1、应用化学工程系,化工精馏过程,Company Logo,课题一 蒸馏与精馏技术,应用化学工程系,任务1 工业生产中的蒸馏操作，二元理想溶液的汽液相平衡，相对 挥发度 任务2 简单蒸馏与平衡蒸馏 任务3 二元连续精馏的计算：全塔物料衡算，恒摩尔流假设，精馏 段和提馏段操作线方程，进料热状况参数，理论塔板数计算、 塔板效率，塔高及塔径计算，回流及其作用，全回流及最小回流比，适宜回流比的选择，填料塔填料层高度计算，全塔热量衡算 任务4 板式塔的类型及基本结构 任务5 间歇精馏,Company Logo,课题一 蒸馏与精馏技术,概 述化工生产中所处理的原料、中间产品、粗产品等几乎都是混 合物，而且大部
2、分是均相物系，例如：石油、石油裂解气和空气 等。为了满足生产的要求，常需将混合物分离成纯净的或接近于 纯的物质，对于均相物系的分离必须造成两相物系，并且根据物 系中各组分的差异，使其中一组分或几个组分从一相向另一相转 移以达到分离的目的，该过程通常称为传质过程或分离操作。常 见的传质过程有蒸馏、吸收、萃取、干燥等。,应用化学工程系,Company Logo,课题一 蒸馏与精馏技术,一、蒸馏依据 原理：将液体混合物部分气化，利用混合物中各组分挥发度不同使各组分得以分离。 其中沸点低的组分为易挥发组分（轻组分），沸点高的组分为难挥发组分（重组 分）； 蒸出冷凝液馏出液，蒸出后剩余的混合液釜残液。
3、二、蒸馏分类,主要讨论双组份连续精馏,应用化学工程系,Company Logo,课题一 蒸馏与精馏技术,任务1 双组分溶液气液相平衡,一、相组成的表示法 （一）质量分率xwixwA=mA/m xwB=mB/m xwi=1 （二）摩尔分率xixA=nA/n xB=nB/n xi =1 （三）质量分律与摩尔分律的换算1、xwixi xi=(xwA/MA)/(xwi/MA+xwB/MB) 2、xi xwi xWA=(xiMA)/(xAMA+xBMB) （四）气体混合物的组成气体混合物中各组分的组成，除了可以用上述方法表示外，还可以用组分的分压和分体积来表示。,应用化学工程系,Company Logo
4、,任务1 双组分溶液气液相平衡,1、压力分率,二、气液相平衡拉乌尔定律：在一定温度下，溶液上方某组分的平衡分压等 于此组分在该温度下的饱和蒸汽压乘以其在溶液中的摩尔分率。,即,用途：（1）已知泡点，计算液相组成。（2）已知液相组成求泡点。 X=f（pt）,2、体积分率,（一）泡点方程,应用化学工程系,Company Logo,任务1 双组分溶液气液相平衡,（二）露点方程,确定露点温度或气相组成,三、气液平衡相图 (一) 温度组成图 在总压一定的条件下，将TX、TY 关系标绘在同一直角坐标系中，即得到TXY图，T为纵坐标，以液相组成或气相组成为横坐标。,分析温度组成图 二条线：泡点线、露点线。
5、三个相区：液相区、气相区、气液两相区。 两个温度：泡点温度、露点温度 杠杆定律：,应用化学工程系,Company Logo,任务1 双组分溶液气液相平衡,若A、B形成理想溶液： 对于纯液体，即,(二)相平衡图 对于大多数溶液，达到平衡时，气相轻组分的浓度总大于液相浓度，故平衡线位于对角线上方。平衡线偏离对角线愈远，该溶液愈易分离。,四、挥发度和相对挥发度 （一） 挥发度的定义 1、纯液体的挥发度：指液体在一定温度下的饱和蒸汽压。 2、溶液中各组分的挥发度：可用它在蒸汽中的分压和与之平衡液相中的摩 尔分率之比来表示。,（或 ）,应用化学工程系,Company Logo,任务1 双组分溶液气液相平
6、衡,纯液体及理想溶液中任一组分的挥发度都等于它在纯态时的饱 和蒸汽压，随温度而变化，因而使它在蒸馏计算中用起来很不 方便，故引出相对挥发度的概念。 （二）相对挥发度 定义：溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比。=VA/VB =(PA/xA)/(PB/xB)=yAxB/yBxA 对于理想溶液 相平衡方程 精馏塔各截面的 变化不大可视为常数，计算可取平均值 当=1时，y=x ,不能用普通精馏方法分离该混合物。 当1时，yx ,能用普通精馏方法分离该混合物,越大， 越易分离。,应用化学工程系,Company Logo,课题一 蒸馏与精馏技术,任务2 蒸馏方式,蒸馏方式:简单蒸馏、平衡蒸馏
7、、精馏、恒沸精馏、萃取精馏、水蒸汽蒸馏 。 一、简单蒸馏 定义：使混合液在蒸馏釜中逐渐受热气化，并不断将生成的蒸气引入冷凝器内冷凝，以达混合液中各组分得以部分分离的方法。 操作流程：,应用化学工程系,原理：,Company Logo,任务2 蒸馏方式,设某一瞬间釜液量为W,组成x,经过dt时间后,蒸出液为dW,组成为y,则釜内剩余液体量为W-dW,组成为x-dx，对易挥发组分物料衡算得:,带入相平衡方程:,Y= mx,应用化学工程系,Company Logo,任务2 蒸馏方式,二、平衡蒸馏,全系统物料衡算：,应用化学工程系,Company Logo,任务2 蒸馏方式,热量衡算：,加热器,闪蒸器
