化工原理-第10章-气液传质设备
知识要点
用于蒸馏和吸收塔的塔器分别称为蒸馏塔和吸收(解吸)塔。通称气液传质设备。本章应重点掌握板式塔和填料塔的基本结构、流体力学与传质特性（包括板式塔的负荷性能图)。
1. 概述
高径比很大的设备叫塔器。
蒸馏与吸收作为分离过程，基于不同的物理化学原理，但其均属于气液两相间的传质过程，有共同的特点可在同样的设备中进行操作。
(1) 塔设备设计的基本原则
① 使气液两相充分接触，以提供尽可能大的传质面积和传质系数，接触后两相又能及时完善分离。
② 在塔内气液两相最大限度地接近逆流，以提供最大的传质推动力。 (2) 气液传质设备的分类
① 按结构分为板式塔和填料塔
② 按气液接触情况分为逐级式与微分式
通常板式塔为逐级接触式塔器，填料塔为微分接触式塔器。
2. 板式塔
(1) 板式塔的设计意图：总体上使两相呈逆流流动，每一块塔板上呈均匀的错流接触。 (2) 筛孔塔板的构造
① 筛孔——塔板上的气体通道，筛孔直径通常为3~8mm 。 ② 溢流堰——为保证塔板上有液体。
③ 降液管——液体自上层塔板流至下层塔板的通道。 (3) 筛板上的气液接触状态
筛板上的气液接触状态有鼓泡接触、泡沫接触、喷射接触，比较见表10-1。
表10-1 气液接触状态比较
项 目 鼓泡接触状态 泡沫接触状态 喷射接触状态 孔速
很低 较高 高
两相接触面 气泡表面 液膜 液滴外表面 两相接触量 少 多 多 传质阻力 较大 小 小 传质效率 低 高 高 连续相 液体 液体 气体 分散相 气体 气体
液体
适用物系
重
轻σσ<
(正系统)
重
轻σσ>
(负系统)
工业上经常采用的两种接触状态是泡沫接触与喷射接触。由泡沫状态转为喷射状态的临界点称为转相点。
(4) 气体通过塔板的压降 包括塔板本身的干板阻力(即板上各部件所造成的局部阻力)、气体克服板上充气液层的静压力所产生的压力降、气体克服液体表面张力所产生的压力降(一般较小，可忽
略不计)。
(5) 筛板塔内气液两相的非理想流动
① 空间上的反向流动(与主体流动方向相反的液体或气体的流动)：液沫夹带与气泡夹带。 ② 空间上的不均匀流动：气体沿塔板的不均匀流动与液体沿塔板的不均匀流动。
(6) 板式塔的不正常操作现象：液泛(夹带液泛与溢流液泛)、严重漏液、严重液沫夹带和气泡夹带。
(7) 塔板的负荷性能图
塔板的负荷性能图用来检验塔的工艺设计是否合理，考核该塔正常操作的气液流量范围，了解塔的操作弹性，判断塔有无增产能力，减负荷能否正常操作等。
V (m 3/s )
L (m 3/s)
图10-2 塔板的负荷性能图
图10-2所示的负荷性能图由以下几条线组成。 ① 液相负荷下限线
该线为一垂直线，对于平顶直堰，其位置可根据h ow =6mm 确定。若操作的液相负荷低于此下限时，表明液体流量过低，板上液体流动不能均匀分布，气液接触不良，易产生干吹、偏流等现象，导致塔板效率急剧下降。
② 液相负荷上限线
液量超过此上限，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管内的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，使塔板效率下降，以致出现溢流液泛。此线可根据液体在降液管内的实际平均停留时间不小于3~5s 来确定。漏液线(气相负荷下限线)
③ 漏液线
由不同流量下的漏液点组成，其位置漏液点气速确定。实际气相负荷应高于此线，否则将发生严重的漏液现象。
④ 过量液沫夹带线(气相负荷上限线)
该线通常以e V =0.1kg 液/kg 气为依据确定。若气液负荷点位于此线上方，表明液沫夹带现象严重，已不宜采用。
⑤ 溢流液泛线
若操作的气液负荷超过此线时，塔内将发生液泛现象，使塔不能正常操作。 对负荷性能图须了解以下概念。
① 适宜操作区：由五条线所包围的区域
② 操作点：操作时气相负荷V 与液相负荷L 在负荷性能图上的坐标点。 ③ 操作线：通过原点，斜率为V /L 的直线。
④ 塔的上下操作极限：操作线与负荷性能图上两条边界线的交点。 ⑤ 操作弹性：两极限的气相流量之比，即V max /V min 。
设计时应使操作点位于操作区的中央。若操作点紧靠某一条边界线，则负荷稍有波动时，塔的正常操作即被破坏，此时应调整塔的结构参数或改变气液负荷，使操作点居中。对图10-2所示的3个操作点，以B 为最佳。
(8) 全塔效率 E T =N T /N (10-8) 式中：N T ——完成一定分离任务所需的理论板数；
N ——完成一定分离任务所需的实际板数。 精馏塔的全塔效率可用O'Conell 关联式估算，即
245.0)(49.0-=L T E αμ
(10-9)
式中：α——塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度；
L μ——塔顶与塔底平均温度下的液相粘度，mPa?s 。
(9) 塔板类型
有泡罩塔板、浮阀塔板、筛孔塔板、舌形塔板、网孔塔板、垂直筛板、多降液管塔板等。 (10) 塔板的性能评价
塔板的性能评价指标有以下几方面：
① 生产能力大即单位塔截布气体和液体的通量大 ② 塔板效率高即完成一定分离任务所需的板数少
③ 压降低即气体通过的压降低，能耗低。对于精馏系统则可降低釜温，这对于热敏性物系的分离尤其重要。
④ 操作弹性大 当操作的气液负荷波动时仍能维持板效率的稳定 ⑤ 结构简单，制造维修方便，造价低廉 3. 填料塔
(1) 填料塔的特点：① 生产能力大；② 分离效率高；③ 压力降小，一般情况下，板式塔的每个理论级压降约在0.4~1.1MPa ，填料塔约为0.01~0.27 kPa ；④ 持液量小；⑤ 操作弹性大，填料塔的操作弹性决定于塔内件的设计，特别是液体分布器的设计，板式塔的操作弹性则受到塔板液泛、液沫夹带及降液管能力的限制。
(2) 填料的类型
① 散装填料 如拉西环填料、鲍尔环填料、球形填料、阶梯环填料、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍填料等。
② 规整填料 如格栅填料、波纹填料、脉冲填料。 (3) 填料的性能评价指标：① 压降 ② 通量 ③ 效率 (4) 填料的几何特性
① 比表面积 单位体积填料层的填料比表面积，m 2/m 3； ② 空隙率 空隙率越大，气体通过的能力大且压降低。 ③ 填料因子
a. 干填料因子3
/εα：填料未被液体润湿时的3
/εα，反映填料的几何特性。
b. 湿填料因子φ：填料被液体润湿时，填料表面覆盖了一层液膜，α和ε均发生相应的变化，它反映填料的流体力学性能。
(4) 填料塔的流体力学特性
① /p Z ?~u 关系曲线
=0
l g p
?
