西北大学化工原理电子教案 10.气液传质设备 精馏和吸收都属气液传质过程，过程进行的主要设备是塔设备。它广泛用于各种化工生 产中。本章主要讨论其设计和应用、操作情况。 塔设备可按气液接触部件的结构形式分为：板式塔和填料塔。无论哪一种塔设备，其基 本功能都在于提供气、液两相充分接触的机会，使热质两种传递过程能够有效的进行，还要 使接触后两相及时分开，互不夹带。 评价塔设备的基本指标主要包括： 1、生产能力：即单位塔截面上单位时间的物料处理量： 2、分离效率：对板式塔是指每层塔板可达到的分离程度：对填料塔是指单位高度填料 层所能达到的分离程度： 3、适应能力及操作弹性：指对各种物料性质的适应性以及在负荷波动时维持稳定操作 而且保持较高分离效率的能力： 4、流动阻力：即气相通过每层塔板或单位高度填料层的压强降： 5造价和安装、维修的难易。 在实际生产中，一个塔的性能不仅与其结构因素有关，还与设计是否合理、使用是否得 当、操作范围是否在适宜范围之内等因素有关。 10.1板式塔 10.1.1概述 板式塔的设计意图板式塔的结构简图见图10-1。 塔体是圆柱形，塔内每隔一定间距装一块塔板。液体 由上部进入流过每层塔板，气体由下部进入穿过每层 塔板，板上有一定液层，以保持气液接触。在总体上 汽液呈逆流，在每块塔板上汽液成错流。 ↑tf 气体 筛孔塔板的构造塔板是板式塔的主要部件。塔板的 田10-】板式塔结构 形式有许多种，此处以筛孔塔板为例进行介绍。 简图 塔板的主要构件或结构包括：
西北大学化工原理电子教案 10. 气液传质设备 精馏和吸收都属气液传质过程，过程进行的主要设备是塔设备。它广泛用于各种化工生 产中。本章主要讨论其设计和应用、操作情况。 塔设备可按气液接触部件的结构形式分为：板式塔和填料塔。无论哪一种塔设备，其基 本功能都在于提供气、液两相充分接触的机会，使热质两种传递过程能够有效的进行，还要 使接触后两相及时分开，互不夹带。 评价塔设备的基本指标主要包括： 1、生产能力：即单位塔截面上单位时间的物料处理量； 2、分离效率：对板式塔是指每层塔板可达到的分离程度；对填料塔是指单位高度填料 层所能达到的分离程度； 3、适应能力及操作弹性：指对各种物料性质的适应性以及在负荷波动时维持稳定操作 而且保持较高分离效率的能力； 4、流动阻力：即气相通过每层塔板或单位高度填料层的压强降； 5 造价和安装、维修的难易。 在实际生产中，一个塔的性能不仅与其结构因素有关，还与设计是否合理、使用是否得 当、操作范围是否在适宜范围之内等因素有关。 10.1 板式塔 10.1.1 概述 板式塔的设计意图 板式塔的结构简图见图 10-1。 塔体是圆柱形，塔内每隔一定间距装一块塔板。液体 由上部进入流过每层塔板，气体由下部进入穿过每层 塔板，板上有一定液层，以保持气液接触。在总体上 汽液呈逆流，在每块塔板上汽液成错流。 筛孔塔板的构造 塔板是板式塔的主要部件。塔板的 形式有许多种，此处以筛孔塔板为例进行介绍。 塔板的主要构件或结构包括： 1
西北大学化工原理电子教案 1、塔板上的气体通道，主要是使气体通过并与板上液体接触。对筛板塔、筛孔就是按 一定排列方式钻出的小孔，孔径一般3~8mm,也有大孔径12~25mm。 2、溢流堰 为使塔板上保留一定液层，板出口处装置溢流堰，大液量 采用平直堰，小液量采用齿形堰，高用hw,长度用w表示。 液相 滋流堰 3、降液层 降液管 每层塔板下流的液体经降液管流入下层塔板。对小塔采用 气相 管式降液管，对稍大一点的塔都采用弓形降液管。 降液层下部必须液封，以防止气体短路，从降液管进入上 层塔板。液封的方法有两种：一是在降液管前安装进口堰，但 进口堰高度必须小于出口堰高，另一种是采用凹形受液盘，即如图所示。参见上图。 对于小塔（直径约2以下）多用单流道，即一个降液管，对于大塔，采用双流道或多 流道，则有两个或多个降液管。 10.1.2塔板上的汽液接触状态 塔板上的汽液接触状态有三种： 泡浓状态 喷射状态 塔核上的气液接触状态 鼓泡接触状态 低气速时，气体以鼓泡状态通过液层，此时液相为连续相，气相为分散相，两相接触表 面为气泡表面。此时湍动程度小，传质阻力大。 泡沫接触状态 也称蜂巢状接触，此时气速较高，气泡表面连成一片，并不断发生合并和破裂，板上液 体大部分以液膜状态存在于气泡之间，此即称泡沫接触或蜂巢状接触。在此状态下，液相仍 为连续相，气相为分散相，并且接触面积为液膜面积。筛孔塔板的正常操作工况都应在此种 接触工况下操作。 2
