湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工原理課程教案

1、湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工原理課程教案教學(xué)課題： 第八章 氣液傳質(zhì)設(shè)備第一節(jié) 氣液傳質(zhì)設(shè)備類型與基本要求第二節(jié) 板式塔（一）教學(xué)時(shí)間：第13周 5月22日 下午 第5，6節(jié)教學(xué)目的與要求：1、學(xué)習(xí)氣液傳質(zhì)設(shè)備類型和基本要求 2、了解氣液傳質(zhì)設(shè)備的性能要求的表示要素3、 學(xué)習(xí)板式塔主要類型的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)4、 學(xué)習(xí)塔板上氣液流動(dòng)和接觸狀況教學(xué)重點(diǎn)：板式塔主要類型的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、塔板上氣液流動(dòng)和接觸狀況教學(xué)難點(diǎn)：對于返混現(xiàn)象和液泛的理解教學(xué)方式與手段： 講授 參考資料：教學(xué)過程：第八章 汽液傳質(zhì)設(shè)備本 章 學(xué) 習(xí) 要 求1熟練掌握的內(nèi)容板式塔內(nèi)氣液流動(dòng)方式；板式塔塔板上氣液兩相非理想流動(dòng)；板式塔的不正常操

2、作，全塔效率和單板效率；板式塔塔高和塔徑的計(jì)算；填料塔內(nèi)流體力學(xué)特性；氣體通過填料層的壓降；泛點(diǎn)氣速的計(jì)算；填料塔塔徑的計(jì)算。2理解的內(nèi)容板式塔的主要類型與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，板式塔塔板上氣液兩相接觸狀況；篩板塔溢流裝置的設(shè)計(jì)及踏板板面布置；篩板塔塔板校核；篩板塔負(fù)荷性能圖的繪制及其作用；填料塔的結(jié)構(gòu)；填料及其特性。3了解的內(nèi)容氣液傳質(zhì)設(shè)備類型與基本要求；填料塔的附件；板式塔與填料塔的比較。第一節(jié) 氣液傳質(zhì)設(shè)備類型與基本要求塔設(shè)備是化工、石油等工業(yè)中廣泛使用的重要生產(chǎn)設(shè)備。塔設(shè)備的基本功能在于提供氣、液兩相以充分接觸的機(jī)會，使質(zhì)、熱兩種傳遞過程能夠迅速有效地進(jìn)行；還要能使接觸之后的氣、液兩相及時(shí)分開，互

3、不夾帶。因此，蒸餾和吸收操作可在同樣的設(shè)備中進(jìn)行。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)型式，塔設(shè)備可分為板式塔與填料塔兩大類。板式塔內(nèi)沿塔高裝有若干層塔板(或稱塔盤)，液體靠重力作用由頂部逐板流向塔底，并在各塊板面上形成流動(dòng)的液層；氣體則靠壓強(qiáng)差推動(dòng)，由塔底向上依次穿過各塔板上的液層而流向塔頂。氣、液兩相在塔內(nèi)進(jìn)行逐級接觸，兩相的組成沿塔高呈階梯式變化。填料塔內(nèi)裝有各種形式的固體填充物，即填料。液相由塔頂噴淋裝置分布于填料層上，靠重力作用沿填料表面流下；氣相則在壓強(qiáng)差推動(dòng)下穿過填料的間隙，由塔的一端流向另一端。氣、液在填料的潤濕表面上進(jìn)行接觸，其組成沿塔高連續(xù)地變化。目前在工業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)處理量大時(shí)多采用

4、板式塔，而當(dāng)處理量較小時(shí)多采用填料塔。蒸餾操作的規(guī)模往往較大，所需塔徑常達(dá)一米以上，故采用板式塔較多；吸收操作的規(guī)模一般較小，故采用填料塔較多。氣液傳質(zhì)設(shè)備的性能通常由以下幾個(gè)要素表示：1塔設(shè)備的生產(chǎn)能力或通過能力：指單位時(shí)間單位塔截面積上的處理量或氣液流量。2傳質(zhì)效率：對板式塔而言，傳質(zhì)效率通常用塔板效率來衡量，即實(shí)際塔板與理論塔板分離能力之比；對填料塔而言，傳質(zhì)效率通常用傳質(zhì)單元高度，即完成一個(gè)傳質(zhì)單元所需要的填料層高度來表示。3流體阻力：指氣體通過每層塔板或每米填料層高度的壓降。4塔設(shè)備的操作彈性：指最大氣速負(fù)荷與最小氣速負(fù)荷之比，其值的大小表明塔對負(fù)荷變化的適應(yīng)能力。5塔的設(shè)備投資與操

