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)

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。

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

(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

5．塔板上设置入口安定区的目的是( )，设置出口安定区的目的是( )。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__________________。

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

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

鼓泡接触状态：气量低，气泡数量少，液层清晰；

泡沫接触状态：气量大，液体大部分以叶膜形式存在于气泡之间，但仍为连续相；

喷射接触状态：气量很大，液体以液滴形式存在，气相为连续相

2002-2007-何谓等板高度HETP

分离效果相当于一块理论板的填料层高度

2003-2004-2005-2007-何谓载点，泛点？

填料塔内随着气速逐渐由小到大，气液两相流动的交互影响开始变得比较显著时的操作状态为载点；气速进一步增大至出现压降陡增的转折点即为泛点

2004-2006-板式塔的不正常操作现象有哪几种

1998--何谓气液传质板式塔操作中的转相点

1999-2002-综合评价塔板优劣的标准有哪些

2001-2005-筛板塔的气液接触状态有哪三种，各有何特点

2002-2007-何谓等板高度HETP

2003-2004-2005-2007-何谓载点，泛点？

夹带液泛，溢流液泛，漏液

2004-2006-板式塔的不正常操作现象有哪几种

夹带液泛，溢流液泛，漏液

2006--填料塔和板式塔各用于什么场合

填料塔操作范围小，宜处理不易聚合的清洁物料，不易中间换热，处理量较小，造价便宜，较易处理易起泡、腐蚀性、热敏性物料，能适应真空操作；

板式塔适合要求操作范围大，易聚合或含固体悬浮物，处理量达，设计要求比较准确的场合2007—为什么实际塔板的默弗里板效率会大于1

实际塔板上液体并不是完全混合的，而理论塔板的定义是以液体完全返混为基础的。2007—湿板效率与默弗里板效率的实际意义有何不同

前者考虑了夜沫夹带对板效率的影响，可用表观操作线进行问题的图解求算，而后者没有。2009—气液传质设备中常用的三种除沫器

折板除沫器、丝网除沫器、旋流板除沫器

1-板式塔的设计意图是什么？对传质过程有利的理想流动条件是什么？ 气液两相在塔板上充分接触；总体上气液逆流，提供最大推动力 总体两相逆流，每块板上均匀错流 2-板式塔内有哪些主要的非理想流动？

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：气体的不均匀流动、液体的不均匀流动 3-夹带液泛和溢流液泛有何区别 前者是过量液沫夹带引起的

后者是由溢流管降液能力的限制造成的

4-筛板塔负荷性能图受哪几个条件约束？何谓操作弹性？ 过量液沫夹带，漏液，溢流液泛，液量下限，液量上限 操作弹性是指上、下操作极限的气体流量之比

5-什么系统喷射状态操作有利？什么系统泡沫状态操作有利？

用X 表示重组分摩尔分率，且重组分从气相传至液相时，喷射状态对负系统有利，泡沫状态对正系统有利

6-填料的主要特性可用哪些特征数字来表示？有哪些常用填料？ 比表面积，空隙率，填料的几何形状

拉西环，鲍尔环，弧鞍形填料，矩鞍形填料，阶梯形填料，网体填料 7-为什么即使塔内各板效率相等，十一章萃取

全塔效率在数值上也不等于板效率？

因为两者定义基准不同，全塔效率以所需理论板数为基准定义的，而板效率是以单板理论增浓度为基准定义的。

1998-什么是萃取塔设备的特性速度

萃取塔的特性速度是由物性及液滴尺寸决定的常数，与操作条件即空塔速度无关

2

C D

k )1(u )1(u u φφφ-+

-=

1998-2001-2006-2009-何谓选择性系数？

β=（yA/yB ）/(xA/xB) β=1时不可用萃取方法分离；

β=无穷大时，组分B ，S 为完全不互溶物系（B 不溶于溶剂S 中）

1999—当两相流量比相差很大且所选用的设备可能产生严重的轴向混合时，应将哪一相作为分散相，为什么？

应将流量小的一相作为分散相； 原因：为减小轴向混合的影响

2000--液夜传质设备的主要技术性能有哪些？与设备尺寸有何关系？ ①两相极限通过能力；

②设备的传质速率（传质系数Kya 或HETP ）

前者决定了设备的直径，后者决定了塔高