化⼯原理-第10章-⽓液传质设备
化⼯原理-第10章-⽓液传质设备
知识要点
⽤于蒸馏和吸收塔的塔器分别称为蒸馏塔和吸收(解吸)塔。通称⽓液传质设备。本章应重点掌握板式塔和填料塔的基本结构、流体⼒学与传质特性（包括板式塔的负荷性能图)。 1. 概述
⾼径⽐很⼤的设备叫塔器。
蒸馏与吸收作为分离过程，基于不同的物理化学原理，但其均属于⽓液两相间的传质过程，有共同的特点可在同样的设备中进⾏操作。 (1) 塔设备设计的基本原则
①使⽓液两相充分接触，以提供尽可能⼤的传质⾯积和传质系数，接触后两相⼜能及时完善分离。
②在塔内⽓液两相最⼤限度地接近逆流，以提供最⼤的传质推动⼒。 (2) ⽓液传质设备的分类
①按结构分为板式塔和填料塔
②按⽓液接触情况分为逐级式与微分式
通常板式塔为逐级接触式塔器，填料塔为微分接触式塔器。
2. 板式塔
(1) 板式塔的设计意图：总体上使两相呈逆流流动，每⼀块塔板上呈均匀的错流接触。 (2) 筛孔塔板的构造 ①筛孔——塔板上的⽓体通道，筛孔直径通常为3~8mm 。②溢流堰——为保证塔板上有液体。 ③降液管——液体⾃上层塔板流⾄下层塔板的通道。 (3) 筛板上的⽓液接触状态
筛板上的⽓液接触状态有⿎泡接触、泡沫接触、喷射接触，⽐较见表10-1。
表10-1 ⽓液接触状态⽐较
项⽬⿎泡接触状态泡沫接触状态喷射接触状态孔速
很低较⾼⾼
两相接触⾯⽓泡表⾯液膜液滴外表⾯两相接触量少多多传质阻⼒较⼤⼩⼩传质效率低⾼⾼连续相液体液体⽓体分散相⽓体⽓体
液体
适⽤物系
重
轻σσ<
(正系统)
重
轻σσ>
(负系统)
⼯业上经常采⽤的两种接触状态是泡沫接触与喷射接触。由泡沫状态转为喷射状态的临界点称为转相点。
(4) ⽓体通过塔板的压降包括塔板本⾝的⼲板阻⼒(即板上各部件所造成的局部阻⼒)、⽓体克服板上充⽓液层的静压⼒所产⽣的压⼒降、⽓体克服液体表⾯张⼒所产⽣的压⼒降(⼀般较⼩，可忽
略不计)。
(5) 筛板塔内⽓液两相的⾮理想流动
①空间上的反向流动(与主体流动⽅向相反的液体或⽓体的流动)：液沫夹带与⽓泡夹带。②空间上的不均匀流动：⽓体沿塔板的不均匀流动与液体沿塔板的不均匀流动。
(6) 板式塔的不正常操作现象：液泛(夹带液泛与溢流液泛)、严重漏液、严重液沫夹带和⽓泡夹带。
(7) 塔板的负荷性能图
塔板的负荷性能图⽤来检验塔的⼯艺设计是否合理，考核该塔正常操作的⽓液流量范围，了解塔的操作弹性，判断塔有⽆增产能⼒，减负荷能否正常操作等。
V (m 3/s )
L (m 3/s)
图10-2 塔板的负荷性能图
图10-2所⽰的负荷性能图由以下⼏条线组成。①液相负荷下限线
该线为⼀垂直线，对于平顶直堰，其位置可根据h ow =6mm 确定。若操作的液相负荷低于此下限时，表明液体流量过低，板上液体流动不能均匀分布，⽓液接触不良，易产⽣⼲吹、偏流等现象，导致塔板效率急剧下降。
②液相负荷上限线
液量超过此上限，液体在降液管内停留时间过短，进⼊降液管内的⽓泡来不及与液相分离⽽被带⼊下层塔板，造成⽓相返混，使塔板效率下降，以致出现溢流液泛。此线可根据液体在降液管内的实际平均停留时间不⼩于3~5s 来确定。漏液线(⽓相负荷下限线)
③漏液线
由不同流量下的漏液点组成，其位置漏液点⽓速确定。实际⽓相负荷应⾼于此线，否则将发⽣严重的漏液现象。
④过量液沫夹带线(⽓相负荷上限线)花生油
该线通常以e V =0.1kg 液/kg ⽓为依据确定。若⽓液负荷点位于此线上⽅，表明液沫夹带现象严重，已不宜采⽤。
⑤溢流液泛线
若操作的⽓液负荷超过此线时，塔内将发⽣液泛现象，使塔不能正常操作。对负荷性能图须了解以下概念。
