化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,1,第七章 蒸馏和吸收塔设备,教学要求 7-0 概述 7-1 板式塔 7-2 填料塔 本章小节,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,2,教学要求,重 点板式塔与填料塔的特点，板式塔与填料塔的设计原则。
覆盖内容塔设备的性能参数；典型塔板的结构特点及分类，塔板上的流体力学特性，正常与非正常操作情况及调节；板式塔的设计原则及步骤；填料及填料塔的结构特点，填料塔的流体力学特性，填料塔的设计原则及步骤；板式塔与填料塔的比较，塔的选用原则。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,3,7-0 概述,气液传质设备的基本功能 提供气液传质场所形成气液两相充分接触的相界面，使质、热的传递快速有效地进行，有效分离气液两相接触混合与传质后的气、液两相能及时分开，互不夹带等。,气液传质设备的分类 气液传质设备的种类很多，按接触方式可分为连续（微分）接触式（填料塔）和逐级接触式（板式塔）两大类，在吸收和蒸馏操作中应用极广 。,性能评价指标 通量 分离效率 适应能力,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,4,7-1 板式塔,7-1-1塔板类型,板式塔的结构,一、按塔内气、液流动的方式分类,泡罩塔 浮阀塔 筛板塔 喷射塔,错流塔板、逆流塔板,二、按塔板类型分类,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,5,错流塔板与逆流塔板,逆流塔板（穿流式塔板）液层高度靠气体速度维持。
优点塔板结构简单，板上无液面差，板面充分利用，生产能力较大； 缺点板效率及操作弹性不及溢流塔板。
逆流式塔板应用范围小得多，常见的板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,6,泡罩塔,泡罩塔的结构 在工业上最早（1813年）应用的一种塔板，其主要元件由升气管和泡罩构成，泡罩安装在升气管顶部，泡罩底缘开有若干齿缝浸入在板上液层中，升气管顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。,特点 优点操作稳定，升气管使泡罩塔板低气速下也不致产生严重的漏液现象，故弹性大。
缺点结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低 。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,7,浮阀塔,浮阀的结构形式圆形、方形、条形及伞形等。较多使用圆形浮阀，而圆形浮阀又分为多种型式。阀片上装有限位的三条腿，浮阀可随气速的变化上、下自由浮动，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,8,浮阀塔,浮阀的安装特点浮阀塔板有若干个阀孔，阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。
阀片开启高度与操作气速的关系 几种新型浮阀塔板,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,9,浮阀塔,特点 浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。
其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降 。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,10,筛板塔,结构与特点在塔板上，按一定尺寸和一定排列方式开圆形筛孔气相通道。气相穿过筛孔进入塔板上液相，进行接触传质。其结构简单，造价低廉，塔板阻力小。
发展初期，对筛板塔性能缺乏了解，操作经验不足，则认为筛板塔盘易漏液、操作弹性小、易堵塞，使应用受到限制。后经研究和操作使用发现，只有设计合理操作适当，筛板塔仍可满足生产所需 要弹性，而且效率较高。
若将筛孔增大，堵塞问题 也可解决。目前，已发展 为广泛应用的一种塔型。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,11,垂直筛板,两相流动由泡罩底隙进入罩内的液体拉成液膜形成两相上升流动，经泡罩侧壁筛孔喷出后两相分离，气体上升液体落回塔板。液体从塔板入口流至降液管将多次经历上述过程。
特点与普通筛板相比，垂直筛板为气液两相提供了更大的不断更新的相际接触表面，强化了传质过程；且气液由水平方向喷出，液滴在垂直方向的初速度为零，降低了液沫夹带量，垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的生产能力。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,12,喷射型塔板,结构将塔上冲压成斜向舌形孔，张角20左右。气相从斜孔中喷射出来将液相分散成液滴和雾沫，增大了两相传质面；驱动液相减小液面落差。液相多次被分散和凝聚，使表面不断更新，湍动加剧，提高了传质效率。,一、舌形塔板,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,13,喷射型塔板,二、浮舌塔板 结构与舌型塔板相比，浮舌塔板的结构特点是其舌片可上下浮动。,特点浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，具有处理能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适宜于热敏性物系的减压分离过程。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,14,7-1-2板式塔的流体力学性能,一、塔板上气液两相的接触状态,塔板上气液两相的接触状态是决定板上两相流流体力学及传质和传热规律的重要因素。当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现四种不同的接触状态。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,15,7-1-2板式塔的流体力学性能,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,16,7-1-2板式塔的流体力学性能,二、气体通过塔板的压降,气体通过塔板的压降（塔板的总压降）包括塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力），板上充气液层的静压力及液体的表面张力。
