化工過程及設(shè)備課程設(shè)計課件

1、2024/3/23,1,,化工過程及設(shè)備課程設(shè)計,信陽師范學院化學化工學院,劉 鵬 教授,2012年09月,2024/3/23,2,性質(zhì)、任務(wù)與目的,化工過程及設(shè)備課程設(shè)計是綜合運用《化工原理》、《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》、《化工制圖》、《化工儀表及自動化》課程和有關(guān)先修課程所學知識，完成以化工單元操作為主的一次工程設(shè)計，從而對學生進行一次設(shè)計技能的基本訓練，培養(yǎng)學生綜合運用所學的書本知識解決實際問題的能力，也為畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。因此，化工

2、過程及設(shè)備課程設(shè)計是提高學生實際工作能力的重要教學環(huán)節(jié)。,2024/3/23,3,1.對學生進行化工工程設(shè)計的基本訓練，使學生掌握化工設(shè)計的基本內(nèi)容、程序與方法； 2.結(jié)合設(shè)計課題培養(yǎng)學生查閱有關(guān)技術(shù)資料及物性參數(shù)的能力；3.通過查閱技術(shù)資料，選用設(shè)計計算公式，搜集數(shù)據(jù)，分析工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸間的相互影響，增強學生分析問題、解決問題的能力； 4.通過編寫設(shè)計說明書，提高學生文字表達能力，掌握撰寫技術(shù)文件的有關(guān)要求； 5.了解一般

3、化工設(shè)備圖基本要求，對學生進行繪圖基本技能訓練；,通過課程設(shè)計達到以下目的：,2024/3/23,4,設(shè)計內(nèi)容,化工過程及設(shè)備課程設(shè)計主要包括以下內(nèi)容： 1、化工工藝設(shè)計 （1）設(shè)計方案確定：對選定的工藝路線、主要設(shè)備等作簡要介紹與評述。 （2）工藝流程圖繪制：工藝流程圖用單線形式繪制，用示意圖表示單元操作所有主體設(shè)備及輔助設(shè)備，標出物流量（或能流量）、物流向、控制閥門，以及溫度、壓力控制點的控制標記。,2024/3/23,5,圖

4、1-1合成氨工段方案流程圖,2024/3/23,6,（3）主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算內(nèi)容包括： ?  設(shè)計工藝參數(shù)的選定及依據(jù)； ?  系統(tǒng)的物料衡算，產(chǎn)品收率及原料耗用量計算； ?  系統(tǒng)的熱量衡算，水蒸汽耗量計算； ?  主要設(shè)備的工藝尺寸設(shè)計計算或校核計算。 （4）系統(tǒng)流體力學性能計算，主要設(shè)備的流體壓降損失計算。 （5）輔助設(shè)備設(shè)計計算，典型輔助設(shè)備（如風機、泵、換熱器、貯罐等）

5、主要工藝尺寸或參數(shù)的確定，設(shè)備規(guī)格及型號的選定。,2024/3/23,7,2.主體設(shè)備強度設(shè)計： 設(shè)備材料選擇、強度設(shè)計、支座設(shè)計等，根據(jù)設(shè)計結(jié)果繪制主要化工設(shè)備裝配圖 1 張，圖面應(yīng)包括下列內(nèi)容：,設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計； 設(shè)備的主要工藝尺寸； 設(shè)備技術(shù)特性表； 設(shè)備接管表（規(guī)格和用途）； 設(shè)備零部件明細表。,,2024/3/23,8,3 .設(shè)計說明書編寫,設(shè)計說明書是將所作的課程設(shè)計予以綜合簡介、并對設(shè)計給予評述。內(nèi)容包

6、括：,（ 1 ）設(shè)計任務(wù)書； （ 2 ）目錄； （ 3 ）設(shè)計方案簡介與評述； （ 4 ）工藝設(shè)計及計算； （ 5 ）主要設(shè)備設(shè)計； （ 6 ）輔助設(shè)備選型計算； （ 7 ）設(shè)計結(jié)果匯總表； （ 8 ）參考資料。,,2024/3/23,9,4 .圖紙,（1）帶控制點工藝流程圖 1 張 （2）主體設(shè)備裝配圖 1 張,2024/3/23,10,時間安排,2024/3/23,11,成績評定,完成了所有設(shè)計內(nèi)容并撰寫完課程設(shè)計說

7、明書后，進行答辯考核。課程設(shè)計成績根據(jù)學生設(shè)計期間的表現(xiàn)、設(shè)計計算結(jié)果、設(shè)計說明書質(zhì)量、圖紙質(zhì)量及答辯考核情況等進行綜合評分，并按優(yōu)、良、中、及格、不及格五級記分。,2024/3/23,12,主要參考書目,1. 化工原理（上、下冊），譚天恩，麥本熙，丁惠華編著， 化工出版社， 1998 ； 2. 化工原理課程設(shè)計相關(guān)參考資料3. 化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程設(shè)計4. 化工設(shè)備機械基礎(chǔ)，刁玉瑋編，大連理工大學出版社，5. 物性數(shù)據(jù)的計算與

