1、1會計學板式塔與填料塔板式塔與填料塔氣液傳質設備的基本功能：形成氣液兩相充分接觸的相界面，使質、熱的傳遞快速有效地進行，接觸混合與傳質后的氣、液兩相能及時分開，互不夾帶等。氣液傳質設備的分類：氣液傳質設備的種類很多，按接觸方式可分為連續（微分）接觸式（填料塔）和逐級接觸式（板式塔）兩大類，在吸收和蒸餾操作中應用極廣 。在圓柱形殼體內裝填一定高度的填料，液體經塔頂噴淋裝置均勻分布于填料層頂部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流經填料層后自塔底排出；氣體則在壓強差推動下穿過填料層的空隙，由塔的一端流向另一端。氣液在填料表面接觸進行質、熱交換，兩相的組成沿塔高連續變化。 溶劑填料塔氣體散裝填料塑料鮑

2、爾環填料規整填料 塑料絲網波紋填料 在圓柱形殼體內按一定間距水平設置若干層塔板，液體靠重力作用自上而下流經各層板后從塔底排出，各層塔板上保持有一定厚度的流動液層；氣體則在壓強差的推動下，自塔底向上依次穿過各塔板上的液層上升至塔頂排出。氣、液在塔內逐板接觸進行質、熱交換，故兩相的組成沿塔高呈階躍式變化。板式塔溶劑氣體DJ 塔盤 新型塔板、填料板式塔填料塔壓降較大小尺寸填料較大；大尺寸填料及規整填料較小空塔氣速較大小尺寸填料較小；大尺寸填料及規整填料較大塔效率較穩定，效率較高 傳統填料低；新型亂堆及規整填料高持液量較大較小液氣比適應范圍較大對液量有一定要求安裝檢修較易較難材質常用金屬材料金屬及非金

3、屬材料均可造價大直徑時較低新型填料投資較大填料塔和板式塔都可用于吸收或蒸餾操作。新型填料及規整填料塔競爭力較強。 塔徑在0.60.7米以上的塔，過去一般優先選用板式塔。隨著低壓降高效率輕材質填料的開發，大塔也開始采用各種新型填料作為傳質構件，顯示了明顯的優越性。塔型選擇主要需考慮以下幾個方面的基本性能指標：(1) 生產能力 即為單位時間單位塔截面上的處理量；(2) 分離效率 對板式塔指每層塔板的分離程度；對填料塔指單位高度填料層所達到的分離程度；(3) 操作彈性 指在負荷波動時維持操作穩定且保持較高分離效率的能力，通常以最大氣速負荷與最小氣速負荷之比表示；(4) 壓強降 指氣相通過每層塔板或單

4、位高度填料的壓強降；(5) 結構繁簡及制造成本。塔板是板式塔的基本構件，決定塔的性能。液相降液管堰氣相溢流塔板 (錯流式塔板)：塔板間有專供液體溢流的降液管 (溢流管)，橫向流過塔板的流體與由下而上穿過塔板的氣體呈錯流或并流流動。板上液體的流徑與液層的高度可通過適當安排降液管的位置及堰的高度給予控制，從而可獲得較高的板效率，但降液管將占去塔板的傳質有效面積，影響塔的生產能力。 溢流式塔板應用很廣，按塔板的具體結構形式可分為：泡罩塔板、篩孔塔板、浮閥塔板、網孔塔板、舌形塔板等。逆流塔板（穿流式塔板）：塔板間沒有降液管，氣、液兩相同時由塔板上的孔道或縫隙逆向穿流而過，板上液層高度靠氣體速度維持。優

5、點：塔板結構簡單，板上無液面差，板面充分利用，生產能力較大；缺點：板效率及操作彈性不及溢流塔板。與溢流式塔板相比，逆流式塔板應用范圍小得多，常見的板型有篩孔式、柵板式、波紋板式等。液相氣相在工業上最早（1813年）應用的一種塔板，其主要元件由升氣管和泡罩構成，泡罩安裝在升氣管頂部，泡罩底緣開有若干齒縫浸入在板上液層中，升氣管頂部應高于泡罩齒縫的上沿，以防止液體從中漏下。液體橫向通過塔板經溢流堰流入降液管，氣體沿升氣管上升折流經泡罩齒縫分散進入液層，形成兩相混合的鼓泡區。優點：操作穩定，升氣管使泡罩塔板低氣速下也不致產生嚴重的漏液現象，故彈性大。缺點：結構復雜，造價高，塔板壓降大，生產強度低。

6、篩孔塔板即篩板出現也較早（1830年），是結構最簡單的一種板型。但由于早期對其性能認識不足，為易漏液、操作彈性小、難以穩定操作等問題所困，使用受到極大限制。1950 年后開始對篩孔塔板進行較系統全面的研究，從理論和實踐上較好地解決了有關篩板效率，流體力學性能以及塔板漏液等問題，獲得了成熟的使用經驗和設計方法，使之逐漸成為應用最廣的塔板類型之一。 自1950 年代問世后，很快在石油、化工行業得到推廣，至今仍為應用最廣的一種塔板。結構：以泡罩塔板和篩孔塔板為基礎基礎。有多種浮閥形式，但基本結構特點相似，即在塔板上按一定的排列開若干孔，孔的上方安置可以在孔軸線方向上下浮動的閥片。閥片可隨上升氣量的變

7、化而自動調節開啟度。在低氣量時，開度小；氣量大時，閥片自動上升，開度增大。因此，氣量變化時，通過閥片周邊流道進入液體層的氣速較穩定。同時，氣體水平進入液層也強化了氣液接觸傳質。優點：結構簡單，生產能力和操作彈性大，板效率高。綜合性能較優異。 F1型浮閥結構簡單，易于制造，應用最普遍，為定型產品。閥片帶有三條腿，插入閥孔后將各腿底腳外翻 90，用以限制操作時閥片在板上升起的最大高度；閥片周邊有三塊略向下彎的定距片，以保證閥片的最小開啟高度。F1型浮閥分輕閥和重閥。輕閥塔板漏液稍嚴重，除真空操作時選用外，一般均采用重閥。 結構：閥籠與塔板固定，閥片在閥籠內上下浮動。將單一鼓泡傳質，變為雙流傳質，一

