蒸餾和吸收設(shè)備
概述
塔設(shè)備是化工、石油等工業(yè)中廣泛使用的重要生產(chǎn)設(shè)備。塔設(shè)備的基本功能在于提供氣、液兩相以充分接觸的機會,使質(zhì)、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,互不夾帶。因此,蒸餾和吸收操作可在同樣的設(shè)備中進行。
根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式,塔設(shè)備可分為板式塔與填料塔兩大類。
板式塔內(nèi)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(nèi)進行逐級接觸,兩相的組成沿塔高呈階梯式變化。
填料塔內(nèi)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(xù)地變化。
目前在工業(yè)生產(chǎn)中,當處理量大時多采用板式塔,而當處理量較小時多采用填料塔。蒸餾操作的規(guī)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(guī)模一般較小,故采用填料塔較多。
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(shè)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。
**節(jié) 板式塔
板式塔為逐級接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備。在一個圓筒形的殼體內(nèi)裝有若干層按一定間距放置的水平塔板,塔板上開有很多篩孔,每層塔板靠塔壁處設(shè)有降液管。氣液兩相在塔板內(nèi)進行逐級接觸,兩相的組成沿塔高呈階梯式變化。板式塔的空塔氣速很高,因而生產(chǎn)能力較大,塔板效率穩(wěn)定,造價低,檢修、清理方便
**小節(jié) 塔板類型
按照塔內(nèi)氣液流動的方式,可將塔板分為錯流塔板與逆流塔板兩類。
錯流塔板:塔內(nèi)氣液兩相成錯流流動,即流體橫向流過塔板,而氣體垂直穿過液層,但對整個塔來說,兩相基本上成逆流流動。錯流塔板降液管的設(shè)置方式及堰高可以控制板上液體流徑與液層厚度,以期獲得較高的效率。但是降液管占去一部分塔板面積,影響塔的生產(chǎn)能力;而且,流體橫過塔板時要克服各種阻力,因而使板上液層出現(xiàn)位差,此位差稱之為液面落差。液面落差大時,能引起板上氣體分布不均,降低分離效率。錯流塔板廣泛用于蒸餾、吸收等傳質(zhì)操作中。
逆流塔板亦稱穿流板,板間不設(shè)降液管,氣液兩相同時由板上孔道逆向穿流而過。柵板、淋降篩板等都屬于逆流塔板。這種塔板結(jié)構(gòu)雖簡單,板面利用率也高,但需要較高的氣速才能維持板上液層,操作范圍較小,分離效率也低,工業(yè)上應(yīng)用較少。
本教材只介紹錯流塔板。
一、泡罩塔
塔板上設(shè)有許多供蒸氣通過的升氣管,其上覆以鐘形泡罩,升氣管與泡罩之間形成環(huán)形通道。泡罩周邊開有很多稱為齒縫的長孔,齒縫全部浸在板上液體中形成液封。操作時,氣體沿升氣管上升,經(jīng)升氣管與泡罩間的環(huán)隙,通過齒縫被分散成許多細小的氣泡,氣泡穿過液層使之成為泡沫層,以加大兩相間的接觸面積。流體由上層塔板降液管流到下層塔板的一側(cè),橫過板上的泡罩后,開始分離所夾帶的氣泡,再越過溢流堰進入另一側(cè)降液管,在管中氣、液進一步分離,分離出的蒸氣返回塔板上方究竟,流體流到下層塔板。一般小塔采用圓形降液管,大塔采用弓形降液管。泡罩塔已有一百多年歷史,但由于結(jié)構(gòu)復雜、生產(chǎn)能力較低、壓強降等特點,已較少采用,然而因它有操作穩(wěn)定、技術(shù)比較成熟、對臟物料不敏感等優(yōu)點,故目前仍有采用。
