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塔设备
10气液传质设备
一、分类:
(一)、按接触方式分:
逐级接触式、微分接触式。
(二)、按结构分:
板式塔、填料塔。
10.1板式塔
10.1.1概述
一、分类:
逆流式塔板:
又称穿流塔板(如栅板、淋降筛板)。
没有降液管、结构简单,操作弹性差,效率低
错流式塔板:
泡罩塔:
不易漏液,操作弹性好,复杂,价高、压降大、气速低,生产能力不大。
筛板塔:
结构简单,价低,压降小,生产能力及效率较高,操作弹性较小。
浮阀塔:
生产能力大,操作弹性大,效率高,结构复杂,对材料要求高。
舌形塔:
开孔率较大,生产能力较大,气液接触较充分,易泄漏,气相夹带严重。
浮动喷射塔:
生产能力大,弹性大,压降小,持液量少,入口易漏。
易吹干,结构复杂。
浮舌塔:
操作弹性大,压降小,易损,性能不稳定。
二、板式塔组成
(一)、设计原则:
①.在总体上使两相呈逆流流动,以提供最大的传质推动力。
②.在每一块塔板上两相呈均匀的错流接触,在塔内形成一个对传质过程最有利的理想流动条件,为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面,减小传质阻力。
为了实现这一个设计意图(原则)板式塔必须有以下4个构件:
1.塔板:
提供气液相充分接触的场所。
其有下列几部分。
1.气体通道—筛孔:
提供气体上升通道。
2.溢流堰:
保证清液高度,提供充分的接触表面。
3.降液管:
提供液体下降通道。
2.塔筒:
固定塔板,保证气液在一定范围内接触。
3.再沸器:
提供热量,加热液体,产生气相。
4.冷凝器:
冷凝气相,产生回流液及产品。
10.1.2塔板上气液接触状态:
1.鼓泡接触状态:
当孔速很低时,此因塔板上存在大量清液,故气泡数量较少,液层内气泡之间很少相互合并,只有在表面才有,此时,接触面积为气泡表面,由于气泡少,湍动程度低,故传质阻力大。
2.泡沫接触状态:
随孔速增大,气泡数量急剧增加,从而不断碰撞、合并与破裂,此时,液体大部分是以液膜形式存在于气泡之间,故传质面积是液膜表面。
这种液膜高度湍动不断合并和破裂,为两相传质创造良好的流体力学条件。
此时,液体仍为连续相,气体为分散相。
3.喷射接触状态:
当孔速继续增加时,塔板上的液体被破碎成许多大小不相等的液滴,而抛于塔板上空,此时,两相传质面积是液滴的外表面。
液滴的多次形成与合并使传质表面不断更新,也为两相传质创造了良好的流体力学条件,此时,液体为分散相,气体为连续相。
可见,工业上经常利用的两种接触状态,其特征分别是不断更新的液膜表面和不断更新的液滴表面。
10.1.3气体通过筛板的阻力损失
不同塔板有不同的计算公式,其大小主要与下列因素有关:
1.板间距
2.塔板上、下两侧的压差,即板压降,其由下列两大部分组成:
板压降:
hf=hd+hl
干板压降hd:
其与孔速平方成正比。
穿过板上液层的阻力损失:
①克服板上泡沫层的静压的压降。
②形成气液界面的能量消耗。
③通过液层的摩擦阻力损失。
10.1.4筛板塔内气液两相的非理想流动
一、空间上的反向流动
1、液沫夹带:
下层小液滴的一部分被上升的气流夹带到上层塔板的现象
2、气泡夹带:
由于下流液体在降液管内的停留时间不够,其所含气泡来不及破裂解脱而被卷入层塔板的现象。
二、空间上的不均匀流动
1、气体沿塔板的不均匀流动
2、液体沿塔板的不均匀流动
10.1.5板式塔的不正常操作现象
1、夹带液泛,产生原因是气速过大
2、溢流液泛,产生原因是下降的液体流量过大或降液堵塞
3、漏液,产生原因是气速过小
10.1.6板效率的各种表示方法及其应用
yn
n
