1、湄洲灣職業技術學院 化工原理課程教案教學課題： 第八章 氣液傳質設備第一節 氣液傳質設備類型與基本要求第二節 板式塔（一）教學時間：第13周 5月22日 下午 第5，6節教學目的與要求：1、學習氣液傳質設備類型和基本要求 2、了解氣液傳質設備的性能要求的表示要素3、 學習板式塔主要類型的結構和特點4、 學習塔板上氣液流動和接觸狀況教學重點：板式塔主要類型的結構和特點、塔板上氣液流動和接觸狀況教學難點：對于返混現象和液泛的理解教學方式與手段： 講授 參考資料：教學過程：第八章 汽液傳質設備本 章 學 習 要 求1熟練掌握的內容板式塔內氣液流動方式；板式塔塔板上氣液兩相非理想流動；板式塔的不正常操

2、作，全塔效率和單板效率；板式塔塔高和塔徑的計算；填料塔內流體力學特性；氣體通過填料層的壓降；泛點氣速的計算；填料塔塔徑的計算。2理解的內容板式塔的主要類型與結構特點，板式塔塔板上氣液兩相接觸狀況；篩板塔溢流裝置的設計及踏板板面布置；篩板塔塔板校核；篩板塔負荷性能圖的繪制及其作用；填料塔的結構；填料及其特性。3了解的內容氣液傳質設備類型與基本要求；填料塔的附件；板式塔與填料塔的比較。第一節 氣液傳質設備類型與基本要求塔設備是化工、石油等工業中廣泛使用的重要生產設備。塔設備的基本功能在于提供氣、液兩相以充分接觸的機會，使質、熱兩種傳遞過程能夠迅速有效地進行；還要能使接觸之后的氣、液兩相及時分開，互

3、不夾帶。因此，蒸餾和吸收操作可在同樣的設備中進行。根據塔內氣液接觸部件的結構型式，塔設備可分為板式塔與填料塔兩大類。板式塔內沿塔高裝有若干層塔板(或稱塔盤)，液體靠重力作用由頂部逐板流向塔底，并在各塊板面上形成流動的液層；氣體則靠壓強差推動，由塔底向上依次穿過各塔板上的液層而流向塔頂。氣、液兩相在塔內進行逐級接觸，兩相的組成沿塔高呈階梯式變化。填料塔內裝有各種形式的固體填充物，即填料。液相由塔頂噴淋裝置分布于填料層上，靠重力作用沿填料表面流下；氣相則在壓強差推動下穿過填料的間隙，由塔的一端流向另一端。氣、液在填料的潤濕表面上進行接觸，其組成沿塔高連續地變化。目前在工業生產中，當處理量大時多采用

4、板式塔，而當處理量較小時多采用填料塔。蒸餾操作的規模往往較大，所需塔徑常達一米以上，故采用板式塔較多；吸收操作的規模一般較小，故采用填料塔較多。氣液傳質設備的性能通常由以下幾個要素表示：1塔設備的生產能力或通過能力：指單位時間單位塔截面積上的處理量或氣液流量。2傳質效率：對板式塔而言，傳質效率通常用塔板效率來衡量，即實際塔板與理論塔板分離能力之比；對填料塔而言，傳質效率通常用傳質單元高度，即完成一個傳質單元所需要的填料層高度來表示。3流體阻力：指氣體通過每層塔板或每米填料層高度的壓降。4塔設備的操作彈性：指最大氣速負荷與最小氣速負荷之比，其值的大小表明塔對負荷變化的適應能力。5塔的設備投資與操

5、作成本、安裝及維修方便等因素。本章重點介紹板式塔的塔板類型，分析操作特點并討論浮閥塔的設計，同時還介紹各種類型填料塔的流體流體力學特性和計算。第二節 板 式 塔（一）一 、板式塔主要類型的結構和特點工業上常用的板式塔有：泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流柵孔板塔浮閥塔具有的優點：生產能力大，塔板效率高，操作彈性大，結構簡單，安裝方便。二、塔板上氣液流動和接觸狀況（一）塔板上的氣液流動方式A 使氣液兩相在塔板上進行充分接觸以增強傳質效果B 使氣液兩相在塔內保持逆流，并在塔板上使氣液量相保持均勻的錯流接觸，以獲得較大的傳質推動力。（二）塔板上的氣液兩相接觸狀況 1、鼓泡接觸狀況2、泡沫接觸狀況3、噴射接