西北大学化工原理电子教案 1、塔板上的气体通道，主要是使气体通过并与板上液体接触。对筛板塔、筛孔就是按 一定排列方式钻出的小孔，孔径一般 3～8mm，也有大孔径 12～25mm。 2、溢流堰 为使塔板上保留一定液层，板出口处装置溢流堰，大液量 采用平直堰，小液量采用齿形堰，高用 hw，长度用 lw 表示。 3、降液层 每层塔板下流的液体经降液管流入下层塔板。对小塔采用 管式降液管，对稍大一点的塔都采用弓形降液管。 降液层下部必须液封，以防止气体短路，从降液管进入上 层塔板。液封的方法有两种：一是在降液管前安装进口堰，但 进口堰高度必须小于出口堰高，另一种是采用凹形受液盘，即如图所示。参见上图。 对于小塔（直径约 2m 以下）多用单流道，即一个降液管，对于大塔，采用双流道或多 流道，则有两个或多个降液管。 10.1.2 塔板上的汽液接触状态 塔板上的汽液接触状态有三种： 鼓泡接触状态 低气速时，气体以鼓泡状态通过液层，此时液相为连续相，气相为分散相，两相接触表 面为气泡表面。此时湍动程度小，传质阻力大。 泡沫接触状态 也称蜂巢状接触，此时气速较高，气泡表面连成一片，并不断发生合并和破裂，板上液 体大部分以液膜状态存在于气泡之间，此即称泡沫接触或蜂巢状接触。在此状态下，液相仍 为连续相，气相为分散相，并且接触面积为液膜面积。筛孔塔板的正常操作工况都应在此种 接触工况下操作。 2
西北大学化工原理电子教案 喷射形接触状态 气速进一步增加，液体被气体流破碎成液滴，并抛向空间，液滴下落到板上又被抛起， 此种接触称为喷射形接触。在此种接触状态下，气相为连续相，液相为分散相，接触面积为 液滴表面积。由泡沫状转到喷射状的临界点称为转相点。 在工业中经常采用泡沫或喷射接触状态，但对鼓泡形塔板，主要是泡沫形接触。 10.1.3气体通过筛板的压力损失 流体通过塔板的压力降是衡量塔板流体力学特性的重要指标之一，并且是塔板设计的一 项重要指标。 塔板压力降就是通过塔板的气相压差值，以米流体柱表示，即为： 方，=A2=9+H, (10-1) p.g p.g 或 △p=hrp,g H,<42 (10-2) Pyg 流体通过塔板的压力降主要有两部分（对鼓泡塔） 1、干板压降：即无液体时的压降：方。 2、穿过板上的液层压降。方， 因而对鼓泡形塔板，湿板压降采用叠加规则，即： hr=h。+h, (10-3) 若以液柱表示，则： h,=h,+i, (10-4) 并且： 方=P方 P 干板压降 千板压降的计算用局部阻力系数的公式， 即： 16 h4= (10-5) c2g 4o为孔速(ms),或以液柱高度表示：
西北大学化工原理电子教案 喷射形接触状态 气速进一步增加，液体被气体流破碎成液滴，并抛向空间，液滴下落到板上又被抛起， 此种接触称为喷射形接触。在此种接触状态下，气相为连续相，液相为分散相，接触面积为 液滴表面积。由泡沫状转到喷射状的临界点称为转相点。 在工业中经常采用泡沫或喷射接触状态，但对鼓泡形塔板，主要是泡沫形接触。 10.1.3 气体通过筛板的压力损失 流体通过塔板的压力降是衡量塔板流体力学特性的重要指标之一，并且是塔板设计的一 项重要指标。 塔板压力降就是通过塔板的气相压差值，以米流体柱表示，即为： T v v f H g p g + Δ = ℘Δ = ρρ ' h （10-1） 或 g p H v T ρ Δ ρ vf gp Q << ' =Δ h （10-2） 流体通过塔板的压力降主要有两部分（对鼓泡塔） 1、 干板压降：即无液体时的压降： ' h α 2、 穿过板上的液层压降。 ' h l 因而对鼓泡形塔板，湿板压降采用叠加规则，即： ''' ldf += hhh （10-3） 若以液柱表示，则： += hhh ldf （10-4） ' hh l v ρ ρ 并且： = 干板压降 干板压降的计算用局部阻力系数的公式， g u c d 2 1 2 0 2 0 ' 即： h = （10-5） u0 为孔速（m/s），或以液柱高度表示： 3
