蒸餾和吸收塔設(shè)備.ppt

第三章 蒸餾和吸收塔設(shè)備,蒸餾操作和吸收操作從氣液傳質(zhì)的角度有著共同的特點(diǎn)，可在同樣的塔設(shè)備中進(jìn)行。按其結(jié)構(gòu)形式有 板式塔，一般處理量大 傳質(zhì)設(shè)備 填料塔，一般處理量小 第一節(jié) 板式塔 板式塔為逐板接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備，塔板類型按氣液流動(dòng)的方式，可將塔板分為錯(cuò)流塔板和逆流塔板。,3-1-1 塔板類型,逆流塔板，少用 錯(cuò)流塔板，常用 錯(cuò)流塔板主要形式有： 生產(chǎn)能力小 氣流阻力大 一、泡罩塔板 操作彈性大 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 生產(chǎn)能力大 氣流阻力小 二、 篩板 操作彈性小 結(jié)構(gòu)簡單,三、 浮閥塔板 F1 型，適用普通系統(tǒng) 1類型 V-4型，適用減壓系統(tǒng) T型，適用含顆?；蛞拙酆系奈锪?生產(chǎn)能力大，開孔率大、泡罩2040%、篩板塔 操作彈性大，閥片可以自由升降以適應(yīng)氣量的變化 塔板效率高，平吹、接觸時(shí)間長、霧沫夾帶少 2優(yōu)點(diǎn) 氣流阻力小，開孔大 液面落差小，液流阻力小 造價(jià)適中，約等于6080%泡罩、120130%篩板 四、 噴射型塔板 生產(chǎn)能力大，開孔率大、可用較高的空塔氣速 氣流阻力小，液層較薄 1舌形塔板 落差小、無返混、霧沫夾帶小，水平分力 操作彈性小，氣流截面積固定 氣相夾帶嚴(yán)重，斜吹,2浮舌塔板 操作彈性大 氣流阻力小 效率較高，介于浮閥與舌形之間 3. 斜孔塔板 結(jié)構(gòu)簡單、壓降低,3-1-2 板式塔的流體力學(xué)性能,評價(jià)塔設(shè)備的性能指標(biāo)為： 生產(chǎn)能力 塔板效率 設(shè)備性能 操作彈性 塔板壓力降 塔的操作能否正常進(jìn)行，與塔內(nèi)的氣液兩相的流體力學(xué)狀況有關(guān)： 塔板壓力降 液泛 流體力學(xué)性能 霧沫夾帶 漏液 液面落差 一、 塔板壓降 總阻力 = 干板阻力 + 液層靜壓力 + 表面張力 在較高板效率前提下，力求減小塔板壓力降 二、 液泛：氣液量大到使全塔液體相連 三、 霧沫夾帶 氣流將液體從下層板帶入上層板,四、 漏液：液體從升氣孔流下，要求10% 氣速太小，或液面落差引起氣流分布不均 塔板入口處往往上漏液，設(shè)安定區(qū) 五、 液面落差：液體克服板面阻力形成位差 六、 負(fù)荷性能圖：各種極限條件下Vs-Ls關(guān)系曲線組成的圖 1 霧沫夾帶線（氣相負(fù)荷上限線） 2液泛線 3液相負(fù)荷上限線 （降液管超負(fù)荷線，氣泡夾帶線） 4漏液線（氣相負(fù)荷下限線） 5液相負(fù)荷下限線 操作彈性兩極限的氣量之比,3-1-3 浮閥塔設(shè)計(jì),一、 浮閥塔工藝尺寸的計(jì)算（工藝設(shè)計(jì)） 1塔高 式中 Z塔高，m； NT理論板層數(shù)； ET總板效率； HT塔板間距，m。 取整數(shù) HTD，表3-2（經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)） 易起泡、負(fù)荷波動(dòng)大時(shí)，應(yīng)HT 2塔徑 式中 D塔徑，m； VS氣體流量，m3/s； u空塔氣速，m/s。 關(guān)鍵在于確定適宜的空塔氣速u。,式中 d液滴的直徑，m。 