二、篩板塔
篩板是在帶有降液管的塔板上鉆有3~8mm直徑的均布圓孔,液體流程與泡罩塔相同,蒸氣通過篩孔將板上液體吹成泡沫。篩板上沒有突起的氣液接觸元件,因此板上液面落差很小,一般可以忽略不計,只有在塔徑較大或液體流量較高時才考慮液面落差的影響。
三、浮閥塔
浮閥塔是50年代開發(fā)的一種較好的塔。在帶有降液管的塔板上開有若干直徑較大(標準孔徑為39mm)的均布圓孔,孔上覆以可在一定范圍內(nèi)自由活動的浮閥。浮閥形式很多,常用的有F1型,V-4型,T型浮閥。
操作時,液相流程和前面介紹的泡罩塔一樣,氣相經(jīng)閥孔上升頂開閥片、穿過環(huán)形縫隙、再以水平方向吹入液層形成泡沫,隨著氣速的增減,浮閥能在相當寬的范圍內(nèi)穩(wěn)定操作。因此目前獲得較廣泛的應(yīng)用。
四、噴射型塔板
篩板上氣體通過篩孔及液層后,夾帶著液滴垂直向上流動,并將部分液滴帶至上層塔板,這種現(xiàn)象稱為霧沫夾帶。霧沫夾帶的產(chǎn)生固然可增大氣液兩相的傳質(zhì)面積,但過量的霧沫夾帶造成液相在塔板間返混,進而導致塔板效率嚴重下降。在浮閥塔板上,雖然氣相從閥片下方以水平方向噴出,但閥與閥間的氣流相互撞擊,匯成較大的向上氣流速度,也造成嚴重的霧沫夾帶現(xiàn)象。此外,前述各類塔板上存在或低或高的液面落差,引起氣體分布不均,不利于提高分離效率?;谶@些缺點,開發(fā)出若干種噴射型塔板,在這類塔板上,氣體噴出的方向與液體流動的方向一致或相反。充分利用氣體的動能來促進兩相間的接觸,提高傳質(zhì)效果。氣體不必再通過較深的液層,因而壓強降顯著減小,且因霧沫夾帶量較小,故可采用較大的氣速。
**小節(jié) 篩板塔的工藝設(shè)計
一個完整的設(shè)備設(shè)計應(yīng)包括工藝設(shè)計及機械強度設(shè)計,此外還要提出供加工制造的圖紙,本教材只介紹工藝設(shè)計部分。
板式塔的類型很多,但工藝設(shè)計的原則和步驟大致相同,下面以篩板塔為例進行介紹。
篩板塔的工藝計算包括塔高、塔徑以及塔板上主要部件工藝尺寸的計算,塔板的流體力學驗算,*后畫出操作負荷性能圖。流體力學驗算包括對流體阻力、淹塔、霧沫夾帶、液面落差、負荷上、下限等方面的驗算。
一、塔的有效高度
根據(jù)給定的分離任務(wù),按照前面所介紹的方法求出塔內(nèi)所需的理論板層數(shù)之后,便可按下式計算塔的有效段(接觸段)高度,即:
式中 z-塔的有效高度,m;
?。碚撍鍞?shù);
?。迨剿目傂?;
?。彘g的距離,簡稱板距,m。
塔板間距HT的大小對塔的生產(chǎn)能力、操作彈性及塔板效率都有影響。采用較大的板間距,能允許較高的空塔氣速,而不致產(chǎn)生嚴重的霧沫夾帶現(xiàn)象,因而對于一定的生產(chǎn)任務(wù),塔徑可以小些,但塔高要增加。反之,采用較小的板間距,只能允許較小的空塔氣速,塔徑就要增大,但塔高可減低一些。可見板間距與塔徑互相關(guān)聯(lián),有時需要結(jié)合經(jīng)濟權(quán)衡,反復調(diào)整,才能確定。板間距的數(shù)值應(yīng)按照規(guī)定選取整數(shù),如300、350、450、500、600、800mm等。