8、内,应用化学工程系,用t-x-y图解释简单蒸馏、平衡蒸馏的原理，说明其为什么不能实现高纯度分离。,动动脑,应用化学工程系,查资料,乙醇-水、盐酸、水等溶液为非理想溶液，了解其相平衡图的特点，了解恒沸物的特点及形成原因。,应用化学工程系,Company Logo,任务2 蒸馏方式,应用化学工程系,任务2 蒸馏方式,精馏是多次而且同时运用部分汽化和部分冷凝的方法，使混合液较为 完全分离，获得接近纯组分的单元操作。,1、多次部分冷凝和多次部分汽化多次部分冷凝如图：将组成为XF，温度为TA的混合液加热到气液共存区，使其部分气化，并将气液两相分开，气相组成为Y1 ，液相组成为X1 ，且Y1XFX1 ，部
9、分分离。 将产生的组成为Y1 的饱和蒸汽部分冷凝到T1 出现新的气液平衡，气相组成为Y2，液相组成为X2 且Y2 Y1 。再将温度为T1 组成为Y2 的饱和蒸汽冷凝到P点T2 出现新平衡，气相组成为Y3 ，Y3 Y1 。,三、精馏,（一）精馏原理,利用混合物中各组分挥发度的差异，通过多次部分冷凝和多次部分汽化，实现较为彻底的分离。,应用化学工程系,Company Logo,任务2 蒸馏方式,如此类推，最终可得难挥发组分浓度低，易挥发组分接近于纯组分的气相。 多次部分汽化 将组成为X1的饱和液体加热T2（J点），使其部分气化，这时又出现新的气液平衡，将气液两相分开，液相组成为X2 。再将组成为X
10、2 的饱和液体部分气化，如此类推，最终可得易挥发组分浓度很低，接近于纯净的难挥发组分的液相。,2、精馏操作,A 设想将单级分离器加以组合成多级分离流程。 B 存在的两个问题： （1）中间产品多，收率低。 （2）设备复杂、能耗大，操作不便。,应用化学工程系,Company Logo,任务2 蒸馏方式,C 简化流程,由图可知，X1XFY1 ，X1X2Y1 ，X2与XF比较接近，X3于Y1比较接近，若将第二级产生的中间产品X2于第一级的原料XF混合，X3与Y1混合这样消除了中间产品。由于温度较高的蒸汽与温度低的X3确接触，使液体部分气化，蒸汽自身被冷凝，省去了中间加热器与冷凝器。将每一中间产品返回到
11、下一级中，不仅可以提高产品的收率；而且是过程必不可少的条件。回流是保证精馏过程能连续稳定操作的必不可少的条件。再沸器是保证精馏过程连续稳定操作的必不可少的条件。,应用化学工程系,Company Logo,任务2 蒸馏方式,（二）精馏塔,1、分类：板式塔：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔。填料塔：塔内充填一定高度的填料。 2、工作原理塔板的作用：气液两相传质，传热的场所。 3、筛板塔中n层板上的操作情况,应用化学工程系,常见填料：鞍环填料阶梯环填料鲍尔环填料,（三）精馏流程板式塔填料塔,动动脑,塔顶冷凝器和塔釜再沸器的作用是什么？,技能训练,训练内容 精馏塔的冷态开车、停车和事故处理,精馏塔操作仿真训练,
12、Company Logo,课题一 蒸馏与精馏技术,任务3 双组分连续精馏的计算,一、全塔物料衡算 总物料衡算 F=D+W 易挥发组分衡算 FxF=DxD+WxW 在精馏计算中，有时用回收率表示分离程度， 塔顶易挥发组分的回收率=DxD/FxF 100% 塔低难挥发组分的回收率=W(1xW)/F(1xF) 100% 例 已知：F, xwF, xww, xwD, MA, MB 求：D，W,应用化学工程系,动动脑,应用全塔物料衡算式进行计算，能否用质量流量和质量分数？应注意什么问题？,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,二、理论板的概念及恒摩尔流假定 （一）理论板：离开这块板的气
13、液两相互成平衡，而且塔板上的液相组成也可视为均匀一致。 （二）恒摩尔流假定1、恒摩尔气化：精馏操作时，在精馏塔的精馏段内每层塔板的上升蒸汽摩尔流量都是相等的，提馏段也是这样。但两段的上升蒸汽摩尔流量不一定相等。即: V1=V2=V3=Vn=V V1=V2=V3=Vn=V 2、恒摩尔溢流：精馏操作时，在塔的精馏段内，每层塔板下降的液体摩尔流量都是相等的，提馏段也是这样。但两段的液体摩尔流量不一定相等。即： L1 =L2 =Ln=L L1=L2=L3=Ln=L （三）恒摩尔流假定成立的条件1、各组分的摩尔气化潜热相等。2、气液接触因温差交换的显热可以忽略。3、塔设备保温良好，热损失可以忽略。,应用