由凈重力與摩擦阻力的平衡，得 整理，得 式中 umax極限空塔氣速，m/s； 負(fù)荷系數(shù)，,圖中 Vh、Lh氣、液兩相的體積流量，m3/h； V、L氣、液兩相的密度，kg/m3； hL板上液層高度，m； 液氣動(dòng)能參數(shù) 校正負(fù)荷系數(shù) 式中 操作物系的液體表面張力，mN/m。 求出塔徑后還需園整，之后還要進(jìn)行流體力學(xué)核算。 3溢流裝置 溢流堰 溢流裝置 園形，一般用于小塔 降液管 弓形，常用 U型流，一般用于小塔 單溢流，D2 m 階梯流，D3 m,(1) 出口堰（溢流堰） ，單溢流 堰長 ，雙溢流 式中 hL板上液層高度，m； hw堰高，m； how堰上液層高度，m。 6mm，單溢流 60mm，雙溢流 平直堰： 式中 Lh塔內(nèi)液體流量，m3/h。 E液流收縮系數(shù)，見圖3-11 當(dāng)E=1時(shí)，可用列線圖3-12求hOW。 齒形堰：一般齒深hn<15mm 當(dāng)液層高度不超過齒頂時(shí)，,當(dāng)液層高度超過齒頂時(shí)（要試差） 對常壓塔， 則 堰高一般： (1)弓形降液管的寬度和截面積 從圖3-13據(jù)可求出Wd和Af，求出Af之后，應(yīng)驗(yàn)算停留時(shí)間： (2) 降液管底隙高度 既要液體阻力小，又要?dú)怏w不短路 一般 式中 液體通過降液管底隙時(shí)的流速，m/s。 經(jīng)驗(yàn)值： 或,2530mm，小塔 40mm，大塔 150mm，最大 (1) 進(jìn)口堰及受液盤 進(jìn)口堰可以保證降液管的液封，并使塔板上液體分布均勻，但占用塔面，易使沉淀物淤積，故多數(shù)不采用。 當(dāng) 時(shí)， ； 時(shí) ， ，保證液封， 避免短路。 進(jìn)口堰與降液管的水平距離h1ho。 800以上的塔，多采用受液盤，這種結(jié)構(gòu)便于側(cè)線抽液體，低液流時(shí)液封良好，具有改變液體流向的緩沖作用，一般深度50mm。 4塔板布置 塔板可分為： 整塊式，D800mm 分塊式，D900mm 塔板面積分區(qū)： 鼓泡區(qū)，有效傳質(zhì)區(qū) 溢流區(qū)，降液管（及受液盤）所占區(qū)域 破沫區(qū)（安定區(qū)），進(jìn)口防漏液，出口防汽泡夾帶,6075mm，D1.5m 無效區(qū)（邊緣區(qū)），支承塔板 3050mm, 小塔 5075mm, 大塔 5浮閥的數(shù)目與排列 浮閥塔的操作性能可采用由氣體通過閥孔時(shí)速度與密度組成的“動(dòng)能因子”來衡量，其定義式為 式中 F0氣體通過閥孔時(shí)的動(dòng)能因數(shù)； u0氣體通過閥孔時(shí)的速度，m/s； V氣體密度，kg/m3。 對于F1型浮閥，F(xiàn)0=912，選定F0，后求uo： 再求閥孔數(shù)N 式中 d0閥孔直徑，do=0.039m 浮閥在塔板鼓泡區(qū)內(nèi)的排列有正三角形和等腰三角形兩種形式，按照閥孔中心聯(lián)線與液流方向的關(guān)系，又有順排與叉排之分。,（等邊三角形） （等腰三角形） 式中 t同一排孔心距，m； 相鄰兩排孔心距，m； d0閥孔直徑，m； A0閥孔總面積，m2； Aa鼓泡區(qū)面積，m2； N閥孔總數(shù)。 而 式中 ，m； ，m； 以角度數(shù)表示的反三角函數(shù)值。 二、 浮閥塔板的流體力學(xué)驗(yàn)算 1氣體通過浮閥塔板的壓力降 氣體通過一層浮閥塔板時(shí)的壓力降應(yīng)為：,式中 pp塔板壓力降，Pa； pc平板壓力降，Pa； pl液層壓力降，Pa； p克服表面張力的壓力降，Pa。 或 (1) 平板阻力 ，閥全開前(u0u0c) 對F1型閥， ，閥全開后(u0u0c) 式中 u0c臨界孔速，即板上所有閥剛好全部開啟時(shí)的孔速，m/s； u0閥孔氣速，m/s； L液體密度，kg/m3； V氣體密度，kg/m3。 