在決定板間距時應(yīng)考慮安裝、檢修的需要。例如在塔體人孔處,應(yīng)留有足夠的工作空間,上、下兩層塔板之間的距離不應(yīng)小于600mm。
二、塔徑
根據(jù)圓管內(nèi)流量公式,可寫出塔徑與氣體流量及空塔氣速的關(guān)系,即:
式中 | 塔徑, m; | | 塔內(nèi)氣體流量, m3/s; | | 空塔氣速,即按空塔計算的氣體線速度,m/s。 |
|
由上式可見,計算塔徑的關(guān)鍵在于確定適宜的空塔氣速u。
當上升氣體脫離塔板上的鼓泡液層時,氣泡破裂而將部分液體噴濺成許多細小的液滴及霧沫。上升氣體的空塔速度不應(yīng)超過一定限度,否則這些液滴和霧沫會被氣體大量攜至上層塔板,造成嚴重的霧沫夾帶現(xiàn)象,甚至破壞塔的操作。因此,可以根據(jù)懸浮液滴的沉降原理導出計算*大允許氣速umax 的關(guān)系式。設(shè)液滴的直徑為 d ,則液滴在氣體中的凈重(即重力與浮力之差)為:
而懸浮液滴所受上升氣流的摩擦阻力為:
式中 | 液相密度,kg/m3; |
| 氣相密度,kg/m3; |
| 氣速, m/s; |
| 阻力系數(shù),無因次。 |
當氣速增大至液滴所受阻力恰等于其凈重時,液滴便在上升氣流中處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。若氣速再稍增大,液滴便會被上升氣流帶走。此種極限條件下力的平衡關(guān)系為:
由式 (5-3) 可見,負荷系數(shù)C的值應(yīng)取決于阻力系數(shù)及液滴直徑,而氣泡破裂所形成的液滴直徑很難確知,阻力系數(shù)的影響因素也很復雜。研究表明,C值與氣、液流量及密度、板上液滴沉降空 間的高度以及液體的表面張力有關(guān)。
三、溢流裝置
一套溢流裝置包括降液管和溢流堰。降液管有圓形和弓形兩種。圓形降液管的流通截面小,沒有足夠的空間分離液體中的氣泡,氣相夾帶(氣泡被液體帶到下層塔板的現(xiàn)象)較嚴重,降低塔板效率。所以,除小塔外,一般不采用圓形降液管。弓形降液管具有較大的容積,又能充分利用塔板面積,應(yīng)用較為普遍。
降液管的布置規(guī)定了板上液體流動的途徑。一般有幾種型式,即U形流、單溢流、雙溢流及階梯流。
總之,液體在塔板上的流徑愈長,氣液接觸時間就愈長,有利于提高分離效果;但是液面落差也隨之加大,不利于氣體均勻分布,使分離效果降低。由此可見流徑的長短與液面落差的大小對效率的影響是相互矛盾的。選擇溢流型式時,應(yīng)根據(jù)塔徑大小及液體流量等條件,作**的考慮。
目前,凡直徑在2.2m以下的浮閥塔,一般都采用單溢流。在大塔中,由于液面落差大會造成浮閥開啟不均,使氣體分布不均及出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象,應(yīng)考慮采用雙溢流以及階梯流。
四、塔板布置
塔板有整塊式與分塊式兩種。一般塔徑為300~800mm時,采用整塊式塔板。當塔徑≥900mm時,能在塔內(nèi)進行裝拆,可用分塊式塔板,以便通過人孔裝拆塔板。塔徑為800~900時,可根據(jù)制造與安裝的具體情況,任意選用這兩種形式的塔板中任一種。
塔板面積可分為四個區(qū)域:
(1) 鼓泡區(qū) 即為塔板上氣液接觸的有效區(qū)域。
(2) 溢流區(qū) 即降液管及受液盤所占的區(qū)域。
(3) 破沫區(qū) 即前兩區(qū)域之間的面積。
