湄洲湾职业技术学院化工原理课程教案.docx

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湄洲湾职业技术学院化工原理课程教案

湄洲湾职业技术学院化工原理课程教案

教学课题：

第八章气液传质设备

第一节气液传质设备类型与基本要求

第二节板式塔

（一）

教学时间：

第13周5月22日下午第5，6节

教学目的与要求：

1、学习气液传质设备类型和基本要求

2、了解气液传质设备的性能要求的表示要素

3、学习板式塔主要类型的结构和特点

4、学习塔板上气液流动和接触状况

教学重点：

板式塔主要类型的结构和特点、塔板上气液流动和接触状况

教学难点：

对于返混现象和液泛的理解

教学方式与手段：

讲授

参考资料：

教学过程：

第八章汽液传质设备

本章学习要求

1．熟练掌握的内容

板式塔内气液流动方式；板式塔塔板上气液两相非理想流动；板式塔的不正常操作，全塔效率和单板效率；板式塔塔高和塔径的计算；填料塔内流体力学特性；气体通过填料层的压降；泛点气速的计算；填料塔塔径的计算。

2．理解的内容

板式塔的主要类型与结构特点，板式塔塔板上气液两相接触状况；筛板塔溢流装置的设计及踏板板面布置；筛板塔塔板校核；筛板塔负荷性能图的绘制及其作用；填料塔的结构；填料及其特性。

3．了解的内容

气液传质设备类型与基本要求；填料塔的附件；板式塔与填料塔的比较。

第一节气液传质设备类型与基本要求

塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。

塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。

因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。

根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。

板式塔内沿塔高装有若干层塔板（或称塔盘），液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。

气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。

填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。

液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。

气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。

目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。

蒸馏操作的规模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。

气液传质设备的性能通常由以下几个要素表示：

1．塔设备的生产能力或通过能力：

指单位时间单位塔截面积上的处理量或气液流量。

2．传质效率：

对板式塔而言，传质效率通常用塔板效率来衡量，即实际塔板与理论塔板分离能力之比；对填料塔而言，传质效率通常用传质单元高度，即完成一个传质单元所需要的填料层高度来表示。

