减小,数学表达式：,可通过压差计测出,2、干板压降hd ：,与气体通过孔板十分相似 高度湍流的情况：C0为常数,3

8、、液层阻力hl：,由三部分组成： 克服板上泡沫层的静压 形成气液界面的能量消耗 通过液层的摩擦阻力损失,影响塔板总压降因素,气量 hf 液量 hf 板结构： 开孔率u0 hf ,低气速：液层阻力占主要地位 高气速：干板阻力占主要地位 但气速增大，总阻力损失还是增大的,板压降的构成：,四、筛板塔内气液两相的非理想流动,板式塔上的不利流动：,空间上的反向流动 液沫夹带 气泡夹带 空间上的不均匀流动 气体 液体,1、空间上的反向流动,与主体流动方向相反的流动 包括液体（液沫）和气体（气泡） 属返混现象,（1）液沫夹带（或雾沫夹带） Entrainment,现象： 液滴被上升的气体夹带至上层塔板 危害

9、： 将下层浓度低的液体带到上层板 使塔板的提浓作用变差,产生液沫夹带的原因（机理）：,气速过大 & 板间距HT过小 小液滴：气流的裹挟，与HT无关 大液滴：液滴形成的弹溅作用 和HT有关：？,液沫夹带的表示方法：,eV 1kmol或kg干气体所夹带的液体量 单位： 夹带液体kmol（或kg） /1kmol（或kg）干气体 e 每层塔板单位时间被气体夹带的液体量 kmol（或kg） 被夹带的液体量占流经塔板总液体量的分率,（2）气泡夹带,现象： 液体在降液管中的停留时间太短 气泡被卷入下层塔板,危害：,对传质危害不大：量小 主要降低降液管的通过能力 严重时，会破坏塔的正常操作？,措施：,设置出口

10、安定区 靠近溢流堰一狭长不开孔区域,降液管面积或溢流堰长度的确定,保证液体在降液管中有足够的停留时间,2、 空间上的不均匀流动,气、液流速的不均匀性 造成传质推动力下降,（1）气体通过塔板的不均匀性,塔板上的液面落差： 塔板进、出口侧的清液高度差 表示：,为克服板上摩擦阻力和板上部件（如泡罩、浮阀）的局部阻力 需要一定的液位差,塔板入口处：液层阻力？气速？气量？ 塔板出口处：液层阻力？气速？气量?,影响因素：,结构： 泡罩较大，筛板较小 D和L愈大，也较大 措施： 对D大的塔，采用双溢流或阶梯溢流的形式来减小,值可忽略不计的情况：,筛板塔 因塔板上没有阻碍液流的阻碍物 液面落差值很小,（2）液

11、体沿塔板流动的不均匀性,现象： 液流在塔板上流径分配的不均匀性 塔板中央：行程短而平直，流速大 塔板边缘：行程长而弯曲，又受塔壁的影响，流速低，阻力大 使液体在塔板上停留时间分布不均匀,原因：液体流量,液流量过低，使流速过低 措施： 可用齿形堰 或折流型塔板,五、板式塔的不正常操作现象：,包括： 夹带液泛、溢流液泛和严重漏液 可使塔板效率降低 甚至使操作无法进行,1、液泛,定义： 液体进塔量大于出塔量 结果使塔内不断积液 直至塔内充满液体 破坏塔内正常操作 包括夹带液泛、溢流液泛,（1）夹带液泛,由液沫夹带引起 气速过大,液泛气速uF：影响因素,板间距： HT uF 液量：VL uF 物性：易

12、发泡，uF 适宜气速：u=(0.7-0.8)uF 液泛分率：u/uF,（2）溢流液泛（降液管液泛）：,由于降液管通过液体能力不够而引起液量过大 当降液管内液体不能顺利下流 管内液体必然积累 当管内液位增高而越过溢流堰顶部时 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,影响液泛的因素：,（ 1）气液两相的流量： 对一定的液体流量，气速过大会形成液泛 反之，对一定的气体流量，液量过大也可能发生液泛,（2）塔板的结构：,特别是塔板间距等参数 设计中采用较大的板间距 可提高液泛速度 降液管堵塞,液泛发生的标志,塔内积液 板压降持续增大,3、严重漏液：,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 液体短路，大量液体由筛孔或阀孔漏下,气液两相在塔板上的接触时间减少 塔板效率下降 严重的漏液会使塔板不能积液而无法正常操作,漏液的结果,