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筛板塔、泡罩塔和浮阀塔的优缺点
  • 发布日期:2020-04-24      浏览次数:772
    • DYQ011  筛板塔气体吸收实验装置

      DYQ011Ⅱ     数据采集筛板塔气体吸收实验装置

      DYQ026Ⅱ     数据采集喷淋式气体吸收塔

      DYQ031Ⅱ     数据采集湍球塔气体吸收实验装置

      DYQ016Ⅱ     数据采集浮阀塔气体吸收实验装置

      DYQ021Ⅱ     数据采集鼓泡塔气体吸收实验装置

      DYQ001Ⅱ     数据采集填料塔气体吸收实验装置

      DYH211  "填料吸收塔实验(NH3体系)/填料塔分离效率测定设备"

      DYH251  筛板塔精馏实验装置

      DYH256  填料塔精馏实验装置

       

      筛板塔是扎板塔的一种,内装若干层水平塔板,板上有许多小孔,形状如筛;并装有溢流管或没有溢流管。操作时,液体由塔顶进入,经溢流管(一部分经筛孔)逐板下降,并在板上积存液层。气体(或蒸气)由塔底进入,经筛孔上升穿过液层,鼓泡而出,因而两相可以充分接触,并相互作用。泡沫式接触气液传质过程的一种形式,性能优于泡罩塔。为克服筛板安装水平要求过高的困难,发展了环流筛板;克服筛板在低负荷下出现漏液现象,设计了板下带盘的筛板;减轻筛板上雾沫夹带缩短板间距,制造出板上带挡的的筛板和突孔式筛板和用斜的增泡台代替进口堰,塔板上开设气体导向缝的林德筛板。筛板塔普遍用作H2S-H2O 双温交换过程的冷、热塔。应用于蒸馏、吸收和除尘等。# ~1 Y) h2 y- l, ?! d+ T5 G , `% k* {. a+ \1 }" A- p2 f 泡罩塔板是工业上应用最早的塔板,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I0 Z8 b. G; p3 d 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。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F1型、V-4型及T型等。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。

       

      浮阀塔结构原理

       

      浮阀塔F-型(国外通称V-型)是用钢板冲压而成的圆形阀片,浮阀塔F-型下面有三条阀腿,把三条阀腿装入塔板的阀孔之后,用工具将腿下的阀脚扭转90°,则浮阀就被限制在浮孔内只能上下运动而不能脱离塔板。当气速较大时,浮阀塔F-型浮阀被吹起,达到最大开度;当气速较小时,气体的动压头小于浮阀自重,于是浮阀塔F-型浮阀下落,浮阀周边上三个朝下倾斜的定距片与塔板接触,此时开度最小。定距片的作用是保证最小气速时还有一定的开度,使气体与浮阀塔F-型塔板上液体能均匀地鼓泡,避免浮阀与塔板粘住。浮阀塔F-型浮阀的开度随塔内气相负荷大小自动调节,可以增大传质的效果,减少雾沫夹带。

      塔盘的形式目前主要有泡罩式、浮阀式、立体传质式、筛板式、舌形塔、浮动舌形式和浮动喷射式等。请讨论:

       

      1、比较各种塔盘的传质效率

       

      2、各种塔盘的产生背景

       

      浮阀式结构简单弹性好、制造安装容易一般都有采用

       

      浮动舌形式也可以

       

      筛板类型加工简单但是弹性太小。

       

      泡罩式结构复杂塔盘重量大

       

      填料塔的作用是起到吸收作用,是化工、石油化工和炼油生产中最重要的设备之一。

       

      以下讲一下填料塔的结构特点:

      填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒,底部装有填料支承板,填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板,以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上,并沿填料表面流下。气体从塔底送入,经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后,与液体呈逆流连续通过填料层的空隙,在填料表面上,气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备,两相组成沿塔高连续变化,在正常操作状态下,气相为连续相,液相为分散相。

       

      当液体沿填料层向下流动时,有逐渐向塔壁集中的趋势,使得塔壁附近的液流量逐渐增大,这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均,从而使传质效率下降。因此,当填料层较高时,需要进行分段,中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分,上层填料流下的液体经液体收集器收集后,送到液体再分布器,经重新分布后喷淋到下层填料上。

       

      填料塔具有生产能力大,分离效率高,压降小,持液量小,操作弹性大等优点。

       

