第七章 气液传质设备 7.1 填料塔 7.2 板式塔 7.3 塔设备的比较和选型

7.1.1 填料塔和填料 一、填料塔的结构 填料塔是一种应用广泛的气液两相接触并进行传热、传质的塔设备，可用于吸收（解吸）、精馏和萃取等分离过程。填料塔不仅结构简单，而且具有阻力小和便于用耐腐蚀材料制造等优点，尤其适用于塔直径较小地情形及处理有腐蚀性的物料或要求压强较小的真空蒸馏系统，此外，对于某些液气比较大的蒸馏或吸收操作，也宜采用填料塔。

4． 干填料因子及填料因子 5. 机械强度及化学稳定性; 此外，性能优良的填料还必须满足制造容易、造价低廉等多方面的要求 二、填料 填料式填充于填料塔中的材料，它是填料塔的主要内构件，其作用是增加气、液两相的接触面积，并提高液体的湍动程度以利于传质、传热的进行。因此填料应能使气、液接触面积大、传质系数高，同时通量大而阻力小。表征填料特性的主要参数有： 1．  比表面积 2.空隙度 3. 堆积密度 4．  干填料因子及填料因子 5. 机械强度及化学稳定性; 此外，性能优良的填料还必须满足制造容易、造价低廉等多方面的要求

常用的填料可分为两大类：个体填料与规整填料。

3.填料塔的附属结构 填料塔得附属结构包括填料支撑板，液体分布器，液体再分布器，气、液体进口及出口装置等。 （1）  支承板

（c）条形升气管

（2）陶瓷填料一般用于腐蚀性介质，尤其是高温时，但对HF和高温下的H3PO4与碱不能使用。 三、填料的选择 1、填料用材的选择 （1）当设备操作温度较低时，塑料能长期操作而不出现变形，在此种情况下如果体系对塑料无溶胀时可考虑使用塑料，因其价格低、性能良好。塑料填料的操作温度一般不超过1000C，玻璃纤维增强的聚丙烯填料可达1200C左右。塑料除浓硫酸、浓硝酸等强酸外，有较好的耐腐蚀性，但塑料表面对水溶液的润湿性差。 （2）陶瓷填料一般用于腐蚀性介质，尤其是高温时，但对HF和高温下的H3PO4与碱不能使用。 （3）金属材料一般耐高温，但不耐腐蚀。不锈钢可耐一般的酸碱腐蚀（含C1－的酸除外），但价格较昂贵。

2、  填料类型的选择 首先取决于工艺要求，如所需理论级数，生产能力（气量），容许压降，物料特性（液体黏度、气相和液相中是否有悬浮物或生产过程中的聚合等）等，然后结合填料特性来选择，要求所选填料能满足工艺要求，技术经济指标先进，易安装和维修。 由于规则填料气、液分布较均匀，放大效应小，技术指标由于乱堆填料，故近年来规则填料的应用日趋广泛，尤其是大型塔和要求压降低的塔，但装卸清洗较为困难。 对于生产能力（塔径）大，或分离要求较高，压降有限制的塔，选用孔板波纹填料较宜，如苯乙烯—乙苯精馏塔、润滑油减压塔等。 对于一些要求持液量较高的吸收体系中，一般用乱堆填料。乱堆填料中，综合技术性能较优越是金属鞍环、阶梯环、其次是鲍尔环，再次是矩鞍填料。

3、  填料尺寸的选择 一般，填料尺寸（直径、波峰高）大，则比表面小，通量（容许气速）大，压降低，但效率（每米填料的理论半数）也低，故多用于生产能力（处理气量）大的塔。 大型工业用规整填料塔常用波峰高12mm左右的板波填料（比表面约为250m2/m3）。 对于理论板数很多或塔高受厂房限制的场合，一般用小尺寸、高比表面填料。 对于易结垢或易沉淀的物料通常用大尺寸的栅板（格栅）填料，并在较高气速下操作。

7.1.2填料塔的流体力学性能与传质性能 一、填料塔内的流体流动 1、填料层中的流动 气体在填料层内的流动相当与气体在颗粒层内的流动。 2、  气液两相流动的交互影响和载点 载干填料层内，气体流量的增大，将使压降按1.8~2.0次方增长。 3、  填料塔的液泛 当气液量达到某一定值时，两相交互作用恶性发展的结果会导致 液泛现象的出现。此时上升气流对液流的曳力加大到足以阻止液体 下流，于是液体充满填料层空隙，气体只能鼓泡上升。