塔板压降是影响板式塔操作特性的重要因素。塔板压降增大两相的接触时间随之延长，板效率升高，完成同样的分离任务所需实际塔板数减少，设备费降低；塔釜温度随之升高，能耗增加，操作费增大，若分离热敏性物系时易造成物料的分解或结焦。因此，进行塔板设计时，应综合考虑，在保证较高效率的前提下，力求减小塔板压降，以降低能耗和改善塔的操作。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,17,7-1-2板式塔的流体力学性能,三塔板上的液面落差,板上由液体进入板面到离开板面的液面落差，用于克服液体横向流过塔板时摩擦阻力和板上部件（如泡罩、浮阀等）的局部阻力。液面落差是影响板式塔操作特性的重要因素，液面落差将导致气流分布不均，从而造成漏液现象，使塔板的效率下降。因此，在塔板设计中应尽量减小液面落差。
液面落差的大小与塔板结构有关。泡罩塔板结构复杂，液体在板面上流动阻力大，故液面落差较大；筛板板面结构简单，液面落差较小。另外，液面落差还与塔径和液体流量有关，当塔径或流量很大时，也会造成较大的液面落差。为此，对于直径较大的塔，设计中常采用双溢流或阶梯溢流等溢流形式来减小液面落差。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,18,7-1-2板式塔的流体力学性能,四塔板上的异常操作现象,塔板的异常操作现象包括漏液（10以下）（操作气速、液面落差、溢流方式）、液泛（两相流量、板间距等）和液沫夹带（0.1kg液体/kg气体）（气速、板间距）等，是使塔板效率降低甚至使操作无法进行的重要因素，因此，应尽量避免这些异常操作现象的出现。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,19,7-1-2板式塔的流体力学性能,五塔板的负荷性能图,通常由五条线组成 漏液线（1）气相负荷下限线。
液沫夹带线（2）气相负荷上限线。
液相负荷下限线（3）液相负荷下限线。
液相负荷上限线（4）液相负荷上限线线 液泛线（5）,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,20,7-1-2板式塔的流体力学性能,六板式塔的操作分析,五条线所包围的区域称为 塔板的适宜操作区。
操作点A 操作线OA 操作弹性Vmax/Vmin,设计时，应使操作点尽可能位于适宜操作区的中央，若操作点紧靠某一条边界线，则负荷稍有波动时，塔的正常操作即被破坏。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,21,7-1-3板式塔的工艺设计,设计分析,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,22,7-2填料塔,填料塔是常用的气液传质设备之一，广泛用于蒸馏、吸收、解吸、汽提、萃取、化学交换、洗涤和热交换等过程。
塔体一般为圆筒形，由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。
填料大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。
塔内件包括填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。
操作原理液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。,7-2-1 填料塔的结构与特点,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,23,7-2-2 填 料,填料是填料塔内气、液两相接触进行质、热传递的场所，填料塔的生产能力和传质速率均与填料特性密切相关。,一、填料特性,比表面积 单位体积填料层所具有的表面积m2/m3。大的 和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。比表面积与填料种类和尺寸有关，填料尺寸越小，越大，但气体流动的阻力也要增加。
空隙率 单位体积填料层所具有的空隙体积m3/m3。代表的是气液两相流动的通道，大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。
0.450.95。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,24,7-2-2 填 料,填料因子 将与组合成 /3的形式称为干填料因子1/m 。填料因子表示填料的流体的流体力学性能。
当填料被喷淋的液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，与 均发生相应的变化，此时，/ 3 称为湿填料因子，以 表示。
值越小，流动阻力越小。,二、填料类型,常用的填料可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料在塔内可乱堆，也可以整砌。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,25,7-2-2 填 料,1、散装填料,拉西环填料,优点易于制造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用。