8、圖表（），王蓮琴編，化工出版社， 1992 ； 6. 化工工藝設(shè)計手冊，上、下冊，國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計院編，化工出版社， 1986 ； 7. 化工過程及設(shè)備設(shè)計，華南理工大學，化學工業(yè)出版社， 1986 ； 8. 化學工程手冊，化學工業(yè)出版社， 1982,2024/3/23,13,1. 板 式 塔,1.1 板式塔結(jié)構(gòu)及性能（1） 板式塔結(jié)構(gòu),2024/3/23,14,塔板結(jié)構(gòu),① 氣體通道 形式很多，如篩板、浮閥、泡

9、罩等，對塔板性能影響很大。,② 降液管（液體通道） 液體流通通道，多為弓形。,③ 受液盤 塔板上接受液體的部分。,④ 溢流堰 使塔板上維持一定高度的液層，保證兩相充分接觸。,2024/3/23,15,浮閥塔板結(jié)構(gòu),2024/3/23,16,（2） 塔板上的氣—液兩相流動,2024/3/23,17,汽、液兩相接觸方式,全塔：逆流接觸塔板上：錯流接觸,,2024/3/23,18,塔板上理想流動情況： 液體橫

10、向均勻流過塔板，氣體從氣體通道上升，均勻穿過液層。 氣液兩相接觸傳質(zhì)，達相平衡，分離后，繼續(xù)流動。,塔板上的非理想流動情況： ① 氣相或液相返混 液沫夾帶、氣泡夾帶 ，即：返混現(xiàn)象,后果：板效率降低。,② 不均勻流動 液面落差（水力坡度）：引起塔板上氣體分布不均勻； 塔壁作用（阻力）：引起塔板上液體分布不均勻。,后果：使塔板上氣液接觸不充分，板效率降低。,2024/3/23,

11、19,液泛現(xiàn)象,1.2 塔內(nèi)氣、液兩相異常流動,（1）液泛 如果由于某種原因，使得氣、液兩相流動不暢，使板上液層迅速積累，以致充滿整個空間，破壞塔的正常操作，稱此現(xiàn)象為液泛。,2024/3/23,20,(2) 過量霧沫夾帶液泛,原因：① 氣相在液層中鼓泡，氣泡破裂，將霧沫彈濺至上一層塔板；② 氣相運動是噴射狀，將液體分散并可攜帶一部分液沫流動。,液泛氣速： 開始發(fā)生液泛時的氣速。,2024/3/23,21,2）降液管

12、液泛 當塔內(nèi)氣、液兩相流量較大，導致塔板阻力及降液管內(nèi)阻力增大時，均會引起降液管液層升高，以致達到上一層塔板，破壞降液管的正常流動，直至液相逐漸充滿塔板空間，發(fā)生液泛。,說明：兩種液泛互相影響和關(guān)聯(lián)，其最終現(xiàn)象相同。,2024/3/23,22,（2） 嚴重漏液,漏液量增大,導致塔板上難以維持正常操作所需的液面,無法操作。此漏液為嚴重漏液，稱相應(yīng)的孔流氣速為漏液點氣速 。,2024/3/23,23,2.3 常用塔板的類

13、型,（1）泡罩塔板,優(yōu)點：塔板操作彈性大，塔效率也比較高，不易堵。缺點：結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高，塔板阻力大。,組成：升氣管和泡罩,2024/3/23,24,圓形泡罩,條形泡罩,泡罩塔,2024/3/23,25,（2）篩板塔板,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低、塔板阻力小。 目前，廣泛應(yīng)用的一種塔型。,塔板上開圓孔，孔徑：3 - 8 mm，大孔徑篩板：12 - 25 mm。,,2024/3/23,26,（3）浮閥塔板,圓形浮閥,條形浮閥

14、,浮閥塔盤,方形浮閥,2024/3/23,27,優(yōu)點：浮閥根據(jù)氣體流量，自動調(diào)節(jié)開度，提高了塔板的操作彈性、降低塔板的壓降，同時具有較高塔板效率，在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。缺點：浮閥易脫落或損壞。,方形浮閥,F1型浮閥,2024/3/23,28,（4）多降液管（MD）塔板 優(yōu)點：提高允許液體流量,2024/3/23,29,1.4 篩板塔化工設(shè)計計算（1）塔的有效高度 Z 已知：實際塔板數(shù) NP

15、； 塔板間距 HT；,選取塔板間距 HT ：,理論塔板數(shù)計算軟件,塔板間距和塔徑的經(jīng)驗關(guān)系,塔體高度：有效高+頂部+底部+ 其它,有效塔高：,2024/3/23,30,C：氣體負荷因子，與 HT、 液體表面張力和兩相接觸狀況有關(guān)。,① 液泛氣速,兩相流動參數(shù) FLV：,（2）塔徑 確定原則： 防止過量液沫夾帶液泛 步驟： 先確定液泛氣速 uf (m/s)；

16、 然后選設(shè)計氣速 u； 最后計算塔徑 D。,2024/3/23,31,對于篩板塔(浮閥、泡罩塔)，可查圖 ，C20=(HT 、FLV),,,塔板間距 HT,2024/3/23,32,② 選取設(shè)計氣速 u 選取泛點率： u / uf 一般液體， 0.6 ~0.8 易

17、起泡液體，0.5 ~ 0.6,所需氣體流通截面積,設(shè)計氣速 u = 泛點率 ×uf,③ 計算塔徑 D,塔截面積：,A = AT - Ad,塔徑,說明：計算塔徑需圓整，且重新計算實際氣速及泛點率。,液泛氣速 uf,2024/3/23,33,（3）溢流裝置設(shè)計 ① 溢流型式的選擇 依據(jù)：塔徑 、流量； 型式：單流型、U 形流型、雙流型、階梯流型等。,② 降液管形式和

