蒸馏及吸收—塔设备.ppt
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1、1,蒸馏及吸收设备塔,讨论实现精馏和吸收过程的主要设备 塔设备 作为分离过程,吸收和精馏基于不同的物理化学原理,但均同属于气液传质过程,因此有着很多的共同性,本章统一介绍气液传质设备。 气液传质设备虽然种类繁多,但基本上可以分成两大类:逐级接触式和微分接触式。本章以板式塔为逐级接触式的代表;而以填料塔为微分接触式的代表,分别予以介绍。 塔设备指 高直径的圆筒型设备。,2,第一节 板式塔,一、基本结构(以筛板塔为例) 板式塔称为逐级接触式的气液传质设备。 在一个圆筒形的壳体内装有若干块按一定间距放置的水平塔板,塔板上开有很多筛孔,液体靠重力作用由上层塔板经降液管流至下层塔板,最后由塔底流出;气体
2、靠压强差推动,逐板由下向上穿过筛孔及板上液层而流向塔顶。 气体通过每层板上液层时,形成气泡与液沫,泡沫可为两相接触提供足够大的相际接触面,有利于相间传质,气液组成沿塔高逐渐增大。,请看演示1,请看演示2,3,1.泡罩塔,每层塔板上开有若干个孔,升气管上覆以泡罩,上升气体通过泡罩进入液层时,被分散成许多细小的气泡,为气液两相提供了大量的传质界面。 优点:泡罩塔操作稳定,操作弹性大。 缺点:结构比较复杂,造价高,阻力也大,气液通过量较低,板效率较低。 现已逐渐被其他塔型所替代。,请看图片,请看演示,4,2.筛板塔,塔板上开有许多均布的筛孔,孔径一般为38mm。操作时,上升气流通过筛孔分散成细小的流
3、股,在板上液层中鼓泡而出,气液间密切接触而进行传质。 在通常的操作气速下,通过筛孔上升的气流,应能阻止液体经筛孔向下泄漏。 优点:结构简单,造价低廉,气体压降小,板上液层落差也较小,筛孔板很快被普遍应用,生产能力及效率均较泡罩塔高。 缺点:是操作弹性小,筛孔小时容易堵塞,但已有大孔应用。,请看图片,5,3.浮阀塔,塔板上开有若干大孔(标准孔径为39mm),每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片,阀片本身有三条“腿”,插入阀孔后将各股底脚板转90,用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度,阀片周边又冲出三块略向下弯的定距片,当气速很低时,靠这个定距片使阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上。 优点:生产能力
4、提高,操作弹性大,气液流动阻力比泡罩塔小,但比筛孔板大。塔板效率较高。 缺点:浮阀装卸清洗较困难,造价高。 浮阀塔在工业上应用十分普遍。,6,7,浮阀在塔板上的布置情况如下图所示,8,上述泡罩、筛板及浮阀塔板都属于气相为分散相的板型,即气体在鼓泡或泡沫状态下进行气液接触。但为防止严重的雾沫夹带,生产能力受到限制。而近年来发展起来的喷射型塔板克服了这个弱点。 喷射型塔板上,气体喷出的方向与液体流动的方向一致,充分利用气体的动能来促进两相的接触。因气体不再通过较深的液层而鼓泡,所以塔板压降降低,雾沫夹带量减小,不仅提高了传质效果,而且提高了生产能力。 1.舌形塔板 舌形塔板是喷射型塔板的一种,其结
5、构如下图所示。塔板上冲出许多舌形孔,舌片与板成一定角度,向塔板的溢流出口侧张开,舌孔按正三角形排列。,9,塔板的液流出口处不设溢流堰,只保留降液管,上升气流穿过舌孔后,以较高的速度(2030ms)沿舌片的张角向斜上方喷出。液体流过每排舌孔时,即为喷出的气流强烈扰动而形成泡沫体,喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中。 优点:舌形塔板生产能力大,具有较高的塔板效率塔板压强降小 缺点:操作弹性小,被气体喷射的液流在通过降液管时,会夹带气泡到下塔板,气相夹带现象严重。,10,2浮动喷射塔板,浮动喷射塔板是兼有浮阀塔板的可变气道截面及舌形塔板的并流喷射特点的新型塔板,这种塔板由一系列平行的浮动板