5、作成本、安裝及維修方便等因素。本章重點(diǎn)介紹板式塔的塔板類型，分析操作特點(diǎn)并討論浮閥塔的設(shè)計(jì)，同時(shí)還介紹各種類型填料塔的流體流體力學(xué)特性和計(jì)算。第二節(jié) 板 式 塔（一）一 、板式塔主要類型的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)工業(yè)上常用的板式塔有：泡罩塔、浮閥塔、篩板塔、穿流柵孔板塔浮閥塔具有的優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力大，塔板效率高，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。二、塔板上氣液流動(dòng)和接觸狀況（一）塔板上的氣液流動(dòng)方式A 使氣液兩相在塔板上進(jìn)行充分接觸以增強(qiáng)傳質(zhì)效果B 使氣液兩相在塔內(nèi)保持逆流，并在塔板上使氣液量相保持均勻的錯(cuò)流接觸，以獲得較大的傳質(zhì)推動(dòng)力。（二）塔板上的氣液兩相接觸狀況 1、鼓泡接觸狀況2、泡沫接觸狀況3、噴射接

6、觸狀況（三）塔板上的氣液兩相的非理想流動(dòng)1、返混現(xiàn)象（1）液沫夾帶：氣體離開液層時(shí)帶上一些小液滴，其中一部分可能隨氣流進(jìn)入上一層塔板，這種現(xiàn)象稱為液（霧）沫夾帶。（2）氣泡夾帶：液體在下降過程中，有一部分該層板上面的氣體被帶到下層板上去，這種現(xiàn)象稱為氣泡夾帶。2、氣體和液體的不均勻分布（1）氣體沿塔板的不均勻分布（2）液體沿塔板的不均勻分布（四）板式塔的不正常操作1、液泛：汽相或液相流量增大到某一數(shù)值，上、下兩層板間的壓力降便會增大到使降液管內(nèi)的液體不能暢順地下流。當(dāng)降液管內(nèi)的液體滿到上一層塔板溢流堰頂之后，便漫到上層塔板上去，這種現(xiàn)象，稱為液泛（淹塔）如氣速過大，便有大量液滴從泡沫層中噴出，

7、被氣體帶到上一層塔板，或有大量泡沫生成。如當(dāng)液體流量過大時(shí)，降液管的截面便不足以使液體及時(shí)通過，于是管內(nèi)液面即行升高。上述兩種情況導(dǎo)致液泛的情況中，比較常遇到的氣體流量過大，故設(shè)計(jì)時(shí)均先以不發(fā)生過量液沫夾帶為原則，定出氣速的上限，在此限度內(nèi)再選定一個(gè)合理的操作氣速。（1）降液管液泛（2）夾帶液泛2、嚴(yán)重漏液：氣相負(fù)荷減少，致使上升氣體通過閥孔的動(dòng)壓不足以阻止流體經(jīng)閥孔流下時(shí)，便會出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。漏液發(fā)生，塔板效率嚴(yán)重下降，正常操作時(shí)，漏液應(yīng)不大于液體流量的10%。（1）隨機(jī)性漏夜（2）傾向性漏夜課堂小結(jié)：板式塔主要類型的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、塔板上氣液流動(dòng)和接觸狀況，尤其是要理解返混現(xiàn)象和液泛現(xiàn)象。湄洲灣

