化工原理 第十章 气液传质设备

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  第十章 气液传质设备 10.1 填料塔 10.2 板式塔 10.3 塔设备的比较和选型 1 10.1 填料塔 10.1.1 填料塔和填料 一、填料塔的结构 填料塔是一种应用广泛的气液两相接触并进行 传热、传质的塔设备,可用于吸收(解吸)、 精馏和萃取等分离过程。填料塔不仅结构简单 ,而且具有阻力小和便于用耐腐蚀材料制造等 优点,尤其适用于塔直径较小地情形及处理有 腐蚀性的物料或要求压强较小的真空蒸馏系统 ,此外,对于某些液气比较大的蒸馏或吸收操 作,也宜采用填料塔。 2 二、填料 填料式填充于填料塔中的材料,它是填料塔的主要内构件,其作用 是增加气、液两相的接触面积,并提高液体的湍动程度以利于传质、 传热的进行。因此填料应能使气、液接触面积大、传质系数高,同时 通量大而阻力小。表征填料特性的主要参数有: 1. 比表面积 2. 空隙度 3. 单位堆体积内的填料数目n 4. 堆积密度 5. 干填料因子及填料因子 6. 机械强度及化学稳定性 此外,性能优良的填料还必须满足制造容易、造价低廉等多方面的 要求。 3 常用的填料可分为两大类:个体填料与规整填料。个体填料由实心 的固体块、中空的环形填料、表面开口的鞍形填料等,其常用的构造 材料包括陶瓷、金属、塑料(聚丙烯、聚氯乙烯等)、玻璃、石墨。 陶瓷填料耐腐蚀,但易碎,空隙率小;金属填料比表面积及空隙率大, 通量大,效率高,但不锈钢价贵,普通钢易腐蚀;塑料填料比表面积 大,空隙率较高,但不耐高温。工业上常用的一些个体填料如下。 图10-2 填料的形状 4 三、填料得选择 1、填料用材的选择 (1)当设备操作温度较低时,塑料能长期操作而不出现变形,在此 种情况下如果体系对塑料无溶胀时可考虑使用塑料,因其价格低、 性能良好。塑料填料的操作温度一般不超过1000C,玻璃纤维增强的 聚丙烯填料可达1200C左右。塑料除浓硫酸、浓硝酸等强酸外,有较 好的耐腐蚀性,但塑料表面对水溶液的润湿性差。 (2)陶瓷填料一般用于腐蚀性介质,尤其是高温时,但对HF和高 温下的H3PO4与碱不能使用。 (3)金属材料一般耐高温,但不耐腐蚀。不锈钢可耐一般的酸碱腐 蚀(含C1-的酸除外),但价格较昂贵。 5 2、 填料类型的选择 首先取决于工艺要求,如所需理论级数,生产能力(气量),容 许压降,物料特性(液体黏度、气相和液相中是否有悬浮物或生产过 程中的聚合等)等,然后结合填料特性来选择,要求所选填料能满足 工艺要求,技术经济指标先进,易安装和维修。 由于规则填料气、液分布较均匀,放大效应小,技术指标由于乱 堆填料,故近年来规则填料的应用日趋广泛,尤其是大型塔和要求压 降低的塔,但装卸清洗较为困难。 对于生产能力(塔径)大,或分离要求较高,压降有限制的塔, 选用孔板波纹填料较宜,如苯乙烯—乙苯精馏塔、润滑油减压塔等。 对于一些要求持液量较高的吸收体系中,一般用乱堆填料。乱堆填料 中,综合技术性能较优越是金属鞍环、阶梯环、其次是鲍尔环,再次 是矩鞍填料。 6 3、 填料尺寸的选择 一般,填料尺寸(直径、波峰高)大,则比表面小,通量(容许 气速)大,压降低,但效率(每米填料的理论半数)也低,故多用于 生产能力(处理气量)大的塔。 大型工业用规整填料塔常用波峰高12mm左右的板波填料(比表面约 为250m2/m3)。 对于理论板数很多或塔高受厂房限制的场合,一般用小尺寸、高 比表面填料。 对于易结垢或易沉淀的物料通常用大尺寸的栅板(格栅)填料, 并在较高气速下操作。 7 10.1.2填料塔的留题力学性能于传质性能 一、填料塔内的流体流动 1、填料层中的流动 气体在填料层内的流动相当与气体在颗粒层内的流动。 2、 气液两相流动的交互影响和载点 载干填料层内,气体流量的增大,将使压降按1.8~2.0次方增长。 3、 填料塔的液泛 当气液量达到某一定值时,两相交互作用恶性发展的结果会导致 液泛现象的出现。