二、填料塔的水力学性能 1、压力降 反映填料层阻力的压降随填料的类型与尺寸不同而变化。 2、  液泛 气速通常取泛点气速的50％～80％。填料塔的直径D： 3、载液 从正常到载液的过渡往往是一段圆滑曲线。 4、持液量 持液量指单位体积填料层载其空隙中所持有地液体量。 5、润湿速率

三、填料的传质性能 1.填料润湿表面的计算 2.液相传质系数计算 3.气相传质系数

四、一些设计指标 1．填料尺寸 一般认为上述比值至少要等于8，对拉西环填料还须大一些。 2．操作气速 操作气速可按下列两种方法之一决定： （1）取操作气速等于液泛气速得0.5~0.8倍； （2）根据生产条件，规定出可容许得压力降，由此压力将反算出可 采用得气速。 3．填料层高度 填料层高度由传质单元数或理论板数来推算。

填料塔得附属结构包括填料支撑板，液体分布器，液体再分布器，气、液体进口及出口装置等。 7.1.3填料塔的附属结构 填料塔得附属结构包括填料支撑板，液体分布器，液体再分布器，气、液体进口及出口装置等。 1、  支承板 (c) （c）条形升气管 图10－5 填料的支撑

2、  液体分布器 （1）管式喷淋器 图10－6 管式喷淋器

（2）莲蓬式喷淋器 （3）盘式喷淋器 （4）齿槽式分布器 图10－9 槽式喷淋器

4、  其他 为避免操作中因气速波动而使填料被冲动及损坏，常需在填料层顶部设置填料压板或挡网，否则有可能使填料层结构及塔的性能急剧恶化，破碎的填料也可能被代入气、液出口管路而造成阻塞。 填料塔气体进口的构形应考虑液体倒灌，更重要的是要有利于气体均匀地进入填料层，对于小塔常见地方式是使进气管伸至塔截面的中心位置，管端作向下倾斜的切口或向下弯的喇叭口。对于大塔，应采取其他更为有效的措施。 气体出口有时需设置除雾沫装置，常用的除沫装置有折流板除雾器、丝网除雾器等。 液体的出口应保证形成塔的液封，并能放置气体的挟带。

7.2 板式塔

7.2.1板式塔的塔型简介 （a）为泡罩塔； （b）为筛板塔； （c）为浮阀塔； (d ) 为固定舌型塔； （e）为浮动喷射塔。

1、泡罩塔板 最早使用的气液传质设备，结构复杂，压降大，造价高，板效率恒定。

浮阀塔板 浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。

浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点： (１) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20～40％，而接近于筛板塔。 (２) 操作弹性大，一般约为5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。 (３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。 (４) 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400～660N/m2。 (５) 液面梯度小。 (６) 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。 (７) 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60～80％,为筛板塔的120～130％。

筛板 板上开筛孔：3-8mm,正三角形排列。结构简单，造价低，生产能力大，易漏液。

喷射塔：浮舌塔板、斜孔塔板

7-1-2板式塔的流体力学性能 评价塔设备的指标：生产能力、塔板效率、操作弹性、塔板压强降。 塔板上的气液相流动情况影响塔的流体力学性能：塔板压降、液泛、雾沫夹带、漏液、液面落差等。 1．  塔板压降（流体阻力）：塔板压降由如下三部分组成： （１）干板压降； （２）通过液层的静压强； （３）由表面张力引起的压降。 * 塔板压降大，使塔釜压强加大，再沸器、加热蒸汽压力相应加大；对真空操作难以进行。

雾沫夹带因素：空塔气速大、板间距小，雾沫夹带量加大。 2、液泛 气量和液量较大时，造成塔内液体不能顺利下流而在塔内积累，上下板液体相连，称为淹塔（液泛）。 液泛原因：气量过大、液量过大、气速过大、板间距小、流体的起泡性能等。 3、雾沫夹带 气体穿过塔板上的液体上升时，夹带液体的现象,增加了气液接触面积，但严重时造成返混，不利于传质，规定雾沫夹带ev<0.1kg液体/kg气体。 雾沫夹带因素：空塔气速大、板间距小，雾沫夹带量加大。

4、漏液 5、液面落差 气体量不足，液体通过孔下流称漏液。规定漏液量<10%的液体量，气速称为漏液速度，是气体的下限。 漏液原因：气体量太小；塔板液体入口出由于液体层较厚易漏液，所以塔板入口留有安定区不开孔。 5、液面落差 液体横向流过板面时，存在液面落差⊿，液体层的不均匀性造成气液接触不均匀。 液面落差原因：塔板结构、液体流量、塔径。大塔径塔采用双降液管。