8、部分為鼓泡、另一部分為噴射湍動傳質，使塔的分離效率和生產能力都大大提高。該塔板可作為化工過程中的氣液傳質、換熱設備。特點：結構簡單、閥片開啟靈活、高效、高通量、壽命長、耐堵塞。JCV浮閥 （改進型雙流噴射浮閥）普通型JCV浮閥與塔板固定方法低負荷下閥片工作狀態JCV浮閥塔板效率曲線中負荷下閥片工作狀態高負荷下閥片工作狀態JCV浮閥閥片2400 JCV浮閥塔板1800 JCV浮閥塔板塔板上的液體通過提液管與塔板之間的間隙被氣體提升，氣液并流通過提液管，在提液管內高速湍動混合、傳質，然后氣液并流進入填料中進一步強化傳質，并完成氣液分離。氣體靠壓差繼續上升，進入上一層塔板；液體基本以清液的形式回落到

9、塔板上，沿流道進入降液管，下降到下一層塔板。與普通塔板在傳質機理上的區別：它是填料與塔板的復合體，靠填料實現傳質，靠塔板實現多級并流。不同結構型式的JCPT塔板一種斜噴射型塔板。結構簡單，在塔板上沖出若干按一定排列的舌形孔，舌片向上張角 以20左右為宜。20=o50R25氣相優點：氣流由舌片噴出并帶動液體沿同方向流動。氣液并流避免了返混和液面落差，塔板上液層較低，塔板壓降較小。氣流方向近于水平。相同的液氣比下，舌形塔板的液沫夾帶量較小，故可達較高的生產能力。缺點：張角固定，在氣量較小時，經舌孔噴射的氣速低，塔板漏液嚴重，操作彈性小。液體在同一方向上加速，有可能使液體在板上的停留時間太短、液層太

10、薄，板效率降低。 在舌形塔板上發展的斜孔塔板，斜孔的開口方向與液流垂直且相鄰兩排開孔方向相反，既保留了氣體水平噴出、氣液高度湍動的優點，又避免了液體連續加速，可維持板上均勻的低液面，從而既能獲得大的生產能力，又能達到好的傳質效果。 斜孔塔板為使舌形塔板適應低負荷生產，提高操作彈性，研制出了可變氣道截面（類似于浮閥塔板）的浮舌塔板。19R20R1683731o20降液管a 斜孔結構b 塔板布置受液區導向孔網孔塔板由沖有傾斜開孔的薄板制成，具有舌形塔板的特點。這種塔板上裝有傾斜的擋沫板，其作用是避免液體被直接吹過塔板，并提供氣液分離和氣液接觸的表面。網孔塔板具有生產能力大，壓降低，加工制造容易的特

11、點。擋沫板塔板AA降液管A-A剖視圖受液盤在塔板上開按一定排列的若干大孔(直徑100200mm)，孔上設置側壁開有許多篩孔的泡罩，泡罩底邊留有間隙供液體進入罩內。氣流將由泡罩底隙進入罩內的液體拉成液膜形成兩相上升流動，經泡罩側壁篩孔噴出后兩相分離，即氣體上升液體落回塔板。液體從塔板入口流至降液管將多次經歷上述過程。 與普通篩板相比，垂直篩板為氣液兩相提供了很大的不斷更新的相際接觸表面，強化了傳質過程；且氣液由水平方向噴出，液滴在垂直方向的初速度為零，降低了液沫夾帶量，因此垂直篩板可獲得較高的塔板效率和較大的生產能力。 浮閥塔板的板面結構： 鼓泡區（有效區、開孔區） 降液管區 受液盤區 液體安定

12、區 邊緣區 溢流堰 塔身溢流堰板降液管塔板受液盤安定區降液管區受液盤區鼓泡區液體從上一塔板的降液管流入板面上的受液盤區，經進口安定區進入鼓泡區與浮閥吹出的氣體進行質、熱交換后，再由溢流堰溢出進入降液管流入下一塔板。來自下一塔板的氣體經鼓泡區的閥孔分散成小股氣流，并由各閥片邊緣與塔板間形成的通道以水平方向進入液層。由于閥片具有斜邊，氣體沿斜邊流動具有向下的慣性，因此只有進入液層一定距離待慣性消失后氣體才會折轉上升。氣體在板面上與液體相互混合接觸進行傳熱傳質，而后逸出液面上升到上一層塔板。塔板上氣液主體流向為錯流流動。 氣體進、出一塊塔板（包括液層）的壓強降即為氣體通過該塔板的阻力損失（左側壓差計

13、所測的 hf 值）。hf 是以液柱高度表示的塔板的壓強降或阻力損失，因此 式中，L 為塔內液體的密度，kg/m3。板壓降 hf 可視為由氣體通過干板的阻力損失 hd 和氣體穿過板上液層的阻力損失 hl 兩部分組成，即 fLpghp=ldfhhh=有效長度泡沫hlhfhowHTh0浮閥塔板的干板阻力損失壓降隨空塔氣速 u 的提高而增大。區域：全部浮閥處于靜止狀態，氣體由閥片與塔板之間由定距片隔開的縫隙通過。縫隙處的氣速與壓降隨氣體流量的增大而上升。區域：氣速增至A點，閥片開始升起。浮閥開啟的個數及開啟度隨氣體流量不斷增加，直至所有浮閥全開 (B點)，氣體通過閥孔的氣速變化很小，故壓降上升緩慢。區

14、域：氣體通過浮閥的流通面積固定不變，閥孔氣速隨氣體流量增加而增加，且壓降以閥孔氣速的平方快速增加。臨界孔速 uoc：所有浮閥恰好全開時 (B點) 的閥孔氣速。 ABIIIIIIuoc氣速 u干板壓降 pd氣體通過液層的阻力損失 hl 由以下三個方面構成：(1) 克服板上充氣液層的靜壓；(2) 氣體在液相分散形成氣液界面的能量消耗；(3) 通過液層的摩擦阻力損失。其中(1)項遠大于后兩項之和。如果忽略充氣液層中所含氣體造成的靜壓，則可由清液層高度代表 hl。可用下式計算式中： 充氣系數，反映液層充氣的程度，無因次。 水 =0.5；油 =0.50.35；碳氫化合物 =0.40.5。 hw 和 ho