此时上升气流对液流的曳力加大到足以阻止液体 下流,于是液体充满填料层空隙,气体只能鼓泡上升。 8 二、填料塔的水力学性能 1、压力降 反映填料层阻力的压降随填料的类型与尺寸不同而变化。 2、 液泛 气速通常取泛点气速的50%~80%。填料塔的直径D: 3、载液 从正常到载液的过渡往往是一段圆滑曲线、持液量 持液量指单位体积填料层载其空隙中所持有地液体量。 5、润湿速率 喷 淋 密 度 液 体 体 积 流 量 / 填 料 层 截 面 积 润 湿 速 率 = = 填 料 比 表 面 填 料 层 表 面 积 / 填 料 层 体 积 D ? 4V s ?u 液 体 体 积 流 量 液 体 体 积 流 量 = = 填 料 层 表 面 积 / 填 料 层 高 度 填 料 层 得 周 边 长 9 三、填料的传质性能 1.填料润湿表面的计算 2 2 a G G 0 . 7 5 0 . 1 0 . 0 5G . 2 W c L L? L 0 ? 1 ? e x p [ ? 1 . 4 5 ( ) ( )( 2) ( )] a a g L L L ? ? ?? ? ? ? 2.液相传质系数计算 ? 0 G ?) ( k ( )? . 0 0 5 1 ( )( a d ) ? g a ? ? D L 1 L3 3 L 2 1 2 L ? L W L LL 0 . 4 p 3.气相传质系数 k R T G 0 . 7 ? 1 3 ? 2 V ? C ( V) ( V) ( a d ) P a D a ? ? D V V V V 10 四、一些设计指标 1.填料尺寸 一般认为上述比值至少要等于8,对拉西环填料还须大一些。 2.操作气速 操作气速可按下列两种方法之一决定: (1)取操作气速等于液泛气速得0.5~0.8倍; (2)根据生产条件,规定出可容许得压力降,由此压力将反算出可 采用得气速。 3.填料层高度 填料层高度由传质单元数或理论板数来推算。 11 10.1.3填料塔得附属结构 (c) 填料塔得附属结构包括填料支撑板,液体分布器,液体再分布器, 气、液体进口及出口装置等。 1、 支承板 (c)条形升气管 (a)栅 板 (b)升 气 管 式 图10-5 填料的支撑 12 2、 液体分布器 (1)管式喷淋器 B A B A (a) A- A (c) B- B (d) (b) 图10-6 管式喷淋器 13 (2)莲蓬式喷淋器 (3)盘式喷淋器 (4)齿槽式分布器 图10-9 槽式喷淋器 14 4、 其他 为避免操作中因气速波动而使填料被冲动及损坏,常需在填 料层顶部设置填料压板或挡网,否则有可能使填料层结构及塔的 性能急剧恶化,破碎的填料也可能被代入气、液出口管路而造成 阻塞。 填料塔气体进口的构形应考虑液体倒灌,更重要的是要有利 于气体均匀地进入填料层,对于小塔常见地方式是使进气管伸至 塔截面的中心位置,管端作向下倾斜的切口或向下弯的喇叭口。 对于大塔,应采取其他更为有效的措施。 气体出口有时需设置除雾沫装置,常用的除沫装置有折流板 除雾器、丝网除雾器等。 液体的出口应保证形成塔的液封,并能放置气体的挟带。 15 10.2 板式塔 16 液 体 液 体 液 体 浮 阀 10.2.1板式塔的塔型简介 升 气 管 右图中: (a)为泡罩塔; (b)为筛板塔; (c)为浮阀塔; (d ) 为固定舌型塔; (e)为浮动喷射塔。 气 流 ( a) 气 流 ( b) 气 流 (c ) 液 体 液 体 浮 板 气 流 (d ) 图 10- 11 常 用 板 式 塔 的 简 图 气 流 (e) 17 10.2.2板式塔的操作原理 通常在塔板以上形成三种 不同状态的区间: 靠近塔板的液层底部属鼓 泡区,如图中(1); 在液层表面属泡沫区,如 图中(2); 在液层上方空间属雾沫区, 如图中(3)。 18 10.2.3板式塔塔径的估算 塔径可按流量方程求得,即 D ? 4V s ?u Vs ? ? 