10 气液传质设备 10.1 板式塔 10.2 填料塔

§10.1 板式塔 10.1.1 气液接触状态

10.1.2 塔板的流体力学性能

3. 液泛 4、塔板上的液面落差

5、 板上液体的返混   6、 气体通过塔板的压降 7．液体在降液管内的停留时间 3~5s

10.1.3 塔径和塔高的估算

10.1.4 塔板负荷性能图

10.1.5 板式塔类型 1 板式塔类型—溢流型式 降液管 平顶型溢流堰 受液区 开孔区

双流型塔板

有溢流塔板又分为： 优点：弹性大、操作稳定可靠。 缺点：结构复杂，制造成本高，压降大，液泛气速 低， 故生产能力较小。

特点：结构简单、造价低、压降小、生产能 力大、操作弹性可达2~3、

特点：结构上较泡罩简单，比筛板复杂，操作弹性大、 生产能力大。

各种浮阀： 阀型：F1型、V型、T型、A型

§10.1 板式塔 压延孔板 旋流塔板 斜孔塔板

10.1.6 板式塔特点 1. 泡罩塔板 泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其结构如图所示，它主要由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有f80、f100、f150mm三种尺寸，可根据塔径的大小选择。泡罩的下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。

操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面。 泡罩塔板的优点是操作弹性较大，塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价高，板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代，在新建塔设备中已很少采用。

2. 筛孔塔板 筛孔塔板简称筛板，其结构如图所示。塔板上开有许多均匀的小孔，孔径一般为3～8mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。 操作时，气体经筛孔分散成小股气流，鼓泡通过液层，气液间密切接触而进行传热和传质。在正常的操作条件下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。

筛板的优点是结构简单、造价低，板上液面落差小，气体压降低，生产能力大，传质效率高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。 应予指出，筛板塔的设计和操作精度要求较高，过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板塔的操作非常精确，故应用日趋广泛。

3. 浮阀塔板 浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，应用广泛。浮阀的类型很多，国内常用的有如图片3-4所示的F1型、V-4型及T型等。 浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个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。

操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，开度增大，使气速不致过大。 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。

4. 喷射型塔板 上述几种塔板，气体是以鼓泡或泡沫状态和液体接触，当气体垂直向上穿过液层时，使分散形成的液滴或泡沫具有一定向上的初速度。若气速过高，会造成较为严重的液沫夹带，使塔板效率下降，因而生产能力受到一定的限制。为克服这一缺点，近年来开发出喷射型塔板，大致有以下几种类型。 （1）舌型塔板 舌型塔板的结构如图所示，在塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，有18°、20°、25°三种（一般为20°），舌片尺寸有50×50mm和25×25mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管，降液管截面积要比一般塔板设计得大些。

操作时，上升的气流沿舌片喷出，其喷出速度可达20～30m/s。当液体流过每排舌孔时，即被喷出的气流强烈扰动而形成液沫，被斜向喷射到液层上方，喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中，流到下一层塔板。 舌型塔板的优点是：生产能力大，塔板压降低，传质效率较高；缺点是：操作弹性较小，气体喷射作用易使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，从而降低塔板效率。

（2）浮舌塔板 如图所示，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。因此，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。

（3）斜孔塔板 斜孔塔板的结构如图所示。在板上开有斜孔，孔口向上与板面成一定角度。斜孔的开口方向与液流方向垂直，同一排孔的孔口方向一致，相邻两排开孔方向相反，使相邻两排孔的气体向相反的方向喷出。这样，气流不会对喷，既可得到水平方向较大的气速，又阻止了液沫夹带，使板面上液层低而均匀，气体和液体不断分散和聚集，其表面不断更新，气液接触良好，传质效率提高。 斜孔塔板克服了筛孔塔板、浮阀塔板和舌型塔板的某些缺点。斜孔塔板的生产能力比浮阀塔板大30%左右，效率与之相当，且结构简单，加工制造方便，是一种性能优良的塔板。

10.2 填料塔 10.2.1 填料塔的结构及填料特性 10.2.2 气液两相在填料层内的流动 10.2.3 板式塔与填料塔比较

10.2.1 填料塔的结构及填料特性 10.2.1.1填料塔结构及作用 1、填料层 ——提供气液接触的场所。

2、液体分布器 ——均匀分布液体，以避免发生沟流现象。 3、液体再分布器 ——避免壁流现象发生。 4、支撑板 ——支撑填料层，使气体均匀分布。 5、除沫器 ——防止塔顶气体出口处夹带液体。

10.2.1.2 填料作用及特性 1、填料作用 （1）提供气液接触面； （2）强化气体湍动，降低气相传质阻力； （3）更新液膜表面，降低液相传质阻力。 2、填料特性 （1）比表面积 a 定义：单位堆积体积所具有的表面积， [m2/m3]、[1/m]。

（2）空隙率 ε 定义：单位体积填料中所具有的空隙体积 ， [m3/m3]。 （3）干填料因子 a /ε 3与（湿）填料因子 （湿）填料因子 ——液泛条件下测得的 a/ε 3 。

（4）堆积密度 ρP 单位体积填料所具有的质量， [kg/m3]。 气体短路 壁流现象严重

10.2.1.3 常用填料 环形 （拉西环、鲍尔环、阶梯环） 鞍形 （矩鞍形、弧鞍形） 波纹形（板波纹、网状波纹） 形状 材料：陶瓷、金属、塑料 堆放：整砌、乱堆

拉西环 鲍尔环 阶梯环 环

板波纹 丝网波纹 鞍形环 槽式液体分布器

10.2.2 气液两相在填料层内的流动 填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。 1.液体成膜条件 液体能否在填料表面铺展成膜与填料的润湿性有关。较严格的说，液体成膜的条件是 式中三个式子分别为液体、气体及固体间的界面张力.