西北大学化工原理电子教案 1P)2 hd= (10-6) 2g PLCo ℃。由实验测定，并且对不同的开孔率和板厚，筛孔的大小，其值不同，一般，干板压降与 孔速成平方关系（试验大概在1.7~2.2之间，但关联时，取到2，并调整c。)。 液层阻力主要由三个原因产生：①克服板上泡沫层的静压（占主要部分）：②形成g! 界面的能耗：③通过液层的摩擦阻力损失。液层阻力与液量强度、气速、物性(P、μ等) 以及塔板结构有关，由实验测定并关联。 在实验测定时，先测干板，再测湿板，湿板与干板压降之差即为液层阻力，然后关联， 得出总的湿板压强。 一般在低气速下液层阻力为主，高气速时干板压降占的比例增大。 10.1.4筛板塔内气液两相的非理想流动 板式塔的非理想流动现象有两类：一是空间的反向流动，一是空间的不均匀流动。这些 非理想流动都背离逆流的原则，并造成传质效率降低。 10.1.4.1空间上的反向流动 空间反向流动是指与主体流动方向相反的液体或气体流动。 1、液（雾）沫夹带 气流通过塔板上液层时，会挟带液滴向上运动，一定液滴的液体会进入上一层塔板形成 液沫夹带。液沫夹带是液体与主流方向不一致的现象，会降低传质效率。严重时引起夹带液 泛。 液沫夹带的形成有两个原因，一是小液滴的沉降速度小于空间气流速度，因而小液滴被 夹带上去，此时夹带量和夹带的形成与板间距无关。另一原因液滴的飞溅，此部分液滴直径 较大。并且夹带量与板间距有关。总的来说，液沫夹带与板间距有关，板间距大，夹带量小， 板间距小，夹带量大。 液沫夹带以三种方式表示： ①以1kmol(或kg)干气体的夹带的液体量，以e表示，单位为kmol或kg: ②以每层塔板在单位时间内被气体夹带的液体量，以e'表示，单位为kmol或kg: ③以被夹带的液体流量占流经塔板总液体流量的分率表示。 三者的关系为：
西北大学化工原理电子教案 2 0 0 . 2 1 〉〈= c u g L v d ρ ρ h （10-6） 0 c 由实验测定，并且对不同的开孔率和板厚，筛孔的大小，其值不同，一般，干板压降与 孔速成平方关系（试验大概在 1.7~2.2 之间，但关联时，取到 2，并调整 ）。0 c 液层阻力 主要由三个原因产生：①克服板上泡沫层的静压（占主要部分）；②形成 g-l 界面的能耗；③通过液层的摩擦阻力损失。液层阻力与液量强度、气速、物性（ ρ 、μ 等） 以及塔板结构有关，由实验测定并关联。 在实验测定时，先测干板，再测湿板，湿板与干板压降之差即为液层阻力，然后关联， 得出总的湿板压强。 一般在低气速下液层阻力为主，高气速时干板压降占的比例增大。 10.1.4 筛板塔内气液两相的非理想流动 板式塔的非理想流动现象有两类：一是空间的反向流动，一是空间的不均匀流动。这些 非理想流动都背离逆流的原则，并造成传质效率降低。 10.1.4.1 空间上的反向流动 空间反向流动是指与主体流动方向相反的液体或气体流动。 1、 液（雾）沫夹带 气流通过塔板上液层时，会挟带液滴向上运动，一定液滴的液体会进入上一层塔板形成 液沫夹带。液沫夹带是液体与主流方向不一致的现象，会降低传质效率。严重时引起夹带液 泛。 液沫夹带的形成有两个原因，一是小液滴的沉降速度小于空间气流速度，因而小液滴被 夹带上去，此时夹带量和夹带的形成与板间距无关。另一原因液滴的飞溅，此部分液滴直径 较大。并且夹带量与板间距有关。总的来说，液沫夹带与板间距有关，板间距大，夹带量小， 板间距小，夹带量大。 液沫夹带以三种方式表示： ①以 1kmol（或kg）干气体的夹带的液体量，以eV表示，单位为kmol或kg； ②以每层塔板在单位时间内被气体夹带的液体量，以 e’表示, 单位为 kmol 或 kg； ③以被夹带的液体流量占流经塔板总液体流量的分率ψ表示。 三者的关系为： 4