15、w 分別為堰高和堰上液流高度，m。 hf 總是隨氣速的增加而增加，但不同氣速下，干板阻力和液層阻力所占的比例有所不同。氣速較低時，液層阻力為主；氣速高時，干板阻力所占比例增大。 owwlhhh=漏液：部分液體不是橫向流過塔板后經降液管流下，而是從閥孔直接漏下。原因：氣速較小時，氣體通過閥孔的速度壓頭小，不足以抵消塔板上液層的重力；氣體在塔板上的不均勻分布也是造成漏液的重要原因。后果：嚴重的漏液使塔板上不能形成液層，氣液無法進行傳熱、傳質，塔板將失去其基本功能。若設計不當或操作時參數失調，輕則會引起板效率大降低，重則會出現一些不正常現象使塔無法工作。漏液（Weeping）氣體分布均勻與否，取決于

16、板上各處阻力均等否。氣體穿過塔板的阻力由干板阻力和液層阻力兩部分組成。當板上結構均勻、各處干板阻力相等時，板上液層阻力即液層厚度的均勻程度將直接影響氣體的分布。板上液層厚度不均勻：液層波動和液面落差。液層波動：波峰處液層厚，閥孔氣量小、易漏液。由此引起的漏液是隨機的。可在設計時適當增大干板阻力。液面落差：塔板入口側的液層厚于塔板出口側，使氣流偏向出口側，入口側的閥孔則因氣量小而發生漏液。塔板上設入口安定區可緩解此現象。單流型雙流型多流型階梯流型雙流型、多流型或階梯型塔板：在塔徑或液體流量很大時可減少液面落差。 雙流型多流型液沫夾帶：氣體鼓泡通過板上液層時，將部分液體分散成液滴，而部分液滴被上升

17、氣流帶入上層塔板。由兩部分組成：(1) 小液滴的沉降速度小于液層上方空間上升氣流的速度，夾帶量與板間距無關；(2) 較大液滴的沉降速度雖大于氣流速度，但它們在氣流的沖擊或氣泡破裂時獲得了足夠的向上初速度而被彈濺到上層塔板。夾帶量與板間距有關。氣泡夾帶：液體在降液管中停留時間太短，大量氣泡被液體卷進下層塔板。后果：液沫夾帶是液體的返混，氣泡夾帶是氣體的返混，均對傳質不利。嚴重時可誘發液泛，完全破壞塔的正常操作。液沫夾帶和氣泡夾帶是不可避免的，但夾帶量必需嚴格地控制在最大允許值范圍內。 塔內液體不能順暢逐板流下，持液量增多，氣相空間變小，大量液體隨氣體從塔頂溢出。夾帶液泛：板間距過小，操作液量過大

18、，上升氣速過高時，過量液沫夾帶量使板間充滿氣、液混合物而引發的液泛。溢流液泛：液體在降液管內受阻不能及時往下流動而在板上積累所致。hhhhHfowwd=為使液體能由上層塔板穩定地流入下層塔板，降液管內必須維持一定的液柱高度Hdhf+ hHTh0howhw式中：hf 板壓降。 h 液體經過降液管的阻力損失。 氣速一定，液體流量時，、how、hf 及 h ，Hd ，即塔板具有自動調節功能。 上層塔板溢流堰上緣為 Hd 極限。若再加大液體流量， Hd 與板上液面同時升高，降液管調節功能消失，板上累積液量增加，最終引起溢流液泛。 若氣速過高，液體中的氣泡夾帶加重，降液管內的泡沫層隨之增高，也易造成溢流

19、液泛。 hf 過大必導致 Hd 大，易發生液泛。如降液管設計過小或發生部分堵塞， h 急劇增大，也會導致溢流液泛。 夾帶液泛與溢流液泛互為誘因，交互影響。過量液沫夾帶阻塞氣體通道，板阻急增，降液管中泡沫層堆積，從而引發溢流液泛。而溢流液泛發生時，塔板上鼓泡層增高，分離空間降低，夾帶液泛也將隨之發生。 液泛使整個塔不能正常操作，甚至發生嚴重的設備事故，要特別注意防范。 hhhhHfowwd=板式塔的工藝設計主要包括兩大方面：(1) 塔高、塔徑以及塔板結構尺寸的計算；(2) 塔板的流體力學校核以及塔板的負荷性能圖的確定。 浮閥塔工藝尺寸的計算 實際塔板數 可根據實驗數據或用經驗公式估算塔高主要取決

20、于實際塔板數和板間距。給定任務所需實際塔板數可通過平衡級(理論板)假設求得所需的理論板數 N，然后由全塔效率(總板效率)修正TTENN=實際板數和板間距，塔高塔徑D，m0.30.50.50.80.81.61.62.02.02.42.4板距HT ，mm200300300350350450450600 500800600211ZZHNZTT=式中：Z1 最上面一塊塔板距塔頂的高度，m； Z2 最下面一塊塔板距塔底的高度，m。 HT 對塔的生產能力、操作彈性以及塔板效率均有影響。 HT，允許的操作氣速，塔徑，但塔高。 HT ，塔高 ，但允許的操作氣速 ，塔徑。 對D0.8m的塔，為了安裝及檢修需要，

21、需開設人孔。 人孔處的板間距一般不應小于 0.6m。 塔板效率是氣、液兩相的傳質速率、混合和流動狀況、以及板間返混(液沫夾帶、氣泡夾帶和漏液等所致)的綜合結果。板效率是設計重要數據。由于影響因素很多且關系復雜，至今還難以正確可靠地對其進行預測。工業裝置或實驗裝置的實測數據是板效率最可靠的來源。全塔效率實測數據的關聯式可用于塔板效率的估算。奧康內爾（Oconnell）關聯方法精餾塔：采用相對揮發度 與液相粘度 L 的乘積為參數來表示全塔效率 ET：245. 049. 0=LTE 與 L 取塔頂與塔底平均溫度下的值。對多組分物系，取關鍵組分的 。液相的平均粘度 L 可按下式計算 iiLx=橫坐標