18、底隙 降液管：弓形、圓形。 降液管截面積：由Ad/AT = 0.06 ~ 0.12 確定； 底隙 hb ：通常在 30 ~ 40 mm。,③ 溢流堰（出口堰） 作用：維持塔板上一定液層，使液體均勻橫向流過。 型式：平直堰、溢流輔堰、三角形齒堰及柵欄堰。,2024/3/23,35,堰長 lW ：影響液層高度。,堰高 hW：直接影響塔板上液層厚度 過小，相際傳

19、質(zhì)面積過?。?過大，塔板阻力大，效率低。 常、加壓塔：40 ~ 80 mm ； 減壓塔：25 mm 左右。,,說明：通常應(yīng)使溢流強度qVLh/lW 不大于100~130 m3/（m?h）。,或：,雙流型:,單流型：,2024/3/23,36,(4) 塔板及其布置 ① 受液區(qū)和降液區(qū) 一般兩區(qū)面積相等。 ② 入口安定區(qū)和出口安定區(qū),其中， E：液流收縮系數(shù)，一

20、般可近似取 E =1。,堰上方液頭高度 hOW ：,要求：,③ 邊緣區(qū)：,2024/3/23,37,（5）篩孔的尺寸和排列 篩孔： 有效傳質(zhì)區(qū)內(nèi)，常按正三角形排列。 篩板開孔率 ：,單流型弓形降液管塔板：,④ 有效傳質(zhì)區(qū)：,雙流型弓形降液管塔板：,2024/3/23,38,篩孔直徑 d0 : 3 ~ 8 mm (一般)。 12 ~ 25 mm (大篩孔) 孔中心距 t :

21、 (2.5~5) d0 取整。 開孔率φ: 通常為 0.08 ~ 0.12。 板厚：碳鋼（3 ~ 4mm）、不銹鋼。,篩孔氣速：,篩孔數(shù)：,d0,t,2024/3/23,39,(6) 塔板的校核 對初步設(shè)計的結(jié)果進行調(diào)整和修正。,① 液沫夾帶量校核單位質(zhì)量（或摩爾）氣體所夾帶的液體質(zhì)量（或摩爾） ev ： kg 液體 / kg氣體，或 kmol液體 /

22、 kmol氣體單位時間夾帶到上層塔板的液體質(zhì)量（或摩爾） e： kg 液體 / h 或 kmol液體 / h 液沫夾帶分率ψ：夾帶的液體流量占橫過塔板液體流量的分數(shù)。 故有：,所以,2024/3/23,40,說明：超過允許值，可調(diào)整塔板間距或塔徑。,,ev的計算方法：,方法1：利用Fair關(guān)聯(lián)圖求Ψ，進而求出ev。方法2：用Hunt經(jīng)驗公式計算ev。,式中Hf 為

23、板上泡沫層高度：,要求： ev ≤ 0.1 kg 液體 / kg氣體。,2024/3/23,41,② 塔板阻力的計算和校核 塔板阻力：,塔板阻力 hf包括 以下幾部分: （a）干板阻力 h0—氣體通過板上孔的阻力（設(shè)無液體時）； （b）液層阻力 hl —氣體通過液層阻力； （c）克服液體表面張力阻力 hσ—孔口處表面張力。,清液柱高度表示：,（a）干板阻力h0,2024/3/23,42,C0— 孔流系數(shù),2024/3/

24、23,43,（b）液層阻力 hl,查圖求充氣系數(shù)β,2024/3/23,44,說明：若塔板阻力過大，可增加開孔率或 降低堰高。,（c）克服液體表面張力阻力（一般可不計）,③ 降液管液泛校核,故塔板阻力：,降液管中清液柱高度 (m),2024/3/23,45,（a） 液面落差Δ一般較小，可不計。當不可忽略時，,一般要求： Δ<0.5h0,（b） 液體通過降液管阻力 hd,包括底隙阻力 hd1和進口堰阻力hd2。,無進口堰時：,2

25、024/3/23,46,泡沫層高度,要求：,說明：若泡沫高度過大，可減小塔板阻力或 增大塔板間距。,泡沫層相對密度：對不易起泡物系，,易起泡物系，,④ 液體在降液管中停留時間校核 目的：避免嚴重的氣泡夾帶。,停留時間：,要求：,說明：停留時間過小，可增加降液管面積 或 增大塔板間距。,2024/3/23,47,（a）計算嚴重漏液時干板阻力 h0 ´,（b）計算漏液點氣速 u0 ´,說明：如果穩(wěn)定系數(shù)k過

26、小，可 減小開孔率 或 降低堰高。,⑤ 嚴重漏液校核 漏液點氣速 u0 ´ ：發(fā)生嚴重漏液時篩孔氣速。 穩(wěn)定系數(shù)：,要求：,2024/3/23,48,① 過量液沫夾帶線（氣相負荷上限線） 規(guī)定：ev = 0.1（ kg 液體 / kg氣體） 為限制條件。,（6）塔板的負荷性能圖——確定塔板的操作彈性,② 液相下限線,整理出：,規(guī)定：,③ 嚴重漏液線（氣相下限線）,2024/3/23,49,代