6、组成,同样,上升气流则沿塔板间的缝隙喷出,喷出方向与液流方向一致。 优点:可保持很高气流喷射速度,操作弹性大,压强降小,液面落差小。 缺点:有漏液及吹干现象,影响传质效果,使板效率降低,塔板结构较复杂。,11,3浮舌塔板,浮舌塔板是综合浮阀和固定舌形塔板的优点而提出的又一种新型塔板。仅将固定舌形板的舌片改成浮动舌片。 特点:操作弹性大,负荷变动范围甚至可超过浮阀塔;压强降小,特别适宜于减压蒸馏;结构简单,制造方便;效率也较高,介于浮动塔板与固定舌形塔板之间。,请看演示,12,层出不穷的新型塔板结构各具特点,应根据不同的工艺及生产需要来选择塔型。不是任何情况下都追求高的塔板效率,一般来说,对难分
7、离物系的高纯度分离希望得到高的板效率,而处理量大又易分离的物系,往往追求高的生产能力,若真空精馏则需要较低的压强降。 总结:塔板评价指标 (1)生产能力大(即气液相负荷高); (2)塔板效率要高(往往与生产能力冲突); (3)操作弹性大(最大负荷/最小负荷=大); (4)压降低(尤其是对于真空精馏); (5)价格低廉,易于制造。,13,二、气液流道基本形式,下面介绍塔板上几种主要构造: 1. 塔板上的气体通道 塔板上均匀地开有一定数量的供气体自下而上流动的通道,例如图所示的浮阀,上升的气体经浮阀孔上升并分散后穿过板上的液层,造成两相间的密切接触,从而进行传质和传热。 2. 溢流堰 为保证气液两
8、相在板上有足够的接触时间,塔板上必须存有一定的液体。为此,在塔板的出口端设有溢流堰,使塔板上保持一定的液层高度(或称持液量)。 常见的溢流堰上缘是平直的。,14,3 . 降液管 每块塔板上通常设有一个液体流动通道降液管。板式塔在正常工作时,液体从上层塔板的降液管流下,横向流过开有筛孔或浮阀的塔板,翻越溢流堰,进入该层塔板的降液管,流向下层塔板。 降液管一般为弓形,偶尔也有圆形。降液管下端必须保证液封,使液体能从降液管底部流出而气体不能窜入降液管。为此,降液管下缘的缝隙高度h0溢流堰高hW。,15,三、板式塔的流体力学特性,塔的操作能否正常进行,与塔内气液两相的流体力学状况有关。板式塔的流体力学
9、性能包括:塔板压降、液泛、雾沫夹带、漏液及液面落差等。 (一)塔板上的气液流动状态 1气液接触状态 (1)鼓泡接触状态 当操作气速很低时,气流断裂成少数气泡在板上液层中上升,板上存在有大量清液层,相际接触面积为气泡表面。由于气泡数量较少,气泡表面的湍动程度也较低,所以鼓泡接触状态的传质阻力较大, 效率较低。 此时,气相为分散相而液相为连续相。,16,(2)泡沫接触状态,随着气速增大,气泡数量急剧增加,此时,塔板上液体大部分是以液膜形式存在于气泡之间,两相传质表面是面积很大的液膜,它高度湍动且不断合并与破裂,为两相传质创造良好的流体力学条件,因此传质阻力变小,传质效率有所提高。 此时,气相仍为分
10、散相而液相仍为连续相。 (3)喷射接触状态 随着气速继续增大,气体射流穿过液层,将板上的液体破碎成大小不等的液滴而被反复抛起,两相传质表面是众多液滴的外表面。 传质阻力很小,传质效率有所提高但容易造成过量的雾沫夹带。 此时,液体为分散相而气体为连续相,这是喷射接触状态与泡沫接触状态的根本区别。 由泡沫状态转为喷射状态的临界点称为转相点。,17,工业上的操作多以控制在泡沫状态或喷射接触状态,其特征分别是有不断更新的液膜表面和液滴表面。 2. 不均匀流动: 包括气体和液体两相的不均匀流动。对于很大的塔盘来说: 液膜流过塔盘时很可能造成不均匀流动; 因盘上液位落差导致气相流动不均匀(可采用出口安定区
11、不开孔方法)。 以上两种情况均可能导致气液接触不充分。,18,(二)、塔板压降 上升的气流通过塔板时需要克服以下几种阻力:塔板本身的干板阻力(即板上各部件所造成的局部阻力)、板上充气液层的静压强和液体的表面张力。气体通过塔板时克服这三部分阻力就形成了该板的总压强降。 P=P干板+P液层静压+P液层表面张力,(三)、液泛 若气液两相中之一的流量增大,使降液管内液体不能顺利下流,管内液体必然积累,当管内液体增高到越过溢流堰顶部,于是两板间液体相连,该层塔板产生积液,并依次上升,这种现象称为液泛,亦称淹塔,常见的包括降液管液泛和夹带液泛。 此时,塔板压降急剧上升,全塔操作被完全破坏,所以操作时应避免
