【正文】 第 3章 蒸餾和吸收塔設(shè)備 板式塔 填料塔 板式塔 概述 篩板上的氣液接觸狀態(tài) 氣體通過篩板的阻力損失 板式塔的不正常操作現(xiàn)象 板效率的各種表示方法及其應用 提高板效率的措施 塔板型式 概述 板式塔的設(shè)計意圖 板式塔是一種應用極為廣泛的氣液傳質(zhì)設(shè)備，它由一個通常呈圓柱形的殼體及其中按一定間距水平設(shè)置的若干塔板所組成。 如圖所示 ，板式塔正常工作時，液體在重力作用下自上而下通過各層塔板后由塔底排出；氣體在壓差推動下，經(jīng)均布在塔板上的開孔由下而上穿過各層塔板后由塔頂排出，在每塊塔板上皆貯有一定的液體，氣體穿過板上液層時，兩相接觸進行傳質(zhì)。 概述 為有效地實現(xiàn)氣液兩相之間的傳質(zhì)，板式塔應具有以下兩方面的功能： ① 在每塊塔板上氣液兩相必須保持密切而充分的接觸，為傳質(zhì)過程提供足夠大而且不斷更新的相際接觸表面，減小傳質(zhì)阻力； ② 在塔內(nèi)應盡量使氣液兩相呈逆流流動，以提供最大的傳質(zhì)推動力。 由吸收章可知，當氣液兩相進、出塔設(shè)備的濃度一定時，兩相逆流接觸時的平均傳質(zhì)推動力最大。在板式塔內(nèi)，各塊塔板正是按兩相逆流的原則組合起來的。 概述 但是，在每塊塔板上，由于氣液兩相的劇烈攪動，是不可能達到充分的逆流流動的。為獲得盡可能大的傳質(zhì)推動力，目前在塔板設(shè)計中只能采用錯流流動的方式，即液體橫向流過塔板，而氣體垂直穿過液層。 由此可見，除保證氣液兩相在塔板上有充分的接觸之外，板式塔的設(shè)計意圖是，在塔內(nèi)造成一個對傳質(zhì)過程最有利的理想流動條件，即在總體上使兩相呈逆流流動，而在每一塊塔板上兩相呈均勻的錯流接觸。 篩板上的氣液接觸狀態(tài) 塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)是決定板上兩相流流體力學及傳質(zhì)和傳熱規(guī)律的重要因素。如圖所示，當液體流量一定時，隨著氣速的增加，可以出現(xiàn)四種不同的接觸狀態(tài)。 （ 1）鼓泡接觸狀態(tài) 當氣速較低時，氣體以鼓泡形式通過液層。由于氣泡的數(shù)量不多，形成的氣液混合物基本上以液體為主，氣液兩相接觸的表面積不大，傳質(zhì)效率很低。 篩板上的氣液接觸狀態(tài) 篩板上的氣液接觸狀態(tài) （ 2）蜂窩狀接觸狀態(tài) 隨著氣速的增加，氣泡的數(shù)量不斷增加。當氣泡的形成速度大于氣泡的浮升速度時，氣泡在液層中累積。氣泡之間相互碰撞，形成各種多面體的大氣泡，板上為以氣體為主的氣液混合物。由于氣泡不易破裂，表面得不到更新，所以此種狀態(tài)不利于傳熱和傳質(zhì)。 篩板上的氣液接觸狀態(tài) （ 3）泡沫接觸狀態(tài) 當氣速繼續(xù)增加，氣泡數(shù)量急劇增加，氣泡不斷發(fā)生碰撞和破裂，此時板上液體大部分以液膜的形式存在于氣泡之間，形成一些直徑較小，擾動十分劇烈的動態(tài)泡沫，在板上只能看到較薄的一層液體。由于泡沫接觸狀態(tài)的表面積大，并不斷更新，為兩相傳熱與傳質(zhì)提供了良好的條件，是一種較好的接觸狀態(tài)。 篩板上的氣液接觸狀態(tài) （ 4）噴射接觸狀態(tài) 當氣速繼續(xù)增加，由于氣體動能很大，把板上的液體向上噴成大小不等的液滴，直徑較大的液滴受重力作用又落回到板上，直徑較小的液滴被氣體帶走，形成液沫夾帶。此時塔板上的氣體為連續(xù)相，液體為分散相，兩相傳質(zhì)的面積是液滴的外表面。由于液滴回到塔板上又被分散，這種液滴的反復形成和聚集，使傳質(zhì)面積大大增加，而且表面不斷更新，有利于傳質(zhì)與傳熱進行，也是一種較好的接觸狀態(tài)。 如上所述，泡沫接觸狀態(tài)和噴射狀態(tài)均是優(yōu)良的塔板接觸狀態(tài)。