此區(qū)域內(nèi)不裝浮閥,主要為在液體進入降液管之前,有一段不鼓泡的安定地帶。以免液體大量夾帶泡沫進入降液管。破沫區(qū)也叫安定區(qū),其寬度WS可按下述范圍選取,即:當 D<1.5m 時, WS=60~75mm 當 D>1.5m時,WS=80~110mm 直徑小于1m的塔,WS 可適當減小。
(4)無效區(qū)即靠近塔壁的部分,需要留出一圈邊緣區(qū)域,供支持塔板的邊梁之用。這個無效區(qū)也叫邊緣區(qū),其寬度視塔板支承的需要而定,小塔在30~50mm,大塔可達50~75mm。為防止液體經(jīng)無效區(qū)流過而產(chǎn)生“短路”現(xiàn)象,可在塔板上沿塔壁設(shè)置擋板。
五、篩孔及其排列
(1)篩孔直徑
工業(yè)篩板塔的篩孔直徑為3~8mm,一般推薦用4~5mm。太小的孔徑加工制造困難,且易堵塞。近年來有采用大孔徑(φ10~25mm)的趨勢,因為大孔徑篩板具有加工制造簡單,造價低、不易堵塞等優(yōu)點。只要設(shè)計與操作合理,大孔徑的篩板也可以獲得滿意的分離效果。
此外,篩孔直徑的確定,還應(yīng)根據(jù)塔板材料的厚度考慮加工的可能性,當用沖壓法加工時,若板材為炭鋼,其厚度可選為3~4mm,≥1;若板材為合金鋼,其厚度可選為2~2.5mm,≥1.5~2。
(2)孔中心距
一般取孔中心距t為(2.5~5)。過小,易使氣流相互干擾;過大則鼓泡不均勻,都會影響傳質(zhì)效率。推薦的適宜范圍為3~4。
(3)篩孔的排列
板鼓泡區(qū)內(nèi)的排列有正三角形與等腰三角形兩種方式,按照篩孔中心聯(lián)線與液流方向的關(guān)系,又有順排與叉排之分。叉排時氣液接觸效果較好,故一般情況下都采用叉排方式。對于整塊式塔板,多采用正三角形叉排,孔心距t 為 75~125mm;對于分塊式塔板,宜采用等腰三角形叉排,此時常把同一橫排的篩孔中心距t定為75mm,而相鄰兩排間的距離t′可取為65、80、100mm等幾種尺寸。
第三小節(jié) 篩板塔的流體力學驗算
板的流體力學驗算,目的在于核驗上述各項工藝尺寸已經(jīng)確定的塔板,在設(shè)計任務(wù)規(guī)定的氣、液負荷下能否正常操作,其內(nèi)容包括對塔板壓強降、液泛、霧沫夾帶、泄漏、液面落差等項的驗算。篩板塔板上的液面落差一般很小,可以忽略。
一、塔板壓強降
氣體通過塔板時的壓強降大小是影響板式塔操作特性的重要因素,也往往是設(shè)計任務(wù)規(guī)定的指標之一。在保證較高效率的前提下,應(yīng)力求減小塔板壓降,以降低能耗及改善塔的操作性能。
經(jīng)篩板塔板上升的氣流需要克服以下幾種阻力:塔板本身的干板阻力,即板上各部件造成的阻力,對篩板塔則為通過干篩孔的阻力;板上充氣液層的靜壓力及液體的表面張力。
因此,按照目前廣泛采用的加合計算方法,氣體通過一層浮閥塔板時的壓強降應(yīng)為:
Δpp = Δpc + Δpl+Δpσ
式中Δpp 氣體通過一層浮閥塔板時的壓強降, N/m2;
Δpc 氣流克服干板阻力所產(chǎn)生的壓強降, N/m2;
Δpl 氣流克服板上充氣液層的靜壓力所產(chǎn)生的壓強降, N/m2;
Δpσ氣流克服液體表面張力所產(chǎn)生的壓強降, N/m2。
習慣上,常把這些壓強降全部折合成塔內(nèi)液體的液柱高度來表示。
二、液泛
為使液體能由上一層塔板穩(wěn)定地流入下一層塔板,降液管內(nèi)必須維持有一定高度的液柱。若操作中降液管內(nèi)全部泡沫及液體(其總體密度小于清液密度)所形成的靜壓相當于高度為 Hd 的清液柱,則取下一層塔板為基準面在降液管內(nèi)、外兩液面之間列柏努利方程,可得:
Hd=hp + hL + hd
式中 hp上升氣體通過一層塔板的壓強降所相當?shù)囊褐叨龋?m;
hL 板上液層高度, m。此處忽略了板上液面落差并認為降液管出口液體中不含氣泡;
hd 液體流過降液管的壓頭損失, m。
三、漏液
當上升氣體流速減小,致使氣體通過篩孔的動壓不足以阻止板上液體經(jīng)篩孔流下時,便會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象,開始泄漏時的瞬間稱為漏液點。液體經(jīng)篩孔向下泄漏,影響氣液在塔板上的充分接觸,特別是在靠近進口堰處的泄漏會使塔板效率嚴重降低故漏液點的氣速u0,min為操作時的下限氣速。正常操作時,泄漏量應(yīng)不大于液體流量的10%。
四、霧沫夾帶
霧沫夾帶是指板上液體被上升氣體帶入上一層塔板的現(xiàn)象。過多的霧沫夾帶將導致塔板效率嚴重下降。為了保證板式塔能維持正常的操作,應(yīng)使每千克上升氣體夾帶到上一層塔板的液體量不超過0.1kg,即控制霧沫夾帶量 eV<0.1kg (液)/kg(氣)。
影響霧沫夾帶量的因素很多,*主要的是空塔氣速和塔板間距。對于浮閥塔板上霧沫夾帶量的計算,迄今尚無適用于一般工業(yè)塔的確切公式。通常是間接地用操作時的空塔氣速與發(fā)生液泛時的空塔氣速的比值作為估算霧沫夾帶量大小的指標。此比值稱為泛點百分數(shù),或稱泛點率。
在下列泛點率數(shù)值范圍內(nèi),一般可保證霧沫夾帶量達到規(guī)定的指標,即eV<1kg(液)/kg(氣):
大塔 | 泛點率<80% |
直徑0.9m以下的塔 | 泛點率<70% |
減壓塔 | 泛點率<75% |
五、浮閥塔板的負荷性能圖
前面首先確定了塔板的工藝尺寸,又對各項進行了流體力學驗算(包括對工藝尺寸的必要調(diào)整)之后,便可確認所設(shè)計的塔板能在任務(wù)規(guī)定的氣、液負荷下正常操作。此時,還有必要進一步揭示該塔板的操作性能,即求出維持該塔板正常操作所允許的氣、液負荷波動范圍。這個范圍通常以塔板負荷性能圖的形式表示。
影響板式塔操作狀態(tài)和分離效果的主要因素包括物料性質(zhì)、氣液負荷及塔板結(jié)構(gòu)尺寸等。在系統(tǒng)物性、塔板結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)確定的條件下,要維持塔的正常操作,必須把氣、液負荷限制在一定范圍之內(nèi)。在以Vs、Ls分別為縱、橫軸的直角坐標系中,標繪各種界限條件下的Vs-Ls關(guān)系曲線,從而得到允許的負荷波動范圍圖形。這個圖形即稱為塔板的負荷性能圖。
負荷性能圖對于檢驗塔板設(shè)計是否合理及了解塔的操作穩(wěn)定性、增產(chǎn)的潛力及減負荷運轉(zhuǎn)的可能性,都有一定的指導意義。
?。?)霧沫夾帶上限線
霧沫夾帶上限線表示霧沫夾帶量 eV=0.1kg(液)/kg(氣) 時的Vs-Ls關(guān)系,塔板的適宜操作區(qū)應(yīng)在此線以下,否則將因過多的霧沫夾帶而使板效率嚴重下降。
?。?)液泛線
液泛線表示降液管內(nèi)泡沫層高度達到*大允許值時的Vs-Ls關(guān)系,塔板的適宜操作區(qū)也應(yīng)在此線以下,否則將可能發(fā)生液泛現(xiàn)象,破壞塔的正常操作。
?。?)液相負荷上限線
液相負荷上限線又稱為降液管超負荷線。此線反映對于液體在降液管內(nèi)停留時間的起碼要求。對于尺寸已經(jīng)確定的降液管,若液體流量超過某一限度,使液體在降液管內(nèi)停留時間過短,則其中氣泡來不及放出就進入下層塔板,造成氣相返混,降低塔板效率。