12、液泛现象的发生。,19,(四)、漏液,对板面上方有通气孔的塔板,如筛孔、浮阀等,当上升气速较低时,液体易经孔道流而造成漏液现象,必然影响气液在塔板上的充分接触,使塔板效率下降,严重的漏液会使塔板不能积液而无法操作。 为保证塔的正常操作,漏液量应不大于液体流量的10%。 (五)液面落差 当液体横向流过板面时,为克服板面的摩擦阻力和板上部件(如泡罩、浮阀)的局部阻力;或当塔径或液体流量很大时。则在板面上容易形成液面落差。 液层厚度的不均匀性将引起气流的不均匀分布,从而造成漏液,使塔板效率严重降低。 对于大塔径的情况可采用双溢流、阶梯流等溢流型式来减少液面落差。,20,(六)适宜的气液流量操作范围塔
13、板负荷性能图,1.雾沫夹带线 当气相负荷超过此线时,雾沫夹带量将过大,使板效率严重下降,塔板适宜操作区应在雾沫夹带线以下。 2.液泛线 塔板的适宜操作区应在此线以下,否则将会发生液泛现象,使塔不能正常操作。 3.液相负荷上限线 该线又称降液管超负荷线,液体流量超过此线,表明液体流量过大,液体在降液管内停留时间过短,进入降液管中的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板,造成气相返混,降低塔板效率 4.漏液线 该线即为气相负荷下限线,气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象,气液不能充分接触,使板效率下降。 5.液相负荷下限线 液相负荷低于此线使塔板上液流不能均匀分布,导致板效率下降。,21,由以上五条
14、线围起的区域是塔的正常操作区,塔板上气液的正常流动如下图所示。,22,四、塔板效率,塔板效率反映了实际塔板上气液两相间传质的完善程度。板式塔的效率有几种不同的表示法,如总板效率、单板效率及点效率等。 (一)效率表示法 1. 全塔效率(又称总板效率)ET 总板效率又称全塔效率,是指达到指定分离效果所需理论板数与实际板数的比值,即 ET=NT/NP 式中 NT塔内所需理论板数, NP塔内实际板数。 该式将影响传质过程的动力学因素全部归结到总板效率内。板式塔内各层塔板的传质效率并不相同,总板效率简单地反映了整个塔内的平均传质效果。,23,2. 单板效率(默弗里板效率),单板效率又称为默弗里(MurP
15、hree)板效率,是指气相或液相经过一层塔板前后的实际组成变化与经过该层塔板前后的理论组成变化的比值。第n层塔板的效率有如下两种表达方式: (1)按气相组成变化表示的单板效率为: EMV=(yn-yn+1)/(yn*-yn+1 ) (2)按液相组成变化表示的单板效率为: EML=(xn-1-xn)/(xn-1-xn*) 式中 yn* _与xn成平衡的气相组成, xn* _与yn成平衡的液相组成。 一般说来,同一层塔板的Emv与Eml数值并不相同 3.点效率 指塔板上各点的局部效率,点效率中的y为离开塔板某点的气相组成,y*为与塔板上某点液体组成x相平衡的气相组成;而单板效率中的y是离开塔板气相
16、的平均组成,y*为与离开塔板液体平均组成相平衡的气相组成。只有当板上液体完全混合时,点效率与板效率才具有相同的数值。,24,(二)、板效率的经验关联式 目前,被认为较能反映实际情况的是美国化工学会提出的一套预测板效率的计算方法,(简称AIChE法)。该方法不仅考虑了较多的影响因素,而且能反映塔径放大对效率的影响,对于过程开发很有意义。但是,这套计算方法程序颇为繁复,此处不作具体介绍。 另一类是简化的经验计算法,该法归纳了试验数据及工业数据,得出总板效率与少数主要影响因素的关系。其中,奥康奈尔方法目前被认为是较好的简易方法。,25,26,27,28,29,30,31,第二节 填料塔,填料塔为连续
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