2 D u 4 因此 气速 u 的计算 umax ?C ? ?L ? ?G ?G C ? 值应按下式进行校正: C20 20 ? ( )0.2 C? ? 19 10.2.4塔板流动形式 有降液管得板式塔常用得塔板液流型式有以下几种: 1.单溢流型 如图10—14(a)。 2.双溢流型 如图10—14(b)。 3.U形溢流型 如图10—14(c)。 4.四溢流型 如图10—14(d)。 (a ) (b ) 图 1 0 - 1 4塔 板 流 动 型 式 (c ) (d ) 20 10.2.5塔板的共同结构 wc 无 效 区 1.塔板的几个区域 各种塔板版面大致可分 为三个区域:降液管所占 的部分称为溢流区;塔板 开空部分称为鼓泡区;图 10—15中阴影部分称为无 效区。 溢 流 区 Af 鼓 泡 区 Aa 溢 流 区 lw w 图 10- 15 w s 塔 板 共 同 结 构 示 意 图 s 21 2.降液管 (1)降液管的作用和液体在降液管的停留时间 一般要求停留时间大于3~5s,即按下式计算: 3 A 降 液 管 容 积 m fH T ? ? ? 3 液 体 体 积 流 量 ms / L s (2)降液管的形状 Af Af (a)圆 形 ( b)弓 形 图 10- 16 降 液 管 示 意 图 22 3. 溢流堰 W e 降液管 how hw HT h0 筛板 溢流堰 lw Af Aa W s r x Af W d 图 10- 17 单溢流塔板示意图 lw 堰长 :为使液流均匀通过塔板,一般对单溢流 对双溢流 lw ? 0.6 ~ 0.8 D lw ? 0.5 ~ 0.7 D 一般堰上最大液流量,不宜超过100~130m3/(m h)。 23 4.堰上液层高度 h ow ? 2.84( L h 23 ) lw 5.液体通过降液管得阻力 L hc ? 0.153( s )2 lwh0 6.降液管到下板间距 h0 h 0 值应使液体通过降液管得阻力不要超过25mm。此 一般情况下, 外,应浸没在液层中以保持液封防止气体进入降液管,所以此值 h ? 6 ~ 1 3 m m 应小于堰高h w ,一般取h? w 0 24 10.2.6筛板塔得结构设计 1. 筛板的开孔 t 为了使筛板的利用率高,筛孔多取三 角形排列(见图10-21)。当孔 间距和孔径确定后,开孔面积与塔板 开孔区面积之比( ? ),由下式计算: ?? A d 0 ?0 .9 0 7 ( 0 )2 A t a d0 开孔区面积对于单溢流塔板可用下式计算: 对于双溢流塔板 2 2 2 ? 1x A ? 2 [ xr ? x ? r s i n ] a r 图 10- 21 筛 孔 排 列 示 意 图 塔板上的筛孔总数n可用下式计算: x x 2 2 2 ? 1 2 2 2 ? 1 Ax ? 2 [ rx ? ? r s i n ] ? 2 [ x rxr ? ? s i n ] a 1 1 r r 5 1 1 8 5 ? 1 0 n? A nA a? a 2 t 25 2. 溢流堰 溢流堰设计按10.2.5节考虑,筛板塔的堰高可按以下要求设计: 对一般的塔,应使塔上清夜层高度(堰高+堰上液流高度)在50 ~100mm之间,即 0 . 1 0 0 ?? h ? 0 . 0 5 0 ? h o wh w o w 5 m m,此 对于真空度较高或要求压强很小的情况下,可使 h L ?2 6 ~ 1 5 m m 。当液流量很大时,可以不设堰。 时h o w? 3.其他结构 降液管、内堰、受液盘及安定区、边缘区等要求按10.2.5节 设计。 26 10.2.7筛板塔上流体力学计算 1. 塔板压降(流体阻力) 塔板压降由如下三部分组成: (1)干板压降; 2 2 F 1 ? ) 0 ( ? p = 0 . 0 5 1 干 2 C ? L 0 (2)通过液层的压降; 通过液层得压降按有效液层阻力 h e 计算 (3)由表面张力引起的压降。 