西北大学化工原理电子教案 10.气液传质设备 精馏和吸收都属气液传质过程，过程进行的主要设备是塔设备。它广泛用于各种化工生 产中。本章主要讨论其设计和应用、操作情况。 塔设备可按气液接触部件的结构形式分为：板式塔和填料塔。无论哪一种塔设备，其基 本功能都在于提供气、液两相充分接触的机会，使热质两种传递过程能够有效的进行，还要 使接触后两相及时分开，互不夹带。 评价塔设备的基本指标主要包括： 1、生产能力：即单位塔截面上单位时间的物料处理量： 2、分离效率：对板式塔是指每层塔板可达到的分离程度：对填料塔是指单位高度填料 层所能达到的分离程度： 3、适应能力及操作弹性：指对各种物料性质的适应性以及在负荷波动时维持稳定操作 而且保持较高分离效率的能力： 4、流动阻力：即气相通过每层塔板或单位高度填料层的压强降： 5造价和安装、维修的难易。 在实际生产中，一个塔的性能不仅与其结构因素有关，还与设计是否合理、使用是否得 当、操作范围是否在适宜范围之内等因素有关。 10.1板式塔 10.1.1概述 板式塔的设计意图板式塔的结构简图见图10-1。 塔体是圆柱形，塔内每隔一定间距装一块塔板。液体 由上部进入流过每层塔板，气体由下部进入穿过每层 塔板，板上有一定液层，以保持气液接触。在总体上 汽液呈逆流，在每块塔板上汽液成错流。 ↑tf 气体 筛孔塔板的构造塔板是板式塔的主要部件。塔板的 田10-】板式塔结构 形式有许多种，此处以筛孔塔板为例进行介绍。 简图 塔板的主要构件或结构包括：
西北大学化工原理电子教案 10. 气液传质设备 精馏和吸收都属气液传质过程，过程进行的主要设备是塔设备。它广泛用于各种化工生 产中。本章主要讨论其设计和应用、操作情况。 塔设备可按气液接触部件的结构形式分为：板式塔和填料塔。无论哪一种塔设备，其基 本功能都在于提供气、液两相充分接触的机会，使热质两种传递过程能够有效的进行，还要 使接触后两相及时分开，互不夹带。 评价塔设备的基本指标主要包括： 1、生产能力：即单位塔截面上单位时间的物料处理量； 2、分离效率：对板式塔是指每层塔板可达到的分离程度；对填料塔是指单位高度填料 层所能达到的分离程度； 3、适应能力及操作弹性：指对各种物料性质的适应性以及在负荷波动时维持稳定操作 而且保持较高分离效率的能力； 4、流动阻力：即气相通过每层塔板或单位高度填料层的压强降； 5 造价和安装、维修的难易。 在实际生产中，一个塔的性能不仅与其结构因素有关，还与设计是否合理、使用是否得 当、操作范围是否在适宜范围之内等因素有关。 10.1 板式塔 10.1.1 概述 板式塔的设计意图 板式塔的结构简图见图 10-1。 塔体是圆柱形，塔内每隔一定间距装一块塔板。液体 由上部进入流过每层塔板，气体由下部进入穿过每层 塔板，板上有一定液层，以保持气液接触。在总体上 汽液呈逆流，在每块塔板上汽液成错流。 筛孔塔板的构造 塔板是板式塔的主要部件。塔板的 形式有许多种，此处以筛孔塔板为例进行介绍。 塔板的主要构件或结构包括： 1
西北大学化工原理电子教案 1、塔板上的气体通道，主要是使气体通过并与板上液体接触。对筛板塔、筛孔就是按 一定排列方式钻出的小孔，孔径一般3~8mm,也有大孔径12~25mm。 2、溢流堰 为使塔板上保留一定液层，板出口处装置溢流堰，大液量 采用平直堰，小液量采用齿形堰，高用hw,长度用w表示。 液相 滋流堰 3、降液层 降液管 每层塔板下流的液体经降液管流入下层塔板。对小塔采用 气相 管式降液管，对稍大一点的塔都采用弓形降液管。 降液层下部必须液封，以防止气体短路，从降液管进入上 层塔板。液封的方法有两种：一是在降液管前安装进口堰，但 进口堰高度必须小于出口堰高，另一种是采用凹形受液盘，即如图所示。参见上图。 对于小塔（直径约2以下）多用单流道，即一个降液管，对于大塔，采用双流道或多 流道，则有两个或多个降液管。 10.1.2塔板上的汽液接触状态 塔板上的汽液接触状态有三种： 泡浓状态 喷射状态 塔核上的气液接触状态 鼓泡接触状态 低气速时，气体以鼓泡状态通过液层，此时液相为连续相，气相为分散相，两相接触表 面为气泡表面。此时湍动程度小，传质阻力大。 泡沫接触状态 也称蜂巢状接触，此时气速较高，气泡表面连成一片，并不断发生合并和破裂，板上液 体大部分以液膜状态存在于气泡之间，此即称泡沫接触或蜂巢状接触。在此状态下，液相仍 为连续相，气相为分散相，并且接触面积为液膜面积。筛孔塔板的正常操作工况都应在此种 接触工况下操作。 2