14、化学工程系,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,三、操作线方程,（一）精馏段操作线方程按图作物料衡算总物料衡算 V = L + D易挥发组分量 Vyn+1=Lxn+DxD令 L/D=R 化简为 物理意义：在一定的操作条件下，精 馏段内任意第n层板下降的液相组成Xn 与其相邻的下一层塔板上升蒸汽的气相组成Yn+1 之间的关系。在稳定条件下，D、XD为定值，根据恒摩尔流假定L为定值,R为定值，Y与X成线性。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,1、斜率为R/（R+1）截矩为XD /（R+1）绘于XY相图上 2、两点法 （0，X
15、D /（R+1）、（XD，XD）R-回流比 L=RD V=L+D=（R+1）DL/ V-液气比 L/ V=R/（R+1） R越大L/ V越大Yn+1 Xn,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,总物料衡算 L=V+W 易挥发组 LXm=VYm+WXW,应用化学工程系,(二)提馏段操作线方程,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,物理意义：在一定操作条件下，从提馏段内自任意第m层板下降液体组成Xm与其相邻的下层板(第m+1层)上升蒸汽组成Ym+1之间的关系。根据恒摩尔流的假定，L为定值，在操作稳定时，W和XW也为定值，表示的是一条直线方程。,四
16、 进料热状况的影响 (一)几种可能的进料热状况 1、冷液体；2、饱和液体；3、气液混合物； 4、饱和气体；5、过热蒸汽,1 斜率为L/(L-W)，截矩为-WXW /(L-W)绘于XY相图上。 2 两点法0，-WXW /(L-W)、(XW，XW) 问题：截矩值太小。L除与L有关，还受进料量和进料热状况的影响。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,（二）定性分析进料状况对气液流量的影响,1、冷液体 LL+F VV 2、饱和液体 L=L+F V=V 3、气液混合物VV LV LL,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,(三)定量分
17、析进料热状况的影响,IF：进料的焓 kJ/kmol IV, IV：进料板上下饱和蒸汽的焓 IL, IL：进料板上下饱和液体的焓 对进料板进行总物料衡算和热量衡算： 物料衡算 F+L+V=V +L 或V-V=F-(L-L) 热量衡算 FIF+VIV+LIL=VIV+LIL 由于液气体处于饱和状态且板上下处的气相或液相温度，组成均相近，即：IV=IV IL=IL 整理得：(IV-IF)/(IV-IL)=(L-L)/F=q 进料热状况参数 物理意义： (1)将1kmol原料液变成饱和蒸汽所需的热量与原料液kmol的汽化潜热之比。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系
18、,1、定义：q=(IV-IF )/(IV-IL)； 2、当进料为液体时：q=rc+CP(tS-tF)/rc =1+CP(tS-tF)/rc 其中，rc：按进料组成算的平均千摩尔汽化潜热；cp：进料的定压比热；ts：进料的泡点；tF：进料温度； 3、q=(LL)/ F V=V-(1-q)F,(2)每进行1kmol料液而使提馏段中的液体回流量较精馏段增大的kmol值。 (q等于液相所在分率),(四)进料热状况参数计算,进料热状态在泡点和露点之间,物理意义： 每进1kmol料液使提馏段中液体回流量较精馏段增大的kmol值。 对于饱和液体，气液混合物，饱和蒸汽 三种进料状况，q即为进料中的液相分率。,
19、Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,（五）操作线交点的轨迹方程 (q线方程）,Vy=Lx+DxD Vy=Lx-WxW (V-V)y=(L-L)x-(DxD+WxW) (q-1)Fy=qFx-FxF,操作线交点轨迹方程，直线方程 q线斜率q/(q-1) q线过e点(xF，xF),Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,(六)进料热状况对q线斜率、位置的影响,进料热状况的影响,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,五、理论板层数的求法,精馏塔内存在两种关系： 相平衡关系和操作线关系； 每种关系有两