22、HP/L中：H 塔頂塔底平均溫度下溶質的亨利系數，kmol/(m3kPa)；P 操作壓強，kPa；L 塔頂塔底平均組成及平均溫度下的液相粘度，mPas 。 板式塔吸收塔溢流式塔板的塔截面分為兩個部分：氣體流通截面和降液管所占截面（液體下流截面）。TTffTAAAAAAA=1或TAD4=fuu85. 06 . 0=求 A 得與 Af / AT 后，即可求得 AT ，而塔徑設適宜氣速為 u，當體積流量為 Vs 時， A =Vs / u。求 A 的關鍵在于確定流通截面積上的適宜氣速 u 。塔板的計算中，通常是以夾帶液泛發生的氣速（泛點氣速）作為上限。一般取A 的計算AT -塔板總截面積，A-氣體流道

23、截面積，Af -降液管截面積246223fVpVLpudgd=VVLVVLpfCgdu=34液泛氣速：在重力場中懸浮于氣流中的液滴所受的合力為零時的氣速。當 uut 時，液滴將被氣流帶出。對直徑為 dp 的液滴 索德爾斯和布朗（Souders and Brown）公式L 、 V 氣、液相的密度，kg/m3； 阻力系數； C 氣體負荷因子，m/s。C 取決于dp和。因氣泡破裂形成的液滴的直徑和阻力系數都難以確定，故 C 需由實驗確定。實驗研究表明，C 值與氣、液流量及密度、板上液滴沉降高度以及液體的表面張力有關。HThL：液滴沉降高度，HT 可根據塔徑選取，hL 為板上清液層高度，若忽略板上液面

24、落差owwLhhh=常壓塔 hL=50100 mm；減壓塔 hL=2530 mm。注意：液相表面張力 = 210-2 N/m若實際液相表面張力不同，按下式校正2 . 02020=CC5 . 02 . 02020=VVLfCuu，AAf /AT：降液管面積與塔截面積之比，與液體溢流形式有關。求取方法：(1)按D和液體流量選取溢流形式，由溢流形式確定堰長 lw 與D 的比值。 單流型：lw/D =0.60.8 雙流型：lw/D =0.50.7 易起泡物系 lw/D 可高一些，以保證液體在降液管中的停留時間。(2)由選定的 lw/D 值查圖得 Af /AT 。(3)由確定的 A 與 Af /AT 求

25、得塔板面積 AT 和塔徑 D ，并進行圓整。rxWsAfDhwAAh0HTAfAaWslwWdWdWc注意：塔高和D的計算涉及的參數(HT、hL、lw/D) 是按經驗數據在一定范圍選取的，故所得塔高和D是初估值，需根據后面介紹的流體力學原則進行校核。 鼓泡區：取決于所需浮閥數與排列；溢流區：與所選溢流裝置類型有關。上兩區均需根據塔板上的流體力學狀況進行專門計算。進口安定區(分布區)：保證進塔板液體的平穩均勻分布，也防止氣體竄入降液管。Ws = 50100 mm。出口安定區(脫氣區)：避免降液管大量氣泡夾帶。Ws = 70100 mm。塔板布置rxWsAfDhwAAh0HTAfAaWslwWdW

26、dWcD900mm 分塊式塔板。邊緣區：塔板支撐件塔板連接。D 2.5 m WC 60 mm。溢流裝置：由降液管、溢流堰和受液盤組成。降液管：連通塔板間液體的通道，也是供溢流中所夾帶的氣體分離的場所。常見的有弓形、圓形和矩形降液管弓形降液管：有較大容積，能充分利用塔板面積，一般塔徑大于800mm的大塔均采用弓形。降液管的布置確定了液體在塔板上的流徑以及液體的溢流形式。液體在塔板上的流徑越長，氣液接觸時間就越長，有利于提高塔板效率；但是液面落差也隨之加大，不利于氣體均勻分布，使板效率降低。溢流形式的選擇：根據塔徑及流體流量等條件全面考慮。D 2.0 m 雙溢流式或階梯流式液體在降液管中的停留時間

27、 為 降液管的寬度 Wd 和截面積 AfsTfLHA=計算塔徑時已根據溢流形式確定了堰長與塔徑的比值 lw/D。由 lw/D 查圖可得 Wd /D 和 Af /AT，D 和 AT 已確定，故降液管的寬度 Wd 和截面積 Af 也可求得。為降低氣泡夾帶， 一般不應小于 35s，對于高壓塔以及易起泡沫的物系，停留時間應更長些。若計算出的 過短，不滿足要求，則應調整相關的參數，重新計算。出口堰：維持板上液層高度，各種形式的降液管均需設置。出口堰長 lw：弓形降液管的弦長，由液體負荷及溢流形式決定。 單溢流 lw=(0.60.8)D，雙溢流 lw=(0.50.7)D。出口堰高 hw：降液管上端高出板面

28、的高度。堰高 hw 決定了板上液層的高度 hL。owLwhhh=32100084. 2=wsowlLEh對于平堰：弗朗西斯（Francis）公式液流收縮系數 E進口堰：保證液體均勻進入塔板，也起液封作用。一般僅在較大塔中設置。進口堰高一般與降液管底隙高度 h0 相等。進口堰與降液管間的水平距離 w0 h0，以保證液體由降液管流出時不致受到大的阻力。 降液管底隙高度及受液盤降液管底隙高度應保證溢流液順暢并防止沉淀物堵塞(不可太小) ，但也應防止氣體進入降液管(不可太大)。對于弓形降液管可按下式計算oLwsulLh=0式中：uoL 液體通過降液管底端出口處的流速，m/s。根據經驗一般取 uoL =