西北大学化工原理电子教案 e V=- (10-8) L+e'L te L,V分别为液体和千气体的kmol流体率或质量流率(kmol/h,orkg/h)。 2、气泡夹带 板上液体与气体成泡沫状接触时，液体流过塔板进入降液管时必然带有大量气泡，若降 液管中液体的停留时间短，则气泡来不及从降液管中解脱，即被液体带入下一层塔板，此即 形成气泡夹带。气泡夹带使气体与主流方向相反，因而降低了传质效率。气泡夹带严重时会 造成降液管液泛，破坏塔板正常操作。 为了避免严重的气泡夹带，在出口溢流液前的一部分板面上不开孔，使液体中的气泡脱 除，这一部分称为出口安定区。 另一方面，为使降液管中夹带的气泡脱除，液体在降液管中应有足够的停留时间。其平 均停留时间由下式计算。 Ar.Ha T=- (10-9) L Ar和H。分别为降液管面积和当量清液层高度，L为液体流率ms。 保证一定的停留时间，避免严重的气泡夹带是决定降液管面积和溢流堰长度的主要依 据。 10.1.4.2空间上的不均匀流动 空间上的不均匀流动是指气体或液体流速的不均匀分布。 1、气体沿塔板的不均匀流动 由于液体流过塔板必须克服阻力，所以从液体入口到液体出口应存在一个位差。把塔板 进出口两侧的清液层高度差称为液面落差，并以△表示。 由于液面落差的存在，造成气体穿过塔板的阻力不同，在液体进口处，液层阻力大，气 体流量小，在液体出口处，液层阻力小，气体流量大，这样就造成了气流沿塔板方向的不均 匀流动，这种不均匀流动将降低传质推动力。 2、液体沿塔板的不均匀流动 液体在塔板上的流动是个非常复杂的过程。板的圆形结构，使液体流过塔板的途径不同， 会产生环流，死区，沟流，旁路和返混等非理想流动，这些非理想流动均能造成传质效率降
西北大学化工原理电子教案 v v e V L e eL e + = + = ' ' ψ （10-8） L，V 分别为液体和干气体的 kmol 流体率或质量流率（kmol/h，or kg/h）。 2、 气泡夹带 板上液体与气体成泡沫状接触时，液体流过塔板进入降液管时必然带有大量气泡，若降 液管中液体的停留时间短，则气泡来不及从降液管中解脱，即被液体带入下一层塔板，此即 形成气泡夹带。气泡夹带使气体与主流方向相反，因而降低了传质效率。气泡夹带严重时会 造成降液管液泛，破坏塔板正常操作。 为了避免严重的气泡夹带，在出口溢流液前的一部分板面上不开孔，使液体中的气泡脱 除，这一部分称为出口安定区。 另一方面，为使降液管中夹带的气泡脱除，液体在降液管中应有足够的停留时间。其平 均停留时间由下式计算。 L HA df . τ = （10-9） A f 和 H d 分别为降液管面积和当量清液层高度，L 为液体流率 m³/s。 保证一定的停留时间，避免严重的气泡夹带是决定降液管面积和溢流堰长度的主要依 据。 10.1.4.2 空间上的不均匀流动 空间上的不均匀流动是指气体或液体流速的不均匀分布。 1、气体沿塔板的不均匀流动 由于液体流过塔板必须克服阻力，所以从液体入口到液体出口应存在一个位差。把塔板 进出口两侧的清液层高度差称为液面落差，并以 Δ 表示。 由于液面落差的存在，造成气体穿过塔板的阻力不同，在液体进口处，液层阻力大，气 体流量小，在液体出口处，液层阻力小，气体流量大，这样就造成了气流沿塔板方向的不均 匀流动，这种不均匀流动将降低传质推动力。 2、液体沿塔板的不均匀流动 液体在塔板上的流动是个非常复杂的过程。板的圆形结构，使液体流过塔板的途径不同， 会产生环流，死区，沟流，旁路和返混等非理想流动，这些非理想流动均能造成传质效率降 5
西北大学化工原理电子教案 低，是非常不利于传质的因素。国内也对此进行了长期研究，工作主要集中在：描述有这些 非理想流动情况下的传质效率计算：改进塔板结构，尽量消除这些不利因素。 10.1.5板式塔的不正常现象 板式塔内的非理想流动对传质非常不利，但塔还可以操作，只是在一定的严重程度下， 塔的分离效果大大降低。但在非理想流动相当严重的情况下，塔的整个操作状态被破坏，使 塔不能正常操作。不能正常操作的现象出现点即是塔的操作上下限。 液泛是塔的上部全部充满液体，并且液体会随气体从塔顶溢出的一种不正常操作现象。 液泛有两种： 夹带液泛当液体夹带量过大时，上层塔板的液层厚度明显增加，板间距减小，液滴的有效 分离空间降低，则上层塔板的液沫夹带量更大，因而造成恶性循环，最终液体将充满全塔， 并随气体从塔顶溢出，这种现象称夹带液泛。塔板上开始出现恶性循环的气速称为液泛气速， 并且液体流量越大，液泛气速越低。 一般工业设计时规定液沫夹带量不得超过5~10%，并以此作为一种上限。在此上限之 内可以保持分离效率，超出此范围，则分离效果骤降。 溢流液泛因降液管通过能力而引起的液泛称为溢流液泛，或降液管液泛。在规定液沫夹带 不得超过10%时，降液管液泛就是操作上限。 降液管是两个塔板之间的液体通道，其两端的压差即为板压降。由于板压降的原因，液 体实际上是从低压空间流向高压空间。在正常操作时，降液管的液面必高于塔板入口处的液 面，并且其差值为板压降h,与液体流经过降液管的阻力损失h,之和。这一点可由柏努力 方程导出，如下。在1-1,2-2列柏式 +,+且=+g++4,4=0白--B+∑h, 2 P=P2+Pg(A+hm+方w)） 则：--BB+∑4与+A+力+九， 则：降液管的液位高度与板上入口处的液面差为： 二1-22-△-hw-h。=h,+h∑h