27、入相關(guān)公式，如hOW、σ、u0’，整理出。,④ 液相上限線,⑤ 降液管液泛線,規(guī)定：,2024/3/23,50,塔板的操作彈性： 或,2024/3/23,51,2.填料塔（Packed Tower）,塔體：一般取為圓筒形，可由金屬、塑料或陶瓷制成，金屬筒體內(nèi)壁常襯以防腐材料。 填料：大致可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類，是傳熱和傳質(zhì)的場所。塔內(nèi)件：包括填料支承與壓緊裝置、液體與氣體分布器、液體再分布

28、器以及氣體除沫器等。操作原理：液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流動，并與在壓強差推動下穿過填料空隙的氣體相互接觸，發(fā)生傳熱和傳質(zhì)。,2024/3/23,52,填料（Tower packing）,填料塔的核心，是氣液兩相接觸進行質(zhì)、熱傳遞的場所。填料的流體力學和傳質(zhì)性能與填料的材質(zhì)、大小和幾何形狀緊密相關(guān)，材質(zhì)一定時，表征填料特性的數(shù)據(jù)主要有：比表面積 a：單位體積填料層所具有的表面積(m2/m3)

29、。被液體潤濕的填料表面就是氣液兩相的接觸面。大的 a 和良好的潤濕性能有利于傳質(zhì)速率的提高。對同種填料，填料尺寸越小，a 越大，但氣體流動的阻力也要增加?？障堵??：單位體積填料所具有的空隙體積(m3/m3)。代表的是氣液兩相流動的通道， ? 大，氣、液通過的能力大，氣體流動的阻力小。 ? = 0.45~0.95。填料因子 ?：填料比表面積與空隙率三次方的比值(1/m)，a/?3，表示填料的流體力學性能，值越小，流動阻力越小。有干填

30、料因子與濕填料因子之分。,2024/3/23,53,填料（Tower packing）,堆積密度 ?p ：單位體積填料的質(zhì)量(kg/m3)。在機械強度允許的條件下，填料壁要盡量薄，以減小填料的堆積密度，從而既可降低成本又可增加空隙率。機械強度大，化學穩(wěn)定性好以及價格低廉等也是優(yōu)良填料應(yīng)盡量兼有的性質(zhì)。注意：一些難以定量表達的因素(幾何形狀)對填料的流體力學和傳質(zhì)性能也有重要的影響。新型填料的開發(fā)一般是改進填料幾何形狀使之更為合理，從

31、而獲得高的填料效率。,常用的填料（Typical tower packing）,常用的填料可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。散裝填料在塔內(nèi)可亂堆，也可以整砌。,2024/3/23,54,優(yōu)點：易于制造，價格低廉，且對它的研究較為充分，所以在過去較長的時間內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。缺點：高徑比大，堆積時填料間易形成線接觸，故液體常存在嚴重的溝流和壁流現(xiàn)象。且拉西環(huán)填料的內(nèi)表面潤濕率較低，因而傳質(zhì)速率也不高。,拉西環(huán)（Raschig ring）填

32、料,最早使用的一種填料，為高徑比相等的陶瓷和金屬等制成的空心圓環(huán)。,在拉西環(huán)基礎(chǔ)上衍生了θ環(huán)、十字環(huán)及螺旋環(huán)等，其基本改進是在拉西環(huán)內(nèi)增加一結(jié)構(gòu)，以增大填料的比表面積。,2024/3/23,55,鮑爾環(huán)（Pall ring）填料,在環(huán)的側(cè)壁上開一層或兩層長方形小孔，小孔的母材并不脫離側(cè)壁而是形成向內(nèi)彎的葉片。上下兩層長方形小孔位置交錯。,鮑爾環(huán)填料的優(yōu)良性能使它一直為工業(yè)所重視，應(yīng)用十分廣泛?？捎商沾伞⒔饘倩蛩芰现瞥?。,同尺寸的鮑爾環(huán)與

33、拉西環(huán)雖有相同的比表面積和空隙率，但鮑爾環(huán)在其側(cè)壁上的小孔可供氣液流通，使環(huán)的內(nèi)壁面得以充分利用。比之拉西環(huán)，鮑爾環(huán)不僅具有較大的生產(chǎn)能力和較低的壓降，且分離效率較高，溝流現(xiàn)象也大大降低。,2024/3/23,56,這樣的結(jié)構(gòu)使得階梯環(huán)填料的性能在鮑爾環(huán)的基礎(chǔ)上又有提高，其生產(chǎn)能力可提高約10%，壓降則可降低25%，且由于填料間呈多點接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象。,階梯環(huán)填料（Stair ring）,階梯環(huán)填料的結(jié)構(gòu)與鮑爾環(huán)填

34、料相似，環(huán)壁上開有長方形小孔，環(huán)內(nèi)有兩層交錯 45°的十字形葉片，環(huán)的高度為直徑的一半，環(huán)的一端成喇叭口形狀的翻邊。,階梯環(huán)一般由塑料和金屬制成，由于其性能優(yōu)于其它側(cè)壁上開孔的填料，因此獲得廣泛的應(yīng)用。,2024/3/23,57,弧鞍形(Berl saddle)矩鞍形(Intalox saddle)填料,一種表面全部展開的具有馬鞍形狀的瓷質(zhì)型填料 (馬鞍填料)?；“疤盍显谒?nèi)呈相互搭接狀態(tài)，形成弧形氣體通道，,優(yōu)點：空隙率高，