29、 0.070.25 m/s。D 800 mm，h0 = 40 mm。最大時可達 150 mm。受液盤：承接來自降液管的液體。凹形受液盤：用于大塔（D800mm）。在液體流量低時仍能形成良好的液封，對改變液體流向有緩沖作用，且便于液體的側線抽出，但不適于易聚合及有懸浮固體的情況。凹形受液盤深度一般在 50mm 以上。 閥孔直徑：由浮閥的型號決定。浮閥數 N：由氣體負荷量 Vs 決定。可由下式計算 0204udVNs=VuF00=閥孔氣速 u0 可根據由實驗結果綜合的閥孔動能因子 F0 確定式中：Vs 氣體流量，m3/s； u0 閥孔氣速，m/s； d0 閥孔直徑。對 F1 型浮閥，d0 = 39

30、 mm。根據工業設備數據，對F1重型浮閥（約33g），當塔板上的浮閥剛全開時，F0 在 812 之間。設計時可在此范圍內選擇適宜的 F0 后計算 u0 。浮閥在塔板上常按三角形排列，可順排或叉排。液流方向順排tNAta=tt叉排等腰三角形叉排可使相鄰的浮閥容易吹開，鼓泡更均勻。通常將同一橫排的閥孔中心距定為 75 mm，而相鄰兩排間的距離可取 65、80、100 mm 等幾種規格。若鼓泡區面積為 Aa，則一個閥孔的鼓泡面積 Aa / N 約為 t t，故有由 t=75mm 及上式計算的 Aa 值可得 t ，據此可確定 t 的實際取值（65、80、100mm）；根據已確定的孔距（t 與 t），按

31、等腰三角形叉排方式作圖，確切排出在鼓泡區內可以布置的浮閥總數；若作圖排列與計算所得浮閥數相等或相近，則按作圖所得浮閥數重算閥孔氣速，然后校核 F0 (812) 。若 F0 不在該范圍內，應重新調整 t 值，再作圖、校核，直到滿足要求為止。)(m222csdsdWDrWWDxWWDx=)(sin180)(sixrxrxrxrxrxAa對單溢流塔板 Aa 可按下式計算：%100%1004420220=NDdDNd常壓塔或減壓塔： = 1014%加壓塔： 0.9m ：Fl 80%；D0.9m：Fl 70%；減壓塔：Fl 0.8m 的大塔，取 Fl = 70%）代入下式后所得

32、的 Vs-Ls 關系式作圖而得。此線與橫軸并不完全平行，可見發生液沫夾帶現象與液相負荷 Ls 也有一定關系，但主要取決于氣體負荷。 %10036. 1=bFLsVLVslAKCZLVF0Ls (m3/h)Vs (m3/h)12此線為保證塔板上液體流動時能均勻分布所需的最小液量。對平頂直堰，取 how = 6 mm 作為液相負荷下限的標準。32100084. 2006. 0=wsowlLEhfTsAHL =也稱氣泡夾帶線，由液體在降液管中所需的最小停留時間決定E, lw 已知，為一垂直線。液相負荷上限線不易起泡的物系：3s，易起泡物系：5s。為一垂直線。0Ls (m3/h)Vs (m3/h)34

33、由上述 5 條線所包圍的區域即一定物系在一定的結構尺寸的塔板上的正常操作區。在此區域內，氣、液兩相流率的變化對塔板效率的影響不大。01234Ls (m3/h)Vs (m3/h)降液管中泡沫層高度達最大允許值時的氣量與液量的關系wTddhHHH=hhhhHfowwd=塔板的設計點及操作點都必須在正常操作區內，才能獲得較高的塔板效率。對于一定氣液比的操作過程，Vs/Ls 為一定值，故塔板的操作線在圖上為以 Vs/Ls 為斜率過原點 o 的直線。 5OP012345Ls (m3/h)Vs (m3/h)塔板的操作彈性：上、下操作極限點的氣體流量之比。對一定結構尺寸的塔板，采用不同氣液比時控制塔的操作彈

34、性與生產能力的因素均可能不同。塔板的設計點應落在負荷性能圖的適中位置，使塔具有相當的抗負荷波動的能力，保證塔的良好穩定操作。OP 線（高氣液比）：上限 a（過量液沫夾帶）下限 a（低液層）OPOPOPaabbccOP 線（較高氣液比）：上限 b（溢流液泛）下限 b（漏液）OP 線（低氣液比）：上限 c（氣泡夾帶）下限 c（漏液）右圖表明，因降液管流通面積偏小，使液體負荷成為塔板操作的主要控制因素。液沫夾帶線 2 和溢流液泛線 5 將上移，甚至使線 5 落到正常操作范圍之外。物系一定，負荷性能圖取決于塔板的結構尺寸。而負荷性能圖的形狀在一定程度上也反映了塔板結構尺寸的相對情況。減小降液管面積，液

35、相上限流量 Ls 下降(線 4 將左移)；塔板的負荷性能圖可清楚地表示塔板的允許的氣、液相負荷范圍及塔板操作彈性的大小，對塔板的改造和設計以及塔的操作均有一定的指導意義。 012345Ls (m3/h)Vs (m3/h)OPaa425塔體：一般取為圓筒形，可由金屬、塑料或陶瓷制成，金屬筒體內壁常襯以防腐材料。 填料：大致可分為散裝填料和規整填料兩大類，是傳熱和傳質的場所。塔內件：包括填料支承與壓緊裝置、液體與氣體分布器、液體再分布器以及氣體除沫器等。操作原理：液體經塔頂噴淋裝置均勻分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流動，并與在壓強差推動下穿過填料空隙的氣體相互接觸，發生傳熱和傳質。

36、7653421液體氣體8填料塔的核心，是氣液兩相接觸進行質、熱傳遞的場所。填料的流體力學和傳質性能與填料的材質、大小和幾何形狀緊密相關，材質一定時，表征填料特性的數據主要有：比表面積 a：單位體積填料層所具有的表面積(m2/m3)。被液體潤濕的填料表面就是氣液兩相的接觸面。大的 a 和良好的潤濕性能有利于傳質速率的提高。對同種填料，填料尺寸越小，a 越大，但氣體流動的阻力也要增加。空隙率 ：單位體積填料所具有的空隙體積(m3/m3)。代表的是氣液兩相流動的通道， 大，氣、液通過的能力大，氣體流動的阻力小。 = 0.450.95。填料因子 ：填料比表面積與空隙率三次方的比值(1/m)，a/3，表