西北大学化工原理电子教案 低，是非常不利于传质的因素。国内也对此进行了长期研究，工作主要集中在：描述有这些 非理想流动情况下的传质效率计算；改进塔板结构，尽量消除这些不利因素。 10.1.5 板式塔的不正常现象 板式塔内的非理想流动对传质非常不利，但塔还可以操作，只是在一定的严重程度下， 塔的分离效果大大降低。但在非理想流动相当严重的情况下，塔的整个操作状态被破坏，使 塔不能正常操作。不能正常操作的现象出现点即是塔的操作上下限。 液泛是塔的上部全部充满液体，并且液体会随气体从塔顶溢出的一种不正常操作现象。 液泛有两种： 夹带液泛 当液体夹带量过大时，上层塔板的液层厚度明显增加，板间距减小，液滴的有效 分离空间降低，则上层塔板的液沫夹带量更大，因而造成恶性循环，最终液体将充满全塔， 并随气体从塔顶溢出，这种现象称夹带液泛。塔板上开始出现恶性循环的气速称为液泛气速， 并且液体流量越大，液泛气速越低。 一般工业设计时规定液沫夹带量不得超过 5～10%，并以此作为一种上限。在此上限之 内可以保持分离效率，超出此范围，则分离效果骤降。 溢流液泛 因降液管通过能力而引起的液泛称为溢流液泛，或降液管液泛。在规定液沫夹带 不得超过 10%时，降液管液泛就是操作上限。 降液管是两个塔板之间的液体通道，其两端的压差即为板压降。由于板压降的原因，液 体实际上是从低压空间流向高压空间。在正常操作时，降液管的液面必高于塔板入口处的液 面，并且其差值为板压降 h 与液体流经过降液管的阻力损失 Σh 之和。这一点可由柏努力 方程导出，如下。在 1-1，2-2 列柏式 f f +++=++ ∑ f h P gz uP gz u ρ ρ ' 2 2 2 21 1 2 1 2 2 +∑ − =− f h g PP zz ρ ' 1 ' 2 21 0 Q )( Q ≅ uu 21 = ( ) 2 ' 2 ρgPP ++Δ+= hh wow hf wow g PP zz ++Δ++ hh − =− ∑ ρ 22 则： 21 则：降液管的液位高度与板上入口处的液面差为： fwow +=−−Δ−− ∑ f zz hhhhh 21 6
西北大学化工原理电子教案 若取基准Z2=0,则降液管清液高度Z,=H。为： H。=方+△+方n+∑h,+方 (10-10) 若气速不变，L增大，则△，方，hy,hy都增大，Ha上升。在气速不变时，Ha与L 有对应关系，塔板有自平衡能力。 当H,增大到上层塔板的溢流堰上沿时，L增大，h,等均上升，H。将超过板上液面， 板上积液，引起溢流液泛。因而H,上升到等于板间距，降液管内的液体流量为其极限通过 能力。 实际上降液管内有大量泡沫，泡沫层高度与清液高度关系为： Hu=eiHzH (10-11) Pi 中 pP,Pz为相对泡沫密度，当hrd达到板间距高度时，就会产生溢流液泛。 工业设计一般规定降液管泡沫层高度小于板间距的23，若达到23即为液泛。对易发 泡的系统此值还要取小，降液管面积要增大。 引起溢流液泛的主要因素是高气速引起高的板压降。以及降液管堵塞。 出现液泛的宏观可侧特性是，气速不变，压降持续上升。 漏液当气速较低时，板上液体从气体通道直接漏入下一块塔板，而不经过降液管。此即称 漏液，相应气速为漏液气速，为塔板操作下限。 漏液有多种情况，常见的有随机漏液和倾向性漏液，还有渗漏和砸漏。随机性漏液是由 液面波动引起的。液面波动引起气液不均匀分布，液层厚的地方气速低，有漏液，液层薄的 地方气速高，不漏液。倾向性漏液是由液面落差引起的，在板上液体入口处，液层厚，气体 流量小，所以倾向性漏液主要发生在液体入口处。 为避免倾向性漏液，设计时，液面落差不超过干板压降的一半，即： △< (10-12) 并在塔板入口吃设置安定区。 当塔径大和液流量大时，采用多流型等。 砸漏，即是板上液体全部漏入下一板，板上不积液。此时不能正常操作