图10-3 填料塔压降与空塔速度的关系
当无液体喷淋，即0L =时，干填料的/p Z ?~u 为直线，其斜率为1.8~2.0。
当有一定喷淋量时，/p Z ?~u 的关系变成折线，两个转折点将折线分为3个区。
a. 恒持液量区：下转折点A 以下的线段。该区的直线段与L =0线平行。在该区域，气速小，气体流动对液膜的曳力很小，液体流动不受气流的影响，填料表面上覆盖的液膜厚度基本不变，因而填料层的持液量不变。当气速超过A 点时，气体对液膜的曳力较大，对液膜流动产生阻滞作用，使液膜增厚，填料层的持液量随气速的增加而增大，此现象称为拦液。开始发生拦液现象时的空塔气速称为载点气速，曲线上的转折点A ，称为载点。
b. 载液区：两转折点间的线段。若气速继续增大，到达图中B 点时，由于液体不能顺利向下流动，使填料层的持液量不断增大，填料层内几乎充满液体。气速增加很小便会引起压降的剧增，此现象称为液泛，开始发生液泛现象时的气速称为泛点气速，以u F 表示，曲线上的点B ，称为泛点。
c . 液泛区：上转折点B 以上的线段。该线段的斜率可达10以上。泛点以后，持液量的急骤增加使液相从分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相在液体中鼓泡。因此，泛点又称转相点。
② /p Z ?~u F 的经验关联
对于各种乱堆填料，目前工程设计计算中广泛使用Eckert 通用关联图计算填料塔的泛点气速u F
与适宜气速u 下的压强降/p Z ?。通常(0.5~0.8)F u u =。
③ 填料塔内液体的喷淋量
为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度。U min 通常用下式计算
U min =(L w )min α (10-11)
式中：(L w )min — 最小润湿速率，m 3/(m·h)；α — 填料的比表面积，m 2/m 3。
最小润湿速率指在塔截面上单位长度的填料周边的最小液体体积流量。通常，d p ≤75mm 的散装填料，(L w )min =0.08 m 3/(m·h)；d p ＞75mm 的散装填料，(L w )min =0.12 m 3/(m·h)。
(5) 填料塔的内件
① 填料支承装置 注意该装置必须有足够的强度与钢度，能承受填料的质量，填料层的持液量以及操作中附加的压力等；具有大于填料层空隙率的开孔率，防止在此首先发生液泛进而导致整个
填料层的液泛；结构合理。
② 填料压紧装置 ③ 液体分布装置
④ 液体收集及再分布装置 ⑤ 除沫器
(6) 填料塔的工艺设计计算 ① 填料层的有效高度 a. H =HTU×NTU b. H =N T (HETP) ② 塔径D
u
V D s
π4=
(10-12)
式中：u —操作气速。
③ 核算
工艺设计完成后要核算如下项目： a. 填料层的总压降
b. 喷淋密度是否大于最小喷淋密度
c. 塔径与填料尺寸之比应在8以下，以保证填料的润湿均匀。
d. 填料层有效高度H 与塔径D 之比大于某规定值要将填料分段，并增设液体再分布装置。
基础知识测试题
一、选择题
1．以下参数中，属于板式塔结构参数的是( )；属于操作参数的是( )。 (A) 板间距 (B) 孔数 (C) 孔速 (D) 板上清液层高度
2．以下3类塔板中，操作弹性最大的是( )，单板压降最小的是( )。 (A) 筛孔塔板 (B) 泡罩塔板 (C) 浮阀塔板
3．设计筛板塔时，若改变某一结构参数，会引起负荷性能图的变化。下面叙述中正确的一组是( )。
(A) 板间距降低，使雾沫夹带线上移 (B) 板间距降低，使液泛线下移
(C) 塔径增大，使液泛线下移 (D) 降液管面积增加，使雾沫夹带线下移 4．O'Connel 关联式中粘度与相对挥发度的计算以( )温度为准。D (A) 塔顶温度 (B) 塔釜温度 (C) 原料温度 (D) 塔顶与塔底的算术平均温度
5．塔板上设置入口安定区的目的是( )，设置出口安定区的目的是( )。AC (A) 防止气体进入降液管 (B) 避免严重的液沫夹带 (C) 防止越堰液体的气体夹带量过大 (D) 避免板上液流不均匀 6．以下属于散装填料的有( )，属于规整填料的有( )。 (A) 格栅填料 (B) 鲍尔环填料 (C) 矩鞍填料 (D) 波纹填料 (E) 弧鞍填料 (F) 阶梯环填料 7．填料的静持液量与( )有关，动持液量与( )有关。
(A) 填料特性 (B)液体特性 (C) 气相负荷 (D)液相负荷
8．对于填料塔的附属结构，以下说法不正确的是．．．．．( ) 。 (A) 支承板的自由截面积必须大于填料层的自由截面积 (B) 液体再分布器可改善壁流效应造成的液体不均匀分布 (C) 除沫器是用来除去由填料层顶部逸出的气体中的液滴 (D) 液泛不可能首先发生于支承板
9. 用填料吸收塔分离某气体混合物，以下说法正确的是．．．．( )。 (A) 气液两相流动参数相同，填料因子增大，液泛气速减小
(B) 气液两相流动参数相同，填料因子减小，液泛气速减小 (C) 填料因子相同，气液两相流动参数增大，液泛气速减小 (D) 填料因子相同，气液两相流动参数减小，液泛气速减小 10. 以下说法正确的是．．．．