(3)线c为最大液体负荷线。按液体在降液管中允许停留时间计算 (4)线d为降液管液泛线 (5)线 d为雾沫夹带线。 6．板塔的负荷性能图 影响塔操作状况与分离效率的主要因素为：物性、塔板结构、气液负荷，对于一定的塔处理一定的物料，操作状况仅仅与气液负荷有关，将塔内气体和液体的负荷变化范围绘图----塔板负荷性能图。 (1)图中线a为最小液体负荷线。 (2)线b为漏液线。 (3)线c为最大液体负荷线。按液体在降液管中允许停留时间计算 (4)线d为降液管液泛线 (5)线 d为雾沫夹带线。

a----液体负荷下线 b----漏液线 c----液体负荷上线 e-----液泛线。 f----雾沫夹带线。 操作线：恒回流比下，每板气、液流量为Vs、Ls，可见每板的操作点过原点、斜率为Vs /Ls的线变化，称为操作线。 操作弹性： 操作线与负荷性能图上边界线交点气体上限与下限的比值。

板式塔的工艺设计 设计步骤 设计按以下几个阶段进行： (１) 设计方案的确定。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。 （２）蒸馏塔的工艺计算，确定塔高和塔径。 （３）塔板结构设计：计算塔板各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等，并画出塔的操作性能图。 （４）管路及附属设备的计算与选型，如再沸器、冷凝器。 (5) 编写说明书，绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔的设备图

一、确定工艺参数 1、用全塔物料衡算式确定产品流量； 2、用图解或公式法确定操作回流比； 3、确定塔板数及加料板的位置； 先用图解法或逐板计算法确定所需的理论塔板数，然后查取工程手册或借助奥－康耐尔关联式确定塔效率，从而确定所需的实际塔板数及加料板位置。

二、塔高 H=有效高度+塔底+塔顶+裙座 有效高度： 板间距HT 可取300、350、450、500、600mm等几种。

三、塔径 塔径： 气速 u =0.6-0.8 u max C--负荷系数，有HT、气液流量、密度数据查史密斯图可得。 计算出的D进行圆整，600，700，800，900，1000，1200，1400…..mm

C

四、塔板结构设计 1、溢流形式 有降液管得板式塔常用得塔板液流型式有以下几种： (a)单溢流型 （b）双溢流型 （c） U形溢流型

2、降液管（弓型） 液体在降液管的停留时间 一般要求大于3～5s,即按下式计算： 降液管的形状一般为弓型

堰长 lw ：为使液流均匀通过塔板，一般单溢流 lw=(0.6-0.8)D 3、溢流堰 堰长 lw ：为使液流均匀通过塔板，一般单溢流 lw=(0.6-0.8)D 双溢流lw=(0.5-0.6)D 一般堰上最大液流量，不宜超过100～130m3/(m h)。

4.塔板布置 塔板的几个区域： 溢流区、破沫区、鼓泡区、无效区 Wc=30--75mm Ws= 60--100mm

从装配特点来分，塔板有整块式和分块式两种。当塔径小于 900mm 时采用整块式塔板；当塔径大于 800mm 时，为降低塔板造价，合理利用板材，便于人入塔拆装检修，可采用分块式塔板；塔径为 800~900mm时，可根据制造和安装的具体情况任意选用上述两种结构。

5、浮阀的数目和排列 浮阀的开度可用阀孔的动能因数来衡量。根据经验，当浮阀处于全开或刚刚到达全开时，设备的生产能力最大。根据实测的结果表明，此时阀孔的动能因数Fo 为： F0=9—12较合适,选择Fo,计算阀孔气速 阀孔数目N

浮阀在鼓泡区按三角形排列, t=75mm, t’=65,80,100mm, 作图排列浮阀,排列的 N实际,若与计算相差不大,按N实际核算Fo(9—12),满足要求,否则,调整结构参数重新计算. 开孔率=阀孔面积/塔截面积=10%--14%

（3）液相负荷下限线 ：塔板的堰上清液层高度 how 恰好等于6mm（即将发生 “干堰”现象）时所对应的液相体积流量。 五、流体力学校核 1、压降 2、液泛 3、漏夜 4、雾沫夹带 5、负荷性能图 （1）漏液线 ：塔板漏液量达到10％时 （2）液相负荷下限线： （3）液相负荷下限线 ：塔板的堰上清液层高度 how 恰好等于6mm（即将发生 “干堰”现象）时所对应的液相体积流量。 （4）气相负荷上限线 ：液沫夹带量<=10％ （5）液泛线 ：发生液 泛时，气液两相流量间的函数关系。