西北大学化工原理电子教案 若取基准 Z 2 =0，则降液管清液高度 Z1=H d 为： owd w ff H hh ∑h +++Δ+= h （10-10） 若气速不变，L 增大，则△， ，Σh ，h 都增大，H 上升。在气速不变时，H 与 L 有对应关系，塔板有自平衡能力。 h ow f f d d 当 H 增大到上层塔板的溢流堰上沿时，L 增大，h 等均上升，H d 将超过板上液面， 板上积液，引起溢流液泛。因而 H 上升到等于板间距，降液管内的液体流量为其极限通过 能力。 d f d 实际上降液管内有大量泡沫，泡沫层高度与清液高度关系为： φρ ρ d f dL fd HH H == （10-11） ρ ρ Lf φ= 为相对泡沫密度，当 h f d 达到板间距高度时，就会产生溢流液泛。 工业设计一般规定降液管泡沫层高度小于板间距的 2/3，若达到 2/3 即为液泛。对易发 泡的系统此值还要取小，降液管面积要增大。 引起溢流液泛的主要因素是高气速引起高的板压降。以及降液管堵塞。 出现液泛的宏观可侧特性是，气速不变，压降持续上升。 漏液 当气速较低时，板上液体从气体通道直接漏入下一块塔板，而不经过降液管。此即称 漏液，相应气速为漏液气速，为塔板操作下限。 漏液有多种情况，常见的有随机漏液和倾向性漏液，还有渗漏和砸漏。随机性漏液是由 液面波动引起的。液面波动引起气液不均匀分布，液层厚的地方气速低，有漏液，液层薄的 地方气速高，不漏液。倾向性漏液是由液面落差引起的，在板上液体入口处，液层厚，气体 流量小，所以倾向性漏液主要发生在液体入口处。 为避免倾向性漏液，设计时，液面落差不超过干板压降的一半，即： 2 d h <Δ （10-12） 并在塔板入口吃设置安定区。 当塔径大和液流量大时，采用多流型等。 砸漏，即是板上液体全部漏入下一板，板上不积液。此时不能正常操作。 7
西北大学化工原理电子教案 渗漏，对于筛板塔，即使在正常操作时，也有少量液体从小孔渗出，漏入下一板。 总的来说，气速升高，漏液降低。研究和设计规定，当漏液量达到板上液流量的5~10% 时，即属塔的操作下限，此气速称漏液气速。一般设计气速要在漏液点以上。 10.1.6板效率的各种表示方法及其应用 板效率的定义有四种。 点效率气相和液相的点效率定义为： Eoo =y-Yau (10-13) y-yn+l BoL =Xn-1-x (10-15) Xn-1-x 分子为塔板的实际提浓程度，分母为最大提浓度，因而点效率小于等于1。 离开板上的气相组成y是进入板上的气体y1与组成为x的液体层传质。因而点效率 与板上各点的两相传质速率有关。若板上泡沫层高度为H,气体的摩尔流率为G,气相体 积传质系数为Kya,则塔板上某点的传质速率为： Gdy =K(y'-y)dH 积分得： H=-n广y=N G xa y-y y-yn+ KyH1 EoG =1-e G (10-14) 即G一定，EG主要取决与两相的接触状况，湍动程度越高，点效率越高， 默弗里板效率点效率只代表板上一点处的传质效率，但在工业设计中，起码要求板效率， 因而定义默弗里板效率如下： 气相和液相默弗里板效率分别定义为： En-h。-y (10-16) yn-yn+l E=-1-x (10-17) Xn-1-Xn
西北大学化工原理电子教案 渗漏，对于筛板塔，即使在正常操作时，也有少量液体从小孔渗出，漏入下一板。 总的来说，气速升高，漏液降低。研究和设计规定，当漏液量达到板上液流量的 5～10% 时，即属塔的操作下限，此气速称漏液气速。一般设计气速要在漏液点以上。 10.1.6 板效率的各种表示方法及其应用 板效率的定义有四种。 点效率 气相和液相的点效率定义为： 1 * 1 + + − − = n n OG yy yy E （10-13） * 1 1 xx xx E n n OL − − = − − （10-15） 分子为塔板的实际提浓程度，分母为最大提浓度，因而点效率小于等于 1。 离开板上的气相组成 у 是进入板上的气体 与组成为 n+1 y x 的液体层传质。因而点效率 与板上各点的两相传质速率有关。