( ) 。 (A) 等板高度是指分离效果相当于1m 填料的塔板数 (B) 填料塔操作时出现液泛对传质无影响 (C) 填料层内气体的流动一般处于层流状态
(D) 液泛条件下单位高度填料层的压降只取决于填料种类和物系性质
二、填空题
1．板式塔是__________接触式气液传质设备；填料塔是______接触式气液传质设备，操作时为____连续相。
2. 从塔板的水力学性能的角度来看，引起塔板效率不高的原因可能是__________、________、_________、__________等现象。
3. 在传质设备中，塔板上的气液两相之间可能的接触状态有：__________、____________和________。板式塔操作的转相点是指__________________。
4. 在对筛板塔进行流体力学校核计算时，如发现单板压降偏大，则可通过改变____________ 等结构参数(任举一种)的方法，使之减小。
5. 在设计或研制新型气液传质设备时，要求设备具有 、 、 。
6. 对给定的分离任务，板式塔设计得不好会导致液泛。请从设计角度指出可能导致液泛的两个原因： 。
7．对逆流操作的填料塔，液体自塔____部进入，在填料表面呈______状流下。 8. 通常根据_________、________和_________评价填料性能的优劣。
9. 液体在填料塔中流下时，造成较大尺度上的分布不均匀性的原因有：__________________和______________。
10．填料操作压降线(/~p z u )大致可分为三个区域，即____、____和____。填料塔操作时应控制在____区域。此时，连续相是_______，分散相是_______。
基础知识测试题参考答案
一、选择题 1. AB ；CD 2. C ；A 3.D 4.D 5.A ；C 6. BCEF ；AD
7. AB ；ABCD 8.D
9.AC 10.D
二、填空题
1. 逐级；微分或连续
2. 过量雾沫夹带，严重漏液，气、液流分布不均匀
3. 鼓泡；泡沫；喷射；由泡沫状态转为喷射状态的临界点
4. 增大开孔率(开孔区面积)等
5. 传质效率高、生产能力大、操作弹性宽、塔板压降小、结构简单(以上答案中任选三个)]
6. 板间距过小，开孔率过小，堰高太低，降液管面积或溢流堰长度太小中任写两个
7. 上；膜
8. 比表面积；空隙率；填料的几何形状
9. 初始分布不均匀；填料层内液流的不均匀性
10. 恒持液量区；载液区；液泛区；载液区。气体；液体
1998--何谓气液传质板式塔操作中的转相点
指由泡沫状态转为喷射状态的临界点
1999-2002-综合评价塔板优劣的标准有哪些
通过能力大；塔板效率高；塔板压降小；操作弹性大；结构简单成本低
2001-2005-筛板塔的气液接触状态有哪三种，各有何特点
鼓泡接触状态：气量低，气泡数量少，液层清晰；
泡沫接触状态：气量大，液体大部分以叶膜形式存在于气泡之间，但仍为连续相；
喷射接触状态：气量很大，液体以液滴形式存在，气相为连续相
2002-2007-何谓等板高度HETP
分离效果相当于一块理论板的填料层高度
2003-2004-2005-2007-何谓载点，泛点？
填料塔内随着气速逐渐由小到大，气液两相流动的交互影响开始变得比较显著时的操作状态为载点；气速进一步增大至出现压降陡增的转折点即为泛点
2004-2006-板式塔的不正常操作现象有哪几种
1998--何谓气液传质板式塔操作中的转相点
1999-2002-综合评价塔板优劣的标准有哪些
2001-2005-筛板塔的气液接触状态有哪三种，各有何特点
2002-2007-何谓等板高度HETP
2003-2004-2005-2007-何谓载点，泛点？
夹带液泛，溢流液泛，漏液
2004-2006-板式塔的不正常操作现象有哪几种
夹带液泛，溢流液泛，漏液
2006--填料塔和板式塔各用于什么场合
填料塔操作范围小，宜处理不易聚合的清洁物料，不易中间换热，处理量较小，造价便宜，较易处理易起泡、腐蚀性、热敏性物料，能适应真空操作；
板式塔适合要求操作范围大，易聚合或含固体悬浮物，处理量达，设计要求比较准确的场合2007—为什么实际塔板的默弗里板效率会大于1
实际塔板上液体并不是完全混合的，而理论塔板的定义是以液体完全返混为基础的。2007—湿板效率与默弗里板效率的实际意义有何不同
前者考虑了夜沫夹带对板效率的影响，可用表观操作线进行问题的图解求算，而后者没有。2009—气液传质设备中常用的三种除沫器
折板除沫器、丝网除沫器、旋流板除沫器
1-板式塔的设计意图是什么？对传质过程有利的理想流动条件是什么？ 气液两相在塔板上充分接触；总体上气液逆流，提供最大推动力 总体两相逆流，每块板上均匀错流 2-板式塔内有哪些主要的非理想流动？
空间上的反向流动：液沫夹带、气泡夹带；
空间上的不均匀流动：气体的不均匀流动、液体的不均匀流动 3-夹带液泛和溢流液泛有何区别 前者是过量液沫夹带引起的
后者是由溢流管降液能力的限制造成的
4-筛板塔负荷性能图受哪几个条件约束？何谓操作弹性？ 过量液沫夹带，漏液，溢流液泛，液量下限，液量上限 操作弹性是指上、下操作极限的气体流量之比
5-什么系统喷射状态操作有利？什么系统泡沫状态操作有利？
用X 表示重组分摩尔分率，且重组分从气相传至液相时，喷射状态对负系统有利，泡沫状态对正系统有利