      填料塔也有一些不足之处,如填料造价高;当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面,使传质效率降低;不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料;对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。

       

      填料的分类

       

      填料的种类很多,根据装填方式的不同,可分为散装填料和规整填料。

       

      1.散装填料

       

      散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体,一般以随机的方式堆积在塔内,又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同,又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散装填料:

       

      拉西环鲍尔环阶梯环弧鞍填料矩鞍填料金属环矩鞍填料球形填料(1)拉西环填料于1914年由拉西(F. Rashching)发明,为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差,传质效率低,阻力大,通量小,目前工业上已较少应用。

       

      (2)鲍尔环填料是对拉西环的改进,在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔,被切开的环壁的一侧仍与壁面相连,另一侧向环内弯曲,形成内伸的舌叶,诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔,大大提高了环内空间及环内表面的利用率,气流阻力小,液体分布均匀。与拉西环相比,鲍尔环的气体通量可增加50%以上,传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。

       

      (3)阶梯环填料是对鲍尔环的改进,与鲍尔环相比,阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少,使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短,减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度,而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主,这样不但增加了填料间的空隙,同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点,可以促进液膜的表面更新,有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环,成为目前所使用的环形填料中较为优良的一种。

       

      (4)弧鞍填料属鞍形填料的一种,其形状如同马鞍,一般采用瓷质材料制成。弧鞍填料的特点是表面全部敞开,不分内外,液体在表面两侧均匀流动,表面利用率高,流道呈弧形,流动阻力小。其缺点是易发生套叠,致使一部分填料表面被重合,使传质效率降低。弧鞍填料强度较差,容破碎,工业生产中应用不多。

       

      (5)矩鞍填料将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面,且两面大小不等,即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠,液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成,其性能优于拉西环。目前,国内绝大多数应用瓷拉西环的场合,均已被瓷矩鞍填料所取代。

       

      (6)金属环矩鞍填料环矩鞍填料(国外称为Intalox)是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料,该填料一般以金属材质制成,故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体,其综合性能优于鲍尔环和阶梯环,在散装填料中应用较多。

       

      (7)球形填料一般采用塑料注塑而成,其结构有多种。球形填料的特点是球体为空心,可以允许气体、液体从其内部通过。由于球体结构的对称性,填料装填密度均匀,不易产生空穴和架桥,所以气液分散性能好。球形填料一般只适用于某些特定的场合,工程上应用较少。

       

      除上述几种较典型的散装填料外,近年来不断有构型独特的新型填料开发出来,如共轭环填料、海尔环填料、纳特环填料等。工业上常用的散装填料的特性数据可查有关手册。

       

      2.规整填料

       

      规整填料是按一定的几何构形排列,整齐堆砌的填料。规整填料种类很多,根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。

       

      (1)格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的,具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等,其中以格里奇格栅填料具有代表性。

       

      格栅填料的比表面积较低,主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。

       

      (2)波纹填料目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料,它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料,波纹与塔轴的倾角有30°和45°两种,组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内,相邻的两盘填料间交错90°排列。

       

      波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类,其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。

       

      金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式,它是由金属丝网制成的。金属丝网波纹填料的压降低,分离效率很高,特别适用于精密精馏及真空精馏装置,为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高,但因其性能优良仍得到了广泛的应用。

       

      金属板波纹填料是板波纹填料的一种主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多f5mm左右的小孔,可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹,可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高,耐腐蚀性强,特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。

      金属压延孔板波纹填料是另一种有代表性的板波纹填料。它与金属孔板波纹填料的主要区别在于板片表面不是冲压孔,而是刺孔,用辗轧方式在板片上辗出很密的孔径为0.4~0.5mm小刺孔。其分离能力类似于网波纹填料,但抗堵能力比网波纹填料强,并且价格便宜,应用较为广泛。

       

      波纹填料的优点是结构紧凑,阻力小,传质效率高,处理能力大,比表面积大(常用的有125、150、250、350、500、700等几种)。波纹填料的缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料,且装卸、清理困难,造价高。

       

      (3)脉冲填料是由带缩颈的中空棱柱形个体,按一定方式拼装而成的一种规整填料。脉冲填料组装后,会形成带缩颈的多孔棱形通道,其纵面流道交替收缩和扩大,气液两相通过时产生强烈的湍动。在缩颈段,气速较高,湍动剧烈,从而强化传质。在扩大段,气速减到最小,实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复,实现了“脉冲”传质过程。