2. 填料层的持液量 填料层的持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以(m3液体)/(m3填料)表示。持液量可分为静持液量H s、动持液量H o和总持液量H t。静持液量是指当填料被充分润湿后，停止气液两相进料，并经排液至无滴液流出时存留于填料层中的液体量，其取决于填料和流体的特性，与气液负荷无关。

动持液量是指填料塔停止气液两相进料时流出的液体量，它与填料、液体特性及气液负荷有关。总持液量是指在一定操作条件下存留于填料层中的液体总量。显然，总持液量为静持液量和动持液量之和，即 填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。

3. 填料层的压降 在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降DP/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸上，可得到如图所示的曲线簇。 泛点 载液区 液泛区 载点 恒持液量区

在图中，直线0表示无液体喷淋（L=0）时，干填料△P/Z～u关系，称为干填料压降线。曲线1、2、3表示不同液体喷淋量下，填料层的△P/Z～u关系，称为填料操作压降线。 从图中可看出，在一定的喷淋量下，压降随空塔气速的变化曲线大致可分为三段：当气速低于A点时，气体流动对液膜的曳力很小，液体流动不受气流的影响，填料表面上覆盖的液膜厚度基本不变，因而填料层的持液量不变，该区域称为恒持液量区。此时△P/Z～u为一直线，位于干填料压降线的左侧，且基本上与干填料压降线平行。当气速超过A点时，气体对液膜的曳力较大，对液膜流动产生阻滞作用，使液膜增厚，填料层的持液量随气速的增加而增大，此现象称为拦液。开始发生拦液现象时的空塔气速称为载点气速，曲线上的转折点A，称为载点。

若气速继续增大，到达图中B点时，由于液体不能顺利向下流动，使填料层的持液量不断增大，填料层内几乎充满液体。气速增加很小便会引起压降的剧增，此现象称为液泛，开始发生液泛现象时的气速称为泛点气速，以uF表示，曲线上的点B，称为泛点。从载点到泛点的区域称为载液区，泛点以上的区域称为液泛区。 应予指出，在同样的气液负荷下，不同填料的△P/Z～u关系曲线有所差异，但其基本形状相近。对于某些填料，载点与泛点并不明显，故上述三个区域间无截然的界限。

4. 填料塔的液泛 在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。 填料特性的影响集中体现在填料因子上。填料因子F值越小，越不易发生液泛现象。 流体物性的影响体现在气体密度rV、液体的密度rL和粘度mL上。气体密度越小，液体的密度越大、粘度越小，则泛点气速越大。 操作的液气比愈大，则在一定气速下液体喷淋量愈大，填料层的持液量增加而空隙率减小，故泛点气速愈小。

5. 液体喷淋密度和填料表面的润湿 填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。 液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/（m2·h）。为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。

最小喷淋密度通常采用下式计算，即 式中 Umin ——最小喷淋密度，m3/（m2·h）； (LW)min ——最小润湿速率，m3/（m·h）； a ——填料的比表面积，m2/m3。

填料表面润湿性能与填料的材质有关，就常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言，以陶瓷填料的润湿性能最好，塑料填料的润湿性能最差。 最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算，也可采用经验值。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW)min为0.08 m3/（m·h）；对于直径大于 75mm的散装填料，取(LW)min =0.12 m3/（m·h）。 填料表面润湿性能与填料的材质有关，就常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言，以陶瓷填料的润湿性能最好，塑料填料的润湿性能最差。 实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采用增大回流比或采用液体再循环的方法加大液体流量，以保证填料表面的充分润湿；也可采用减小塔径予以补偿；对于金属、塑料材质的填料，可采用表面处理方法，改善其表面的润湿性能。

传质系数 恩田等关联了大量的液相和气相传质数据，分别提出液、气两相传质系数的经验关联式如下 1.液相传质系数： 传质系数 恩田等关联了大量的液相和气相传质数据，分别提出液、气两相传质系数的经验关联式如下 1.液相传质系数： （10-45） 2.气相传质系数： （10-46） 系数 气相传质系数 气体常数 气体温度 溶质在气体中的扩撒系数 气体黏度 气体密度 气体质量流量

10.2.4填料塔的附属结构 支承板 支承板的主要用途是支承塔内的填料，同时又能保证气液两相的顺利通过。 液体分布 主要分为多孔管式分布器、槽式分布器及孔板式分布器。 液体再分布 为改善向壁偏流效应造成的液体分布不均，可在填料层内部每隔一定高度设置一液体分布器。 除沫器 用来除去由填料层顶部逸出的气体中的液滴，安装在液体分布器上方。常见的有拆板除沫器、丝网除沫器，旋流除沫器。

10.2.5 板式塔与填料塔比较 10.2.5.1 板式塔 1、适用于塔径较大； 2、所需传质单元数或理论板数较多； 3、热量需从塔内移除； 4、适于较小液量； 5、适于处理有悬浮物的液体； 6、板式塔便于侧线采出。

10.2.5.2 填料塔 1、适用于处理有腐蚀性的物料； 2、填料塔压力降较小，适用于真空蒸馏； 3、适用于间歇蒸馏或热敏性物料的蒸馏； 4、适用于处理易发泡的液体。