6-填料的主要特性可用哪些特征数字来表示？有哪些常用填料？ 比表面积，空隙率，填料的几何形状
拉西环，鲍尔环，弧鞍形填料，矩鞍形填料，阶梯形填料，网体填料 7-为什么即使塔内各板效率相等，十一章萃取
全塔效率在数值上也不等于板效率？
因为两者定义基准不同，全塔效率以所需理论板数为基准定义的，而板效率是以单板理论增浓度为基准定义的。
1998-什么是萃取塔设备的特性速度
萃取塔的特性速度是由物性及液滴尺寸决定的常数，与操作条件即空塔速度无关
2C D
k )1(u )1(u u φφφ-+
-=
1998-2001-2006-2009-何谓选择性系数？
β=（yA/yB ）/(xA/xB) β=1时不可用萃取方法分离；
β=无穷大时，组分B ，S 为完全不互溶物系（B 不溶于溶剂S 中）
1999—当两相流量比相差很大且所选用的设备可能产生严重的轴向混合时，应将哪一相作为分散相，为什么？
应将流量小的一相作为分散相； 原因：为减小轴向混合的影响
2000--液夜传质设备的主要技术性能有哪些？与设备尺寸有何关系？ ①两相极限通过能力；
②设备的传质速率（传质系数Kya 或HETP ）
前者决定了设备的直径，后者决定了塔高
七气液传质设备 板式塔 3.1 用一筛板精馏塔分离甲醇水溶液。料液中甲醇浓度为52%(摩尔%,以下同),使塔顶得99.9%的甲醇产品,塔底为99.8%水。塔顶压强为101[KN/m2],全塔压降为30[KN/m2],试按塔底状况估算塔径。取液泛分率为0.7,板间距初步定为300mm, 塔的有效截面为总截面积的90%,塔底气体负荷(可视为水蒸汽)为0.82[kg/s],塔底的液体负荷(可视为水)为1.24[kg/s] 3.2若上题精馏塔经计算所需的理论板数为30块(包括釜), 且在塔顶与塔底平均温度为86℃下甲醇对水的相对挥发度ａ=6.3,水的粘度为0.33厘泊,甲醇粘度为0.26厘泊,求该塔整个塔板层的高度为多少米? 3.3 用第一题给定的条件,经初步设计得到筛板塔主要尺寸如下: 塔径D=900[mm] 板间距H t=300[mm] 孔径d o=4[mm] 板厚t p=2[mm] 堰高t w=50[mm] 堰长L w=630[mm] 筛孔气速U o=12.7[m/s] 降液管面积与塔截面积之比A d/A=0.1 液面落差△=0 降液管下沿离塔板距离y=40[mm] 试校验塔板是否发生液泛;校验液体在降液管中的停留时间是否满足要求。 填料塔 3.4 习题1与2中的筛板塔若改用填料塔代替,内装填38mm 钢鲍尔环试求塔径及填料层高度。塔径按塔底条件计算，取液泛分率为0.6。并比较筛板与填料塔的压降。 3.5 有一填料塔,内充填40[mm]陶瓷拉西环,当塔内上升的气量达到8000[kg/h]时, 便在顶部开始液泛,为了提高产量,拟将填料改为50[mm]陶瓷矩鞍。问此时达到液泛的气量为若干?产量提高的百分率为多少? 综合思考题 3.6 选择与填空 [1].(1) 塔板中溢流堰的主要作用是为了保证塔板上有。 当喷淋量一定时,填料塔单位高度填料层的压力降与空塔气速关系上存在着两个转折点, 其中下转折点称为_______,上转折点称为_______。 (2) 筛板塔、泡罩塔，浮阀塔相比较,操作弹性最大的是_______; 单板压力降最小的是_______; 造价最便宜的是_______。 A.筛板塔 B.浮阀塔 C.泡罩塔 [2].(1) 鲍尔环比拉西环优越之处有(说出三点来)_______。
化工原理-第10章-气液传质设备 知识要点 用于蒸馏和吸收塔的塔器分别称为蒸馏塔和吸收(解吸)塔。通称气液传质设备。本章应重点掌握板式塔和填料塔的基本结构、流体力学与传质特性（包括板式塔的负荷性能图)。 1. 概述 高径比很大的设备叫塔器。 蒸馏与吸收作为分离过程，基于不同的物理化学原理，但其均属于气液两相间的传质过程，有共同的特点可在同样的设备中进行操作。 (1) 塔设备设计的基本原则 ① 使气液两相充分接触，以提供尽可能大的传质面积和传质系数，接触后两相又能及时完善分离。 ② 在塔气液两相最大限度地接近逆流，以提供最大的传质推动力。 (2) 气液传质设备的分类 ① 按结构分为板式塔和填料塔 ② 按气液接触情况分为逐级式与微分式 通常板式塔为逐级接触式塔器，填料塔为微分接触式塔器。 2. 板式塔 (1) 板式塔的设计意图：总体上使两相呈逆流流动，每一块塔板上呈均匀的错流接触。 (2) 筛孔塔板的构造 ① 筛孔——塔板上的气体通道，筛孔直径通常为3~8mm 。 ② 溢流堰——为保证塔板上有液体。 ③ 降液管——液体自上层塔板流至下层塔板的通道。 (3) 筛板上的气液接触状态 筛板上的气液接触状态有鼓泡接触、泡沫接触、喷射接触，比较见表10-1。 表10-1 气液接触状态比较 项 目 鼓泡接触状态 泡沫接触状态 喷射接触状态 孔速 很低 较高 高 两相接触面 气泡表面 液膜 液滴外表面 两相接触量 少 多 多 传质阻力 较大 小 小 传质效率 低 高 高 连续相 液体 液体 气体 分散相 气体 气体 液体 适用物系 重 轻σσ< (正系统) 重 轻σσ> (负系统) 工业上经常采用的两种接触状态是泡沫接触与喷射接触。由泡沫状态转为喷射状态的临界点称为转相点。 (4) 气体通过塔板的压降 包括塔板本身的干板阻力(即板上各部件所造成的局部阻力)、气体克服板上充气液层的静压力所产生的压力降、气体克服液体表面力所产生的压力降(一般较小，可忽略