①适宜操作区：由五条线所包围的区域
②操作点：操作时⽓相负荷V 与液相负荷L 在负荷性能图上的坐标点。③操作线：通过原点，斜率为V /L 的直线。
④塔的上下操作极限：操作线与负荷性能图上两条边界线的交点。⑤操作弹性：两极限的⽓相流量之⽐，即V max /V min 。
设计时应使操作点位于操作区的中央。若操作点紧靠某⼀条边界线，则负荷稍有波动时，塔的正常操作即被破坏，此时应调整塔的结构参数或改变⽓液负荷，使操作点居中。对图10-2所⽰的3个操作点，以B 为最佳。
(8) 全塔效率 E T =N T /N (10-8) 式中：N T ——完成⼀定分离任务所需的理论板数；
N ——完成⼀定分离任务所需的实际板数。精馏塔的全塔效率可⽤O'Conell 关联式估算，即
245.0)(49.0-=L T E αµ
(10-9)
式中：α——塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度；
L µ——塔顶与塔底平均温度下的液相粘度，mPa?s 。
(9) 塔板类型
有泡罩塔板、浮阀塔板、筛孔塔板、⾆形塔板、⽹孔塔板、垂直筛板、多降液管塔板等。 (10) 塔板的性能评价
塔板的性能评价指标有以下⼏⽅⾯：
①⽣产能⼒⼤即单位塔截布⽓体和液体的通量⼤②塔板效率⾼即完成⼀定分离任务所需的板数少
③压降低即⽓体通过的压降低，能耗低。对于精馏系统则可降低釜温，这对于热敏性物系的分离尤其重要。
④操作弹性⼤当操作的⽓液负荷波动时仍能维持板效率的稳定⑤结构简单，制造维修⽅便，造价低廉 3. 填料塔
(1) 填料塔的特点：①⽣产能⼒⼤；②分离效率⾼；③压⼒降⼩，⼀般情况下，板式塔的每个理论级压降约在0.4~1.1MPa ，填料塔约为0.01~0.27 kPa ；④持液量⼩；⑤操作弹性⼤，填料塔的操作弹性决定于塔内件的设计，特别是液体分布器的设计，板式塔的操作弹性则受到塔板液泛、液沫夹带及降液管能⼒的限制。
(2) 填料的类型
①散装填料如拉西环填料、鲍尔环填料、球形填料、阶梯环填料、弧鞍填料、矩鞍填料、⾦属环矩鞍填料等。
②规整填料如格栅填料、波纹填料、脉冲填料。 (3) 填料的性能评价指标：①压降②通量③效率 (4) 填料的⼏何特性
①⽐表⾯积单位体积填料层的填料⽐表⾯积，m 2/m 3；②空隙率空隙率越⼤，⽓体通过的能⼒⼤且
压降低。③填料因⼦
a. ⼲填料因⼦3
/εα：填料未被液体润湿时的3
/εα，反映填料的⼏何特性。
b. 湿填料因⼦φ：填料被液体润湿时，填料表⾯覆盖了⼀层液膜，α和ε均发⽣相应的变化，它反映填料的流体⼒学性能。
(4) 填料塔的流体⼒学特性
① /p Z ?~u 关系曲线
=0
l g p
图10-3 填料塔压降与空塔速度的关系
当⽆液体喷淋，即0L =时，⼲填料的/p Z ?~u 为直线，其斜率为1.8~2.0。
当有⼀定喷淋量时，/p Z ?~u 的关系变成折线，两个转折点将折线分为3个区。
a. 恒持液量区：下转折点A 以下的线段。该区的直线段与L =0线平⾏。在该区域，⽓速⼩，⽓体流动对液膜的曳⼒很⼩，液体流动不受⽓流的影响，填料表⾯上覆盖的液膜厚度基本不变，因⽽填料层的持液量不变。当⽓速超过A 点时，⽓体对液膜的曳⼒较⼤，对液膜流动产⽣阻滞作⽤，使液膜增厚，填料层的持液量随⽓速的增加⽽增⼤，此现象称为拦液。开始发⽣拦液现象时的空塔⽓速称为载点⽓速，曲线上的转折点A ，称为载点。
b. 载液区：两转折点间的线段。若⽓速继续增⼤，到达图中B 点时，由于液体不能顺利向下流动，使填料层的持液量不断增⼤，填料层内⼏乎充满液体。⽓速增加很⼩便会引起压降的剧增，此现象称为液泛，开始发⽣液泛现象时的⽓速称为泛点⽓速，以u F 表⽰，曲线上的点B ，称为泛点。