20、种表示: 线图(相平衡线，操作线) 方程(相平衡方程，操作线方程),交替使用平衡关系与操作关系，从塔顶至塔釜逐板 进行计算。塔顶采用全凝器。,(一)逐板法,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,步骤： 1、绘相平衡图 2、绘操作线 3、从a(xD，xD)到c(xW，xW)在相平衡与操作线间画直角梯 级，梯级个数即理论板层数(包括塔釜再沸器)。,xnxd (两操作线交点的横坐标，仅当饱和液体进料时为xF) 此时第N板为加料板，提馏段第一块板。NT精 = n-1 令xn = x1 改用提馏段操作关系。,（二）图解法,NT提 = m(包括塔釜),Company Lo
21、go,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,梯级的意义,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,（三）适宜进料位置的选择,图解过程中当某梯级跨过两操作线交点时，应更换操作线，跨过交点的梯级代表适宜的加料板。逐板法也相同。否则理论塔板数会增加。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,六、实际塔板数和板效率,反映实际板与理论板在分离 效果上差异的参数叫板效率。 板效率的表示方法有两种： 单板效率和全塔效率。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,（一）单板效率ET,ETV= (Yn -Yn+
22、1)/(Yn* -Yn+1) ETL= (Xn-1-Xn)/(Xn-1-Xn*)定义： 气相或液相经过一层实际塔板前后的组成变化与经过一层理论板前后的组成变化之比值。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,（二）全塔效率,ET=NT /N 经验式：ET = 0.49(L) - 0.245L=AXA+BXB 例：某常压精馏塔分离乙醇水溶液XF=0.14，XD=0.82，XW=0.012（摩尔分率）R=2.5，=1.2试求提馏段操作线方程。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,（三）几种精馏的特殊情况,1、直接蒸汽加热 适用于分
23、离轻组分水混合液，水作重组分，釜残液排弃时。,全塔物料衡算：F+Vo=D+WFxF=DxD+WxW 泡点进料：V=Vo=VL=L+F=W,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,精馏段：,提馏段：,提馏段操作线： 过点（xw，0），以W/Vo为斜率的直线。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,NT求法,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,2、采用分凝器：,采用场合： (1) 塔顶产品不需要液化，以气相 采出； (2) 塔顶产品中有不凝气体； (3) 合理利用热能，采用分凝器预 热原料。,分凝
24、器相当于以块理论板，其它不变。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,3、多股进料,可将塔分为三段: (1) F1以上为第一段，同常规塔：,(2) F1以下为第二段：F1+V=L+DF1xF+Vys+1=Lxs+DxD泡点进料：V=V=(R+1)D L=L+F1,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,(3) F2以下为第三段，同常规塔:,泡点进料：V=V=(R+1)D L=L+F2=F1+F2+L,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,七、塔高和塔径的计算,(一) 塔高的计算 塔的有效高度：H
25、=(NP-1)HT NP：实际塔板熟 NT：板间距（自定）,(二) 塔径的计算 注意：V1=V2=Vn=或V1=V2 将两段的摩尔流量换成体积流量,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,精馏段,（以第一块板计）,Mm：上升气体的平均分子量（以第一块板计）,提馏段,由于q及操作条件不同，Vs，Vs可能不同，D精与D提也可能不同，若相差不大，可统一。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,八、回流比的影响及其选择,（一）回流比的影响1、XD、XW一定，R，XD/（R+1），NT设备费用2、V=(R+1)D，V=V+(q-1)F，R