一、点效率
n+1xnyn+1
xn+1
基本假定:
在垂直方向上混合均匀
二、单板效率(默弗里板效率)
当板上液体完全混合时EOG=EMV
就EMV而言以(yn* —yn)作为衡量气相增浓程度的标准,而yn*是与第n块板液相最终组成xn成平衡的气相组成,xn-1>xn故当板上液体混合不均匀时,yn有可能大于yn*
板效率与点效率的区别:
1.EMV中yn*系与离开板上的液体的平均组成成平衡之气相组成,而EOG中y*为与板上某点液体组成x成平衡之气相组成。
2.EOG中y为离开板上某点气体组成,而EMV中yn是板上各点离开液层的气体的平均组成。
所以,当液体在垂直方向和水平方向混合均匀时,板上各点液体组成相同,则①消失,塔板上各处液相相同,必使进入塔板的气体组成相同→各点效率相同→②消失。
可见,板效率的数据不仅与点效率(即两相接触状况)有关,而且与下述两种流动因素也有关。
(1)塔板上液体的返混。
(2)塔板上两相的不均匀流动。
由此可知:
减少返混,增加气液流动的均匀性都能提高EMV。
*湿板效率:
在回流下,Yn+1=Xn,Yn=Xn-1
三、全塔效率:
10.1.7提高塔板效率的措施
从设计上考虑:
1、结构参数的恰当选择:
D、HT、堰长、降液管尺寸等,其中以下两点应特别注意:
1)孔率及孔径→适应物系性质的气液接触状态:
表面张力接触状态
δ轻<δ重泡沫接触状态
δ轻>δ重喷射接触状态
2)置倾斜进气装置,使全部或部分气液斜向进入液层,优点:
(a)动量→落差↓
(b)流动均匀
(c)液沫夹带↓
2、从上考虑操作:
根据负荷性能图确定合理的操作参数
1—过量液沫夹带线
V2—漏液线
13—液泛线
4—液量下限线
435—液量上限线,大于此经,液体
在降液管内停留时间太短。
5
2
L
当塔在一定的液气比L/V下操作时,塔内两相流量关系为过原点,斜率为V/L的直线与图之两个交点,分别表示塔的上、下操作极限,上、下操作极限气体流量之比称为塔板的操作弹性。
10.1.9筛板塔的设计
1、板面布置:
为了取得良好的设计效果,板面布置必须合理;塔板面积由以下五大部分组成:
3.有效传质区
4.降液区
5.入口安定区
6.出口安定区
7.边缘区
以上各面积的分配比例与塔径及液流形式有关。
在塔板设计时在允许的条件下,应尽量增大有效传质面积。
当堰长及D之比已定时,溢流管面积与总面积之比可以求出。
对弓形降液管。
2.主要设计参数
1.塔直D
2.板间距HT
3.溢流形式,长度lW与高度hW
4.降液管形式,降液管底部出口与塔板距离hO
5.液体进、出口安定区的宽度WS’、WS,边界区宽度WC
6.孔径do、孔距t
3.设计程序
1)定HT、D
2)据初定D对塔板进行详细设计。
3)对所设计的塔板进行各种校核。
(1)HT、D初定
HT选择取决于制造和维修方便,初选定HT后,可根据夹带液泛条件初定D,不同D的HT常有资料提供参考数据。
流量
空速
(2)塔板详细设计
(Ⅰ)溢流堰的形式和高度(hw)(液高)how≤6mm→齿形堰
(Ⅱ)降液管和受液盘的结构及有关尺寸的选择。
(Ⅲ)安定区和边缘区宽度的选择。
入口WS’=50—100mm出口WS一般与WS’相等,但亦可不同。
WC≈25—50mm
(Ⅳ)孔径及开孔率的选择
(3)塔板的校核
(Ⅰ)板压降的校核
(Ⅱ)液沫夹带的校核
(Ⅲ)溢流液泛条件校核