6、觸狀況（三）塔板上的氣液兩相的非理想流動1、返混現象（1）液沫夾帶：氣體離開液層時帶上一些小液滴，其中一部分可能隨氣流進入上一層塔板，這種現象稱為液（霧）沫夾帶。（2）氣泡夾帶：液體在下降過程中，有一部分該層板上面的氣體被帶到下層板上去，這種現象稱為氣泡夾帶。2、氣體和液體的不均勻分布（1）氣體沿塔板的不均勻分布（2）液體沿塔板的不均勻分布（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數值，上、下兩層板間的壓力降便會增大到使降液管內的液體不能暢順地下流。當降液管內的液體滿到上一層塔板溢流堰頂之后，便漫到上層塔板上去，這種現象，稱為液泛（淹塔）如氣速過大，便有大量液滴從泡沫層中噴出，

7、被氣體帶到上一層塔板，或有大量泡沫生成。如當液體流量過大時，降液管的截面便不足以使液體及時通過，于是管內液面即行升高。上述兩種情況導致液泛的情況中，比較常遇到的氣體流量過大，故設計時均先以不發生過量液沫夾帶為原則，定出氣速的上限，在此限度內再選定一個合理的操作氣速。（1）降液管液泛（2）夾帶液泛2、嚴重漏液：氣相負荷減少，致使上升氣體通過閥孔的動壓不足以阻止流體經閥孔流下時，便會出現漏液現象。漏液發生，塔板效率嚴重下降，正常操作時，漏液應不大于液體流量的10%。（1）隨機性漏夜（2）傾向性漏夜課堂小結：板式塔主要類型的結構和特點、塔板上氣液流動和接觸狀況，尤其是要理解返混現象和液泛現象。湄洲灣

8、職業技術學院 化工原理課程教案教學課題： 第八章 氣液傳質設備第二節 板式塔（二）教學時間：第14周 5月26日 下午 第5，6節教學目的與要求：1、 掌握全塔效率的計算公式和實際計算過程2、 掌握單板效率的計算公式和實際計算過程教學重點：全塔效率的計算教學難點：單板效率的計算教學方式與手段： 講授 參考資料：教學過程：復習舊課講授新課：第二節 板式塔（二）三、全塔效率與單板效率（一）全塔效率全塔效率又稱總板效率，是指達到指定分離效果所需理論板層數與實際板層數的比值。板式塔內各層塔板的接觸效率并不相同，總板效率簡單地反映了整個塔內所有塔板的平均效率。設計中為便于求算實際板層數，都采用總板效率。

9、在塔設備的實際操作中，由于受到傳質時間和傳質接觸面積的限制，一般不可能達到氣液平衡狀態，因此，實際塔板的分離作用低于理論塔板，從這個概念出發。從這個概念出發，可以定義全塔效率為理論板數與實際板數之比：（二）單板效率單板效率又稱為(Murphree) 板效率，是指氣相或液相經過一層實際塔板前后的組成變化與經過一層理論塔板前后的組成變化的比值。全塔效率為塔中的總效率，用全塔效率計算實際塔板數作為簡便。但全塔效率是一種平均的概念，實際上塔內各板的傳質情況不盡相同，即各板的傳質效率往往不相同，所以研究每一塊板的船只效率更有實質意義。表示單板效率的方法很多，其中默弗里板效率，是以氣相（或液相）經過實際板