西北大学化工原理电子教案 1、塔板上的气体通道，主要是使气体通过并与板上液体接触。对筛板塔、筛孔就是按 一定排列方式钻出的小孔，孔径一般 3～8mm，也有大孔径 12～25mm。 2、溢流堰 为使塔板上保留一定液层，板出口处装置溢流堰，大液量 采用平直堰，小液量采用齿形堰，高用 hw，长度用 lw 表示。 3、降液层 每层塔板下流的液体经降液管流入下层塔板。对小塔采用 管式降液管，对稍大一点的塔都采用弓形降液管。 降液层下部必须液封，以防止气体短路，从降液管进入上 层塔板。液封的方法有两种：一是在降液管前安装进口堰，但 进口堰高度必须小于出口堰高，另一种是采用凹形受液盘，即如图所示。参见上图。 对于小塔（直径约 2m 以下）多用单流道，即一个降液管，对于大塔，采用双流道或多 流道，则有两个或多个降液管。 10.1.2 塔板上的汽液接触状态 塔板上的汽液接触状态有三种： 鼓泡接触状态 低气速时，气体以鼓泡状态通过液层，此时液相为连续相，气相为分散相，两相接触表 面为气泡表面。此时湍动程度小，传质阻力大。 泡沫接触状态 也称蜂巢状接触，此时气速较高，气泡表面连成一片，并不断发生合并和破裂，板上液 体大部分以液膜状态存在于气泡之间，此即称泡沫接触或蜂巢状接触。在此状态下，液相仍 为连续相，气相为分散相，并且接触面积为液膜面积。筛孔塔板的正常操作工况都应在此种 接触工况下操作。 2
西北大学化工原理电子教案 喷射形接触状态 气速进一步增加，液体被气体流破碎成液滴，并抛向空间，液滴下落到板上又被抛起， 此种接触称为喷射形接触。在此种接触状态下，气相为连续相，液相为分散相，接触面积为 液滴表面积。由泡沫状转到喷射状的临界点称为转相点。 在工业中经常采用泡沫或喷射接触状态，但对鼓泡形塔板，主要是泡沫形接触。 10.1.3气体通过筛板的压力损失 流体通过塔板的压力降是衡量塔板流体力学特性的重要指标之一，并且是塔板设计的一 项重要指标。 塔板压力降就是通过塔板的气相压差值，以米流体柱表示，即为： 方，=A2=9+H, (10-1) p.g p.g 或 △p=hrp,g H,<42 (10-2) Pyg 流体通过塔板的压力降主要有两部分（对鼓泡塔） 1、干板压降：即无液体时的压降：方。 2、穿过板上的液层压降。方， 因而对鼓泡形塔板，湿板压降采用叠加规则，即： hr=h。+h, (10-3) 若以液柱表示，则： h,=h,+i, (10-4) 并且： 方=P方 P 干板压降 千板压降的计算用局部阻力系数的公式， 即： 16 h4= (10-5) c2g 4o为孔速(ms),或以液柱高度表示：
西北大学化工原理电子教案 喷射形接触状态 气速进一步增加，液体被气体流破碎成液滴，并抛向空间，液滴下落到板上又被抛起， 此种接触称为喷射形接触。在此种接触状态下，气相为连续相，液相为分散相，接触面积为 液滴表面积。由泡沫状转到喷射状的临界点称为转相点。 在工业中经常采用泡沫或喷射接触状态，但对鼓泡形塔板，主要是泡沫形接触。 10.1.3 气体通过筛板的压力损失 流体通过塔板的压力降是衡量塔板流体力学特性的重要指标之一，并且是塔板设计的一 项重要指标。 塔板压力降就是通过塔板的气相压差值，以米流体柱表示，即为： T v v f H g p g + Δ = ℘Δ = ρρ ' h （10-1） 或 g p H v T ρ Δ ρ vf gp Q << ' =Δ h （10-2） 流体通过塔板的压力降主要有两部分（对鼓泡塔） 1、 干板压降：即无液体时的压降： ' h α 2、 穿过板上的液层压降。 ' h l 因而对鼓泡形塔板，湿板压降采用叠加规则，即： ''' ldf += hhh （10-3） 若以液柱表示，则： += hhh ldf （10-4） ' hh l v ρ ρ 并且： = 干板压降 干板压降的计算用局部阻力系数的公式， g u c d 2 1 2 0 2 0 ' 即： h = （10-5） u0 为孔速（m/s），或以液柱高度表示： 3