c . 液泛区：上转折点B 以上的线段。该线段的斜率可达10以上。泛点以后，持液量的急骤增加使液相从分散相变为连续相，⽽⽓相则由连续相变为分散相在液体中⿎泡。因此，泛点⼜称转相点。
② /p Z ?~u F 的经验关联
对于各种乱堆填料，⽬前⼯程设计计算中⼴泛使⽤Eckert 通⽤关联图计算填料塔的泛点⽓速u F
与适宜⽓速u 下的压强降/p Z ?。通常(0.5~0.8)F u u =。
③填料塔内液体的喷淋量
为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度⼤于某⼀极限值，该极限值称为最⼩喷淋密度。U min 通常⽤下式计算
U min =(L w )min α (10-11)
式中：(L w )min — 最⼩润湿速率，m 3/(m·h)；α — 填料的⽐表⾯积，m 2/m 3。针织加工
最⼩润湿速率指在塔截⾯上单位长度的填料周边的最⼩液体体积流量。通常，d p ≤75mm 的散装填料，(L w )min =0.08 m
3/(m·h)；d p ＞75mm 的散装填料，(L w )min =0.12 m 3/(m·h)。
(5) 填料塔的内件
①填料⽀承装置注意该装置必须有⾜够的强度与钢度，能承受填料的质量，填料层的持液量以及操作中附加的压⼒等；具有⼤于填料层空隙率的开孔率，防⽌在此⾸先发⽣液泛进⽽导致整个
填料层的液泛；结构合理。
②填料压紧装置③液体分布装置
④液体收集及再分布装置⑤除沫器
(6) 填料塔的⼯艺设计计算①填料层的有效⾼度 a. H =HTU×NTU b. H =N T (HETP) ②塔径D
u
V D s
π4=
(10-12)
式中：u —操作⽓速。
③核算
⼯艺设计完成后要核算如下项⽬： a. 填料层的总压降
b. 喷淋密度是否⼤于最⼩喷淋密度
c. 塔径与填料尺⼨之⽐应在8以下，以保证填料的润湿均匀。
d. 填料层有效⾼度H 与塔径D 之⽐⼤于某规定值要将填料分段，并增设液体再分布装置。
基础知识测试题
⼀、选择题
1．以下参数中，属于板式塔结构参数的是( )；属于操作参数的是( )。 (A) 板间距 (B) 孔数 (C) 孔速 (D) 板上清液层⾼度
2．以下3类塔板中，操作弹性最⼤的是( )，单板压降最⼩的是( )。 (A) 筛孔塔板 (B) 泡罩塔板 (C) 浮阀塔板
3．设计筛板塔时，若改变某⼀结构参数，会引起负荷性能图的变化。下⾯叙述中正确的⼀组是( )。
(A) 板间距降低，使雾沫夹带线上移 (B) 板间距降低，使液泛线下移天网搜索
(C) 塔径增⼤，使液泛线下移 (D) 降液管⾯积增加，使雾沫夹带线下移 4．O'Connel 关联式中粘度与
相对挥发度的计算以( )温度为准。D (A) 塔顶温度 (B) 塔釜温度 (C) 原料温度 (D) 塔顶与塔底的算术平均温度
大聚合5．塔板上设置⼊⼝区的⽬的是( )，设置出⼝区的⽬的是( )。AC (A) 防⽌⽓体进⼊降液管 (B) 避免严重的液沫夹带 (C)防⽌越堰液体的⽓体夹带量过⼤ (D) 避免板上液流不均匀 6．以下属于散装填料的有( )，属于规整填料的有( )。 (A) 格栅填料(B) 鲍尔环填料 (C) 矩鞍填料 (D) 波纹填料 (E) 弧鞍填料 (F) 阶梯环填料 7．填料的静持液量与( )有关，动持液量与( )有关。
(A) 填料特性 (B)液体特性 (C) ⽓相负荷 (D)液相负荷