10、的組成變化與經過理論板的組成變化之比表示。 （三）塔板效率的影響因素塔板效率反映實際板上傳質過程進行的程度。根據由雙膜理論導出的傳質速率方程式可知， 傳質系數、傳質推動力、傳質面積和兩相接觸時間應是決定塔板上各點處氣、液接觸效率的幾個重要因素。板效率是板上各點處接觸效果的綜合體現，因而，決定板效率高低的另一重要因素是板上液體的返混程度，此外霧沫夾帶及漏液現象，造成液相在塔板之間的返混，也使達到一定分離指標所需的板的層數增多，總板效率下降。進一步分析上述各因素，可歸納出以下幾個方面： 1物系性質 物系性質主要指粘度、密度、表面張力、擴散系數、相對揮發度等。液體的粘度、密度直接影響板上液流的湍動程

11、度，進而影響傳質系數和氣液接觸面積。表面張力影響泡沫生成的數量、大小及其穩定性，因而也影響接觸面積的大小。物系的分子擴散系數對傳質系數有直接影響，而相對揮發度等相平衡常數的影響則體現在傳質推動力和過程速率的控制因素之中。2塔板型式與結構 塔板結構因素主要包括板間距、堰高、塔徑以及液體在板上的流徑長度等。各種結構因素對操作狀況及塔板效率的影響前已有所討論。3操作條件 操作條件是指溫度、壓強、氣體上升速度、溢流強度、氣液流量比等因素，其中氣速的影響尤為重要。在避免大量霧沫夾帶和避免發生淹塔現象的前提下，增大氣速對于提高塔板效率一般是有利的湄洲灣職業技術學院 化工原理課程教案教學課題： 第八章 氣液

12、傳質設備第三節 填料塔 第四節 板式塔與填料塔的比較教學時間：第14周 5月29日 下午 第5，6節教學目的與要求：1、掌握填料塔結構 2、掌握塔內的流體力學特性3、掌握各種填料及其特性 教學重點：填料塔結構、各種填料及其特性 教學難點：塔內的流體力學特性 教學方式與手段： 講授 參考資料：教學過程：復習舊課講授新課：第三節 填料塔一、填料塔的結構1 塔體金屬或陶瓷塔體一般均為圓柱形2 填料特性A比表面積 d：d=s/v=m2/m3=單位體積填料層所具有的表面積B空隙率e：單位體積填料層所具有的空隙體積e應盡可能大,以提高氣液通過能力和減小氣液阻力C填料因子f：把有液體噴淋條件下實測的d/2相

13、應數值稱濕填料因子,也稱填料因子f,單位:l/mf¯  填料阻力¯  發生液泛時的氣速  亦即流體力學性能好D單位堆積體積的填料數目：填料尺寸¯  數目  d  e¯ 氣流阻力  填料造價填料尺寸  塔壁處e  氣流易短路,為控制氣流不均勻,填料尺寸不應大于（1/10-1/8）D填料的種類:分實體填料和網體填料兩大類常用填料有:拉西環、鮑爾環、階梯環、弧鞍與矩鞍填料、網體填料3 填料支承裝置：刪板填料支承、升氣管式支承4 液體的分布裝置：塔頂液體分布裝置：a 蓮蓬頭

14、式噴灑器b 盤式分布器c 齒槽式分布器液體再分布器： a 截錐式液體再分布器b 升氣管式支承板作液體再分布器二、填料塔的流體力學特性1 塔內氣液兩相的流動當液體自塔頂向下借重力在填料表面作膜狀流動時,膜內平均流速決定于流動的阻力。而此阻力來自于液膜與填料表面,及液膜與上升氣流之間的摩擦液膜厚度不僅取決于液體流量,而且與氣體流量有關圖8-31為不同液體噴淋量下取得的填料層壓力降與空塔氣速的雙對數關系線線A:氣體通過干填料層時,壓力降與空塔氣速的關系,為直線線B:有液體噴淋,液體量小線C:有液體噴淋,液體量大以線B為例:u較低（點L以下）:線與A線大致平行。u  DP  液體下