8、職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工原理課程教案教學(xué)課題： 第八章 氣液傳質(zhì)設(shè)備第二節(jié) 板式塔（二）教學(xué)時(shí)間：第14周 5月26日 下午 第5，6節(jié)教學(xué)目的與要求：1、 掌握全塔效率的計(jì)算公式和實(shí)際計(jì)算過程2、 掌握單板效率的計(jì)算公式和實(shí)際計(jì)算過程教學(xué)重點(diǎn)：全塔效率的計(jì)算教學(xué)難點(diǎn)：單板效率的計(jì)算教學(xué)方式與手段： 講授 參考資料：教學(xué)過程：復(fù)習(xí)舊課講授新課：第二節(jié) 板式塔（二）三、全塔效率與單板效率（一）全塔效率全塔效率又稱總板效率，是指達(dá)到指定分離效果所需理論板層數(shù)與實(shí)際板層數(shù)的比值。板式塔內(nèi)各層塔板的接觸效率并不相同，總板效率簡單地反映了整個(gè)塔內(nèi)所有塔板的平均效率。設(shè)計(jì)中為便于求算實(shí)際板層數(shù)，都采用總板效率。

9、在塔設(shè)備的實(shí)際操作中，由于受到傳質(zhì)時(shí)間和傳質(zhì)接觸面積的限制，一般不可能達(dá)到氣液平衡狀態(tài)，因此，實(shí)際塔板的分離作用低于理論塔板，從這個(gè)概念出發(fā)。從這個(gè)概念出發(fā)，可以定義全塔效率為理論板數(shù)與實(shí)際板數(shù)之比：（二）單板效率單板效率又稱為(Murphree) 板效率，是指氣相或液相經(jīng)過一層實(shí)際塔板前后的組成變化與經(jīng)過一層理論塔板前后的組成變化的比值。全塔效率為塔中的總效率，用全塔效率計(jì)算實(shí)際塔板數(shù)作為簡便。但全塔效率是一種平均的概念，實(shí)際上塔內(nèi)各板的傳質(zhì)情況不盡相同，即各板的傳質(zhì)效率往往不相同，所以研究每一塊板的船只效率更有實(shí)質(zhì)意義。表示單板效率的方法很多，其中默弗里板效率，是以氣相（或液相）經(jīng)過實(shí)際板

10、的組成變化與經(jīng)過理論板的組成變化之比表示。 （三）塔板效率的影響因素塔板效率反映實(shí)際板上傳質(zhì)過程進(jìn)行的程度。根據(jù)由雙膜理論導(dǎo)出的傳質(zhì)速率方程式可知， 傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)推動(dòng)力、傳質(zhì)面積和兩相接觸時(shí)間應(yīng)是決定塔板上各點(diǎn)處氣、液接觸效率的幾個(gè)重要因素。板效率是板上各點(diǎn)處接觸效果的綜合體現(xiàn)，因而，決定板效率高低的另一重要因素是板上液體的返混程度，此外霧沫夾帶及漏液現(xiàn)象，造成液相在塔板之間的返混，也使達(dá)到一定分離指標(biāo)所需的板的層數(shù)增多，總板效率下降。進(jìn)一步分析上述各因素，可歸納出以下幾個(gè)方面： 1物系性質(zhì) 物系性質(zhì)主要指粘度、密度、表面張力、擴(kuò)散系數(shù)、相對揮發(fā)度等。液體的粘度、密度直接影響板上液流的湍動(dòng)程

11、度，進(jìn)而影響傳質(zhì)系數(shù)和氣液接觸面積。表面張力影響泡沫生成的數(shù)量、大小及其穩(wěn)定性，因而也影響接觸面積的大小。物系的分子擴(kuò)散系數(shù)對傳質(zhì)系數(shù)有直接影響，而相對揮發(fā)度等相平衡常數(shù)的影響則體現(xiàn)在傳質(zhì)推動(dòng)力和過程速率的控制因素之中。2塔板型式與結(jié)構(gòu) 塔板結(jié)構(gòu)因素主要包括板間距、堰高、塔徑以及液體在板上的流徑長度等。各種結(jié)構(gòu)因素對操作狀況及塔板效率的影響前已有所討論。3操作條件 操作條件是指溫度、壓強(qiáng)、氣體上升速度、溢流強(qiáng)度、氣液流量比等因素，其中氣速的影響尤為重要。在避免大量霧沫夾帶和避免發(fā)生淹塔現(xiàn)象的前提下，增大氣速對于提高塔板效率一般是有利的湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化工原理課程教案教學(xué)課題： 第八章 氣液