若板上泡沫层高度为 H ，气体的摩尔流率为 G，气相体 积传质系数为 Kya，则塔板上某点的传质速率为： f ya f )( dHyyKGdy * −= OG n y y fya N yy yy yy dy G HK N = − − −= − = + ∫ + 1 * * * ln 1 积分得： G HK OG fya eE − 1−= （10-14） 即 G 一定， 主要取决与两相的接触状况，湍动程度越高，点效率越高， EOG 默弗里板效率 点效率只代表板上一点处的传质效率，但在工业设计中，起码要求板效率， 因而定义默弗里板效率如下： 气相和液相默弗里板效率分别定义为： 1 * 1 + + − − = n n nn mv yy yy E （10-16） * 1 1 n n n ml xx nxx E − − = − − （10-17） 8
西北大学化工原理电子教案 式中y和x为进入或离开塔板的平均气相或液相组成。此定义表示了离开同一塔板两相的平 均组成之间的关系。默弗里板效率的值一般小于或等于1。 塔板上气液两相的流动情况对板效率有很大影响。对板效率的研究主要是研究板效率与 点效率的关系，而连系此两者关系的桥梁是板上的流动参数。 湿板效率默弗里板效率只考虑了板上流体的流动情况，并未考虑液沫夹带的影响，因而默 弗里板效率也可称为“干板”效率，若考虑液沫夹带的影响，则可定义湿板效率。 在塔实际操作时，都有液沫夹带，则上升气流中带液P,V,下流液体为L+PV,则对 精馏段列操作线方程为： Vym+prVx-(L+pyV)x DxD 或： yn-Py(Xn-xn+)= x+ (10-18) 因而液沫夹带影响操作线位置。 定义： Y=yn-py(Xn-xm) (10-19) 为表观气相组成，得出表观操作线方程： y1=x,+0 (10-20) 以表观组成定义湿板效率为 E。=y-yl (10-21) y -yn+ 此即包括液沫夹带的湿板效率。 湿板效率的测定采用全回流法比较方便。 根据湿板效率的测定值或实验值求实际塔板数。 全塔效率对于特定的物系的特定的塔板结构。因为塔的上下部分气液相组成、湿度、压强、 及物性不同，因而，塔的上下部分（即精馏部分与提馏段）板效率不同。 为了计算上的方便与简单，定义全塔效率为：日，= (10-22) N 若能求出全塔效率，则可由理论板数除以E即可得出实际板数N。 全塔效率是板式塔整体分离性能的度量，它不仅与影响点效率、板效率的因素有关， 9
西北大学化工原理电子教案 式中 y 和 x 为进入或离开塔板的平均气相或液相组成。此定义表示了离开同一塔板两相的平 均组成之间的关系。默弗里板效率的值一般小于或等于 1。 塔板上气液两相的流动情况对板效率有很大影响。对板效率的研究主要是研究板效率与 点效率的关系，而连系此两者关系的桥梁是板上的流动参数。 湿板效率 默弗里板效率只考虑了板上流体的流动情况，并未考虑液沫夹带的影响，因而默 弗里板效率也可称为“干板”效率，若考虑液沫夹带的影响，则可定义湿板效率。 在塔实际操作时，都有液沫夹带，则上升气流中带液 ρ vV ，下流液体为 L+ ρ vV ，则对 精馏段列操作线方程为： Vyn+ nV + −+ + nV = DxxVLVx D )( 1 ρ 1 ρ nnVn n Dx V D x V L 或： +1 ρ xxy +1 )( +=−− （10-18） 因而液沫夹带影响操作线位置。 )( n+1 n+1 −= − nnV +1 定义： ρ xxyY （10-19） 为表观气相组成，得出表观操作线方程： n n Dx V D x V L y +1 += （10-20） 以表观组成定义湿板效率为 1 * 1 + + − − = n nn a yy yy E （10-21） 此即包括液沫夹带的湿板效率。 湿板效率的测定采用全回流法比较方便。 根据湿板效率的测定值或实验值求实际塔板数。 全塔效率 对于特定的物系的特定的塔板结构。因为塔的上下部分气液相组成、湿度、压强、 及物性不同，因而，塔的上下部分（即精馏部分与提馏段）板效率不同。 N N E T 为了计算上的方便与简单，定义全塔效率为： T = （10-22） 若能求出全塔效率，则可由理论板数除以ET即可得出实际板数N。 全塔效率是板式塔整体分离性能的度量，它不仅与影响点效率、板效率的因素有关， 9