35、氣體阻力小，液體分布性能較好，填料性能優(yōu)于拉西環(huán)。,矩鞍填料的兩端為矩形，且填料兩面大小不等?？朔嘶“疤盍舷嗷ブ丿B的缺點，填料的均勻性得到改善。液體分布均勻，氣液傳質(zhì)速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一種瓷質(zhì)填料。,缺點：相鄰填料易相互套疊，使填料有效表面降低，從而影響傳質(zhì)速率。,2024/3/23,58,優(yōu)點：網(wǎng)絲細密，空隙很高，比表面積很大。由于毛細管作用，填料表面潤濕性能很好。故網(wǎng)體填料氣體阻力小，傳質(zhì)速率高。缺點：造價

36、很高，故多用于實驗室中難分離物系的分離。,金屬英特洛克斯（Intalox）填料,有環(huán)形與鞍形的結(jié)構(gòu)特點，生產(chǎn)能力大、壓降低、液體分布性能好、傳質(zhì)速率高及操作彈性大，在減壓蒸餾中其優(yōu)勢更為顯著。,與實體填料對應(yīng)的另一類填料為網(wǎng)體填料。有多種形式，如金屬絲網(wǎng)制成的網(wǎng)環(huán)和鞍型網(wǎng)等。,網(wǎng)體填料（Wire gauze packings）,,2024/3/23,59,規(guī)整填料,規(guī)整填料一般由波紋狀的金屬網(wǎng)絲或多孔板重疊而成。使用時根據(jù)填料塔的結(jié)

37、構(gòu)尺寸，疊成圓筒形整塊放入塔內(nèi)或分塊拼成圓筒形在塔內(nèi)砌裝。,優(yōu)點：空隙大，生產(chǎn)能力大，壓降小。流道規(guī)則，只要液體初始分布均勻，則在全塔中分布也均勻，因此規(guī)整填料幾乎無放大效應(yīng)，通常具有很高的傳質(zhì)效率。缺點：造價較高，易堵塞難清洗，因此工業(yè)上一般用于較難分離或分離要求很高的情況。,2024/3/23,60,規(guī)整填料,Corrugated MetalPlates Packings? 6400金屬板波紋規(guī)整填料,? 300脈沖規(guī)整填料,

38、各種陶瓷規(guī)整填料,2024/3/23,61,,填料的流體力學性能,壓降,填料塔效率主要取決于填充填料流體力學性能和傳質(zhì)性能。壓降、液泛氣速、持液量及氣液分布對填料塔的設(shè)計和操作參數(shù)的確定至關(guān)重要。,壓降與氣速的關(guān)系：氣體通過干填料層時的流動與氣體通過顆粒固定床的流動相似，只是通常填料層的空隙率更大，故氣體在空隙中的流速更高而處于湍流。,載液區(qū),高液量,低液量,,,,,,C,C’,B,B’,A,A’,L=0,L1,L2,lg u,lg

39、 ?p,,載點氣速,液泛氣速,2024/3/23,62,有一定持液量時，?p~u 將不再為簡單的直線關(guān)系(噴淋密度為L1、L2曲線)，且存在兩個較明顯的轉(zhuǎn)折點。,壓降,氣體通過干填料層的壓降 ?p 與空塔氣速 u 的關(guān)系在雙對數(shù)坐標上為直線，斜率 1.8~2.0。,原因：噴淋液體在填料上形成液膜，占據(jù)部分空隙，減小了氣體的流通截面，對相同空塔氣速壓降升高。,2024/3/23,63,P點后，液沫夾帶量?，液相返混可導致填料效率?，(H

40、ETP ?)。,載點(B)后，持液量?，氣液相互作用?，相界面積?，湍動增強?，傳質(zhì)過程?，填料效率? (HETP ?)；,載液和液泛對傳質(zhì)的影響：,壓降,氣速較低時，氣液相間相互影響小，在一定的液體噴淋密度下，填料持液量與氣速無關(guān)，氣體壓降與氣速的關(guān)系為直線且基本與 L=0 的直線平行。,,,,,,,P,B,泛點C,,載液區(qū),空塔氣速 u,,,等板高度HETP,,填料塔的操作一般控制在偏離泛點一定距離的載液區(qū)內(nèi)，這樣，既可得到較高的傳

41、質(zhì)效率，填料層的壓降也不會過大。,2024/3/23,64,壓降與氣速的關(guān)聯(lián)圖,壓降對填料塔操作的可靠性和經(jīng)濟性有著決定性的影響。選擇填料和確定塔徑時，不同系統(tǒng)應(yīng)控制的壓降范圍不同。,壓降：表面摩擦阻力+形體阻力，前者是氣體在空隙中流動時在填料表面和氣液界面上產(chǎn)生的粘性應(yīng)力，后者是由于氣體流道的突然增大或縮小，方向的改變等造成的動能損失。影響因素：填料特性(幾何形狀、比表面積、? 等)，流體物性(?、? 等)以及操作條件(氣液流量、

42、T 等)。難以進行準確的理論計算，迄今仍然只能由各種經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式或關(guān)聯(lián)圖進行估算。,2024/3/23,65,?？颂?(Eckert) 壓降通用關(guān)聯(lián)圖,橫坐標：,GG ,GL —— 氣體和液體的質(zhì)量流速，kg/(m2.s)； u —— 空塔氣速，m/s； ?V , ?L —— 氣體和液體的密度，kg/m3； ?L —— 液體的粘度，mPa.s；WG ,WL —— 氣體和液體的質(zhì)量流量