3．流体阻力：

指气体通过每层塔板或每米填料层高度的压降。

4．塔设备的操作弹性：

指最大气速负荷与最小气速负荷之比，其值的大小表明塔对负荷变化的适应能力。

5．塔的设备投资与操作成本、安装及维修方便等因素。

本章重点介绍板式塔的塔板类型，分析操作特点并讨论浮阀塔的设计，同时还介绍各种类型填料塔的流体流体力学特性和计算。

第二节板式塔

（一）

一、板式塔主要类型的结构和特点

工业上常用的板式塔有：

泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流栅孔板塔

浮阀塔具有的优点：

生产能力大，塔板效率高，操作弹性大，结构简单，安装方便。

二、塔板上气液流动和接触状况

（一）塔板上的气液流动方式

A使气液两相在塔板上进行充分接触以增强传质效果

B使气液两相在塔内保持逆流，并在塔板上使气液量相保持均匀的错流接触，以获得较大的传质推动力。

（二）塔板上的气液两相接触状况

1、鼓泡接触状况

2、泡沫接触状况

3、喷射接触状况

（三）塔板上的气液两相的非理想流动

1、返混现象

（1）液沫夹带：

气体离开液层时带上一些小液滴，其中一部分可能随气流进入上一层塔板，这种现象称为液（雾）沫夹带。

（2）气泡夹带：

液体在下降过程中，有一部分该层板上面的气体被带到下层板上去，这种现象称为气泡夹带。

2、气体和液体的不均匀分布

（1）气体沿塔板的不均匀分布

（2）液体沿塔板的不均匀分布

（四）板式塔的不正常操作

1、液泛：

汽相或液相流量增大到某一数值，上、下两层板间的压力降便会增大到使降液管内的液体不能畅顺地下流。

当降液管内的液体满到上一层塔板溢流堰顶之后，便漫到上层塔板上去，这种现象，称为液泛（淹塔）

如气速过大，便有大量液滴从泡沫层中喷出，被气体带到上一层塔板，或有大量泡沫生成。

如当液体流量过大时，降液管的截面便不足以使液体及时通过，于是管内液面即行升高。

上述两种情况导致液泛的情况中，比较常遇到的气体流量过大，故设计时均先以不发生过量液沫夹带为原则，定出气速的上限，在此限度内再选定一个合理的操作气速。

（1）降液管液泛

（2）夹带液泛

2、严重漏液：

气相负荷减少，致使上升气体通过阀孔的动压不足以阻止流体经阀孔流下时，便会出现漏液现象。

漏液发生，塔板效率严重下降，正常操作时，漏液应不大于液体流量的10%。

（1）随机性漏夜

（2）倾向性漏夜

课堂小结：

　　板式塔主要类型的结构和特点、塔板上气液流动和接触状况，尤其是要理解返混现象和液泛现象。

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教学课题：

第八章气液传质设备

第二节板式塔

（二）

教学时间：

第14周5月26日下午第5，6节

教学目的与要求：

1、掌握全塔效率的计算公式和实际计算过程

2、掌握单板效率的计算公式和实际计算过程

教学重点：

全塔效率的计算

教学难点：

单板效率的计算

教学方式与手段：

讲授

参考资料：

教学过程：

复习旧课

讲授新课：

第二节板式塔

（二）

三、全塔效率与单板效率

（一）全塔效率

全塔效率又称总板效率，是指达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比值。

板式塔内各层塔板的接触效率并不相同，总板效率简单地反映了整个塔内所有塔板的平均效率。

设计中为便于求算实际板层数，都采用总板效率。

在塔设备的实际操作中，由于受到传质时间和传质接触面积的限制，一般不可能达到气液平衡状态，因此，实际塔板的分离作用低于理论塔板，从这个概念出发。

从这个概念出发，可以定义全塔效率为理论板数与实际板数之比：

（二）单板效率

单板效率又称为（Murphree）板效率，是指气相或液相经过一层实际塔板前后的组成变化与经过一层理论塔板前后的组成变化的比值。

全塔效率为塔中的总效率，用全塔效率计算实际塔板数作为简便。

但全塔效率是一种平均的概念，实际上塔内各板的传质情况不尽相同，即各板的传质效率往往不相同，所以研究每一块板的船只效率更有实质意义。

表示单板效率的方法很多，其中默弗里板效率，是以气相（或液相）经过实际板的组成变化与经过理论板的组成变化之比表示。

（三）塔板效率的影响因素

塔板效率反映实际板上传质过程进行的程度。

根据由双膜理论导出的传质速率方程式可知，传质系数、传质推动力、传质面积和两相接触时间应是决定塔板上各点处气、液接触效率的几个重要因素。

板效率是板上各点处接触效果的综合体现，因而，决定板效率高低的另一重要因素是板上液体的返混程度，此外雾沫夹带及漏液现象，造成液相在塔板之间的返混，也使达到一定分离指标所需的板的层数增多，总板效率下降。