?。?)泄漏線
泄漏線又稱為氣相負荷下限線。此線表明不發(fā)生嚴重泄漏現(xiàn)象的*低氣體負荷,是一條平行于橫軸的直線。塔板的適宜操作區(qū)應(yīng)在此線的上方。
?。?)液相負荷下限線
對于平堰,一般取堰上液層高度 hOW=0.006m 作為液相負荷下限條件,低于此限時, 便不能保證板上液流的均勻分布,降低氣液接觸效果。
塔板的適宜操作區(qū)應(yīng)在此線的右側(cè)。
在負荷性能圖上,由上述(1)、(2)、(3)、(4)及(5)所包圍的區(qū)域,應(yīng)是所設(shè)計的塔板用于處理指定物系時的適宜操作區(qū)。在此區(qū)域內(nèi),塔板上的流體力學狀況是正常的,但該區(qū)域內(nèi)各點處的板效率并不完全相同。代表塔的預定氣、液負荷的設(shè)計點P如能落在該區(qū)域內(nèi)的適中位置,則可望獲得穩(wěn)定良好的操作效果。如果操作點緊靠某一條邊界線,則當負荷稍有波動時便會使效率急劇下降,甚至完全破壞塔的操作。
物系一定時,負荷性能圖中各條線的相對位置隨塔板結(jié)構(gòu)尺寸而改變。譬如,當降液管截面積減小而板間距加大時,液相負荷上限線將向左移而液泛線將向上移,甚至可能使液泛線落到其余四條線所包圍的區(qū)域之外。這是因為降液管狹小,使液體負荷成為主要限制因素,而氣相負荷增大時所引起的淹塔問題便退居不顯著的地位了。
通常把氣相負荷上、下限之比稱為塔板的操作彈性。
此外還應(yīng)指出,對于內(nèi)有多層塔板而直徑均一的塔來說,由于從底到頂各層塔板上的操作條件(溫度、壓強等)及物料組成和性質(zhì)(密度等)有所不同,因而各層塔板上的氣、液負荷都是不同的。設(shè)計計算中應(yīng)考慮到這一問題,對處于*不利情況下的塔板進行驗算,看其操作點是否在適宜操作區(qū)之內(nèi),并按此薄弱環(huán)節(jié)上的條件確定該塔所允許的操作負荷范圍。
第四小節(jié) 塔板效率
理論塔板是衡量實際塔板分離效果的標準,而實際塔板分離效果接近這個標準的程度,便通過塔板效率來表達。
一、塔板效率的表示方法
1. 總板效率
ET總板效率又稱全塔效率,是指達到指定分離效果所需理論板層數(shù)與實際板層數(shù)的比值,即:
式中 | NT | 塔內(nèi)所需理論板層數(shù); |
| NP | 塔內(nèi)實際板層數(shù)。 |
板式塔內(nèi)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(nèi)所有塔板的平均效率。設(shè)計中為便于求算實際板層數(shù),都采用總板效率。
2.單板效率
EM 單板效率又稱為默弗里(Murphree)板效率,是指氣相或液相經(jīng)過一層實際塔板前后的組成變化與經(jīng)過一層理論塔板前后的組成變化的比值。參見圖5-19,圖中第n層塔板的效率有如下兩種表達方式:
按氣相組成變化表示的單板效率為:
按液相組成變化表示的單板效率為:
式中 | 與 xn 成平衡的氣相組成; |
| 與 yn成平衡的液相組成。 |
一般說來,同一層塔板的EMV與EML數(shù)值并不相同。在一定的簡化條件下通過對第n層塔板作物料衡算可以得到EMV與EML 的關(guān)系,即:
式中 | m | 第n層塔板所涉及濃度范圍內(nèi)的平衡線斜率; |
| LV | 氣、液兩相摩爾流量之比,即操作線斜率。 |