先聯(lián)立求解臨界孔速u0c，即令： 將g=9.81m/s2代入，解得：,(1) 板上充氣液層阻力 （經(jīng)驗(yàn)公式） 式中 hL液層高度，m； 0充氣因數(shù) 水 0.5 0 = 油 0.20.35 碳?xì)浠衔?0.40.5 (2) 液體表面張力所造成的阻力（很小，可忽略） 式中 液體的表面張力，N/m； h浮閥的開度，m。 265530Pa，常壓和加壓塔 一般：pp = 200Pa，減壓塔 2液泛 式中 Hd降液管內(nèi)的清液層高度，m； hp塔板壓力降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m； hL板上液層高度，m； hd降液管壓力降相當(dāng)?shù)囊褐叨?，m。,，無進(jìn)口堰 ，有進(jìn)口堰 式中 液體通過降液管底隙時(shí)的流速，m/s。 必須： 0.30.4，一般物系 式中 校正系數(shù) = 0.60.7，不易發(fā)泡物系 3霧沫夾帶 通常用泛點(diǎn)率操作空塔氣速與液泛空塔氣速之比來估算霧沫夾帶的大小。 80%，大塔 泛點(diǎn)率 < 70%，D<0.9m的塔 時(shí)可以保證 75%，減壓塔 而 或 式中：ZL板上液流長度，對單溢流，ZL=D-2Wd； Ab板上液流面積，對單溢流，Ab=AT-2Af； CF泛點(diǎn)負(fù)荷系數(shù)，見圖3-16； K物性系數(shù)，見表3-4。,4漏液 可取動(dòng)能因數(shù)F0=56作為控制漏液量的操作下限，此時(shí)漏液量接近10%。 5負(fù)荷性能圖 (1) 霧沫夾帶線 (2) 液泛線 (3) 液相負(fù)荷上限線 (4) 漏液線 （F1型閥）， (5) 液相負(fù)荷下限線,3-1-4 塔板效率,一、 塔板效率的表示法 1總板效率ET反應(yīng)平均傳質(zhì)效果 式中：NT塔內(nèi)所需理論板的層數(shù)； Np塔內(nèi)實(shí)際板的層數(shù)。 2單板效率EM， 又稱為默弗里板效率 氣相單板效率 液相單板效率 由于板上濃度的不均勻性，單板效率有可能超過100%。 3點(diǎn)效率EO 是指塔板上各點(diǎn)的局部效率 ， y - 與x平衡的氣相濃度,二、 塔板效率的估算 粘度 密度 物系性質(zhì) 表面張力 擴(kuò)散系數(shù) 相對探發(fā)度 塔徑 板間距 影響塔板效率的因素 塔板結(jié)構(gòu) 堰高 開孔率 溫度 壓力 操作條件 氣速 氣液比 理論法，(A. I. Ch. E法)，以點(diǎn)效率為基礎(chǔ)。 估算方法 經(jīng)驗(yàn)法，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工業(yè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。 另一類是簡化的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法，可采用奧康奈爾關(guān)聯(lián)圖或關(guān)聯(lián)式,Oconnell關(guān)聯(lián)式 式中 平均溫度下的相對揮發(fā)度 L平均溫度下的液相粘度，mPas。,第二節(jié) 填料塔3-2-1 填 料,一、 填料特性 表示填料性能的參數(shù)有： 1比表面積：單位體積填料層的填料表面積，m2/m3。 2空隙率：單位體積填料層的空隙體積，m3/m3。 3填料因子 在選擇填料時(shí)，一般要求比表面積及空隙率大，填料的潤濕性能好，單位體積填料的質(zhì)量輕，造價(jià)低，并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。 