(a)Hfd=Hd/ф Hfd——降液管内泡沫层高度 Hd——降液管内清液高度 ф——降液管内液体相对泡沫密度, 一般取ф=0.5 (b)液面落差Δ (C)降液管阻力 (d)液体在降液管内停留时间校核τ>3—5(s) (e)漏液点校核 10.2填料塔 填料塔是一种应用很广泛的气液传质设备,与板式塔相比,填料的基本特点是结构简单,压降小,填料易用耐腐蚀材料制造,操作弹性大。 10.2.1填料塔的结构及填料特性 (一)填料塔的结构: 填料、支承板、液体分布器、液体再分布器、除沫器、塔筒。 1.填料是填料塔的核心: 其作用是提供气液两相接触的面积即传质面积,以便进行传质,其性能的好坏决定塔操作性能的好坏,故为使填料塔充分发挥应有的效能,填料应符合以下几个特性 1有较大比表面积(a) 2空隙率ε较大 3填料的几何形状 4易制造,造价低、即经济性 填料的类型: 实体填料与网体填料 实体填料: 环形填料: 拉西环、鲍尔环、阶梯环 鞍形填料: 弧鞍、矩鞍。 网体填料: 鞍形网、θ网、波纹网等。 2.支承板: 支承塔内的填料,同时又保证气液两相顺利通过,设计不当液泛可能首先在支承板发生 3.液体分布器: 使液体均匀分布在填料上,防止或减少偏流、沟流现象。 4.液体再分布器: 改善向壁偏流效应造成的液体分布不均。 5.除沫器: 除去由填料顶部逸出的气体中的液滴 10.2.2气液两相在填料层内的流动 一、液体成膜的条件 бLS+бGL〈бGS бLS、бGL、бGS-分别为液固、气液、气固的界面张力 上式两端的差值越大,表明填料表面越容易被该种液体润湿。 二、填料塔内液膜表面的更新 三、填料塔内的液体分布 由于重力作用液体在填料表面作膜状流动,当液量一定时其流速取决于流动阻力,而流动阻力则来自于液膜与填料表面及液膜与上升气流之间的摩擦。 液膜的厚度与液体流量及气体流量有关,但气速较小时,则主要由液体流量决定。 液体在流经足够长的一段填料后,将形成一个发展了的液体分布,称为填料的特征分布。 喷淋密度越大,特征分布越均匀。 因此,在设计时要注意下列两种分布的不均匀性: 1、初始分布不均匀性; 2、填料层内液流的不均匀性,此时尤其要注意壁流现象。 持液量: 在填料塔中流动的液体占有一定的体积,操作时单位填充体积所具有的液体量。 喷淋密度大,持液量大,气体流量对持液量影响不大。 四、气体在填料层内的流动 通过测定可知: 当气液两相逆流流动时,液膜有一定厚度,占有一定的空间,当气体流量一定时,液体流量大,液膜厚,压降大。 如图: lgΔΡL3>L2>L1L3 由图可知: B3L2L=0 i. 对于干填料,ΔΡ∝u1。 8~2。 0泛点B2L1 ii.对湿填料: B1 A、当气速较低时,ΔΡ∝u1。 8~2。 0A3 此时填料表面液膜厚度不变→载点A2 持液量不变→叫恒持液量区A1 B、当气速增大时,因气速增大引起 的液膜增厚→压降有显著增大, 斜率>2,即说明。 C、当气速增大到一程度时(超过载点lgu 气速),由于气液两相交互作用越 来越强烈,而且当其继续增大,两相交互作用形成恶性循环,持液量上升导致液泛。 此时压降曲线明显变为垂直的转折点即→泛点气速,气相→分散,液相→连续。 10.2.3填料塔的传质(自学) 10.2.4填料塔的计算 (一)塔径: (二)塔高: 1.传质单元法: Z=传质单元高度×传质单元数= 2.等板高度法: Z=等板高度×理论板层数 10.2.5填料塔与板式塔的比较 1、填料塔操作范围较小。 对液体负荷变化更为敏感,而设计良好的板式塔,则具有大得多的操作范围。 2、填料塔不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料 3、填料塔不易除去热量,而板式塔则较方便,填料塔侧线出料不方便。 4、填料塔的资料不如板式塔多,设计也不如板式塔成熟。 5、D较小时,填料塔简单、便宜。 6、填料塔更适合于易起泡物系、腐蚀物系、热敏性物系。 7、塔压降低→对真空操作有利。
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