可見,只有當操作線與平衡線平行時, EMV與EML 才會相等。
3. 點效率
E0點效率是指塔板上各點處的局部效率。以氣相點效率E0V為例,設(shè)流經(jīng)塔板某點上方的液相濃度為x,與 x成平衡的氣相濃度為 y*。由下部進入該位置的氣相濃度為 yn+1,經(jīng)與液相接觸后由該處液面離去的氣相濃度為y,則該局部位置上的氣相點效率定義為:
當板上液體處于完全混合的條件下時,點效率E0V 與板效率EMV具有相同的數(shù)值。直徑很小的以及逆流式的塔板上的情況與此接近。
二、塔板效率的影響因素
塔板效率反映實際板上傳質(zhì)過程進行的程度。根據(jù)由雙膜理論導出的傳質(zhì)速率方程式可知, 傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)推動力、傳質(zhì)面積和兩相接觸時間應(yīng)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(xiàn),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(xiàn)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(shù)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(zhì)
物系性質(zhì)主要指粘度、密度、表面張力、擴散系數(shù)、相對揮發(fā)度等。液體的粘度、密度直接影響板上液流的湍動程度,進而影響傳質(zhì)系數(shù)和氣液接觸面積。表面張力影響泡沫生成的數(shù)量、大小及其穩(wěn)定性,因而也影響接觸面積的大小。物系的分子擴散系數(shù)對傳質(zhì)系數(shù)有直接影響,而相對揮發(fā)度等相平衡常數(shù)的影響則體現(xiàn)在傳質(zhì)推動力和過程速率的控制因素之中。
2. 塔板型式與結(jié)構(gòu)
塔板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)生淹塔現(xiàn)象的前提下,增大氣速對于提高塔板效率一般是有利的
**節(jié) 填料塔
填料塔也是一種重要的氣液傳質(zhì)設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)很簡單,在塔體內(nèi)充填一定高度的填料,其下方有支承板,上方為填料壓板及液體分布裝置。液體自填料層頂部分散后沿填料表面流下而潤濕填料表面;氣體在壓強差推動下,通過填料間的空隙由塔的一端流向另一端。氣液兩相間的傳質(zhì)通常是在填料表面的液體與氣相間的界面上進行的。
塔殼可由陶瓷、金屬、玻璃、塑料制成,必要時可在金屬筒體內(nèi)襯以防腐材料。為保證液體在整個截面上的均勻分布,塔體應(yīng)具有良好的垂直度。
填料塔不僅結(jié)構(gòu)簡單,而且有阻力小和便于用耐腐材料制造等優(yōu)點,尤其對于直徑較小的塔、處理有腐蝕性的物料或要求壓強降小的真空蒸餾系統(tǒng),填料塔都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。另外,對于某些液氣比甚大的蒸餾或吸收操作,若采用板式塔,則降液管將占用過多的塔截面積,此時也宜采用填料塔。
近年來,國內(nèi)外對填料的研究與開發(fā)進展頗快。由于性能優(yōu)良的新型填料不斷涌現(xiàn),以及填料塔在節(jié)能方面的突出優(yōu)勢,大型的填料塔目前在工業(yè)上已非罕見。