26、 V加热介质量 V冷却介质量 ，操作费用 。 在选择适宜回流比时，要在两者之间作一权 衡，使总费用最少。回流比有两个极限值，最大回流比和Rmin，适宜回流比介于二者之间。 （二）全回流和最少理论板层数1、全回流：塔顶上升蒸汽经冷凝后，全回流至塔内。特点：(1) D=0，F=0，W=0(2) R=L/D=(3) 三线合一(4) 此时所用的理论板层数最少。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,2、Nmin求法图解法：在平衡线与操作线间画直角梯级，梯级数即为 Nmin解析法：交替使用平衡方程与操作方程可推出：Nmin(不包括塔釜)+1=lgxD/(1-xD)(1-
27、xW)/xW/lgm,（三）最小回流比,1、最小回流比Rmin 2、最小回流比的求法 (1)正常曲线 (2)不正常曲线过A点作平衡曲线的切线,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,xq、yq的求取是计算最小回流比的关键，应如何求取？当q=1，q=0时， xq、yq分别等于多少？,动动脑,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,（四）适宜回流比的选泽,总费用最少的R为适宜的回流比。R=（1.12.0）Rmin 设计时，难分离的混合液，R选大些。为了减少加热蒸汽的消耗量，R可选小些。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏
28、的计算,应用化学工程系,九、简捷法求理论板层数,（一）吉利兰关联图 纵坐标 (N-Nmin)/(N+1) 横坐标 (R-Rmin)/(R+1),Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,（二）简捷法求理论板层数,步骤： 1、求Rmin 2、2、 选R 3、计算（R-Rmin)/(R+1) 4、用芬斯克方程求Nmin 5、查出对应的 (N-Nmin)/(N+1) 6、计算N,例：已知 xF,xD,xW,R,m 求： N 解 1、求Nmin2、求Rmin3、(R-Rmin)/(R+1)=b4、(N-Nmin)/(N+1)=c5、 得N,Company Logo,任务3
29、 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,十、填料精馏塔填料层高度的计算,填料层高度=理论板层数等板高度(H.E.T.P) (一) 等板高度设想在填料塔内，将填料层分为若干相等的高度单位，每 一单位填料层的作用相当于一层理论板，即通过这一单位高度后，上升蒸汽与下降液体互成平衡，此单位填料层高度理论板当量高度（等板高度）H.E.T.P (二) H.E.T.P的计算（墨奇公式） H.E.T.P=38A(0.205G)3(39.4D)cZ01/3(L/L),Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,十一、精馏塔的热量衡算,(一) 冷凝器的热量衡算QC=VImV (LImL
30、+DImL)=V(ImV - ImL)=(R+1)D (ImV-ImL)冷却介质用量: WC=Qc/Cpc(t2-t1)式中，Cpc：冷却介质的比热t1，t2：冷却介质进出口温度。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,(二) 再沸器的热量衡算,QB=VImV+WHmL-LImL+QL =V(Ivw- ILw)+QL 式中 QB：再沸器的热负荷QL：再沸器的热损失。 水蒸气消耗量：Wh=QB/r 进料温度 q NT QB,(三) 全塔热量衡算加热蒸汽带入的热量Qh=Wh(I1-I2),Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,原料
31、带入的热量： QF=FCFtF 回流液带入的热量： QR=DRCRtR 塔顶蒸汽带出的热量： QV=D(R+1)IV 再沸器内残液带出的热量： QW=WCWtW 损失于周围的热量：Q,全塔热量衡算： Qh+QF+QR = QV+QW+Q,Company Logo,课题一 蒸馏与精馏技术,应用化学工程系,任务4 板式塔的类型及基本结构,一、 板式塔主要类型的结构和特点(一) 工业上常用的板式塔有：泡罩塔1、2浮阀塔1、2筛板塔1、2、3、4穿流栅孔板塔舌形板1、2 斜孔塔板 双流型塔板,Company Logo,应用化学工程系,泡 罩,任务4 板式塔的类型及基本结构,Company Logo,任