37、示填料的流體力學性能，值越小，流動阻力越小。有干填料因子與濕填料因子之分。堆積密度 p ：單位體積填料的質量(kg/m3)。在機械強度允許的條件下，填料壁要盡量薄，以減小填料的堆積密度，從而既可降低成本又可增加空隙率。機械強度大，化學穩定性好以及價格低廉等也是優良填料應盡量兼有的性質。注意：一些難以定量表達的因素(幾何形狀)對填料的流體力學和傳質性能也有重要的影響。新型填料的開發一般是改進填料幾何形狀使之更為合理，從而獲得高的填料效率。 常用的填料（Typical tower packing） 常用的填料可分為散裝填料和規整填料兩大類。散裝填料在塔內可亂堆，也可以整砌。優點：易于制造，價格低廉

38、，且對它的研究較為充分，所以在過去較長的時間內得到了廣泛的應用。缺點：高徑比大，堆積時填料間易形成線接觸，故液體常存在嚴重的溝流和壁流現象。且拉西環填料的內表面潤濕率較低，因而傳質速率也不高。最早使用的一種填料，為高徑比相等的陶瓷和金屬等制成的空心圓環。在拉西環基礎上衍生了環、十字環及螺旋環等，其基本改進是在拉西環內增加一結構，以增大填料的比表面積。在環的側壁上開一層或兩層長方形小孔，小孔的母材并不脫離側壁而是形成向內彎的葉片。上下兩層長方形小孔位置交錯。鮑爾環填料的優良性能使它一直為工業所重視，應用十分廣泛。可由陶瓷、金屬或塑料制成。同尺寸的鮑爾環與拉西環雖有相同的比表面積和空隙率，但鮑爾環

39、在其側壁上的小孔可供氣液流通，使環的內壁面得以充分利用。比之拉西環，鮑爾環不僅具有較大的生產能力和較低的壓降，且分離效率較高，溝流現象也大大降低。這樣的結構使得階梯環填料的性能在鮑爾環的基礎上又有提高，其生產能力可提高約10%，壓降則可降低25%，且由于填料間呈多點接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現象。階梯環填料的結構與鮑爾環填料相似，環壁上開有長方形小孔，環內有兩層交錯 45的十字形葉片，環的高度為直徑的一半，環的一端成喇叭口形狀的翻邊。階梯環一般由塑料和金屬制成，由于其性能優于其它側壁上開孔的填料，因此獲得廣泛的應用。一種表面全部展開的具有馬鞍形狀的瓷質型填料 (馬鞍填料)。弧鞍填料在塔內

40、呈相互搭接狀態，形成弧形氣體通道，優點：空隙率高，氣體阻力小，液體分布性能較好，填料性能優于拉西環。矩鞍填料的兩端為矩形，且填料兩面大小不等。克服了弧鞍填料相互重疊的缺點，填料的均勻性得到改善。液體分布均勻，氣液傳質速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一種瓷質填料。缺點：相鄰填料易相互套疊，使填料有效表面降低，從而影響傳質速率。優點：網絲細密，空隙很高，比表面積很大。由于毛細管作用，填料表面潤濕性能很好。故網體填料氣體阻力小，傳質速率高。缺點：造價很高，故多用于實驗室中難分離物系的分離。 有環形與鞍形的結構特點，生產能力大、壓降低、液體分布性能好、傳質速率高及操作彈性大，在減壓蒸餾中其優勢

41、更為顯著。與實體填料對應的另一類填料為網體填料。有多種形式，如金屬絲網制成的網環和鞍型網等。網體填料（Wire gauze packings）規整填料一般由波紋狀的金屬網絲或多孔板重疊而成。使用時根據填料塔的結構尺寸，疊成圓筒形整塊放入塔內或分塊拼成圓筒形在塔內砌裝。優點：空隙大，生產能力大，壓降小。流道規則，只要液體初始分布均勻，則在全塔中分布也均勻，因此規整填料幾乎無放大效應，通常具有很高的傳質效率。缺點：造價較高，易堵塞難清洗，因此工業上一般用于較難分離或分離要求很高的情況。 Corrugated MetalPlates Packings 6400金屬板波紋規整填料 300脈沖規整填料各

42、種陶瓷規整填料壓降填料塔效率主要取決于填充填料流體力學性能和傳質性能。壓降、液泛氣速、持液量及氣液分布對填料塔的設計和操作參數的確定至關重要。壓降與氣速的關系：氣體通過干填料層時的流動與氣體通過顆粒固定床的流動相似，只是通常填料層的空隙率更大，故氣體在空隙中的流速更高而處于湍流。載液區高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg p載點氣速液泛氣速有一定持液量時，pu 將不再為簡單的直線關系(噴淋密度為L1、L2曲線)，且存在兩個較明顯的轉折點。氣體通過干填料層的壓降 p 與空塔氣速 u 的關系在雙對數坐標上為直線，斜率 1.82.0。原因：噴淋液體在填料上形成液膜，占據部分空隙，減小了

43、氣體的流通截面，對相同空塔氣速壓降升高。載液區高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg p載點氣速液泛氣速P點后，液沫夾帶量，液相返混可導致填料效率，(HETP )。載點(B)后，持液量，氣液相互作用，相界面積，湍動增強，傳質過程，填料效率 (HETP )；載液和液泛對傳質的影響：氣速較低時，氣液相間相互影響小，在一定的液體噴淋密度下，填料持液量與氣速無關，氣體壓降與氣速的關系為直線且基本與 L=0 的直線平行。lg u高液量低液量載點線lg LPB泛點C載液區空塔氣速 u等板高度HETP填料塔的操作一般控制在偏離泛點一定距離的載液區內，這樣，既可得到較高的傳質效率，填料層的壓降也不

44、會過大。 壓降對填料塔操作的可靠性和經濟性有著決定性的影響。選擇填料和確定塔徑時，不同系統應控制的壓降范圍不同。吸收（mmH2O/m）蒸餾（mmH2O/m）系統不起泡系統起泡常壓或加壓真空20358203565835壓降：表面摩擦阻力+形體阻力，前者是氣體在空隙中流動時在填料表面和氣液界面上產生的粘性應力，后者是由于氣體流道的突然增大或縮小，方向的改變等造成的動能損失。影響因素：填料特性(幾何形狀、比表面積、 等)，流體物性(、 等)以及操作條件(氣液流量、T 等)。難以進行準確的理論計算，迄今仍然只能由各種經驗關聯式或關聯圖進行估算。橫坐標：GG ,GL 氣體和液體的質量流速，kg/(m2.