西北大学化工原理电子教案 1P)2 hd= (10-6) 2g PLCo ℃。由实验测定，并且对不同的开孔率和板厚，筛孔的大小，其值不同，一般，干板压降与 孔速成平方关系（试验大概在1.7~2.2之间，但关联时，取到2，并调整c。)。 液层阻力主要由三个原因产生：①克服板上泡沫层的静压（占主要部分）：②形成g! 界面的能耗：③通过液层的摩擦阻力损失。液层阻力与液量强度、气速、物性(P、μ等) 以及塔板结构有关，由实验测定并关联。 在实验测定时，先测干板，再测湿板，湿板与干板压降之差即为液层阻力，然后关联， 得出总的湿板压强。 一般在低气速下液层阻力为主，高气速时干板压降占的比例增大。 10.1.4筛板塔内气液两相的非理想流动 板式塔的非理想流动现象有两类：一是空间的反向流动，一是空间的不均匀流动。这些 非理想流动都背离逆流的原则，并造成传质效率降低。 10.1.4.1空间上的反向流动 空间反向流动是指与主体流动方向相反的液体或气体流动。 1、液（雾）沫夹带 气流通过塔板上液层时，会挟带液滴向上运动，一定液滴的液体会进入上一层塔板形成 液沫夹带。液沫夹带是液体与主流方向不一致的现象，会降低传质效率。严重时引起夹带液 泛。 液沫夹带的形成有两个原因，一是小液滴的沉降速度小于空间气流速度，因而小液滴被 夹带上去，此时夹带量和夹带的形成与板间距无关。另一原因液滴的飞溅，此部分液滴直径 较大。并且夹带量与板间距有关。总的来说，液沫夹带与板间距有关，板间距大，夹带量小， 板间距小，夹带量大。 液沫夹带以三种方式表示： ①以1kmol(或kg)干气体的夹带的液体量，以e表示，单位为kmol或kg: ②以每层塔板在单位时间内被气体夹带的液体量，以e'表示，单位为kmol或kg: ③以被夹带的液体流量占流经塔板总液体流量的分率表示。 三者的关系为：
西北大学化工原理电子教案 2 0 0 . 2 1 〉〈= c u g L v d ρ ρ h （10-6） 0 c 由实验测定，并且对不同的开孔率和板厚，筛孔的大小，其值不同，一般，干板压降与 孔速成平方关系（试验大概在 1.7~2.2 之间，但关联时，取到 2，并调整 ）。0 c 液层阻力 主要由三个原因产生：①克服板上泡沫层的静压（占主要部分）；②形成 g-l 界面的能耗；③通过液层的摩擦阻力损失。液层阻力与液量强度、气速、物性（ ρ 、μ 等） 以及塔板结构有关，由实验测定并关联。 在实验测定时，先测干板，再测湿板，湿板与干板压降之差即为液层阻力，然后关联， 得出总的湿板压强。 一般在低气速下液层阻力为主，高气速时干板压降占的比例增大。 10.1.4 筛板塔内气液两相的非理想流动 板式塔的非理想流动现象有两类：一是空间的反向流动，一是空间的不均匀流动。这些 非理想流动都背离逆流的原则，并造成传质效率降低。 10.1.4.1 空间上的反向流动 空间反向流动是指与主体流动方向相反的液体或气体流动。 1、 液（雾）沫夹带 气流通过塔板上液层时，会挟带液滴向上运动，一定液滴的液体会进入上一层塔板形成 液沫夹带。液沫夹带是液体与主流方向不一致的现象，会降低传质效率。严重时引起夹带液 泛。 液沫夹带的形成有两个原因，一是小液滴的沉降速度小于空间气流速度，因而小液滴被 夹带上去，此时夹带量和夹带的形成与板间距无关。另一原因液滴的飞溅，此部分液滴直径 较大。并且夹带量与板间距有关。总的来说，液沫夹带与板间距有关，板间距大，夹带量小， 板间距小，夹带量大。 液沫夹带以三种方式表示： ①以 1kmol（或kg）干气体的夹带的液体量，以eV表示，单位为kmol或kg； ②以每层塔板在单位时间内被气体夹带的液体量，以 e’表示, 单位为 kmol 或 kg； ③以被夹带的液体流量占流经塔板总液体流量的分率ψ表示。 三者的关系为： 4