西北大学化工原理电子教案 而且把板效率随组成的变化亦包括在内，因而全塔效率只能通过实验测定。 必须注意，由于全塔效率是以所需理论板数为基础定义的，板效率是以单板理论增浓度 为基准定义的，所以两者基准不同。即使塔内各板效 100 率相等，全塔效率在数值上也不等于板效率。 80 79 全塔效率的关联有许多研究者作过工作，比较通 60 50 用的或说应用范围较广的是Drickamer等以及 40 30 O'connell的关联法。前者对碳氢化合物系统的适用性 20 10 较好。见P124。 0.1 1.0 amN·sn 由关联图10-19,20,21可见，随着粘度增加， 图10-20精馏塔全塔效率关联图 全塔效率降低。 10.1.7提高塔板效率的措施 影响塔板效率的因素总的来讲分为三类，即结构、操作和物性因素。而此三者又有互相 联系，所以使得板效率的研究非常复杂和困难。提高板效率也应从这三个方向考虑。不论怎 么说，减小板上非理想流动，总是能够提高板效率的。因而对某种板形，合理的设计、操作， 并使之对分离的物系适用，都可提高效率。 在1969年前，大部分的精力都放在设计新塔板的提高板效率方面，但经过许多人的研 究认为：对一定的塔板，只要设计合理、加工精良、操作在它的正常范围：其效率大致相当， 因而后来的研究主要放在设计合理，以提高板效率，和非理想流动如何影响板效率方面。 必须注意，设计合理所包括的内容相当多，它包括结构合理，物性合理，操作合理，接 触状态合理等许多情况。如果真能满足这许多合理条件，则效率一定很高，但实际上没有一 种塔板能满足这所有的合理条件，因而新的板形仍在开发，板效率的研究仍在继续，这就是 目前的塔板研究现状。 在气液接触状态方面，有些系统适用于泡沫接触，有些系统适用于喷射接触，这主要取 决于表面张力沿塔高的变化。 对于精馏塔，若重组分表面张力大于轻组分表面张力，则从塔顶到塔低，重组分浓度增 大，对重组分dσdx>0,称正系统，则泡沫接触好。反之若重组分表面张力小于轻组分，则 从塔顶到塔低，对重组分dσ/x<O,称负系统，采用喷射接触好。 另外，板上气体采用斜向进气，有利于降低液面落差，气体分布变均匀，而且板上液体 也会呈柱塞流流动，有利于提高板效率。 0
西北大学化工原理电子教案 而且把板效率随组成的变化亦包括在内，因而全塔效率只能通过实验测定。 必须注意，由于全塔效率是以所需理论板数为基础定义的，板效率是以单板理论增浓度 为基准定义的，所以两者基准不同。即使塔内各板效 率相等，全塔效率在数值上也不等于板效率。 全塔效率的关联有许多研究者作过工作，比较通 用的或说应用范围较广的是 Drickamer 等以及 O’connell 的关联法。前者对碳氢化合物系统的适用性 较好。见 P124。 由关联图 10-19，20，21 可见，随着粘度增加， 全塔效率降低。 10.1.7 提高塔板效率的措施 影响塔板效率的因素总的来讲分为三类，即结构、操作和物性因素。而此三者又有互相 联系，所以使得板效率的研究非常复杂和困难。提高板效率也应从这三个方向考虑。不论怎 么说，减小板上非理想流动，总是能够提高板效率的。因而对某种板形，合理的设计、操作， 并使之对分离的物系适用，都可提高效率。 在 1969 年前，大部分的精力都放在设计新塔板的提高板效率方面，但经过许多人的研 究认为：对一定的塔板，只要设计合理、加工精良、操作在它的正常范围；其效率大致相当， 因而后来的研究主要放在设计合理，以提高板效率，和非理想流动如何影响板效率方面。 必须注意，设计合理所包括的内容相当多，它包括结构合理，物性合理，操作合理，接 触状态合理等许多情况。如果真能满足这许多合理条件，则效率一定很高，但实际上没有一 种塔板能满足这所有的合理条件，因而新的板形仍在开发，板效率的研究仍在继续，这就是 目前的塔板研究现状。 在气液接触状态方面，有些系统适用于泡沫接触，有些系统适用于喷射接触，这主要取 决于表面张力沿塔高的变化。 对于精馏塔，若重组分表面张力大于轻组分表面张力，则从塔顶到塔低，重组分浓度增 大，对重组分 dσ/dх>0，称正系统，则泡沫接触好。反之若重组分表面张力小于轻组分，则 从塔顶到塔低，对重组分 dσ/dх<0，称负系统，采用喷射接触好。 另外，板上气体采用斜向进气，有利于降低液面落差，气体分布变均匀，而且板上液体 也会呈柱塞流流动，有利于提高板效率。 10