12、傳質(zhì)設(shè)備第三節(jié) 填料塔 第四節(jié) 板式塔與填料塔的比較教學(xué)時(shí)間：第14周 5月29日 下午 第5，6節(jié)教學(xué)目的與要求：1、掌握填料塔結(jié)構(gòu) 2、掌握塔內(nèi)的流體力學(xué)特性3、掌握各種填料及其特性 教學(xué)重點(diǎn)：填料塔結(jié)構(gòu)、各種填料及其特性 教學(xué)難點(diǎn)：塔內(nèi)的流體力學(xué)特性 教學(xué)方式與手段： 講授 參考資料：教學(xué)過程：復(fù)習(xí)舊課講授新課：第三節(jié) 填料塔一、填料塔的結(jié)構(gòu)1 塔體金屬或陶瓷塔體一般均為圓柱形2 填料特性A比表面積 d：d=s/v=m2/m3=單位體積填料層所具有的表面積B空隙率e：單位體積填料層所具有的空隙體積e應(yīng)盡可能大,以提高氣液通過能力和減小氣液阻力C填料因子f：把有液體噴淋條件下實(shí)測的d/2相

13、應(yīng)數(shù)值稱濕填料因子,也稱填料因子f,單位:l/mf¯  填料阻力¯  發(fā)生液泛時(shí)的氣速  亦即流體力學(xué)性能好D單位堆積體積的填料數(shù)目：填料尺寸¯  數(shù)目  d  e¯ 氣流阻力  填料造價(jià)填料尺寸  塔壁處e  氣流易短路,為控制氣流不均勻,填料尺寸不應(yīng)大于（1/10-1/8）D填料的種類:分實(shí)體填料和網(wǎng)體填料兩大類常用填料有:拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、弧鞍與矩鞍填料、網(wǎng)體填料3 填料支承裝置：刪板填料支承、升氣管式支承4 液體的分布裝置：塔頂液體分布裝置：a 蓮蓬頭

14、式噴灑器b 盤式分布器c 齒槽式分布器液體再分布器： a 截錐式液體再分布器b 升氣管式支承板作液體再分布器二、填料塔的流體力學(xué)特性1 塔內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)當(dāng)液體自塔頂向下借重力在填料表面作膜狀流動(dòng)時(shí),膜內(nèi)平均流速?zèng)Q定于流動(dòng)的阻力。而此阻力來自于液膜與填料表面,及液膜與上升氣流之間的摩擦液膜厚度不僅取決于液體流量,而且與氣體流量有關(guān)圖8-31為不同液體噴淋量下取得的填料層壓力降與空塔氣速的雙對數(shù)關(guān)系線線A:氣體通過干填料層時(shí),壓力降與空塔氣速的關(guān)系,為直線線B:有液體噴淋,液體量小線C:有液體噴淋,液體量大以線B為例:u較低（點(diǎn)L以下）:線與A線大致平行。u  DP  液體下

15、流與流速無關(guān)u大于uL以后:線斜率增大,上升氣流開始阻礙液體順利下流,DPu大于uF以后:DP與u成垂直關(guān)系,表明上升氣體足以阻止液體下流,于是液體填料層充滿填料層空隙,氣體只能鼓泡上升,隨之液體被氣流帶出塔頂,發(fā)生液泛。載點(diǎn)（L點(diǎn)）:空塔氣速u增大到uL以后,氣速以使上升氣流與下降液體間摩擦力開始阻礙液體順利下流,使填料表面持液量增多,戰(zhàn)去更多空隙,氣體實(shí)際速度與空塔氣速的比值顯著提高,故壓力降比以前增加的快,這種現(xiàn)象稱載液,L點(diǎn)稱載點(diǎn)。泛點(diǎn)F:u增大到uF以后DP與u成垂直關(guān)系,表明上升氣體足以阻止液體下流,于是液體填料層充滿填料層空隙,氣體只能鼓泡上升,隨之液體被氣流帶出塔頂,塔的操作極