缺点高径比大，堆积时填料间易形成线接触，故液体常存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高。
在拉西环基础上衍生了环、十字环及螺旋环等，其基本改进是在拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,26,7-2-2 填 料,鲍尔环（Pall ring）填料,鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50以上，传质效率提高30左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,27,7-2-2 填 料,阶梯环填料,其结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10，压降则可降低25，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。,阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,28,7-2-2 填 料,鞍形Berl saddle填料矩鞍、弧鞍、金属鞍环,优点空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，填料性能优于拉西环。,缺点相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影响传质速率。,2、规整填料,格栅填料,格栅填料,格栅填料层整体性好，空隙率高；但比表面积较低。适用于石油减压，精馏及催化裂化主精馏塔等易堵塞而温度又很高的场合。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,29,7-2-2 填 料,波纹填料,工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有30和45两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。,金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，由金属丝网制成的。其压降低，分离效率很高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的有效的手段。尽管其造价高，但因其性能优良仍得到了广泛的应用。,金属丝网波纹填料,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,30,7-2-2 填 料,金属板波纹填料是板波纹填料的一种主要形式。波纹板片上冲压有许多5mm左右的小孔，起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹，起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。,金属压延孔板波纹填料是另一种有代表性的板波纹填料。它与金属孔板波纹填料的主要区别在于板片表面是刺孔，用辗轧方式在板片上辗出很密的孔径为0.40.5mm小刺孔。分离能力类似于网波纹填料，抗堵能力比网波纹填料强，并且价格便宜，应用较为广泛。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,31,7-2-2 填 料,脉冲填料,脉冲填料是由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成的一种规整填料，脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动。在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。
脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。,工业上常用规整填料的特性参数可参阅有关手册。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,32,7-2-2 填 料,9种填料综合性能评价表,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,33,7-2-3 填料塔的流体力学性能,包括填料层的持液量、压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。,一、气体通过填料层的压强降,压降与气速的关系 干填料层时，与气体通过颗粒固定床的流动相似，只是通常填料层的空隙率更大，故气体在空隙中的流速更高而处于湍流。,气速较低时，气液相间相互影响小，在一定的液体喷淋密度下，填料持液量与气速无关，气体压降与气速的关系为直线且基本与 L0 的直线平行。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,34,7-2-3 填料塔的流体力学性能,L一定，pu 将不再为简单的直线关系喷淋密度为L1、L2，且存在两个较明显的转折点，下转折点称为“载点”，上转折点称为“泛点”。pu 关系线分为三个区域恒持液量区、载液区、液泛区。,填料的持液量操作时单位体积填料层内所积存的液体体积量。,持液量对填料的压降、气液通量以及分离效率均有影响。,气速较低时，气液相间相互影响小，在一定的液体喷淋密度下，填料持液量与气速无关，气体压降与气速的关系为直线且基本与 L0 的直线平行。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,35,7-2-3 填料塔的流体力学性能,压降气速较低时，气液相间相互影响小，在一定的液体喷淋密度下，填料持液量与气速无关，气体压降与气速的关系为直线且基本与 L0 的直线平行。,载液和液泛对传质的影响,载点B后，持液量，气液相互作用，相界面积，湍动增强，传质过程，填料效率 HETP ；P点后，液沫夹带量，液相返混可导致填料效率，HETP 。,填料塔的操作控制在偏离泛点一定距离的载液区内，可得到较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,36,7-2-3 填料塔的流体力学性能,压降对填料塔操作的可靠性和经济性有着决定性的影响；选择填料和确定塔径时，不同系统应控制的压降范围不同。,压降表面摩擦阻力气体流动时在填料表面和气液界面上产生的粘性应力；形体阻力气体流道的突然增大或缩小，方向的改变等造成的动能损失。