32、务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,泡罩板,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,浮 阀,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,浮阀塔板,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,筛 板,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,筛板及降液管,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,筛板拼装组合,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,筛板塔塔身,Company Logo,课题一 蒸
33、馏与精馏技术,应用化学工程系,任务4 板式塔的类型及基本结构,一、 板式塔主要类型的结构和特点(一) 工业上常用的板式塔有：泡罩塔1、2浮阀塔1、2筛板塔1、2、3、4穿流栅孔板塔舌形板1、2 斜孔塔板 双流型塔板,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,（二）浮阀塔具有的优点：,生产能力大塔板效率高操作弹性大结构简单，安装方便,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,二、板式塔的流体力学特性,（一）塔内气、液两相的流动1、设计意图：A 使气液两相在塔板上进行充分接触以增强传质效果B 使气液两相在塔内保持逆流，并在塔板上使气液
34、量相保持均匀的错 流接触，以获得较大的传质推动力。2、气泡夹带：液体在下降过程中，有一部分该层板上面的气体被带到下层板上去，这种现象称为气泡夹带。3、液（雾）沫夹带：演示一、演示二气体离开液层时带上一些小液滴，其中一部分可能随气流进入上一层塔板，这种现象称为液（雾）沫夹带。,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,4、液面落差液体从降液管流出的横跨塔板流动时，必须克服阻力，故进口一侧的液面将比出口这一侧的高。此高度差称为液面落差。液面落差过大，可使气体向上流动不均，板效率下降。,（二）气体通过塔板的压力降,1、压力降的影响：A 气体通过塔板的压力降直接影响到塔
35、低的操作压力，故此压力降数据是决定蒸馏塔塔底温度的主要依据。B 压力降过大，会使塔的操作压力改变很大。C 压力降过大，对塔内气液两相的正常流动有影响。 2、压力降：PPA 塔板本身的干板阻力PCB 板上充气液层的静压力PLC 液体的表面张力P,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,PP=PC+PL+P 折合成塔内液体的液柱高度M，则 PP/L g=PC/L g +PL /L g +P/L g 即 hp=hc+hL+h 浮阀塔的压力降一般比泡罩塔板的小，比筛板塔的大。在正常操作情况，塔板的压力降以290490 N/m2 .在减压塔中为了减少塔的真空度损失，一般
36、约为98245Pa 通常应在保证较高塔板效率的前提下，力求减少塔板压力降，以降低能耗及改善塔的操作性能。,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,（三）液泛（淹塔）,演示一、演示二 1、定义：汽液两相中之一的流量增大到某一数值，上、下两层板间的压力降便会增大到使降液管内的液体不能畅顺地下流。当降液管内的液体满到上一层塔板溢流堰顶之后，便漫延到上层塔板上去，这种现象，称为液泛（淹塔）。 如气速过大，便有大量液滴从泡沫层中喷出，被气体带到上一层塔板，或有大量泡沫生成。 如当液体流量过大时，降液管的截面便不足以使液体及时通过，于是管内液面即行升高。 上述量种情况导致
37、液泛的情况中，比较常遇到的气体流量过大，故设计时均先以不发生过量液沫夹带为原则，定出气速的上限，在此限度内再选定一个合理的操作气速。,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,2、Umax,设液滴的直径为d,则液滴在气相中的净重为d3(L -V)g/6,而悬浮液滴所受上气流的摩擦阻力为d2 /4 *(vu2/2) 当气速增大到液滴所受阻力恰等于其净重时，液滴便在上升气流中处于稳定的悬浮状态。,因为d、不易准确求得，所以用C代替，即：,2、经验常数C c=f (Ls，Vs，V，L，HT，hL),Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系