43、，kg/s； ? —— 濕填料因子(泛點填料因子)，1/m； Vs ,Ls —— 氣體和液體的體積流量，m3/s； g —— 重力加速度 9.81m/s2； ? —— 液體密度校正系數(shù)(水與液相密度之比?=?/?L) 。,縱坐標：,2024/3/23,66,?？颂?(Eckert) 壓降通用關(guān)聯(lián)圖,適用范圍：亂堆填料(Random packings)，如拉西環(huán)、鮑

44、爾環(huán)、矩鞍環(huán)等。與泛點線相對應(yīng)的空塔氣速為空塔液泛氣速。利用此圖可根據(jù)選定的空塔氣速求壓降，或根據(jù)規(guī)定的壓降求算相應(yīng)的空塔氣速。,最上方的三條線分別為弦柵、整砌拉西環(huán)及亂堆填料的泛點線。其余為亂堆填料的等壓降線。,2024/3/23,67,泛點氣速,泛點：液泛開始發(fā)生，是填料塔的操作極限。泛點氣速：開始發(fā)生液泛時的氣速，泛點的直接表達參數(shù)。,為防止液泛發(fā)生，最大操作氣速應(yīng) < 95%泛點氣速，設(shè)計點的氣速通常取泛點氣速的50

45、%~80%。故正確估算泛點氣速對填料塔的設(shè)計和操作都十分重要。填料的種類，物系的物性以及氣、液相負荷等因素對泛點都有一定的影響。泛點氣速的估算式通常仍是借助于實驗數(shù)據(jù)所得的各種經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式或關(guān)聯(lián)圖。對于散裝填料，目前廣泛采用埃克特(Eckert)壓降和氣速通用關(guān)聯(lián)圖中的泛點曲線。規(guī)整填料有類似的泛點實驗關(guān)聯(lián)圖，可參考有關(guān)文獻。根據(jù)兩相流動參數(shù)即可由埃克特(Eckert)關(guān)聯(lián)圖中的泛點線查縱坐標值，若填料因子已知，即可求得泛點氣速。

46、,2024/3/23,68,持液量（Liquid holdup）,填料的持液量：操作時單位體積填料在表面和空隙中所積存的液體體積量。由靜持液量和動持液量兩部分組成。動持液量：停止氣液兩相進料后從填料中排放出來的液體。與填料特性，物性及氣液兩相流量有關(guān)。靜持液量：液體排放完后仍保留在填料層內(nèi)的那部分液體。與填料表面積，表面特征及潤濕性有關(guān)。 持液量對填料的壓降、氣液通量以及分離效率均有影響。 液體在填料層中的停

47、留時間與持液量成正比，故熱敏性物系分離不宜采用持液量大的填料。 對間歇蒸餾不宜采用持液量大的填料。 填料塔穩(wěn)定操作時持液量越小，靈敏度越高。理想的操作：大傳質(zhì)表面，較小持液量。,2024/3/23,69,填料塔內(nèi)的氣、液分布,氣、液兩相分布不均勻?qū)λ蕰a(chǎn)生不利的影響。小尺度不良分布：單個填料尺度或規(guī)整填料的通道尺度上的不均勻分布。原因：由于氣體的彌散性，氣體在小尺度上容易分布均勻。而液體能否在填料表面擴

48、展成膜與填料的潤濕性直接相關(guān)。即使填料潤濕性很好，液體的初始分布也很均勻，但在向下流過一定高度的填料層后部分液體必然會匯集為細股流，使另一部分填料表面不能為液體所潤濕。 小尺度的不良分布是填料的特性，當液體流經(jīng)一定距離后，這種不良分布特性保持穩(wěn)定，稱為特征分布。通常散裝填料的小尺度不良分布較規(guī)整填料突出。,2024/3/23,70,填料塔內(nèi)的氣、液分布,大尺度不良分布：由液體初始分布不均、填料層結(jié)構(gòu)不均和塔體傾斜等非正常因

49、素所引起。壁效應(yīng)：若塔壁附近空隙率顯著大于填料主體區(qū)，則會造成液體向壁區(qū)偏流并最終形成沿塔壁垂直向下的壁流，減少了填料氣體區(qū)的液流量。 塔體傾斜會造成液體優(yōu)先流向下方塔壁而匯集，上方塔壁及靠壁區(qū)液體分布則不足。 填料破碎、變形等也會造成大范圍的液流分布不均。 大尺度液流不均還會引發(fā)氣流分布不均，造成氣體走短路，使填料塔操作惡化。改進措施：加強液流入塔的初始分布均勻性，在塔內(nèi)設(shè)置液體再分布器，填料充填均勻

50、，對大型塔填料尺寸與塔徑之比不大于 1/30 以避免壁效應(yīng)等。,2024/3/23,71,填料塔塔徑與塔高的計算,塔徑,填料塔的直徑可根據(jù)圓形管道內(nèi)的流量公式計算,式中：Vs —— 操作條件下氣體體積流量，m3/s； u —— 操作條件下的空塔氣速，m/s。 一般取 u = (0.5~0.8) uf 。,對一定氣體負荷，塔徑計算關(guān)鍵在于空塔泛點氣速的求取。