第10章习题解答 1 在操作条件下，以纯净的氯苯为萃取剂，在单级接触萃取器中，萃取含丙酮的水溶液。丙酮－水－氯苯三元混合液的平衡数据见本题附表。试求： ⑴在直角三角形坐标系下，绘制此三元体系的相图，其中应包括溶解度曲线、联接线和辅助曲线； ⑵若近似地将前五组数据中B与S视为不互溶，试在X－Y直角坐标图上标绘分配曲线； ⑶若丙酮水溶液质量比分数为0.4，并且m B/m S=2.0，在X－Y直角坐标图上求丙酮在萃余相中的浓度； ⑷求当水层中丙酮浓度为45％（质量%，下同）时，水与氯苯的组成以及与该水层成平衡时的氯苯层的组成； ⑸由0.12kg氯苯和0.08kg水所构成的混合液中，尚需加入多少kg丙酮即可成为三元均相混合液； ⑹预处理含丙酮35％的原料液800kg，并要求达到萃取平衡时，萃取相中丙酮浓度为30％，试确定萃取剂（氯苯）的用量； ⑺求条件⑹下的萃取相和萃余相的量，并计算萃余相中丙酮的组成； ⑻若将条件⑹时的萃取相中的溶剂全部回收，求可得萃取液的量及组成。 解：⑴依平衡数据绘出溶解度曲线如附图1-1所示，图中各点代号与数据的对应关系注于附表1-1中。联结互成平衡的两液层组成点得E1R1、E2R2、E2R2……等平衡联结线。 由E1、E2、E3……各点作平行于AB边的直线，再由R1、R2、R3……各点作平行于AS边的
直线，两组线分别相交于点G、H、I、J、K，连接P、G、H、I、J、K即得辅助曲线。 ⑵将前五组数据转换为质量比浓度，其结果列于附表1-2中，并在X－Y直角坐标图上标绘分配曲线，如图1-2。 附表1-2 ⑶由X F=0.4，在图1-2上，自点X F作斜率为－m B/m S=－2.0的直线与分配曲线相交于点T，点T的横坐标即为丙酮在萃余相中的浓度X R=0.25。 图1-1 图1-2 ⑷水层中各组分的浓度 由所绘制的溶解度曲线如图1-3，在AB边上确定组分A的浓度为45％的点F，由点F绘直线FW平行于三角形底边BS，则FW线上各点表示A的组成均为45％。FW与溶解度曲线左侧的交点R，即代表水层中含A为45％的组成点，由图可读得点R组成为(质量％)： x A=45％x B=52.8％x S=2.2％
塔 第一节：概述 一、塔设备在炼油厂中的作用 在炼油、化工及轻工业生产中，气、液两相直接接触进行传质传热的过程是很多的，如精馏、吸收、解吸、萃取等。这些过程都是在一定的压力、温度、流量等工艺条件下，在一定的设备内完成的。由于其过程中两种介质主要发生的是质的交换，所以也将实现这些过程的设备叫传质设备；从外形上看这些设备都是竖直安装的圆桶形容器，形如“塔”，故习惯上称其为塔设备。 塔设备能够为气、液或液、液两相进行充分接触提供适宜的条件，即充分的接触时间、分离空间和传质传热的面积，从而起到相际间质量和热量交换的目的，实现工艺所要求的生产过程，生产出合格产品。所以塔设备的性能对整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等方面都有重大的影响。 塔设备的投资费用及钢材消耗仅次于换热设备。据统计，在化工和石油化工生产装置中，塔设备的投资费用占全部工艺设备总投资的25.39％，在炼油和煤化生产装置中占34.85％；其所消耗的钢材重量在各类设备中所占比例也是比较高的，如年产250万吨常减压蒸馏装置中，塔设备耗用钢材重量占45.5％，年产120万吨催化裂化装置中占48.9％，年产30万吨乙烯装置中占25～28.3％。可见塔设备是炼油、化工生产中最重要的工艺设备之一，它的设计、研究、使用对化工、炼油等工艺的发展起着重大的作用。 二、塔设备的分类及一般构造 随着炼油、化工生产工艺的不断改进和发展，与之相适应的塔设备也形成了形式繁多的结构和类型，以满足各种特定的工艺要求。为了便于研究和比较，人们从不同的角度对塔设备进行分类。如按工艺用途分类，按操作压力分类，也可按其内部结构进行分类。 （一）按用途分类 1.精馏塔利用液体混和物中各组分挥发度的不同来分离其各液体组分的操作称为蒸馏，反复多次蒸馏的过程称为精馏，实现精馏操作的塔设备称为精馏塔。如常减压装置中的常压塔、减压塔，可将原油分离为汽油、煤油、柴油以及润滑油等。 2.吸收塔、解吸塔利用混合气中各组分在溶液中溶解度的不同，通过吸收液体来分离气体的工艺操作称为吸收；将吸收液通过加热等方法使溶解于其中的气体释放出来的过程称为解吸。实现吸收和解吸操作过程的塔设备称为吸收塔、解吸塔。如催化裂化装置中的吸收、解吸塔，从炼厂气中回收汽油、从裂解气中回收乙烯和丙烯，以及气体净化等都需要吸收、解吸塔。 3.萃取塔对于各组分间沸点相差很小的液体混和物，利用一般的分离方法难以奏效，这时可在液体混和物 加入某种沸点较高的溶剂（称为萃取剂）；利用混合液中各组分在萃取剂中溶解度的不同，将它们分离，这种方法称为萃取（也称为抽提）。实现萃取操作的塔设备称为萃取塔。如丙烷脱沥青装置中的抽提塔等。 4.洗涤塔用水除去气体中无用的成分或固体尘粒的过程称为水洗，所用的塔设备称为洗涤塔。 （二）按操作压力分类 塔设备根据其完成的工艺操作不同，其压力和温度也 不相同。但当达到相平衡时，压力、温度、气相组成和液相组成之间存在着一定的函数关系。在实际生产中，原料和产品的成分和要求是工艺确定的，不能随意改变，压力和温度有选择的余地，但二者之间是相互关联的，如一项先确定了，另一项则只能由相平衡关系求出。从操作方便和设备简单的角度来说，选常压操作最好，从冷却剂的来源角度看，一般宜将塔顶冷凝温度控制在30～40℃以便采用廉价的水或空气作为冷却剂。所以塔设备根据具体工艺要求，设备及操作成本综合考虑，有时可以在常压下操作、有时需要在加压下操作,有时还需要减压操作。相应的塔设备分别称为常压塔、加压塔和减压塔。