二、 填料類型 1拉西環(huán)：外徑與高度相等的園環(huán)。 結(jié)構(gòu)簡單，研究充分 溝流、壁流嚴(yán)重、滯留液量大、氣流阻力大 2鮑爾環(huán)：在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出方孔。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 效率高、阻力小 3階梯環(huán)：高度為直徑的一半，環(huán)的一端制成喇叭口。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 效率高、阻力小、氣量大,4弧鞍與矩鞍 弧鞍： 易套疊 強(qiáng)度較差 矩鞍： 不套疊、阻力小 5金屬環(huán)矩鞍環(huán)：綜合了環(huán)形填料和鞍形填料的優(yōu)點(diǎn)，性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和矩鞍填料。 6波紋板及波紋網(wǎng) 波紋45，反向靠疊，高4060mm，直徑略小于塔徑。 波紋板：陶瓷、塑料、金屬材料 波紋網(wǎng)：金屬絲 陶瓷，阻力大，耐高溫，耐腐 不銹鋼，成本高 材料 金屬 碳鋼，不耐腐 塑料 潤濕性差，不耐高溫,3-2-2 填料塔的流體力學(xué)性能,一、 氣體通過填料層的壓力降 可用填料層的p/zu關(guān)系圖來說明，下轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為“載點(diǎn)”，上轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為“泛點(diǎn)”，將p/zu關(guān)系線分為三個(gè)區(qū)域。 1恒持液量區(qū) 持液量：操作時(shí)單位體積填料層內(nèi)持有的液體體積。 氣速較低時(shí)，液體的流動(dòng)與氣速無關(guān)，所以持液量不變。 2載液區(qū) 氣速增大到一定時(shí)，氣流開始阻礙液體下流，持液量開始增加，出現(xiàn)攔液現(xiàn)象，此點(diǎn)為載點(diǎn)。 3液泛區(qū) 氣速再增大時(shí)，液相變?yōu)檫B續(xù)相，氣相變?yōu)榉稚⑾?，雙膜傳質(zhì)變?yōu)楣呐輦髻|(zhì)，出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，此點(diǎn)為泛點(diǎn)。 二、液泛：操作氣速以泛點(diǎn)氣速為參考（基礎(chǔ)），影響泛點(diǎn)氣速的因素很多： 1填料的特性：比表面積、空隙率、幾何形狀對填料特性的影響，集中表現(xiàn)在填料因子上，填料因子越小，泛點(diǎn)氣速越高。 2流體的物理性質(zhì) L，umax（重力） V，umax（氣阻） L，umax（摩阻）,3液氣比 ，持液量，空隙率，umax。 4埃克特通用關(guān)聯(lián)圖，目前廣泛采用埃克特通用關(guān)聯(lián)圖來計(jì)算填料塔的壓強(qiáng)降及泛點(diǎn)氣速。 三、 潤濕性能 傳質(zhì)效率與填料的潤濕性能密切相關(guān)。實(shí)際操作時(shí)，采用的噴淋密度應(yīng)大于最小噴淋密度。若噴淋密度過小，可采用增大回流比或采用液體再循環(huán)的方法來保證填料的潤濕性能。 噴淋密度：單位時(shí)間內(nèi)單位塔截面上噴淋的液體體積，U，m3/(m2s)。 LW-潤濕速率：單位時(shí)間內(nèi)單位長度填料周邊上的液體體積，LW，m3/(ms)。 