填料是填料塔的核心。填料塔操作性能的好壞,與所選用的填料有直接關(guān)系。為使填料塔發(fā)揮良好的效能,填料應(yīng)符合以下幾項主要要求:
(1) 要有較大的比表面積。
單位體積填料層所具有的表面積稱為填料的比表面積,以 σ表示,其單位為m2/m3 。
填料的表面只有被流動的液相所潤濕,才能構(gòu)成有效的傳質(zhì)面積。因此,若希望有較高的傳質(zhì)速率,除須有大的比表面積之外,還要求填料有良好的潤濕性能及有利于液體均勻分布的形狀。
(2) 要有較高的空隙率。
單位體積填料層所具有的空隙體積稱為填料的空隙率。以 ε表示,其單位為m3/m3 。
一般說來,填料的空隙率多在0.45~0.95范圍以內(nèi)。當填料的空隙率較高時,氣、液通過能力大且氣流阻力小,操作彈性范圍較寬。
(3)從經(jīng)濟、實用及可靠的角度出發(fā),還要求單位體積填料重量輕、造價低,堅牢耐用,不易堵塞,有足夠的機械強度,對于氣、液兩相介質(zhì)都有良好的化學穩(wěn)定性,等等。
上述各項條件,未必為每種填料所兼?zhèn)洌趯嶋H應(yīng)用時,可依具體情況抓住主要矛盾加以選擇 。
填料類型
類型 | 填料名稱 | 特 性 | 實
體
填
料 | 拉西環(huán) | 它是*古老的一種環(huán)形填料,高與外徑相等的空心圓環(huán)。采用亂堆填放,只有大尺寸的采用整砌堆積。缺點是容易產(chǎn)生空穴,液體分布性能差,壁流嚴重。 | | 1848由西德DBSF公司在拉西環(huán)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它在環(huán)的側(cè)壁上開有二層窗口,每層五個窗葉,窗葉彎入環(huán)心,在中心相搭,材質(zhì)主要是金屬及塑料。壓強降降底,分離效率提高,操作彈性加大。 | 金屬階梯環(huán) | 英國傳質(zhì)公司應(yīng)用價值分析技術(shù)研究開發(fā)的一種新型填料。它開辟了塔器技術(shù)的新紀元,超過了所有其它類型的散裝顆粒填料,在許多場合下也超過了塔式塔。歐洲和美國舊塔改造中有60-80%采用這種填料。 | 弧鞍填料 | 它是一種表面全部展開的形如馬鞍的瓷質(zhì)敞開型實體填料,在塔內(nèi)相搭接,形成連鎖結(jié)構(gòu)及弧形氣道,有利于汽液均布及減少流動阻力。但易套疊架空,彼此掩蓋,影響傳質(zhì)效果,制作加工困難,強度差。因此早已為新型填料所取代。 | 金屬矩鞍環(huán) | 該填料在鞍形填料的實體上增加了環(huán)形筋,并在扇面沖有半環(huán)和小爪,形成了側(cè)壁開孔和舌形葉片。有較多的流體通道,有利于汽液的均布及降底流體阻力。環(huán)形筋的增設(shè)提高了填料的強度和剛性。 | 網(wǎng) 體 填 料 | θ形填料 | 即荻克松環(huán),由金屬紗網(wǎng)制成又分SITA形及S形,*小直徑為1.5毫米,*大直徑為12毫米,粒度小,紗網(wǎng)的毛細作用使液體較好地分布,比面積大,孔隙率高,所以它效率高、容量大、滯流量和阻力都較小,但制造費用高。 | 孔板波紋板填料 | 金屬孔板波紋填料是整砌結(jié)構(gòu)的新型高效填料。波紋與水平方向成45°傾角,板片上鉆有許多5mm左右的小孔,相鄰兩板反向靠疊,使波紋傾斜方向互相垂直,組成圓餅狀填料,其直徑略小于塔殼的內(nèi)徑。 |
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