第十章 液-液萃取和液-固浸取 1. 25℃时醋酸（A ）–庚醇-3（B ）–水（S ）的平衡数据如本题附表所示。 习题1附表1 溶解度曲线数据（质量分数/%） 试求：（1）在直角三角形相图上绘出溶解度曲线及辅助曲线，在直角坐标图上绘出分配曲线。（2）确定由200 kg 醋酸、200 kg 庚醇-3和400 kg 水组成的混合液的物系点位置。混合液经充分混合并静置分层后，确定两共轭相的组成和质量。（3）上述两液层的分配系数A k 及选择性系数β。（4）从上述混合液中蒸出多少千克水才能成为均相溶液？ 解：（1）溶解度曲线如附图1中曲线SEPHRJ 所示。辅助曲线如附图1曲线SNP 所示。分配曲线如附图2 所示。 （2）和点醋酸的质量分率为 25.0400 200200200 A =++= x 水的质量分率为 50.0400 200200400 S =++=x 由此可确定和点M 的位置，如附图1所示。由辅助曲线通过试差作图可确定M 点的差点R 和E 。由杠杆规则可得 kg 260kg 80040 13 4013=?==M R ()kg 540kg 260800=-=-=R M E
由附图1可查得E 相的组成为 A S B 0.28, 0.71,0.01y y y === R 相的组成为 A S B 0.20, 0.06,0.74x x x === （3）分配系数 A A A 0.28 1.40.20y k x === B B B 0.010.01350.74 y k x = == 选择性系数 7.1030135 .04.1B A === k k β （4）随水分的蒸发，和点M 将沿直线SM 移动，当M 点到达H 点时，物系分层消失，即变为均相物系。由杠杆规则可得 kg 5.494kg 80055 34 5534=?== M H 需蒸发的水分量为 ()kg 5.305kg 5.494800=-=-H M 2. 在单级萃取装置中，以纯水为溶剂从含醋酸质量分数为30%的醋酸–庚醇-3混合液中提取醋酸。已知原料液的处理量为1 000 kg/h ，要求萃余相中醋酸的质量分数不大于10%。试（1）水的用量；（2）萃余相的量及醋酸的萃取率。操作条件下的平衡数据见习题1。 解：（1）物系的溶解度曲线及辅助曲线如附图所示。 由原料组成x F =0.3可确定原料的相点F ，由萃余相的组成x A =0.1可确定萃余相的相点R 。借助辅助曲线，由R 可确定萃取相的相点E 。联结RE 、FS ，则其交点M 即为萃取操作的物系点。由杠杆规则可得 习题1 附图1 习题1 附图2
?化工行业设备大体分为动设备和静设备 静设备包括塔器、换热器、反应器、工业管式炉、气柜、储罐等，又称“化工设备”。 ?动设备是指有驱动机带动的转动设备（亦即有能源消耗的设备），如压缩机、风机、离心机、泵等。即“三机一泵”。又称 “化工机器”。 塔设备通过其内部构件使气（汽）-液相或液-液相之间的充分接触，从而使不同相之间进行质量传递和热量传递。 塔设备完成的单元操作通常有：精馏、吸收、解吸、萃取等，也可以进行介质冷却，气体的净制与干燥以及增湿等。是化工、石油、生物、制药等生产过程中广泛采用的设备。 化工生产对塔设备提出的要求： ?①工艺性能好——塔设备要使气、液两相尽可能充分接触，具有较大的接触面积和分离空间，以获得较高的传质效率。 ?②生产能力大——在满足工艺要求的前提下，要使塔截面上单位时间内物料的处理量大。 ?③操作稳定性好——当气液负荷产生波动时，仍能维持稳定、连续操作，且操作弹性好。 化工生产对塔设备提出的要求： ?④能量消耗小——要使流体通过塔设备时产生的阻力小、压降小，热量损失少，以降低塔设备的操作费用。
?⑤结构合理——塔设备内部结构既要满足生产的工艺要求，又要结构简单、便于制造、检修和日常维护。 ?⑥选材要合理——塔设备材料要根据介质特性和操作条件进行选择，既要满足使用要求，又要节省材料，减少设备投资费 用。 ?⑦安全可靠——在操作条件下，塔设备各受力构件均应具有足够的强度、刚度和稳定性，以确保生产的安全运行。 ?上述各项指标的重要性因不同设备而异，要同时满足所有要求很困难。因此，要根据传质种类、介质的物化性质和操作条件 的具体情况具体分析，抓住主要矛盾，合理确定塔设备的类型 和内部构件的结构形式，以满足不同的生产要求。 ?塔设备的种类很多，常见的分类： ⑴按操作压力分为加压塔、常压塔及减压塔 ⑵按单元操作分为精馏塔、吸收塔、萃取塔、反应塔等。 ⑶按塔内气、液接触构件的结构分为板式塔和填料塔。 ?目前工业生产中应用最广泛的是填料塔和板式塔。 填料塔是一种常用的气、液传质设备。它结构简单，塔内装有填料，其作用是使向下流动的液体与向上逆流的气体在填料层中充分接触达到传质的目的。填料塔造价低，阻力小，具有良好的耐腐蚀性能。 ?在生产中，当生产量较大时，一般采用板式塔。在板式塔中，塔内设有许多块塔盘，相邻两块塔盘有一定的距离，气、液两