16、不穩(wěn)定,甚至被完全破壞,這種現(xiàn)象稱液泛,F點(diǎn)稱為泛點(diǎn)。線C的載點(diǎn)和泛點(diǎn)氣速都比線B的更低目前一般認(rèn)為填料塔的正常操作狀態(tài)只到泛點(diǎn)為止。2 填料層的壓力降吸收操作中,需知壓力降以確定動(dòng)力消耗；精餾操作中,需知壓力降以確定釜壓目前多用?？颂氐耐ㄓ脠D而重新繪制的填料層壓降和填料塔泛點(diǎn)的通用關(guān)聯(lián)圖求DP。3 泛點(diǎn)氣速用圖8-32計(jì)算（1）先求橫坐標(biāo)（2）過橫坐標(biāo)點(diǎn)作垂線,交泛點(diǎn)線得泛點(diǎn)縱坐標(biāo)（3）由泛點(diǎn)縱坐標(biāo)求泛點(diǎn)氣速三、填料塔的設(shè)計(jì)原則1 填料的選擇 填料尺寸的選定 填料材質(zhì)方面的選定2塔徑塔徑取決于氣體的體積流量和適宜的空塔氣速。前者由生產(chǎn)條件決定,后者則在設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定泛點(diǎn)率:適

17、宜空塔氣速與泛點(diǎn)氣速之比u適宜=（50%-80%）u泛點(diǎn)一般填料塔的操作氣速大致在0.2-1.0m/sD2=4VS/puu:適宜的空塔氣速用上法計(jì)算出的塔徑要進(jìn)行圓整,且要驗(yàn)算塔內(nèi)液體的噴淋密度是否大于最小噴淋密度噴淋密度Umin=（LW）mind潤濕率LW:指塔的橫截面上,單位長度的填料周邊上,液體的體積流量LW=U/d一般D£75mm  （LW）min=0.08m3/mh    D>75mm  （LW）min=0.12m3/mh如果限于生產(chǎn)條件,所采用的噴淋密度使?jié)櫇衤实陀谏鲜鲆?guī)定數(shù)值時(shí),就要增高填料層作為補(bǔ)償,即按正常方法

18、算出的填料層高度再除以填料表面效率h表此外,為保證填料潤濕均勻,還應(yīng)注意使塔徑與填料尺寸之比大于8,即選用填料不宜過大,以免使填料與塔壁之間存在額外空隙,而易于出現(xiàn)壁流現(xiàn)象3 壓力降以圖8-32計(jì)算DP。若DP超出工藝要求時(shí),則按DP由圖8-31反求氣速u,再重算塔徑D普通常壓塔:DP=147-490Pa/m填料層真空塔:DP£78Pa/m填料層4 填料高度 傳質(zhì)單元法 等板高度法四、填料塔的附件1.支承板：支承板的主要用途是支承板內(nèi)的填料，同時(shí)又能保證氣液兩相順利通過。支承板若設(shè)計(jì)不當(dāng)，填料塔的液泛可能首先在支承板上發(fā)生。對于普通填料，支承板的自由截面積應(yīng)不低于

19、全塔面積的50%，并且要大于填料層的自由截面積，常用的支承板有柵板和各種具有升氣管結(jié)構(gòu)的支承板。2.液體分布器：液體分布器對填料塔的性能影響極大。分布器設(shè)計(jì)不當(dāng)，液體預(yù)分布不均，填料層內(nèi)的有效潤濕面積減少而偏流現(xiàn)象和溝流現(xiàn)象增加，即使填料性能再好也很難得到滿意的分離效果。填料塔內(nèi)產(chǎn)生向壁偏流是因?yàn)橐后w觸及塔壁之后，其流動(dòng)不再具有隨機(jī)性而沿壁流下。既然如此，直徑越大的填料塔，塔壁所占的比例越小，向壁偏流現(xiàn)象應(yīng)該越小才是。然而，長期以來填料塔確實(shí)由于偏流現(xiàn)象而無法放大。現(xiàn)已基本搞清，除填料本身性能方面的原因外，液體初始分布不均，特別是單位塔截面上的噴淋點(diǎn)數(shù)太少，是產(chǎn)生上述狀況的重要因素。近一、二十年來，許多直徑幾米至十幾米的大型填料塔的操作實(shí)踐表明，填料塔只要設(shè)計(jì)正確，保證液體預(yù)分布均勻，特別是保證單位塔截面的噴淋點(diǎn)數(shù)與小塔相同填料塔的放大效應(yīng)并不顯著，大型塔和小型塔將具有一致的傳質(zhì)效率。常用的液體分布器結(jié)構(gòu)如所示。多孔管式分布器能適應(yīng)較大的遺體流量波動(dòng)，對安裝水平度要求不高，對氣體的阻力也很小。但是，由于管