影响塔操作状况与分离效率的主要因素为：物性、塔板结构、气液负荷，对于一定的塔处理一定的物料，操作状况仅仅与气液负荷有关，将塔内气体和液体的负荷变化范围绘图----塔板负荷性能图。 (1)图中线a为最小液体负荷线。 (2)线b为漏液线。 (3)线c为最大液体负荷线。按液体在降液管中允许停留时间计算 (4)线d为降液管液泛线 (5)线 d为雾沫夹带线。

a----液体负荷下线 b----漏液线 c----液体负荷上线 e-----液泛线。 f----雾沫夹带线。 操作弹性：最高气量与最低气量的比值称为 。显然，操作弹性越大，则塔的可调节范围越宽，可操作性越强。一设计合理的浮阀塔，其操作弹性应介于3～4之间

六、辅助设备设计与选型： 冷凝器、再沸器、接管 七、画图 八、说明书

7.2.6筛板塔得结构设计 1．  筛板的开孔 为了使筛板的利用率高，筛孔多取三角形排列（见图１０－２１）。当孔间距和孔径确定后，开孔面积与塔板开孔区面积之比（ ），由下式计算： 开孔区面积对于单溢流塔板可用下式计算： 对于双溢流塔板 塔板上的筛孔总数n可用下式计算：

2．  溢流堰 溢流堰设计按10.2.5节考虑，筛板塔的堰高可按以下要求设计： 对一般的塔，应使塔上清夜层高度（堰高＋堰上液流高度）在50～100mm之间，即 对于真空度较高或要求压强很小的情况下，可使 ，此时 。当液流量很大时，可以不设堰。 ３．其他结构 降液管、内堰、受液盘及安定区、边缘区等要求按10.2.5节设计。

7.2.8浮阀塔的设计 1.浮阀塔型式 2.阀的排列 浮阀一般按正三角形排列，也 有采用等腰三角形排列的。 浮阀中心距可取75、100、 图10－26 F－1型浮阀 2.阀的排列 浮阀一般按正三角形排列，也 有采用等腰三角形排列的。 浮阀中心距可取75、100、 125、150mm等几种。

3.阀数确定 4．溢流管及降液管 按10.2.5节及10.2.6节有关部分设计计算。 5．塔板压降（液体阻力） （1）干板压降 阀全开前 阀全开后 （2）通过液层的

6．液面梯度 建议2～3m直径的单溢流塔中，若溢流强度不大于50m3/(m h)时，可使塔板倾斜度按每3m倾角10考虑，溢流强度较低时，倾角可小些。 7．漏液点核雾沫夹带 （1）漏液点 一般认为漏液点的阀孔动能因素为 （对常压及加 压塔），故以此值作为操作下限。 （2）雾沫夹带 泛点率由下列二式求之（采用计算结果中较大的数值）： 及 其中

7.2.9 新型塔设备简介 1．A.P.V．维斯脱泡罩—筛板塔 2．多降液管筛板塔（又称MD筛板塔） 图10－31 多降液管筛板塔示意图 7.2.9 新型塔设备简介 1．A.P.V．维斯脱泡罩—筛板塔 2．多降液管筛板塔（又称MD筛板塔） （a） 图10－31 多降液管筛板塔示意图

3．网状筛板塔 4．浮动舌形塔（简称浮舌塔）

7.3 塔设备的比较和选型 一、板式塔的比较 二、填料塔和板式塔的对比与选用 1．传质效率 2．液体阻力 3．液体负荷量 4．设备结构 表 10－8 板式塔的比较 塔型 总板效率/％ 处理能力 操作弹性 Δp 板间距/mm 成本 泡罩 筛板 浮阀 舌型 60～80 70～90 1 1.4 1.5 ～1.5 5 3 9 0.5 0.6 0.8 400～800 200～400 300～600 2/3  二、填料塔和板式塔的对比与选用 1．传质效率 2．液体阻力 3．液体负荷量 4．设备结构 其他如处理有腐蚀性的物料可用填料塔，而处理有固体戏出的物料可选用难以堵塞的板式塔（浮阀、泡罩塔）。 总之，塔型的选用应根据具体情况确定。