进一步分析上述各因素，可归纳出以下几个方面：

1．物系性质

物系性质主要指粘度、密度、表面张力、扩散系数、相对挥发度等。

液体的粘度、密度直接影响板上液流的湍动程度，进而影响传质系数和气液接触面积。

表面张力影响泡沫生成的数量、大小及其稳定性，因而也影响接触面积的大小。

物系的分子扩散系数对传质系数有直接影响，而相对挥发度等相平衡常数的影响则体现在传质推动力和过程速率的控制因素之中。

2．塔板型式与结构

塔板结构因素主要包括板间距、堰高、塔径以及液体在板上的流径长度等。

各种结构因素对操作状况及塔板效率的影响前已有所讨论。

3．操作条件

操作条件是指温度、压强、气体上升速度、溢流强度、气液流量比等因素，其中气速的影响尤为重要。

在避免大量雾沫夹带和避免发生淹塔现象的前提下，增大气速对于提高塔板效率一般是有利的

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教学课题：

第八章气液传质设备

第三节填料塔第四节板式塔与填料塔的比较

教学时间：

第14周5月29日下午第5，6节

教学目的与要求：

1、掌握填料塔结构

2、掌握塔内的流体力学特性

3、掌握各种填料及其特性

教学重点：

填料塔结构、各种填料及其特性

教学难点：

塔内的流体力学特性

教学方式与手段：

讲授

参考资料：

教学过程：

复习旧课

讲授新课：

第三节填料塔

一、填料塔的结构

1塔体

金属或陶瓷塔体一般均为圆柱形

2填料特性

A比表面积δ：

δ=s/v=m2/m3=单位体积填料层所具有的表面积

B空隙率ε：

单位体积填料层所具有的空隙体积

ε应尽可能大,以提高气液通过能力和减小气液阻力

C填料因子φ：

把有液体喷淋条件下实测的δ/2相应数值称湿填料因子,也称填料因子φ,单位:

l/m

φ↓ 填料阻力↓ 发生液泛时的气速 亦即流体力学性能好

D单位堆积体积的填料数目：

填料尺寸↓ 数目 δ ε↓气流阻力 填料造价

填料尺寸 塔壁处ε 气流易短路,为控制气流不均匀,填料尺寸不应大于（1/10----1/8）D

填料的种类:

分实体填料和网体填料两大类

常用填料有:

拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍与矩鞍填料、网体填料

3填料支承装置：

删板填料支承、升气管式支承

4液体的分布装置：

塔顶液体分布装置：

a莲蓬头式喷洒器b盘式分布器c齿槽式分布器

液体再分布器：

a截锥式液体再分布器b升气管式支承板作液体再分布器

二、填料塔的流体力学特性

1塔内气液两相的流动

当液体自塔顶向下借重力在填料表面作膜状流动时,膜内平均流速决定于流动的阻力。

而此阻力来自于液膜与填料表面,及液膜与上升气流之间的摩擦

液膜厚度不仅取决于液体流量,而且与气体流量有关

图8-31为不同液体喷淋量下取得的填料层压力降与空塔气速的双对数关系线

线A:

气体通过干填料层时,压力降与空塔气速的关系,为直线

线B:

有液体喷淋,液体量小

线C:

有液体喷淋,液体量大

以线B为例:

u较低（点L以下）:

线与A线大致平行。

u ∆P 液体下流与流速无关

u大于uL以后:

线斜率增大,上升气流开始阻碍液体顺利下流,∆P

u大于uF以后:

∆P与u成垂直关系,表明上升气体足以阻止液体下流,于是液体填料层充满填料层空隙,气体只能鼓泡上升,随之液体被气流带出塔顶,发生液泛。

载点（L点）:

空塔气速u增大到uL以后,气速以使上升气流与下降液体间摩擦力开始阻碍液体顺利下流,使填料表面持液量增多,战去更多空隙,气体实际速度与空塔气速的比值显著提高,故压力降比以前增加的快,这种现象称载液,L点称载点。

泛点F:

u增大到uF以后∆P与u成垂直关系,表明上升气体足以阻止液体下流,于是液体填料层充满填料层空隙,气体只能鼓泡上升,随之液体被气流带出塔顶,塔的操作极不稳定,甚至被完全破坏,这种现象称液泛,F点称为泛点。

线C的载点和泛点气速都比线B的更低

目前一般认为填料塔的正常操作状态只到泛点为止。

2填料层的压力降

吸收操作中,需知压力降以确定动力消耗；精馏操作中,需知压力降以确定釜压

目前多用埃克特的通用图而重新绘制的填料层压降和填料塔泛点的通用关联图求∆P。

3泛点气速

用图8-32计算

（1）先求横坐标

（2）过横坐标点作垂线,交泛点线得泛点纵坐标

（3）由泛点纵坐标求泛点气速

三、填料塔的设计原则

1填料的选择

 填料尺寸的选定

 填料材质方面的选定

2塔径

塔径取决于气体的体积流量和适宜的空塔气速。

前者由生产条件决定,后者则在设计时规定

泛点率:

适宜空塔气速与泛点气速之比

u适宜=（50%--80%）u泛点

一般填料塔的操作气速大致在0.2--1.0m/s

D2=4VS/πu

u:

适宜的空塔气速

用上法计算出的塔径要进行圆整,且要验算塔内液体的喷淋密度是否大于最小喷淋密度

喷淋密度Umin=（LW）minδ

润湿率LW:

指塔的横截面上,单位长度的填料周边上,液体的体积流量

LW=U/δ

一般D≤75mm （LW）min=0.08m3/mh

   D>75mm （LW）min=0.12m3/mh

如果限于生产条件,所采用的喷淋密度使润湿率低于上述规定数值时,就要增高填料层作为补偿,即按正常方法算出的填料层高度再除以填料表面效率η表

此外,为保证填料润湿均匀,还应注意使塔径与填料尺寸之比大于8,即选用填料不宜过大,以免使填料与塔壁之间存在额外空隙,而易于出现壁流现象

3压力降

以图8-32计算P。

若P超出工艺要求时,则按P由图8-31反求气速u,再重算塔径D

普通常压塔:

P=147--490Pa/m填料层

真空塔:

P78Pa/m填料层

4填料高度

 传质单元法

 等板高度法

四、填料塔的附件

1.支承板：

支承板的主要用途是支承板内的填料，同时又能保证气液两相顺利通过。

支承板若设计不当，填料塔的液泛可能首先在支承板上发生。

对于普通填料，支承板的自由截面积应不低于全塔面积的50%，并且要大于填料层的自由截面积，常用的支承板有栅板和各种具有升气管结构的支承板。

2.液体分布器：

液体分布器对填料塔的性能影响极大。

分布器设计不当，液体预分布不均，填料层内的有效润湿面积减少而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。

填料塔内产生向壁偏流是因为液体触及塔壁之后，其流动不再具有随机性而沿壁流下。

既然如此，直径越大的填料塔，塔壁所占的比例越小，向壁偏流现象应该越小才是。

然而，长期以来填料塔确实由于偏流现象而无法放大。

现已基本搞清，除填料本身性能方面的原因外，液体初始分布不均，特别是单位塔截面上的喷淋点数太少，是产生上述状况的重要因素。

近一、二十年来，许多直径几米至十几米的大型填料塔的操作实践表明，填料塔只要设计正确，保证液体预分布均匀，特别是保证单位塔截面的喷淋点数与小塔相同填料塔的放大效应并不显著，大型塔和小型塔将具有一致的传质效率。

常用的液体分布器结构如所示。

多孔管式分布器能适应较大的遗体流量波动，对安装水平度要求不高，对气体的阻力也很小。

但是，由于管壁上的小孔容易堵塞，被分散的液体必须是洁净的。

槽式分布器多用于直径较大的填料塔。

这种分布器不易堵塞，对气体的阻力小，但对安装水平要求较高，特别是当液体负荷较小时。

孔板型分布器对液体的分布情况与槽式分布器差不多，但对气体阻力较大，只适用于气体负荷不太大的场合。

除以上介绍的几种分布器外，各种喷洒式分布器也是比较常用的（如莲蓬头），特别是在小型填料塔内。

这种分布器的缺点是，当气量较大时会产生较多的液沫夹带。

3.液体再分布器：

为改善向壁偏流效应造成的液体分布不均，可在填料层内部每隔一定高度设置一液体分布器。

每段填料层的高度因填料种类而异，偏流效应越严重的填料，每段高度越小。

通常，对于偏流现象严重的拉西环，每段高度约为塔径的5~10倍。

常用的液体再分布器为截锥形。

如考虑分段卸出填料，再分布器之上可另设之承板。

4.除沫器除沫器是用来除去填料层顶部逸出的气体中的液滴，安装在液体分布器上方。

当塔内气速不大，工艺过程由无严格要求时，一般可不设除沫器。

除沫器种类很多，常见的有折板除沫器，丝网除沫器，旋流板除沫器。

折板除沫器阻力较小（50~100Pa），只能除去50

的微小液滴，压降不大于250Pa,但造价较高。

旋流板除沫器压降为300Pa以下，其造价比丝网除沫器便宜，除沫效果比折板好。

第四节填料塔与板式塔的比较

1操作范围

2物料要求和清洗

3温度要求装置的安装难易

4规模

5准确可靠性

6造价

7对易气泡的物系的适用情况

8对物系的腐蚀性的适用情况

9热敏性物系

10板压降,耗能

11对气膜控制的适用