影响因素填料特性几何形状、比表面积、等，流体物性、等、操作条件气液流量、T 等。
迄今仍然只能由各种经验关联式或关联图进行估算。,二、压降与气速的关联图,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,37,7-2-3 填料塔的流体力学性能,埃克特 Eckert 压降通用关联图,GG ,GL kg/m2.s； u m/s； L mPa.s； V ,L kg/m3； WG ,WL kg/s； 湿填料因子泛点填料因子，1/m； g重力加速度 9.81m/s2； Vs ,Ls m3/s； 液体密度校正系数水与液相密度之比/L 。,横坐标,纵坐标,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,38,7-2-3 填料塔的流体力学性能,适用范围乱堆填料Random packings，如拉西环、鲍尔环、矩鞍环等。
与泛点线相对应的空塔气速为空塔液泛气速。
利用此图可根据选定的空塔气速求压降，或根据规定的压降求算相应的空塔气速。,最上方的三条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线。其余为乱堆填料的等压降线。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,39,7-2-3 填料塔的流体力学性能,三、液泛与泛点气速,泛点液泛开始发生，是填料塔的操作极限。泛点气速开始发生液泛时的气速，泛点的直接表达参数。,防止液泛u0max 0.95uF，设计点时取u00.50.8uF。故正确估算泛点气速对填料塔的设计和操作都十分重要。
填料的种类，物系的物性以及气、液相负荷等因素对泛点都有一定的影响。泛点气速的估算式通常仍是借助于实验数据所得的各种经验关联式或关联图。
对于散装填料，目前广泛采用埃克特Eckert压降和气速通用关联图中的泛点曲线。
规整填料有类似的泛点实验关联图，可参考有关文献。
根据两相流动参数即可由埃克特Eckert关联图中的泛点线查纵坐标值，若填料因子已知，即可求得泛点气速。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,40,7- 2-4 填料塔的内件,填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。,一、填料支承装置,作用阻止填料穿过填料支承而掉下来；支承操作状况下填料床层的重量；具有足够的自由面积以使气液两相自由通过。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,41,7- 2-4 填料塔的内件,二填料压紧装置,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,42,7- 2-4 填料塔的内件,三、液体分布装置,液体分布器的作用是使液体均匀分布在塔截面上，是填料塔内极为关键的内件。液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。,喷头式分布器液体由半球形喷头的小孔喷出，小孔直径为310mm，作同心圈排列，喷洒角 80，直径为1/31/5D。这种分布器结构简单，只适用于直径小于600mm的塔中。因小孔容易堵塞，一般应用较少。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,43,7- 2-4 填料塔的内件,盘式分布器有盘式筛孔型分布器、盘式溢流管式分布器等形式。液体加至分布盘上，经筛孔或溢流管流下。分布盘直径为塔径的0.60.8倍，此种分布器用于D800mm的塔中。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,44,7- 2-4 填料塔的内件,管式分布器由不同结构形式的开孔管制成。特点是结构简单，供气体流过的自由截面大，阻力小。但小孔易堵塞，弹性一般较小。管式液体分布器使用十分广泛，多用于中等以下液体负荷的填料塔中。在减压精馏及丝网波纹填料塔中，由于液体负荷较小故常用之。管式分布器有排管式、环管式等不同形状。根据液体负荷情况，可做成单排或双排。,管式分布器的特点液体分布性能优越，适合于较多喷淋点和较低液体负荷的场合；要求物料中无固体颗粒，在立管进料口应设有过滤网；列管式液体分布器操作弹性好；在高操作弹性的场合，可采用双排管式液体分布器；适合大、中、小型塔中采用。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,45,7- 2-4 填料塔的内件,槽式液体分布器通常是由分流槽（主槽或一级槽）、分布槽（副槽或二级槽）构成的。一级槽通过槽底开孔将液体初分成若干流股，分别加入其下方的液体分布槽。分布槽的槽底（或槽壁）上设有孔道（或导管），将液体均匀分布于填料层上。具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，适合于大气液负荷及含有固体悬浮物、粘度大的液体的分离场合。由于槽式分布器具有优良的分布性能和抗污堵性能，应用范围非常广泛。,化工原理,第七章蒸馏和吸收塔设备,46,7- 2-4 填料塔的内件,在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。常用的液体收集器为斜板式液体收集器，前已述及，槽盘式液体分布器兼有集液和分液的功能，故槽盘式液体分 布器是优良的液 体收集及再分布 装置。,