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化工原理
读书笔记
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关于塔设备
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塔设备
第一节  概述
生产上对塔器在工艺上及结构上提出的要求有下列几方面:
1. 分离效率高------达到一定分离程度所需塔的高度低。
2. 生产能力大------单位塔截面积处理量大。
3. 操作弹性(flexibility)大------对一定的塔器,操作时气液流量(亦称气液负荷)的变化会影响分离效率。若分离效率最高时的气液负荷作为最佳负荷点,可把分离效率比最高效率下降15%的最大负荷与最小负荷之比称为操作弹性。工程上常用的,是液,气负荷比L/V为某一定值时,气相与液相的操作弹性。操作弹性大的塔必然适应性强,易于稳定操作。
4. 气体阻力小------气体阻力小可使气体输送的功率消耗小。对真空精馏来说,降低塔器对气流的阻力可减小塔顶,底间的压差,降低塔的操作压强,从而可降低塔底溶液泡点,降低对塔釜加热剂的要求,还可防止塔底物料的分解。
5. 结构简单,设备取材面广------便于加工制造与维修,价格低廉,使用面广。
第二节  填料塔
§ 填料塔简介
填料塔的塔体横截面有圆形,矩形及多边形等,但绝大部分是圆形。塔壳材料可以是碳钢,不锈钢,聚氯乙烯,玻璃钢和砖等。
塔内放置着填料(packings)。填料种类很多。用于制造填料的材料有碳钢、不锈钢、陶瓷、聚丙烯、增强聚丙烯等。由于填料与塔体取材面广,故易于解决物料腐蚀问题。
填料在填料塔操作中起着重要作用。液体润湿填料表面便增大了气液接触面积,填料层的多孔性不仅促使气流均匀分布,而且促进了气相的湍动。
以气液两相的流动情况作对比,气相湍动较好,而液相呈膜状流下,湍动甚差。可幸液体在流过一个填料的表面后,经填料与填料间的接触点流至下一个填料的表面。在接触点处液体经历了混合与再铺展,使液相传质显著增强。其机理解释如下:见图7-1,当液相通过在填料间的接触点处混合均匀后,浓度为c0,在刚流至下一个填料的表面时,只有在气液界面处因气液平衡,液相浓度跃增为ci以外,其余液相浓度仍保持为c0,如图中τ0时浓度分布曲线所示。随着液体沿该填料表面向下流动,设气液界面处液相浓度
ci不变,由于组分扩散,液相浓度逐渐变化,如τ1、τ2、τ3等时刻的浓度分布曲线所示。因传质速率随液相浓度差(ci—c)的减小而减小,所以,传质速率是随着液体沿该填料向下流动而逐渐降低的。当液体流至该填料与下一个填料的接触点进行混合时,液体似受到一次强制性的扰动,气液界面处的组分迅速传递到液相内部,便又一次实现液相浓度的均匀一致。第二次液相的均匀浓度明显地要高于前次的液相均匀浓度。这就说明填料对液相传质的重要促进作用。
§ 填料的种类与特性
1)      填料的种类
常见填料的形状可分为四种类型。
①短管形填料:最早采用的拉西环是高度与外径之比为1的短管。该填料易于制造,强度好,取材面广,但流体力学及传质性能都不够理想。
②鞍形填料:鞍形填料不同于短管形填料,其特点是不分内、外表面,整个填料表面由各种曲面组成,填料在塔内任意方位均可使流体舒畅流过。矩鞍形填料亦是当前应用较多的一种填料。这种形状的填料也有网体的。鞍形填料都是乱堆填料。
③短管形与鞍形填料的结合型填料:现在已开发的这类填料有环矩鞍与共轭环等,其中共轭环是1992年我国自行开发、试验成功的。开发这类填料的出发点是想使之具有短管形与鞍形两大类填料的优点。试验表明,共轭环的阻力比阶梯环低(40~50)%,比鲍尔环低(50~55)%,其传质单元高度比阶梯环的约低15%,比鲍尔环的约低30%,可见,新的结合型填料的优点是明显的。
④波纹整砌填料:这是我国开发成功并于1971年发表的填料类型。该填料的基本件是冲压出45度斜波纹槽的薄板。薄板高度通常为40~60mm。若干板片平行组合,但相邻薄板的波纹反向。当塔截面为圆形,则波形板片的组合体为圆柱形。上下相邻的填料组合体,其薄板方向互呈90度交错。
2)填料的特性
填料特性有下列几方面:
(1)    比表面积a——塔内单位体积填料层具有的填料表面积,m2/m3。填料比表面积的大小是气液传质比表面积大小的基础条件。须说明两点:第一,操作中有部分填料表面不被润湿,以致比表面积中只有某个分率的面积才是润湿面积。据资料介绍,填料真正润湿的表面积只占全部填料表面积的(20~50)%。第二,有的部位填料表面虽然润湿,但液流不畅,液体有某种程度的停滞现象。这种停滞的液体与气体接触时间长,气液趋于平衡态,在塔内几乎不构成有效传质区。为此,须把比表面积与有