38、,（1）史密斯关联图横坐标：液气动能参数纵坐标：C20参数：HThL （2）板间距HT一般D1.5m HT=0.40.6m （3）板上液层高度hL常压 hL=0.050.1m 通常取0.050.08m减压 hL0.025m（4） （5）适宜的空塔气速u，即：u=(0.60.8)umax,C20：由图653查得的负荷系数值。 C：操作物系的负荷系数。 ：操作物系的表面张力，N/m。,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,对于直径较大、板间距较大及加压或常压操作的塔以及不易起泡物系，安全系数可取较高的数值，而对直径较小及减压操作的塔以及严重起泡的物系，安全系数应
39、取较低的数值。,（四）液沫夹带,是指板上液体被上升气流带入上一层塔板的现象。 为了保证板式塔能维持正常的操作效果，应使每千克上升气体夹带到上一层塔板的液体量不超过0.1kg，即控制雾沫夹带量eV0.1kg (液)/kg(气)。 影响雾沫夹带的因素很多，最主要的是空塔气速和塔板间距。对于浮阀塔板上雾沫夹带量的计算，迄今尚无适用于一般工业塔的确切公式。通常是间接地用操作时的空塔气速与发展液泛时的空塔气速的比值作为估算雾沫夹带量大小的指标。此比值称为泛点百分数或称泛点率。 在下列泛点率数值范围内，一般可保证雾沫夹带量达到规定的指标，即eV0.1kg (液)/kg(气)。,Company Logo,任
40、务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,大塔 F18082% 负压塔 F17577%D900mm的塔, F16575%,式中，F1：泛点率，%。CV：气相负荷系数，m3/s.VS,LS：气相及液相负荷，m3/s.ZL：板上液体流径长度，对单溢流塔板ZL=D2Wd.。Ab：板上也流面积，对单溢流塔板AB=ATAf。CF：泛点负荷系数，可根据气相密度V及板间距HT查得。K：物系系数，其值见下表。 依上式算得的泛点率不在上述范围内，则应当调整有关参数，板间距、塔径，重新计算，直至符合上述泛点率规定的范围为如准。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,Compa
41、ny Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,（五）泄漏,一但气相负荷减少，致使上升气体通过阀孔的动压不足以阻止流体经阀孔流下时，便会出现泄漏现象。 泄漏发生，塔板效率严重下降，正常操作时，泄漏应不大于液体流量的10%。经验证明，阀孔动能因数 F0=56时，泄漏量常接近10%。故取F0=56作为控制泄漏量的操作下限。,当浮阀在刚全开操作，气体通过阀孔处的动能因数F0=811。 （六）降液管内液面高度与液体停留时间1、为了防止液泛现象的发生，须控制降液管中的清液层和泡沫层高度不能高出上层塔板的出口堰顶，否则管内液体便会漫回本层塔板，令：一般物系取 = 0.5 发泡严重物系 =0
42、.30.4不发泡物系 = 0.60.8,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,在降液管液面11和下一层板上液面22之间列柏努利方程，得：,将上述之Hd与作比较，应符合设计规定。,2、液体停留时间,要保证气相夹带不超过允许的程度，降液观内液体停留时间应不小于35S。,Company Logo,任务3 双组分连续精馏的计算,应用化学工程系,（七）塔板的负荷性能图,确定了塔板的工艺尺寸，再按前述的各项进行流体力学验算，便可确认所设计的塔板能在任务规定的气液负荷下正常操作，此时，还要进一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操作所允许的气液负荷波动范围，这个范
43、围通常以塔板负荷性能图的形式表示，在以VS，LS分别为纵横轴的直角坐标系中，标绘出各种不正常流体力学条件下的VSLS关系曲线，在以这些曲线为界的范围之内，才是塔的适宜操作区。 1、雾沫夹带线 液沫夹带上限线表示雾沫夹带量eV0.1kg（液）/kg（气）时的VSLS关系，塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将因过多的液沫夹带而使效率下降。 此线可根据下式作出，即：,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,液气比与操作上下限的关系,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,对于一定的物系及一定的塔板结构尺寸CV，ZL，Ab，CF，K均