51、當缺乏實測數(shù)據(jù)時，泛點氣速 uf 可用?？颂?Eckert)壓降關(guān)聯(lián)圖估算。一般填料塔的操作氣速大致在 0.2~1.0 m/s。按上式算出的塔徑，應(yīng)按壓力容器公稱直徑進行圓整，如圓整為600、800、1000、1200 mm 等。,2024/3/23,72,塔徑,驗算液體噴淋密度，以確保填料能得到充分的潤濕。填料塔的液體最小噴淋密度與填料的比表面積 a 有關(guān)，其關(guān)系為：,式中：Umin —— 最小噴淋密度，m3/(m2?s)；

52、 (Lw)min —— 最小潤濕速率，m3/(m?s)。,最小潤濕速率：在塔橫截面上，單位長度的填料周邊上潤濕填料所需最少液體的體積流量。直徑75mm 的環(huán)形填料，(Lw)min= 0.12 m3/(m?h)。實際噴淋密度應(yīng)大于最小噴淋密度。若不能滿足此條件，可采用增大回流比或液體再循環(huán)等方法加大塔內(nèi)液體流量，或適當提高氣速，減小塔徑等。,2024/3/23,73,塔高,取決于所需的填料層高度及塔內(nèi)附屬構(gòu)件所需的高度。附屬

53、構(gòu)件(如氣液分布裝置，除沫器及液體再分布器等)的高度要由所選的類型和計算的尺寸來確定。填料層的高度通常采用傳質(zhì)單元法 (第9章吸收計算) 或等板高度法進行計算。等板高度(HETP)：與一層理論塔板的分離效果相當?shù)奶盍蠈痈叨取５劝甯叨鹊拇笮?，表明填料效率的高低。等板高度一般由實驗測定，或取生產(chǎn)設(shè)備的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。若完成分離任務(wù)所需的理論板數(shù)為 N，則填料層高度 Z 為,2024/3/23,74,默奇 (Murch) 等板高度經(jīng)驗公式,

54、GG —— 氣體的空塔質(zhì)量速度，kg/(m2?h)； ? —— 相對揮發(fā)度； D —— 塔徑，m； ?L —— 液體粘度，mPa?s； Z —— 填料層高度，m； ?L —— 液體的密度，kg/m3；c1, c2, c3 —— 常數(shù)，取決于填料類型及尺寸。,適用范圍：(1) 常壓操作，操作

55、氣速為泛點氣速的25~85%；(2) 高回流比操作；(3) ? 值不大于3的碳氫化合物蒸餾系統(tǒng)；(4) 填料層高度為0.9~3.0m，塔徑為0.5~0.75m，填料尺寸不大于塔徑的1/8。,2024/3/23,75,默奇 (Murch) 等板高度經(jīng)驗公式,默奇（Murch）等板高度經(jīng)驗公式中的常數(shù),2024/3/23,76,填料塔的附屬結(jié)構(gòu),填料支承板（Packing support plate ）,主要包括：填料支承裝置、液體分

56、布及再分布裝置、氣體進口分布裝置及出口除沫裝置等。附屬結(jié)構(gòu)的選型、設(shè)計、安裝是否正確合理，對填料塔的操作和傳質(zhì)分離效果都會有直接影響，應(yīng)給予足夠的重視。,用以支承填料的部件。它應(yīng)具有：(1) 足夠的機械強度以承受設(shè)計載荷量，支承板的設(shè)計載荷主要包括填料的重量和液泛狀態(tài)下持液的重量。(2) 足夠的自由面積以確保氣、液兩相順利通過?？傞_孔面積應(yīng)盡可能不小于填料層的自由截面積。開孔率過小可導致液泛提前發(fā)生。一般開孔率在 70% 以上。

57、常用的支承板有柵板、升氣管式和氣體噴射式等類型。,2024/3/23,77,填料支承板（Packing support plate ）,柵板 (support grid)：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，造價低；缺點是柵板間的開孔容易被散裝填料擋住，使有效開孔面積減小。,2024/3/23,78,填料支承板（Packing support plate ）,升氣管式：具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點。氣體由升氣管側(cè)面的狹縫進入填料層。,2024/

58、3/23,79,填料支承板（Packing support plate ）,氣體噴射式 (multibeam packing support plate)：具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點。氣體由波形的側(cè)面開孔射入填料層。,2024/3/23,80,床層限位圈和填料壓板 (Bed limiter and hold down plate),填料壓緊和限位裝置安裝在填料層頂部，用于阻止填料的流化和松動，前者為直接壓在填料之上的填料

59、壓圈或壓板，后者為固定于塔壁的填料限位圈。規(guī)整填料一般不會發(fā)生流化，但在大塔中，分塊組裝的填料會移動，因此也必需安裝由平行扁鋼構(gòu)造的填料限制圈。,2024/3/23,81,液體分布器（Liquid distributor）,作用：將液體均勻分布于填料層頂部。液體初始分布質(zhì)量將直接影響到液體在整個填料層的分布，從而影響填料塔的分離效率和操作彈性，因此液體分布器是填料塔的一個極為重要的內(nèi)部構(gòu)件。,蓮蓬頭分布器：噴頭的下部為半球形多孔板，

