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福州大学化工原理教案 气液传质设备
10 气液传质设备
10.1 板式塔 10.1.1 概述
板式塔是一种应用极为广泛的气液传质设备，它由一个通常呈圆柱形的壳体及其中按一定间距水平设置的若干塔板所组成。如图10-1所示，板式塔正常工作时，液体在重力作用下自上而下通过各层塔板后由塔底排出；气体在压差推动下，经均布在塔板上的开孔由下而上穿过各层塔板后由塔顶排出，在每块塔板上皆贮有一定的液体，气体穿过板上液层时，两相接触进行传质。
为有效地实现气液两相之间的传质，板式塔应具有以下两方面的功能：
①在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，减小传质阻力；
②在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。
由吸收章可知，当气液两相进、出塔设备的浓度一定时，两相逆流接触时的平均传质推动力最大。在板式塔内，各块塔板正是按两相逆流的原则组合起来的。
但是，在每块塔板上，由于气液两相的剧烈搅动，是不可能达到充分的逆流流动的。为获得尽可能大的传质推动力，目前在塔板设计中只能采用错流流动的方式，即液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层。
由此可见，除保证气液两相在塔板上有充分的接触之外，板式塔的设计意图是，在塔内造成一个对传质过程最有利的理想流动条件，即在总体上使两相呈逆流流动，而在每一块塔板上两相呈均匀的错流接触。
10.1.2 筛板上的气液接触状态
塔板上气液两相的接触状态是决定板上两相流流体力学及传质和传热规律的重要因素。如图片3-8所示，当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现四种不同的接触状态。
（1）鼓泡接触状态
当气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。
（2）蜂窝状接触状态
随着气速的增加，气泡的数量不断增加。当气泡的形成速度大于气泡的浮升速度时，气泡在液层中累积。气泡之间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡，板上为以气体为主的气液混合物。由于气泡不易破裂，表面得不到更新，所以此种状态不利于传热和传质。
（3）泡沫接触状态
当气速继续增加，气泡数量急剧增加，气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，形成一些直径较小，扰动十分剧烈的动态泡沫，在板上只能看到较薄的一层液体。由于泡沫接触状态的表面积大，并不断更新，为两相传热与传质提供了良好的条件，是一种较好的接触状态。
（4）喷射接触状态
当气速继续增加，由于气体动能很大，把板上的液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用又落回到板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。此时塔板上的气体为连续相，液体为分散相，两相传质的面积是液滴的外表面。由于液滴回到塔板上又被分散，这种液滴的反复形成和聚集，使传质面积大大增加，而且表面不断更新，有利于传质与传热进行，也是一种较好的接触状态。
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如上所述，泡沫接触状态和喷射状态均是优良的塔板接触状态。因喷射接触状态的气速高于泡沫接触状态，故喷射接触状态有较大的生产能力，但喷射状态液沫夹带较多，若控制不好，会破坏传质过程，所以多数塔均控制在泡沫接触状态下工作。 10.1.3 气体通过筛板的阻力损失
气体通过塔板的压降（塔板的总压降）包括：塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力），板上充气液层的静压力及液体的表面张力。
塔板压降是影响板式塔操作特性的重要因素。塔板压降增大，一方面塔板上气液两相的接触时间随之延长，板效率升高，完成同样的分离任务所需实际塔板数减少，设备费降低；另一方面，塔釜温度随之升高，能耗增加，操作费增大，若分离热敏性物系时易造成物料的分解或结焦。因此，进行塔板设计时，应综合考虑，在保证较高效率的前提下，力求减小塔板压降，以降低能耗和改善塔的操作。 10.1.4 板式塔的不正常操作现象
筛板塔内气体两相的非理想流动包括漏液、液泛和液沫夹带等，是使塔板效率降低甚至使操作无法进行的重要因素，因此，应尽量避免这些异常操作现象的出现。
（1）漏液
在正常操作的塔板上，液体横向流过塔板，然后经降液管流下。当气体通过塔板的速度较小时，气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下时，便会出现漏液现象。漏液的发生导致气液两相在塔板上的接触时间减少，塔板效率下降，严重时会使塔板不能积液而无法正常操作。通常，为保证塔的正常操作，漏液量应不大于液体流量的10%。漏液量达到10%的气体速度称为漏液速度，它是板式塔操作气速的下限。
造成漏液的主要原因是气速太小和板面上液面落差所引起的气流分布不均匀。在塔板液体入口处，液层较厚，往往出现漏液，为此常在塔板液体入口处留出一条不开孔的区域，称为安定区。 （2）液沫夹带
上升气流穿过塔板上液层时，必然将部分液体分散成微小液滴，气体夹带着这些液滴在板间的空间上升，如液滴来不及沉降分离，则将随气体进入上层塔板，这种现象称为液沫夹带。
液滴的生成虽然可增大气液两相的接触面积，有利于传质和传热，但过量的液沫夹带常造成液相在塔板间的返混，进而导致板效率严重下降。为维持正常操作，需将液沫夹带限制在一定范围，一般允许的液沫夹带量为ev<0.1kg（液）/ kg（气）。