七气液传质设备习题解答 1 解: 塔底压强=101+30=131[kn/m2], 在上此压强下水沸点为107℃ ,此温度下 ρG=18×131×273/×101×380)=[kg/m3] ρl=953[kg/m3] θ=[dyn/cm] μ=[cp] (ρl/ρG)1/2V l/V G=(ρG/ρl)1/2m l/m G =953)1/2×= H T=0.3m 当P148图11--6 ,C20= C=C200(σ/20)=20)= UF=C[(ρl-ρG)/ρG]=[/] =[m/s] U==×=2[m/s] 气体流量 : V G=m G/ρG==[m3/s] 塔的有效截面An(指塔版上可供气体通过的截面) An=V G/u=2=[m2] 塔的总截面为A,依题意0.9A=An , ∴A=An/==[m2] 塔截面为A,故塔径为D πD2/4=A D=(4A/π)=(4×=≈[m] 2 解: 已知a=, 86℃时, μ水=[cp]
μ甲醇=[cp] μaΩ=×+×=[cp] aμaΩ=×= 由图11--21查得总板效率E==42% 筛板塔增大10% 故得 E=×=46% 实际塔板数为(30-1)/E=29/=63 (釜算一块理论板) 塔板层高度为(63-1)×=[m] 3 解 : 校核液泛是否发生 气体通过筛孔压力降ho h O=(1/2g)(uo/Co)2ρG/ρl 式中:uo=[m/s] ,ρG=[kg/m3] ; ρl=953[kg/m3] 根据do/tp=4mm/2mm=2 ,由图11--9读出Co= ∴ho=(1/2953)=[m清液柱] 气体通过泡沫层压降e he=β(hw+how) 式中hw=0.05m ; β为充气系数,how为堰头高度。现先求β。它根据u AρG1/2 值从图中查取.u A为按工作面计算的气速: u A=V G/(A-2Ad)=××= [m/s] u AρG1/2== 由此查得β= 。 how=(V′l/lw)2/3 式中.V l为液体体积流量953)×3600=[m3/h] lw为堰长,lw=0.36 m(题给条件)
第八章课堂练习： 1、吸收操作的基本依据是什么？答：混合气体各组分溶解度不同 2、吸收溶剂的选择性指的是什么：对被分离组分溶解度高，对其它组分溶解度低 3、若某气体在水中的亨利系数E值很大，说明该气体为难溶气体。 4、易溶气体溶液上方的分压低，难溶气体溶液上方的分压高。 5、解吸时溶质由液相向气相传递；压力低，温度高，将有利于解吸的进行。 6、接近常压的低浓度气液平衡系统，当总压增加时，亨利常数E不变，H 不变，相平衡常数m 减小 1、①实验室用水吸收空气中的O2，过程属于（B ） A、气膜控制 B、液膜控制 C、两相扩散控制 ②其气膜阻力（C）液膜阻力A、大于B、等于C、小于 ２、溶解度很大的气体，属于气膜控制 ３、当平衡线在所涉及的范围内是斜率为m的直线时，则1/Ky=1/ky+ m /kx 4、若某气体在水中的亨利常数E值很大，则说明该气体为难溶气体 5、总传质系数与分传质系数之间的关系为l/KL=l/kL+1/HkG，当(气膜阻力1/HkG) 项可忽略时，表示该吸收过程为液膜控制。 1、低含量气体吸收的特点是L 、G 、Ky 、Kx 、T 可按常量处理 2、传质单元高度HOG分离任表征设备效能高低特性，传质单元数NOG表征了（分离任务的难易）特性。 3、吸收因子A的定义式为L/（Gm），它的几何意义表示操作线斜率与平衡线斜率之比 4、当A<1时，塔高H=∞，则气液两相将于塔底达到平衡 5、增加吸收剂用量，操作线的斜率增大，吸收推动力增大，则操作线向（远离）平衡线的方向偏移。 6、液气比低于（L/G）min时，吸收操作能否进行？能 此时将会出现吸收效果达不到要求现象。 7、在逆流操作的吸收塔中，若其他操作条件不变而系统温度增加，则塔的气相总传质单元高度HOG将↑，总传质单元数NOG 将↓，操作线斜率（L/G）将不变。 8、若吸收剂入塔浓度x2降低，其它操作条件不变，吸收结果将使吸收率↑，出口气体浓度↓。 9、在逆流吸收塔中，吸收过程为气膜控制，若进塔液体组成x2增大，其它条件不变，则气相总传质单元高度将（ A ）。 A.不变 B.不确定 C.减小 D.增大 吸收小结： 1、亨利定律、费克定律表达式 2、亨利系数与温度、压力的关系；E值随物系的特性及温度而异，单位与压强的单位一致；m与物系特性、温度、压力有关（无因次） 3、E、H、m之间的换算关系 4、吸收塔在最小液气比以下能否正常工作。 5、操作线方程（并、逆流时）及在y~x图上的画法 6、出塔气体有一最小值，出塔液体有一最大值，及各自的计算式 7、气膜控制、液膜控制的特点 8、最小液气比(L/G)min、适宜液气比的计算 9、加压和降温溶解度高，有利于吸收 减压和升温溶解度低，有利于解吸