15、流與流速無關u大于uL以后:線斜率增大,上升氣流開始阻礙液體順利下流,DPu大于uF以后:DP與u成垂直關系,表明上升氣體足以阻止液體下流,于是液體填料層充滿填料層空隙,氣體只能鼓泡上升,隨之液體被氣流帶出塔頂,發生液泛。載點（L點）:空塔氣速u增大到uL以后,氣速以使上升氣流與下降液體間摩擦力開始阻礙液體順利下流,使填料表面持液量增多,戰去更多空隙,氣體實際速度與空塔氣速的比值顯著提高,故壓力降比以前增加的快,這種現象稱載液,L點稱載點。泛點F:u增大到uF以后DP與u成垂直關系,表明上升氣體足以阻止液體下流,于是液體填料層充滿填料層空隙,氣體只能鼓泡上升,隨之液體被氣流帶出塔頂,塔的操作極

16、不穩定,甚至被完全破壞,這種現象稱液泛,F點稱為泛點。線C的載點和泛點氣速都比線B的更低目前一般認為填料塔的正常操作狀態只到泛點為止。2 填料層的壓力降吸收操作中,需知壓力降以確定動力消耗；精餾操作中,需知壓力降以確定釜壓目前多用?？颂氐耐ㄓ脠D而重新繪制的填料層壓降和填料塔泛點的通用關聯圖求DP。3 泛點氣速用圖8-32計算（1）先求橫坐標（2）過橫坐標點作垂線,交泛點線得泛點縱坐標（3）由泛點縱坐標求泛點氣速三、填料塔的設計原則1 填料的選擇 填料尺寸的選定 填料材質方面的選定2塔徑塔徑取決于氣體的體積流量和適宜的空塔氣速。前者由生產條件決定,后者則在設計時規定泛點率:適

17、宜空塔氣速與泛點氣速之比u適宜=（50%-80%）u泛點一般填料塔的操作氣速大致在0.2-1.0m/sD2=4VS/puu:適宜的空塔氣速用上法計算出的塔徑要進行圓整,且要驗算塔內液體的噴淋密度是否大于最小噴淋密度噴淋密度Umin=（LW）mind潤濕率LW:指塔的橫截面上,單位長度的填料周邊上,液體的體積流量LW=U/d一般D£75mm  （LW）min=0.08m3/mh    D>75mm  （LW）min=0.12m3/mh如果限于生產條件,所采用的噴淋密度使潤濕率低于上述規定數值時,就要增高填料層作為補償,即按正常方法

18、算出的填料層高度再除以填料表面效率h表此外,為保證填料潤濕均勻,還應注意使塔徑與填料尺寸之比大于8,即選用填料不宜過大,以免使填料與塔壁之間存在額外空隙,而易于出現壁流現象3 壓力降以圖8-32計算DP。若DP超出工藝要求時,則按DP由圖8-31反求氣速u,再重算塔徑D普通常壓塔:DP=147-490Pa/m填料層真空塔:DP£78Pa/m填料層4 填料高度 傳質單元法 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內的填料，同時又能保證氣液兩相順利通過。支承板若設計不當，填料塔的液泛可能首先在支承板上發生。對于普通填料，支承板的自由截面積應不低于

19、全塔面積的50%，并且要大于填料層的自由截面積，常用的支承板有柵板和各種具有升氣管結構的支承板。2.液體分布器：液體分布器對填料塔的性能影響極大。分布器設計不當，液體預分布不均，填料層內的有效潤濕面積減少而偏流現象和溝流現象增加，即使填料性能再好也很難得到滿意的分離效果。填料塔內產生向壁偏流是因為液體觸及塔壁之后，其流動不再具有隨機性而沿壁流下。既然如此，直徑越大的填料塔，塔壁所占的比例越小，向壁偏流現象應該越小才是。然而，長期以來填料塔確實由于偏流現象而無法放大?，F已基本搞清，除填料本身性能方面的原因外，液體初始分布不均，特別是單位塔截面上的噴淋點數太少，是產生上述狀況的重要因素。近一、二十年來，許多直徑幾米至十幾米的大型填料塔的操作實踐表明，填料塔只要設計正確，保證液體預分布均勻，特別是保證單位塔截面的噴淋點數與小塔相同填料塔的放大效應并不顯著，大型塔和小型塔將具有一致的傳質效率。常用的液體分布器結構如所示。多孔管式分布器能適應較大的遺體流量波動，對安裝水平度要求不高，對氣體的阻力也很小。但是，由于管