44、为已知 值，相应于雾沫夹带量eV0.1kg(液)/kg(气)时的泛点率F1值亦可确定，将已知值代入，便可得出一个的关系的函数式，据以作出雾沫夹带线。 2、液泛线(淹塔线) 此线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时的VSLS关系，塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将可能发生液泛现象，破坏塔的正常操作。(HT +hw)=Hd=hp+hL+hd=hc+hd+h+hL+hd 将hc，hL，hl及hd的计算式代入上式，便可得出一个的关系的函数式，据以作出BB线，据以作出BB。 3、液相负荷上限线CD 亦称降液管超负荷线，此线表明液体流量大小应保证液体在降液管内停留时间的起码条件,不应小于35S，而按=
45、5S计算,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,则：,依上式求得液相负荷上限LS的数值（常数），据以作出液相负荷上限线。,4、泄漏线,气相负荷上限线，此线表明不发生严重泄漏现象的最低气相负荷，再低将产生超过液体量的10%泄漏量。对于FI重阀，当阀孔动能因数F0=56时，泄漏量接近10%，即以此阀孔动能因数作为气相负荷下限的依据，按F0=5计算，则：,式中V，N，d都为已知值，故可依上式求出气相负荷VS的下限值，据以作出一条水平的泄漏线DE。,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,5、液相负荷下限线EE,对于平堰，一般取堰上
46、液层高度how=0.06mm作为液相符合下限条件，低于此限时，便不能保证板上液流的均匀分布，降低气液接触效果。,式中：Lh 塔内液体流量，m3/h.Lw 堰长，m。E 液流收缩稀疏，可从图657查得。,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,在负荷性能图上有五条线所包围的阴影区域，应是塔板用于处理指定物系时的适宜操作区域。在此区域内，塔板上的流体力学状态是正常的，但区域内各点的板效率并不完全相同。如果塔的预定气液负荷的设计点P能落在该区域内的适中位置，则可望获得良好的操作效果，如果操作点紧靠某一条边界线，则当负荷稍有变动便会使效率急剧下降，甚至破坏塔的操作。,
47、Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,在负荷性能图上有五条线所包围的阴影区域，应是塔板用于处理指定物系时的适宜操作区域。在此区域内，塔板上的流体力学状态是正常的，但区域内各点的板效率并不完全相同。如果塔的预定气液负荷的设计点P能落在该区域内的适中位置，则可望获得良好的操作效果，如果操作点紧靠某一条边界线，则当负荷稍有变动便会使效率急剧下降，甚至破坏塔的操作。,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,三、板式塔的设计原则,带有降液管的板式塔型虽多，但各种结构塔型的设计原则大致相同，下面一浮阀塔为例来说明。 （一）塔高的计算Z=
48、(N-1)HT （二）塔径的计算,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,（三）溢流装置的设计,板上液体流动形式，主要根据塔径与液体流量来确定，常用的形式有： 1、U形流：流体流径最长，塔板面积利用率也最高，但液面落差大，仅用于小塔。 2、单溢流：又称直径流，液体流径长，塔板效率较高，塔板结构简单，广泛用于直径2.2 m以下的塔。 3、双溢流：又称半径流，可减小液面落差，但塔板结构复杂，一般用于直径2m以上的大塔。 4、阶梯式双溢流：结构最复杂，只宜于塔径很大，流量很大的特殊场合。,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,总之，液体在塔板上的流径愈长，气液接触时间就愈长，有利于提高分离效果；但是液面落差也随之增大，不利于气体均匀分布，使分离效果降低。 目前，凡直径在2.2m以下的浮阀塔，一般都采用单溢流。但在大塔中，由于液面落差大或造成浮阀开启不均，使气体分布不均匀及出现泄漏现象，应采用双溢流以及阶梯流。见下表。,Company Logo,任务4 板式塔的类型及基本结构,应用化学工程系,