西北大学化工原理电子教案 e V=- (10-8) L+e'L te L,V分别为液体和千气体的kmol流体率或质量流率(kmol/h,orkg/h)。 2、气泡夹带 板上液体与气体成泡沫状接触时，液体流过塔板进入降液管时必然带有大量气泡，若降 液管中液体的停留时间短，则气泡来不及从降液管中解脱，即被液体带入下一层塔板，此即 形成气泡夹带。气泡夹带使气体与主流方向相反，因而降低了传质效率。气泡夹带严重时会 造成降液管液泛，破坏塔板正常操作。 为了避免严重的气泡夹带，在出口溢流液前的一部分板面上不开孔，使液体中的气泡脱 除，这一部分称为出口安定区。 另一方面，为使降液管中夹带的气泡脱除，液体在降液管中应有足够的停留时间。其平 均停留时间由下式计算。 Ar.Ha T=- (10-9) L Ar和H。分别为降液管面积和当量清液层高度，L为液体流率ms。 保证一定的停留时间，避免严重的气泡夹带是决定降液管面积和溢流堰长度的主要依 据。 10.1.4.2空间上的不均匀流动 空间上的不均匀流动是指气体或液体流速的不均匀分布。 1、气体沿塔板的不均匀流动 由于液体流过塔板必须克服阻力，所以从液体入口到液体出口应存在一个位差。把塔板 进出口两侧的清液层高度差称为液面落差，并以△表示。 由于液面落差的存在，造成气体穿过塔板的阻力不同，在液体进口处，液层阻力大，气 体流量小，在液体出口处，液层阻力小，气体流量大，这样就造成了气流沿塔板方向的不均 匀流动，这种不均匀流动将降低传质推动力。 2、液体沿塔板的不均匀流动 液体在塔板上的流动是个非常复杂的过程。板的圆形结构，使液体流过塔板的途径不同， 会产生环流，死区，沟流，旁路和返混等非理想流动，这些非理想流动均能造成传质效率降
西北大学化工原理电子教案 v v e V L e eL e + = + = ' ' ψ （10-8） L，V 分别为液体和干气体的 kmol 流体率或质量流率（kmol/h，or kg/h）。 2、 气泡夹带 板上液体与气体成泡沫状接触时，液体流过塔板进入降液管时必然带有大量气泡，若降 液管中液体的停留时间短，则气泡来不及从降液管中解脱，即被液体带入下一层塔板，此即 形成气泡夹带。气泡夹带使气体与主流方向相反，因而降低了传质效率。气泡夹带严重时会 造成降液管液泛，破坏塔板正常操作。 为了避免严重的气泡夹带，在出口溢流液前的一部分板面上不开孔，使液体中的气泡脱 除，这一部分称为出口安定区。 另一方面，为使降液管中夹带的气泡脱除，液体在降液管中应有足够的停留时间。其平 均停留时间由下式计算。 L HA df . τ = （10-9） A f 和 H d 分别为降液管面积和当量清液层高度，L 为液体流率 m³/s。 保证一定的停留时间，避免严重的气泡夹带是决定降液管面积和溢流堰长度的主要依 据。 10.1.4.2 空间上的不均匀流动 空间上的不均匀流动是指气体或液体流速的不均匀分布。 1、气体沿塔板的不均匀流动 由于液体流过塔板必须克服阻力，所以从液体入口到液体出口应存在一个位差。把塔板 进出口两侧的清液层高度差称为液面落差，并以 Δ 表示。 由于液面落差的存在，造成气体穿过塔板的阻力不同，在液体进口处，液层阻力大，气 体流量小，在液体出口处，液层阻力小，气体流量大，这样就造成了气流沿塔板方向的不均 匀流动，这种不均匀流动将降低传质推动力。 2、液体沿塔板的不均匀流动 液体在塔板上的流动是个非常复杂的过程。板的圆形结构，使液体流过塔板的途径不同， 会产生环流，死区，沟流，旁路和返混等非理想流动，这些非理想流动均能造成传质效率降 5