因噴射接觸狀態(tài)的氣速高于泡沫接觸狀態(tài)，故噴射接觸狀態(tài)有較大的生產(chǎn)能力，但噴射狀態(tài)液沫夾帶較多，若控制不好，會破壞傳質(zhì)過程，所以多數(shù)塔均控制在泡沫接觸狀態(tài)下工作。 氣體通過篩板的阻力損失 氣體通過塔板的壓降（塔板的總壓降）包括：塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力），板上充氣液層的靜壓力及液體的表面張力。 塔板壓降是影響板式塔操作特性的重要因素。塔板壓降增大，一方面塔板上氣液兩相的接觸時間隨之延長，板效率升高，完成同樣的分離任務所需實際塔板數(shù)減少，設(shè)備費降低；另一方面，塔釜溫度隨之升高，能耗增加，操作費增大，若分離熱敏性物系時易造成物料的分解或結(jié)焦。因此，進行塔板設(shè)計時，應綜合考慮，在保證較高效率的前提下，力求減小塔板壓降，以降低能耗和改善塔的操作。 板式塔的不正常操作現(xiàn)象 篩板塔內(nèi)氣體兩相的非理想流動包括漏液、液泛和液沫夾帶等，是使塔板效率降低甚至使操作無法進行的重要因素，因此，應盡量避免這些異常操作現(xiàn)象的出現(xiàn)。 （ 1）漏液 在正常操作的塔板上，液體橫向流過塔板，然后經(jīng)降液管流下。當氣體通過塔板的速度較小時，氣體通過升氣孔道的動壓不足以阻止板上液體經(jīng)孔道流下時，便會出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。漏液的發(fā)生導致氣液 的 兩 相在塔板上的接觸時間減少，塔板效率 板式塔的不正常操作現(xiàn)象 下降，嚴重時會使塔板不能積液而無法正常操作。通常，為保證塔的正常操作，漏液量應不大于液體流量的 3%。漏液量達到 3%的氣體速度稱為漏液速度，它是板式塔操作氣速的下限。 造成漏液的主要原因是氣速太小和板面上液面落差所引起的氣流分布不均勻。在塔板液體入口處，液層較厚，往往出現(xiàn)漏液，為此常在塔板液體入口處留出一條不開孔的區(qū)域，稱為安定區(qū)。 板式塔的不正常操作現(xiàn)象 （ 2）液沫夾帶 上升氣流穿過塔板上液層時，必然將部分液體分散成微小液滴，氣體夾帶著這些液滴在板間的空間上升，如液滴來不及沉降分離，則將隨氣體進入上層塔板，這種現(xiàn)象稱為液沫夾帶。 液滴的生成雖然可增大氣液兩相的接觸面積，有利于傳質(zhì)和傳熱，但過量的液沫夾帶常造成液相在塔板間的返混，進而導致板效率嚴重下降。為維持正常操作，需將液沫夾帶限制在一定范圍，一般允許的液沫夾帶量為 （液） / kg（氣）。 影響液沫夾帶量的因素很多，最主要的是空塔氣速和塔板間距。空塔氣速減小及塔板間距增大，可使液沫夾帶量減小。 板式塔的不正常操作現(xiàn)象 （ 3）液泛 塔板正常操作時，在板上維持一定厚度的液層，以和氣體進行接觸傳質(zhì)。如果由于某種原因，導致液體充滿塔板之間的空間，使塔的正常操作受到破壞，這種現(xiàn)象稱為液泛。 當塔板上液體流量很大，上升氣體的速度很高時，液體被氣體夾帶到上一層塔板上的量劇增，使塔板間充滿氣液混合物，最終使整個塔內(nèi)都充滿液體，這種由于液沫夾帶量過大引起的液泛稱為夾帶液泛。 板式塔的不正常操作現(xiàn)象 當降液管內(nèi)液體不能順利向下流動時，管內(nèi)液體必然積累，致使管內(nèi)液位增高而越過溢流堰頂部，兩板間液體相連，塔板產(chǎn)生積液，并依次上升，最終導致塔內(nèi)充滿液體，這種由于降液管內(nèi)充滿液體而引起的液泛稱為降液管液泛。 液泛的形成與氣液兩相的流量相關(guān)。對一定的液體流量，氣速過大會形成液泛；反之，對一定的氣體流量，液量過大也可能發(fā)生液泛。液泛時的氣速稱為泛點氣速，正常操作氣速應控制在泛點氣速之下。 影響液泛的因素除氣液流量外，還與塔板的結(jié)構(gòu)，特別是塔板間距等參數(shù)有關(guān)，設(shè)計中采用較大的板間距，可提高泛點氣速 。 板效率的各種表示方法及其應用