       

      脉冲填料的特点是处理量大,压降小,是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少,故特别适用于大塔径的场合。

       

      (1)塔内气、液两相异常流动

       

      a. 液泛

       

      气、液两相在塔内总体上呈逆行流动,并在塔板上维持适宜的液层高度,气、液两相适宜接触状态,进行接触传质。如果由于某种原因,使得气、液两相流动不畅,使板上液层迅速积累,以致充满整个空间,破坏塔的正常操作,称此现象为液泛,如图6.9.2所示。根据液泛发生原因不同,可分为两种不同性质的液泛。

       

      ·过量雾沫夹带液泛

       

      雾沫夹带造成返混,降低塔板效率。少量夹带不可避免,只有过量的夹带才能引起严重后果。液沫夹带有两种原因引起,其一是气相在液层中鼓泡,气泡破裂,将雾沫弹溅至上一层塔板。可见,增加板间距可减少夹带量。另一种原因是气相运动是喷射状,将液体分散并可携带一部分液沫流动,此时增加板间距不会奏效。随气速增大,使塔板阻力增大,上层塔板上液层增厚,塔板液流不畅,液层迅速积累,以致充满整个空间,即液泛。由此原因诱发的液泛为液沫夹带液泛。开始发生液泛时的气速称之为液泛气速。·降液管液泛

       

      当塔内气、液两相流量较大,导致降液管内阻力及塔板阻力增大时,均会引起降液管液层升高,。当降液管内液层高度难以维持塔板上液相畅通时,降液管内液层迅速上升,以致达到上一层塔板,逐渐充满塔板空间,即发生液泛。并称之为降液管内液泛。两种液泛互相影响和关相。其最终现象相同。

       

      b. 严重漏液

       

      板式塔少量漏液不可避免,当气速进一步降低时,漏液量增大,导致塔板上难以维持正常操作所需的液面,无法操作。此漏液为严重漏液,如图6.9.3所示,称相应的孔流气速为漏液点气速。

       

      (2)塔板上气、液流动状态

       

      从筛板和浮阀塔板的生产实践发现,从严重漏液到液泛整个范围内存在有五种接触状态,即:鼓泡状态、蜂窝状态、泡沫状态、喷射状态及乳化状态。

       

      由于低气速下产生的不连续鼓泡群传质面积小,比较平静,而靠小径塔壁稳定的蜂窝状,其泡沫层湍动较差,不利于传质。而高速液流剪切作用下使气相形成小气泡均匀分布在液体中,形成均匀两相流体,即乳化态流体,不利于两相的分离,此状态在高压高液流量时易出现。故这三种不是传质的适宜状态,工业生产中一般希望呈现泡沫态和喷射态两种状态。

       

      a 泡沫状态

       

      随气速的增大,接触状态由鼓泡、蜂窝状两状态逐渐转变为泡沫状,如图6.9.4(a)所示。由于孔口处鼓泡剧烈,各种尺寸的气泡连串迅速上升,将液相拉成液膜展开在气相内,因泡沫剧烈运动,使泡沫不断破裂和生成,以及产生液滴群,泡沫为传质创造了良好条件。

       

      是工业上重要的接触状态之一。

       

      (a)泡沫状(b)喷射状

      b.喷射状态

       

      当液相流量较小而进一步提高气速时,则泡沫状将逐渐转变为喷射状。从筛孔或阀孔中吹出的高速气流将液相分散高度湍动的液滴群,液相由连续相转变为分散相,两相间传质面为液滴群表面。由于液体横向流经塔板时将多次分散和凝聚,表面不断更新,为传质创造了良好的条件,是工业塔板上另一重要的气、液接触状态。

       

      为此,在设计和操作中,尽可能保证一良好接触状态,是非常重要的。

       

      (2)浮阀塔板

       

      浮阀是20世纪二战后开始研究,50年代开始启用的一种新型塔板,后来又逐渐出现各种型式的浮阀,其型式有圆形、方形、条形及伞形等。较多使用圆形浮阀,而圆形浮阀又分为多种型式,如图6.9.6所示。

       

      浮阀取消了泡罩塔的泡罩与升气管,改在塔上开孔,阀片上装有限位的三条腿,浮阀可随气速的变化上、下自由浮动,提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降,同时具有较高塔板效率,在生产中得到广泛的应用。

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