学习情境六气液传质设备

学习情境六气液传质设备 6.1.1 概述 6.1.2 板式塔的类型 6.1.3 气体通过塔板压力降 6.1.4 筛板塔内气液两相的非理想流动 6.1.5 不正常操作现象 6.1.6 塔板负荷性能图 6.1.7 塔板效率

4.1.1 概述

一、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。

安定区 边缘固定区开孔区溢流堰俯视图降液管受液区

开孔区（有效传质区）：塔板上布置有筛孔的区域，提供主要汽液传质区域。开孔区（有效传质区）：塔板上布置有筛孔的区域，提供主要汽液传质区域。降液区：每根降液管所占用的塔板区域，液体自上一层塔板流至其下一层塔板的通道。安定区：此区域不开孔是为了防止因这部位液层较厚而造成倾向性漏液，同时也防止气泡窜入降液管。边缘固定区：在塔板边缘有宽度为Wc的区域不开孔，这部分用于塔板固定。

二、气液两相接触状态 鼓泡接触状态泡沫接触状态喷射接触状态稳定的气泡表面更新的液膜表面更新的液滴表面

1. 鼓泡接触状态 液体——连续相气体——分散相两相接触面积：气泡表面

2. 泡沫接触状态 液体 —— 连续相气体 —— 分散相两相接触面积：不断更新的液膜表面

3. 喷射接触状态 气体 —— 连续相液体 —— 分散相两相接触面积：不断更新的液滴表面

生产上对塔器的要求 生产上对塔器在工艺上及结构上提出的要求有下列几方面： 1．分离效率高------达到一定分离程度所需塔的高度低。 2．生产能力大------单位塔截面积处理量大。 3．操作弹性（flexibility）大------对一定的塔器，操作时气液流量（亦称气液负荷）的变化会影响分离效率。若分离效率最高时的气液负荷作为最佳负荷点，可把分离效率比最高效率下降15%的最大负荷与最小负荷之比称为操作弹性。工程上常用的是液、气负荷比, 作为气相与液相的操作弹性。操作弹性大的塔必然适应性强，易于稳定操作。

4．气体阻力小------气体阻力小可使气体输送的功率消耗小。对真空精馏来说，降低塔器对气流的阻力可减小塔顶，底间的压差，降低塔的操作压强，从而可降低塔底溶液泡点，降低对塔釜加热剂的要求，还可防止塔底物料的分解。 • 5．结构简单，设备取材面广------便于加工制造与维修，价格低廉，使用面广。

对于一块塔板，气液间的相对流向有两种类型：对于一块塔板，气液间的相对流向有两种类型： ①错流式液体沿水平方向横过塔板，气体则沿与塔板垂直方向由下而上穿过板上的孔通过塔板，气液呈错流。筛板塔、浮阀塔及泡罩塔等的操作均属此类型。这种类型塔的结构特点是具有降液管。降液管提供了液体从一块塔板流至其下一块塔板的通道。 ② 逆流式气液皆沿与水平塔板相垂直的方向穿过板上的孔通过塔板。气体由下而上，液体由上而下，气液呈逆流。淋降筛板塔即属此类型。此类型塔板没有降液管。 4.1.2 板式塔的类型

这两种类型的塔，就全塔而言，气液皆呈逆流。两种类型的塔在操作时板上都有积液，气体穿过板上小孔后在液层内生成气泡。板上泡沫层便是气液接触传质的区域。这两种类型的塔，就全塔而言，气液皆呈逆流。两种类型的塔在操作时板上都有积液，气体穿过板上小孔后在液层内生成气泡。板上泡沫层便是气液接触传质的区域。

板式塔的塔板类型 一、泡罩塔泡罩塔是Cellier于1813年提出的最早工业规模应用的板式塔型式。

二、筛板塔（筛板塔约于1832年开始用于工业生产）二、筛板塔（筛板塔约于1832年开始用于工业生产） • 筛板塔的主要结构及功能： • 筛孔 • —— 提供气体上升的通道； • 2. 溢流堰 • —— 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； • 3. 降液管 • —— 作为液体从上层塔板流至下层塔板的通道。

生产实践说明： 1、只要筛板塔设计合理，操作得当，筛板塔不仅可稳定操作，而且操作弹性可达2～3，能满足生产要求。 2、筛板塔比起泡罩塔，生产能力可增大10%～15%，板效率约提高15%，单板压降可降低30%左右，造价可降低20%～50%。