8．对于填料塔的附属结构，以下说法不正确的是．．．．．( ) 。 (A) ⽀承板的⾃由截⾯积必须⼤于填料层的⾃由截⾯积 (B)液体再分布器可改善壁流效应造成的液体不均匀分布 (C) 除沫器是⽤来除去由填料层顶部逸出的⽓体中的液滴 (D) 液泛不可能⾸先发⽣于⽀承板
9. ⽤填料吸收塔分离某⽓体混合物，以下说法正确的是．．．．( )。 (A) ⽓液两相流动参数相同，填料因⼦增⼤，液泛⽓速减⼩
(B) ⽓液两相流动参数相同，填料因⼦减⼩，液泛⽓速减⼩ (C) 填料因⼦相同，⽓液两相流动参数增⼤，液泛⽓速减⼩ (D) 填料因⼦相同，⽓液两相流动参数减⼩，液泛⽓速减⼩ 10. 以下说法正确的是．．．．
( ) 。 (A) 等板⾼度是指分离效果相当于1m 填料的塔板数 (B) 填料塔操作时出现液泛对传质⽆影响 (C) 填料层内⽓体的流动⼀般处于层流状态
(D) 液泛条件下单位⾼度填料层的压降只取决于填料种类和物系性质
⼆、填空题
1．板式塔是__________接触式⽓液传质设备；填料塔是______接触式⽓液传质设备，操作时为____连续相。
2. 从塔板的⽔⼒学性能的⾓度来看，引起塔板效率不⾼的原因可能是__________、________、_________、__________等现象。
3. 在传质设备中，塔板上的⽓液两相之间可能的接触状态有：__________、____________和________。板式塔操作的转相点是指__________________。
三自由度
4. 在对筛板塔进⾏流体⼒学校核计算时，如发现单板压降偏⼤，则可通过改变____________ 等结构参数(任举⼀种)的⽅法，使之减⼩。
5. 在设计或研制新型⽓液传质设备时，要求设备具有、、。
6. 对给定的分离任务，板式塔设计得不好会导致液泛。请从设计⾓度指出可能导致液泛的两个原因：。
7．对逆流操作的填料塔，液体⾃塔____部进⼊，在填料表⾯呈______状流下。 8. 通常根据_________、________和
_________评价填料性能的优劣。
9. 液体在填料塔中流下时，造成较⼤尺度上的分布不均匀性的原因有：__________________和______________。10．填料操作压降线(/~p z u )⼤致可分为三个区域，即____、____和____。填料塔操作时应控制在____区域。此时，连续相是_______，分散相是_______。
基础知识测试题参考答案
⼀、选择题 1. AB ；CD 2. C ；A 3.D 4.D 5.A ；C 6. BCEF ；AD
7. AB ；ABCD 8.D
9.AC 10.D
⼆、填空题
1. 逐级；微分或连续
2. 过量雾沫夹带，严重漏液，⽓、液流分布不均匀
3. ⿎泡；泡沫；喷射；由泡沫状态转为喷射状态的临界点
4. 增⼤开孔率(开孔区⾯积)等
5. 传质效率⾼、⽣产能⼒⼤、操作弹性宽、塔板压降⼩、结构简单(以上答案中任选三个)]
6. 板间距过⼩，开孔率过⼩，堰⾼太低，降液管⾯积或溢流堰长度太⼩中任写两个
7. 上；膜
8. ⽐表⾯积；空隙率；填料的⼏何形状
9. 初始分布不均匀；填料层内液流的不均匀性
10. 恒持液量区；载液区；液泛区；载液区。⽓体；液体
1998--何谓⽓液传质板式塔操作中的转相点
电镀铜包钢
指由泡沫状态转为喷射状态的临界点
1999-2002-综合评价塔板优劣的标准有哪些
通过能⼒⼤；塔板效率⾼；塔板压降⼩；操作弹性⼤；结构简单成本低
2001-2005-筛板塔的⽓液接触状态有哪三种，各有何特点
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