影响液沫夹带量的因素很多，最主要的是空塔气速和塔板间距。空塔气速减小及塔板间距增大，可使液沫夹带量减小。 （3）液泛
塔板正常操作时，在板上维持一定厚度的液层，以和气体进行接触传质。如果由于某种原因，导致液体充满塔板之间的空间，使塔的正常操作受到破坏，这种现象称为液泛。
当塔板上液体流量很大，上升气体的速度很高时，液体被气体夹带到上一层塔板上的量剧增，使塔板间充满气液混合物，最终使整个塔内都充满液体，这种由于液沫夹带量过大引起的液泛称为夹带液泛。
当降液管内液体不能顺利向下流动时，管内液体必然积累，致使管内液位增高而越过溢流堰顶部，两板间液体相连，塔板产生积液，并依次上升，最终导致塔内充满液体，这种由于降液管内充满液体而引起的液泛称为降液管液泛。
液泛的形成与气液两相的流量相关。对一定的液体流量，气速过大会形成液泛；反之，对一定的气体流量，液量过大也可能发生液泛。液泛时的气速称为泛点气速，正常操作气速应控制在泛点气速之下。
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影响液泛的因素除气液流量外，还与塔板的结构，特别是塔板间距等参数有关，设计中采用较大的板间距，可提高泛点气速。
10.1.5 板效率的各种表示方法及其应用
（1）点效率
EOG式中 y——离开塔板上某点的气相组成；
?y?yn?1y*?yn?1
yn?1——进入第n块板的气相组成；
y*——与被考察点液相组成x成平衡的气相组成。
为计算实际板数，必须知道离开同一块实际塔板的两相平均组成的关系。点效率不能满足此要求。 （2）默弗里板效率
EmV,n?yn?yn?1yn?yn?1* ， EmL,n?xn?1?xnxn?1?xn*
不仅考虑了塔板上两相之间的接触状况，同时也计入了塔板上气液两相的非理想流动，但未考虑塔板间的非理想流动，即液沫夹带和漏夜。EmV、EmL均小于1。 （3）理论板数
Ea?Yn?Yn?1
y*?Yn?1Ea考虑了液沫夹带的影响即eV。一般据修正平衡线的概念，实验经常考（设各板EmV均相等为
0.6，全回流求实际塔板数）。
（4）全塔效率（设计时最常用）
ET?式中 NT——理论板数；
N——实际板数。
P164精馏与吸收ET关联图，已出现许多关联式 10.1.6提高板效率的措施
NT N10.1.6.1 结构参数
影响塔板效率的结构参数很多，塔径、板间距、堰高、堰长以及降液管尺寸等对板效率皆有影响，必须按某些经验规则恰当地选择。此外，有以下两点得特别指出。
（1）合理选择塔板的开孔率和孔径造成适应于物系性质的气液接触状态
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塔板上存在着两种气液接触状态——泡沫状态和喷射状态。不同的孔速下将出现不同的气液接触状态，不同的物系适宜于不同的接触状态。
已知，轻组分表面张力小于重组分的物系宜采用泡沫接触状态，轻组分表面张力大于重组分的物系宜采用喷射接触状态。这一点可解释如下：
在泡沫接触状态，气泡密集，板上液体呈液膜状态而介于气泡之间。在传质过程中，液膜是否稳定左右着实际相界面的大小。如果液膜不稳定，则易被撕裂而发生气泡的合并，相界面将减少。设有液膜如图所示，其表面张力为?。若液膜的某一局部发生质量传递，该处膜厚减薄，轻组分浓度减小，重组分浓度增加，表面张力发生变化。
显然，对于重组分表面张力较小的物系，局部传质处的表面张力?将小于?，液体被拉向四周，导致液膜破裂气泡合并。反之，对于重组分表面张力较大的物系，局部蒸发处的表面张力 ?将大于?，可吸引周围的液体，使液膜得以恢复，液膜比较稳定。
因此，重组分表面张力较大的物系，宜采用泡沫接触状态。若以x表示重组分的摩尔分数，这种物系的
''d??0，故可称为正系统。 dx在喷射状态中，液相被分散成液滴而形成界面。与泡沫接触状态中的液膜相反，此时，液滴的稳定性越差，液滴越容易分裂，相界面越大。如图所示，由于局部质量传递，液滴表面的某个局部将出现缺口，此处重组分摩尔分数增加，表面张力发生变化。
对于正系统，缺口处的表面张力?大于?，缺口得以弥合，液滴稳定不易分裂。对于重组分表面张力较小的物系，缺口处的表面张力?小于?，缺口将自动扩展加深，导致液滴分裂。因此，重组分表面张力较小的物系，宜采用喷射接触状态。同样，若以x表示重组分的摩尔分数，这种物系的
''d??0，故dx可称为负系统。
总之，正系统的液滴或液膜的稳定性皆好，宜采用泡沫接触状态而不宜采用喷射接触状态；负系统的液滴或液膜稳定性差，宜采用喷射接触状态而不宜采用泡沫接触状态。
（2）设置倾斜的进气装置，使全部或部分气流斜向流入液层
在塔板上适当地设置倾斜进气装置，使全部或部分气体沿倾斜于液体流动的方向进入液层，具有以下优点。
① 斜向进气时，气体将给液体以部分动量。这样，液体将在该部分动量推动下沿塔板流动，而不必依靠液面落差。适当地分配斜向进入的气量。即可维持一定的液层厚度，还可以消除液面落差，促使气流的均布。
② 适当地安排斜向进气装置，即在塔板边缘处适当增加斜向进气装置的数量，可使液体沿圆形塔板表面流动均匀。
③ 斜向进气时造成的液滴具有倾斜的初速度，其垂直分量较小，因而液膜夹带量有所下降。
总之，适量采用斜向进气装置，可减少气液两相在塔板上的非理想流动，提高塔板效率。实现斜向进气的塔结构有多种形式。例如，舌形塔板、斜孔塔板、网孔塔板等使全部气体倾向进入液层；而林德筛板则使部分气体斜向进入液层。 10.1.6.2操作参数和塔板的负荷性能图
（1）负荷性能图
① 1为过量液沫夹带线，通常以eV?0.1Kg液/Kg干空气为依据确定，气液负荷位于该线上方，表
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