60、噴頭直徑為塔徑的1/3~1/5，一般用于直徑在0.6m以下的塔中。它的主要缺點是噴灑孔易堵塞，且氣量較大時液沫夾帶量大。,2024/3/23,82,液體分布器（Liquid distributor）,壓力型多孔管式分布器：有環(huán)形和梯形兩種。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低、易于支承。自由面積較大 (一般在70%以上)，氣體阻力小，適用于氣體流量很大的場合。其操作彈性在 2:1~2.5:1 之間。缺點：也存在小孔易堵塞的問題，故被噴淋的液體不能

61、有固體顆?；驊腋∥?。,2024/3/23,83,,液體分布器（Liquid distributor）,梯形,二級槽式液體分布器,2024/3/23,84,液體分布器（Liquid distributor）,優(yōu)點：具有較多的噴淋點數(shù)，分布質(zhì)量比較高，且操作彈性可高達 4:1。缺點：結(jié)構(gòu)較復雜，造價較高，對安裝水平度要求高。氣體通過阻力較大，一般適用于氣體負荷不太大的場合。,孔流分布器：有盤式和槽式兩種。,盤式孔流分布器：氣、液流道分離，

62、液體自盤底的噴淋孔流下，盤中維持有一定高度的液位，氣體則從盤中設(shè)置的圓管中上升。,2024/3/23,85,,液體分布器（Liquid distributor）,優(yōu)點：抗堵、抗腐蝕能力強，操作可靠，可處理含固體的物料，操作彈性和處理量較大，操作彈性可達到 4:1。缺點：分布質(zhì)量極易受液面的波動和分布器水平度的影響，故通常必須裝有水平調(diào)節(jié)裝置。,槽式溢流分布器：液體從通常為V字形的溢流口中溢出。一般適用于直徑大于 1.0 m 的填料塔中

63、。,2024/3/23,86,液體再分布器（Liquid redistributor）,隨液體流經(jīng)的填料層厚度的增加，偏流程度增加，液體的大尺度不良分布就越嚴重。解決方法：每隔一定高度設(shè)置一液體再分布器。偏流效應(yīng)越嚴重，設(shè)置液體再分布器的填料間隔應(yīng)越小，如拉西環(huán)每段填料高度一般約為塔徑的 3 倍，而鮑爾環(huán)和鞍形填料可分為塔徑的 5~10 倍。再分布器的形式：有盤式、槽式及截錐式等。,盤式液體再分布器,截錐式再分布器,2024/3/

64、23,87,氣體分布器（Gas distributor）,對于直徑小于?3000塔，可采用單管底部雙排孔分布器。不僅氣體分布均勻、阻力小，而且結(jié)構(gòu)簡單、造價低。,,超過?3000塔可采用多排管式或升氣管式氣體分布器。還可以采用雙效氣體分布器，既提供良好的氣體分布，又具有較高的傳質(zhì)效率。,2024/3/23,88,液體收集器（Liquid collector）,氣液流率的偏差會造成局部氣液比不同，使塔截面出現(xiàn)徑向濃度差，如不及時重新混合，

65、就會越來越壞。一般15～20個理論級需進行一次氣液再分布。 在各床層間用液體收集器將流下的液體完全收集并混合，再進入液體分布器，以消除塔徑向質(zhì)與量的偏差。,斜板式液體收集器,盤式液體收集器,2024/3/23,89,除沫器（Demister）,當塔內(nèi)氣速較高，液沫夾帶較嚴重時，在塔頂氣體出口處需設(shè)置除沫裝置。折板除沫器 (Angle Vane-type Demisters)：阻力較小 (50~100Pa)，但只能除去

66、50?m 以上的液滴。,Horizontal flow,Vertical flow,2024/3/23,90,,,,除沫器（Demister）,絲網(wǎng)除沫器 (Wire gauze demister)：造價較高，可除去 5?m 的液滴，但壓降較大(約250Pa)。,2024/3/23,91,除沫器（Demister）,TJCW型除霧器（TJCW Demister）： 結(jié)構(gòu)簡單、造價低、易安裝、除霧效率高、操作彈性大。對于 &g

67、t; 5?m 的液滴除霧率達到99.8%以上，對 > 8~40?m 的液滴，除霧效率可達100%。,,TJCW型除霧器除霧機理,各種形式TJCW型除霧器,?5400 TJCW型除霧器,2024/3/23,92,防壁流圈,在填料安裝過程中，填料與塔壁之間存在一定的縫隙，為防止產(chǎn)生氣液因壁流而短路，需在此間隙加防壁流圈。防壁流圈可與填料做成一體，也可分開到塔內(nèi)組裝。 小直徑整圓盤填料的防壁流圈常與填料做成一體，有時身兼兩

68、職，既做防壁流圈，又起捆綁填料的作用；,Ø300板波紋填料防壁流圈,對于大直徑的塔，可采用分塊的防壁流圈。,2024/3/23,93,催化蒸餾技術(shù),將催化反應(yīng)過程和蒸餾分離過程合為一體反應(yīng)工程方法，在同一個催化蒸餾塔反應(yīng)器中同時進行反應(yīng)和分離的操作。 該過程可以不斷地將反應(yīng)活性中心上生成的反應(yīng)產(chǎn)物及時轉(zhuǎn)移離開反應(yīng)區(qū)，使反應(yīng)平衡向生成目的產(chǎn)物的方向移動，反應(yīng)熱也可以同時用來作為蒸餾過程所需的氣化熱。優(yōu)點：轉(zhuǎn)化率