由表面张力引起的压降值一般可忽略,故重要由前两项组成,即 ? p ? ? p + ? p 干 液 27 2.筛板的几个操作极限 (1)漏液点 F = - 4 . 5 1 = 0 . 0 0 8 4 8 ( d ? 1 . 2 7 ) ( h ? 2 7 . 9 ) 0 L 0 漏 (2)雾沫夹带 ?u ? u 7 3 . 0 0 5 7 3 . 2 0 G G e ? 0 . 2 2 ( ) [ ] ? ? v ? 1 2 ( H ? h ?? H ? h ? ? T f) T f ? ? 3 . 2 (3)液泛 板式塔的设计中要求降液管中的液柱高 0 . 50 . 6 倍,即 H ? ( 0 . 50 . 6 ) H d T H 不超过板间距 d H T 的 28 3.板塔的负荷性能图 将塔板的操作上下限绘在图上, 称为负荷性能图。 气 量 /( m /h) (1)图中线a为最小液体负荷线)线b为漏液线。 操 作 点 a A B f e D c d (3)线c为最大液体负荷线)线d按液体在降液管中允许停 留时间计算。 3 b E 液 量 ( m 3 /h ) 图 10- 25 筛 板 塔 操 作 性 能 示 意 图 (5)线e为降液管液泛线-26 F-1型浮阀 2.阀的排列 浮阀一般按正三角形排列,也 有采用等腰三角形排列的。 t 液流方向 液流方方 浮阀中心距可取75、100、 125、150mm等几种。 ( a) 顺 排 图 10- 27 浮 阀 的 排 列 ( b) 叉 排 30 t 3.阀数确定 V V V s s n ? ? 8 3 7 ? 0 . 2 3 2 2 0 . 7 8 5 ? ( 0 . 0 3 9 ) u u u 0 0 0 4.溢流管及降液管 按10.2.5节及10.2.6节有关部分设计计算。亚虎娱乐 5.塔板压降(液体阻力) (1)干板压降 阀全开前 阀全开后 (2)通过液层的 ?p干 = 19.9 u00.175 ?L 2 u 0 ? G ? p = 5 . 3 4 干 2g ?L ?? p 0 . 5 h ? 0 . 5 ( h ? h ) L w o w 液 31 6.液面梯度 建议2~3m直径的单溢流塔中,若溢流强度不大于50m3/(m h)时,可 使塔板倾斜度按每3m倾角10考虑,溢流强度较低时,倾角可小些。 7.漏液点核雾沫夹带 (1)漏液点 F 一般认为漏液点的阀孔动能因素为 0 ? 5~ 6 (对常压及加 压塔),故以此值作为操作下限。 (2)雾沫夹带 泛点率由下列二式求之(采用计算结果中较大的数值): 1 0 0 C 1 3 6 L Z V? s F ? % 1 AK C b F 1 0 0 C V F ? % 1 0 . 7 8 5 A KC T F CV ? Vs 及 其中 32 ?G ?L ? ?G 10.2.9 新型塔设备简介 1.A.P.V.维斯脱泡罩—筛板塔 2.多降液管筛板塔(又称MD筛板塔) 液 气 气 气 气 流 (b ) (a) 图 10- 30 袍罩筛板塔示意图 图10-31 多降液管筛板塔示意图 33 3.网状筛板塔 4.浮动舌形塔(简称浮舌塔) 34 10.3 塔设备的比较和选型 一、板式塔的比较 表 10-8 板式塔的比较 塔型 泡罩 筛板 浮阀 舌型 总板效率/% 60~80 70~90 70~90 70~90 处理能力 1 1.4 1.5 ~1.5 操作弹性 5 3 9 3 Δp 1 0.5 0.6 0.8 板间距/mm 400~800 200~400 300~600 300~600 成本 1 2/3 2/3 2/3 二、填料塔和板式塔的对比与选用 1.传质效率 2.液体阻力 3.液体负荷量 4.设备结构 其他如处理有腐蚀性的物料可用填料塔,而处理有固体戏出的 物料可选用难以堵塞的板式塔(浮阀、泡罩塔)。 总之,塔型的选用应根据具体情况确定。 35

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