三、浮阀塔：浮阀塔是廿世纪五十年代初开发的一三、浮阀塔：浮阀塔是廿世纪五十年代初开发的一种新塔型。

阀脚：浮阀有三条带钩的腿。将浮阀放进筛孔后，将其腿上的钩扳转，可防止操作时气速过大将浮阀吹脱。 定距片：浮阀边沿冲压出三块向下微弯的“脚”。当筛孔气速降低浮阀降至塔板时，靠这三只“脚”使阀片与塔板间保持2.5mm左右的间隙；在浮阀再次升起时，浮阀不会被粘住，可平稳上升。能力比较：浮阀塔的生产能力比泡罩塔约大20%～40%，操作弹性可达4～9，板效率比泡罩塔约高15%，制造费用为泡罩塔的60%～80%，为筛板塔的120%～130%。阀片上各部件的作用：

阀型主要尺寸 F1型（重阀） V-4型 T型筛孔直径，mm 阀片直径，mm 阀片厚度，mm 最大开度，mm 静止开度，mm 阀片质量，g 39 48 2 8.5 2.5 32～34 39 48 1.5 8.5 2.5 25～26 39 50 2 8 1.0～2.0 30～32 三种常用浮阀的主要尺寸

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。三种塔板的比较:

四、其他类型塔板 1. 舌形塔板与浮动舌形塔板

2. 导向筛板

3. ADV浮阀塔板

ADV塔盘的鼓泡状态

4. JCV浮阀塔板（双流喷射浮阀塔板） 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大提高。 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。

普通型JCV浮阀 改进型双流喷射浮阀

JCV浮阀的基本结构

JCV浮阀的工作状态 低负荷下阀片工作状态

中等负荷下阀片工作状态

高负荷下阀片工作状态

压降由两部分构成 4.1.3 气体通过塔板的压力降干板压降 h0 液层阻力 he 总压力降：ΔHt = h0 + he 气量↑→ ΔHt↑ 液量↑→ ΔHt↑ 板结构：开孔率↑→u0 ↓→ ΔHt ↓ 影响因素

4.1.4 筛板塔内气液两相的非理想流动 液沫夹带气泡夹带气体液体反向流动不均匀流动一、液沫夹带气量↑ →夹带量↑ 板间距HT↓ →夹带量↑ 主要影响因素要求液沫夹带量eG≯0.1kg液沫/kg干气

二、气泡夹带 原因：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。三、气体沿塔板的不均匀流动 1. 液面有落差和液层波动，引起气体分布不均匀； 2. 液层厚，阻力大，气速小； 3. 液层薄，阻力小，气速大。

四、液体沿塔板的不均匀流动

4.1.5 不正常操作现象

一、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，称为液泛。液泛包括：夹带液泛、溢流液泛。 1. 夹带液泛原因：由液沫夹带引起 — 气速过大。

影响液泛气速 uF 的因素： • 与板间距HT有关： HT↑→ uF↑ • 与液量有关：VL↑→ uF↓ • 与物系性质有关：易发泡，uF↓ 适宜气速：u=(0.4～0.8)uF u/uF —— 液泛分率 2. 溢流液泛（降液管液泛）原因：由降液管通过液体能力不够而引起 —— 液量过大。

产生原因 综上所述，造成液泛的原因主要是液量过大、板压降过大（即气量过大）或降液管堵塞。二、严重漏液当气体孔速过小或气体分布不均匀时，使有的筛孔无气体通过，从而造成液体短路，大量液体由筛孔漏下。气量过小；塔板开孔率大。

V 4.1.6 塔板负荷性能图

1）负荷性能图中各线的意义 • 雾沫夹带线（气体流量上限线）线1 • 液泛线（线2） • 液相负荷上限线（线3） • 漏液线（气体流量下限线，线4） • 液相负荷下限线（线5） 1，2，3，4，5五条线所包围的区域，既是一定物系在一定的结构尺寸塔板上正常操作区。

一、漏液线 由发生漏液时的干板压降计算。二、液体流量下限线由how = 6mm确定。三、液体流量上限线由液体在降液管内的停留时间τ=3  5s计算。四、（溢流）液泛线由Hd =  (HT + hw)确定。五、过量液沫夹带线由液沫夹带量eG = 0.1kg液沫/kg干气确定。

V C 操作点操作极限操作线 2）负荷性能图的分析

操作弹性: 两极限的气体流量之比 • 操作点位于操作区内的适中位置,可获得稳定良好的操作效果 • 同一层塔板，操作情况不同，控制负荷上下限的因素也不同 • 物系一定时，负荷性能图中各线的相对位置随塔板尺寸而变 • 例：加大板间距或增大塔径可使液泛线上移， • 增加降液管截面积可使液相上限线右移， • 减少塔板开孔率可使漏液线下移。

4.1.4 塔板效率 1、塔板效率的表示法 1）总板效率ET(全塔效率）达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比值。将影响传质过程的动力学因素全部归纳到总板效率内，简单地反映了整个塔内的平均传质效果。 2）单板效率EM(默弗里效率) 直接反映该层塔板的传质效果

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