45、s)； u 空塔氣速，m/s； V , L 氣體和液體的密度，kg/m3； L 液體的粘度，mPa.s；WG ,WL 氣體和液體的質量流量，kg/s； 濕填料因子(泛點填料因子)，1/m； Vs ,Ls 氣體和液體的體積流量，m3/s； g 重力加速度 9.81m/s2； 液體密度校正系數(水與液相密度之比=/L) 。縱坐標：5 . 05 . 05 . 0,VLssLVGLLVGLVLWWGG或2 . 022 . 02LLVGLLVgGgu或適用范圍：亂堆填料(Random packings)，如拉西環、鮑爾環、矩鞍環等。與泛點線相對應的空塔氣速為空塔液泛氣速。利用此圖可根據選定的空塔氣速求壓

46、降，或根據規定的壓降求算相應的空塔氣速。 最上方的三條線分別為弦柵、整砌拉西環及亂堆填料的泛點線。其余為亂堆填料的等壓降線。泛點：液泛開始發生，是填料塔的操作極限。泛點氣速：開始發生液泛時的氣速，泛點的直接表達參數。 為防止液泛發生，最大操作氣速應 95%泛點氣速，設計點的氣速通常取泛點氣速的50%80%。故正確估算泛點氣速對填料塔的設計和操作都十分重要。 填料的種類，物系的物性以及氣、液相負荷等因素對泛點都有一定的影響。泛點氣速的估算式通常仍是借助于實驗數據所得的各種經驗關聯式或關聯圖。 對于散裝填料，目前廣泛采用埃克特(Eckert)壓降和氣速通用關聯圖中的泛點曲線。 規整填料有類似的泛點

47、實驗關聯圖，可參考有關文獻。 根據兩相流動參數即可由埃克特(Eckert)關聯圖中的泛點線查縱坐標值，若填料因子已知，即可求得泛點氣速。 填料的持液量：操作時單位體積填料在表面和空隙中所積存的液體體積量。由靜持液量和動持液量兩部分組成。動持液量：停止氣液兩相進料后從填料中排放出來的液體。與填料特性，物性及氣液兩相流量有關。靜持液量：液體排放完后仍保留在填料層內的那部分液體。與填料表面積，表面特征及潤濕性有關。持液量對填料的壓降、氣液通量以及分離效率均有影響。液體在填料層中的停留時間與持液量成正比，故熱敏性物系分離不宜采用持液量大的填料。對間歇蒸餾不宜采用持液量大的填料。填料塔穩定操作時持液量越

48、小，靈敏度越高。理想的操作：大傳質表面，較小持液量。 氣、液兩相分布不均勻對塔效率會產生不利的影響。小尺度不良分布：單個填料尺度或規整填料的通道尺度上的不均勻分布。原因：由于氣體的彌散性，氣體在小尺度上容易分布均勻。而液體能否在填料表面擴展成膜與填料的潤濕性直接相關。即使填料潤濕性很好，液體的初始分布也很均勻，但在向下流過一定高度的填料層后部分液體必然會匯集為細股流，使另一部分填料表面不能為液體所潤濕。小尺度的不良分布是填料的特性，當液體流經一定距離后，這種不良分布特性保持穩定，稱為特征分布。通常散裝填料的小尺度不良分布較規整填料突出。大尺度不良分布：由液體初始分布不均、填料層結構不均和塔體傾

49、斜等非正常因素所引起。壁效應：若塔壁附近空隙率顯著大于填料主體區，則會造成液體向壁區偏流并最終形成沿塔壁垂直向下的壁流，減少了填料氣體區的液流量。塔體傾斜會造成液體優先流向下方塔壁而匯集，上方塔壁及靠壁區液體分布則不足。填料破碎、變形等也會造成大范圍的液流分布不均。大尺度液流不均還會引發氣流分布不均，造成氣體走短路，使填料塔操作惡化。改進措施：加強液流入塔的初始分布均勻性，在塔內設置液體再分布器，填料充填均勻，對大型塔填料尺寸與塔徑之比不大于 1/30 以避免壁效應等。塔徑 填料塔的直徑可根據圓形管道內的流量公式計算uVDs4=式中：Vs 操作條件下氣體體積流量，m3/s； u 操作條件下的空

50、塔氣速，m/s。 一般取 u = (0.50.8) uf 。對一定氣體負荷，塔徑計算關鍵在于空塔泛點氣速的求取。當缺乏實測數據時，泛點氣速 uf 可用埃克特(Eckert)壓降關聯圖估算。一般填料塔的操作氣速大致在 0.21.0 m/s。按上式算出的塔徑，應按壓力容器公稱直徑進行圓整，如圓整為600、800、1000、1200 mm 等。驗算液體噴淋密度，以確保填料能得到充分的潤濕。填料塔的液體最小噴淋密度與填料的比表面積 a 有關，其關系為：aLUw minmin=式中：Umin 最小噴淋密度，m3/(m2s)； (Lw)min 最小潤濕速率，m3/(ms)。最小潤濕速率：在塔橫截面上，單位