0.08m3(mh)，75mm的拉西環(huán)及其它填料 0.012m3/(mh)，75mm的環(huán)形填料,3-2-3 填料塔的計(jì)算,一、 塔徑 然后園整、檢驗(yàn)大于最小噴淋密度。 二、 塔高 1傳質(zhì)單元法 2等板高度法 等板高度(HETP)：與理論塔板的傳質(zhì)作用相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨取?式中 G氣相的空塔質(zhì)量速度，kg/(m2h)； 相對揮發(fā)度。,3-2-4 填料塔附件,一、 填料支承裝置 柵板式 升氣管式 二、 液體分布裝置 蓮蓬式 溢流管式 盤式 篩孔式 齒槽式 多孔環(huán)管式 三、 液體再分布裝置 截錐形 支承板截錐形 四、 除沫裝置：除去出口氣流中的液滴。 折流板除沫器 旋流板除沫器 絲網(wǎng)除沫器 此處還有填料壓板或擋網(wǎng)，氣體進(jìn)口裝置,填料塔發(fā)展簡史,1914年拉西環(huán)的出現(xiàn)使填料塔進(jìn)入了科學(xué)發(fā)展的軌道，至50年代取得了很大的發(fā)展，但由于填料塔的“放大效應(yīng)”，50年代后填料塔進(jìn)入了緩慢發(fā)展時(shí)期，而板式塔應(yīng)運(yùn)而生。70年代由于世界性的能源危機(jī)后，為了節(jié)能，填料塔得到了蓬勃發(fā)展，規(guī)整填料的出現(xiàn)和塔內(nèi)件的改進(jìn)使“放大效應(yīng)”問題基本解決。 一、 填料塔的特點(diǎn) 1生產(chǎn)能力大 2分離效率高 3壓力降小 4操作彈性大 5 . 持液量小 二、 分類 散裝填料 填料 填料塔 塔內(nèi)件 規(guī)整填料 筒體,液體分布裝置 填料固定裝置或填料壓緊裝置 填料支承裝置 塔內(nèi)件 液體收集再分布裝置 氣體分布裝置 液、氣進(jìn)料裝置 整體式，800mm 筒體 分段式，800mm 瓦礫、卵石、焦炭等，1914以前 拉西環(huán)(Raschig Ring)，1914，第一代 鮑爾環(huán)(Pall Ring)，1948，第二代 改進(jìn)型鮑爾環(huán)(Hy-Pak) 階梯環(huán)填料(CMR) 貝爾鞍形填料(Bell Saddles) 英特勒鞍形填料(Intalox Saddles) 散花填料 金屬環(huán)矩鞍填料(IMTP)，1978，第三代 塑料諾派克環(huán)(Nor-Pak Ring) 塑料、金屬和陶瓷哈佛羅(Hiflow Ring) 網(wǎng)環(huán) 鞍型網(wǎng)型 分離效率高 壓延孔環(huán) 高效散裝填料 螺線圈 生產(chǎn)能力小 網(wǎng)帶卷,斯特曼填料(Stedman)，1937 司帕雷派克填料(Spraypak) 古德洛卷帶型填料(Goodloe) 麥特派克填料(Metpak) 格里奇柵格型填料(Gritsch) 派如納派克填料(Panapak) 顆粒型規(guī)則排列填料 蘇爾壽金屬絲網(wǎng)波紋填料(Sulzer Gause Packing)，1960s 板片波紋型填料(Mellapak)，1977 Rombopak Montz Gempak 規(guī)整填料 ISP(Intalox Structured Packing) Maxpak, Pyrapak, Ralu-Pak Flexipac, Mc-pak KATAPAK，雙層絲網(wǎng) OPtiflow，多通道 格柵 Flexigrid Glitsch-grid Snap-grid Unapak脈沖規(guī)整填料 碳鋼滲鋁板波紋填料 壓延板波紋填料 板花規(guī)整填料 LH型規(guī)整填料,