51、長度的填料周邊上潤濕填料所需最少液體的體積流量。直徑75mm 的環形填料，(Lw)min= 0.12 m3/(mh)。實際噴淋密度應大于最小噴淋密度。若不能滿足此條件，可采用增大回流比或液體再循環等方法加大塔內液體流量，或適當提高氣速，減小塔徑等。 取決于所需的填料層高度及塔內附屬構件所需的高度。附屬構件(如氣液分布裝置，除沫器及液體再分布器等)的高度要由所選的類型和計算的尺寸來確定。填料層的高度通常采用傳質單元法 (第9章吸收計算) 或等板高度法進行計算。等板高度(HETP)：與一層理論塔板的分離效果相當的填料層高度。等板高度的大小，表明填料效率的高低。等板高度一般由實驗測定，或取生產設備的

52、經驗數據。若完成分離任務所需的理論板數為 N，則填料層高度 Z 為HETPNZ= GG 氣體的空塔質量速度，kg/(m2h)； 相對揮發度； D 塔徑，m； L 液體粘度，mPas； Z 填料層高度，m； L 液體的密度，kg/m3；c1, c2, c3 常數，取決于填料類型及尺寸。LLccGZDGcHETP31321=適用范圍：(1) 常壓操作，操作氣速為泛點氣速的2585%；(2) 高回流比操作；(3) 值不大于3的碳氫化合物蒸餾系統；(4) 填料層高度為0.93.0m，塔徑為0.50.75m，填料尺寸不大于塔徑的1/8。LLccGZDGcHETP31321=默奇（Murch）等板高度經驗

53、公式中的常數填料類型尺寸mmc1c2c3 陶瓷拉西環91.36104-0.371.2412.54.48104-0.241.24252.39103-0.101.24 弧鞍501.510301.2412.52.55104-0.451.11252.11103-0.141.11填料支承板（Packing support plate ）主要包括：填料支承裝置、液體分布及再分布裝置、氣體進口分布裝置及出口除沫裝置等。附屬結構的選型、設計、安裝是否正確合理，對填料塔的操作和傳質分離效果都會有直接影響，應給予足夠的重視。 用以支承填料的部件。它應具有：(1) 足夠的機械強度以承受設計載荷量，支承板的設計載荷主

54、要包括填料的重量和液泛狀態下持液的重量。(2) 足夠的自由面積以確保氣、液兩相順利通過。總開孔面積應盡可能不小于填料層的自由截面積。開孔率過小可導致液泛提前發生。一般開孔率在 70% 以上。常用的支承板有柵板、升氣管式和氣體噴射式等類型。柵板 (support grid)：優點是結構簡單，造價低；缺點是柵板間的開孔容易被散裝填料擋住，使有效開孔面積減小。升氣管式：具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點。氣體由升氣管側面的狹縫進入填料層。 氣體噴射式 (multibeam packing support plate)：具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點。氣體由波形的側面開孔射入填料層。

55、填料壓緊和限位裝置安裝在填料層頂部，用于阻止填料的流化和松動，前者為直接壓在填料之上的填料壓圈或壓板，后者為固定于塔壁的填料限位圈。規整填料一般不會發生流化，但在大塔中，分塊組裝的填料會移動，因此也必需安裝由平行扁鋼構造的填料限制圈。作用：將液體均勻分布于填料層頂部。液體初始分布質量將直接影響到液體在整個填料層的分布，從而影響填料塔的分離效率和操作彈性，因此液體分布器是填料塔的一個極為重要的內部構件。蓮蓬頭分布器：噴頭的下部為半球形多孔板，噴頭直徑為塔徑的1/31/5，一般用于直徑在0.6m以下的塔中。它的主要缺點是噴灑孔易堵塞，且氣量較大時液沫夾帶量大。 壓力型多孔管式分布器：有環形和梯形兩

56、種。優點：結構簡單、造價低、易于支承。自由面積較大 (一般在70%以上)，氣體阻力小，適用于氣體流量很大的場合。其操作彈性在 2:12.5:1 之間。缺點：也存在小孔易堵塞的問題，故被噴淋的液體不能有固體顆粒或懸浮物。 梯形二級槽式液體分布器優點：具有較多的噴淋點數，分布質量比較高，且操作彈性可高達 4:1。缺點：結構較復雜，造價較高，對安裝水平度要求高。氣體通過阻力較大，一般適用于氣體負荷不太大的場合。孔流分布器：有盤式和槽式兩種。盤式孔流分布器：氣、液流道分離，液體自盤底的噴淋孔流下，盤中維持有一定高度的液位，氣體則從盤中設置的圓管中上升。優點：抗堵、抗腐蝕能力強，操作可靠，可處理含固體的

57、物料，操作彈性和處理量較大，操作彈性可達到 4:1。缺點：分布質量極易受液面的波動和分布器水平度的影響，故通常必須裝有水平調節裝置。 槽式溢流分布器：液體從通常為V字形的溢流口中溢出。一般適用于直徑大于 1.0 m 的填料塔中。隨液體流經的填料層厚度的增加，偏流程度增加，液體的大尺度不良分布就越嚴重。解決方法：每隔一定高度設置一液體再分布器。偏流效應越嚴重，設置液體再分布器的填料間隔應越小，如拉西環每段填料高度一般約為塔徑的 3 倍，而鮑爾環和鞍形填料可分為塔徑的 510 倍。再分布器的形式：有盤式、槽式及截錐式等。盤式液體再分布器截錐式再分布器對于直徑小于3000塔，可采用單管底部雙排孔分布器。不僅氣體分布均勻、阻力小，而且結構簡單、造價低。超過3000塔可采用多排管式或升氣管式氣體分布器。還可以采用雙效氣體分布器，既提供良好的氣體分布，又具有較高的傳質效率。氣液流率的偏差會造成局部氣液比不同，使塔截面出現徑向濃度差，如不及時重新混合，就會越來越壞。一般1520個理論級需進行一次氣液再分布。在各床層間用液體收集器將流下的液體完全收集并混合，再進入液體分布器，以消除塔徑向質與量的偏差。斜板式液體收集器盤式液體收集器當塔內氣速較高，液沫夾帶較嚴重時，在塔頂氣體出口處需設置除沫裝置。折板除沫器 (Angle Vane-type Demisters)：阻力較小 (5010