塔设备就是化工、炼油生产中最重要的设备之一。塔就是化工生产过程中可使气液或液液两相之间进行紧密接触,达到相际传质及传热目的的设备。塔设备的分类方法很多。 按操作压力分为加压塔、常压塔与减压塔; 按形成相斥接段界面的方式分为具有固定相界面的与流动过程中形成相界面的塔; 按塔的内件构成分为板式塔与填料塔; 按单元操作可以分为: 1、精馏塔 精馏主要就是利用混合物中各组分的挥发度不同而进行分离。挥发度较高的物质在气相中的浓度比在液相中的浓度高,因此借助于多次的部分汽化及部分冷凝,而达到轻重组分分离的目的。 2、吸收塔 吸收主要就是利用一种或多种气体溶解于液体的过程。 3、解吸塔 解吸就是吸收操作的逆过程,即将液体混合物中的某一可挥发性组分转移至气体中。 4、萃取塔 萃取塔就是分离与提纯物质的重要单元操作之一。在液态(第一相液)中各组分关系,可以按相际传递过程把它们分离开来。 5、反应塔 反应即混合物在一定的温度、压力等条件下生成新物质的过程。 6、再生塔 再生的过程就是混合物经蒸汽传质、汽提而使溶液解吸再生的过程。 7、干燥塔 固体物料的干燥包括两个基本过程,首先就是对固体加热以使湿分气化的传热过程,然后就是气化后的湿分蒸气分压较大而扩散进入气相的传质过程,而湿分从固体物料内部借扩散等的作用而源源不断地输送到达固体表面,则就是一个物料内部的传质过程。因此干燥过程的特点就是传质与传热过程同时并存。 冷却塔就是一种广泛应用的热力设备,其作用就是通过热、质交换将高温冷却水的热量散入大气,从而降低冷却水的温度。 冷却塔按不同的分类方式分成不同的类型: (1)按空气与水接触的方式,可分成湿式冷却塔与干式冷却塔,以及二者结合的干湿式冷却塔。在湿式冷却塔中,空气与水直接接触进行热、质交换,其热、质交换效率高,冷却水的极限温度为空气湿球温度,缺点在于冷却水存在蒸发损失与飘散损失,并且水蒸发后盐度增加,需要补水;干式冷却塔中,水或蒸气与空气间接接触进行热交换,不发生质交换,它主要用于缺水地区及特殊场合,热交换效率一般比较低,并且投资大,耗能高。 (2)按通风方式,分为自然通风冷却塔与机械通风冷却塔。自然通风冷却塔又称风筒式或双曲线型塔,它利用塔内外的空气密度差造成的通风抽力使空气流通(自然通风),其冷却效果稳定,运行费用低,故障少,易维护,风筒高飘滴与雾气对环境影响小,缺点在于空气内外密度差小,通风抽力小,不易用在高温高湿地区;机械通风冷却塔又分为抽风式与鼓风式冷却塔,分别利用
七气液传质设备 板式塔 用一筛板精馏塔分离甲醇水溶液。料液中甲醇浓度为52%(摩尔%,以下同),使塔顶得%的甲醇产品,塔底为%水。塔顶压强为101[KN/m2],全塔压降为30[KN/m2],试按塔底状况估算塔径。取液泛分率为,板间距初步定为300mm, 塔的有效截面为总截面积的90%,塔底气体负荷(可视为水蒸汽)为[kg/s],塔底的液体负荷(可视为水)为[kg/s] 若上题精馏塔经计算所需的理论板数为30块(包括釜), 且在塔顶与塔底平均温度为86℃下甲醇对水的相对挥发度ａ=,水的粘度为厘泊,甲醇粘度为厘泊,求该塔整个塔板层的高度为多少米? 用第一题给定的条件,经初步设计得到筛板塔主要尺寸如下: 塔径 D=900[mm] 板间距 H t=300[mm] 孔径 d o=4[mm] 板厚 t p=2[mm] 堰高 t w=50[mm] 堰长 L w=630[mm] 筛孔气速 U o=[m/s] 降液管面积与塔截面积之比 A d/A= 液面落差△=0 降液管下沿离塔板距离y=40[mm] 试校验塔板是否发生液泛;校验液体在降液管中的停留时间是否满足要求。 填料塔 习题1与2中的筛板塔若改用填料塔代替,内装填38mm 钢鲍尔环试求塔径及填料层高度。塔径按塔底条件计算，取液泛分率为。并比较筛板与填料塔的压降。 有一填料塔,内充填40[mm]陶瓷拉西环,当塔内上升的气量达到8000[kg/h]时, 便在顶部开始液泛,为了提高产量,拟将填料改为50[mm]陶瓷矩鞍。问此时达到液泛的气量为若干?产量提高的百分率为多少? 综合思考题 选择与填空 [1].(1) 塔板中溢流堰的主要作用是为了保证塔板上有。 当喷淋量一定时,填料塔单位高度填料层的压力降与空塔气速关系上存在着两个转折点, 其中下转折点称为_______,上转折点称为_______。 (2) 筛板塔、泡罩塔，浮阀塔相比较,操作弹性最大的是_______; 单板压力降最小的是_______; 造价最便宜的是_______。 A.筛板塔 B.浮阀塔 C.泡罩塔 [2].(1) 鲍尔环比拉西环优越之处有(说出三点来)_______。 (2) 是非题 在同样空塔气速和液体流量下,塔板开孔率增加 ①其漏液量也增加 ②压力降必减少。 [3]. 气液两相在填料塔内逆流接触时,_______是气液两相的主要传质表面积。 在相同填料层高度和操作条件下,分别采用拉西环、阶梯环、鲍尔环填料进行填料的流体力学性能试验,哪种填料的压力降最小?
第一章流体流动 质点含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由程 却要大得多。 连续性假定假定流体是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。 拉格朗日法选定一个流体质点,对其跟踪观察，描述其运动参数(如位移、速度等)与时间的关系。 欧拉法在固定空间位置上观察流体质点的运动情况，如空间各点的速度、压强、密度等，即直接描述各有关运动参数在空间各点的分布情况和随时间的变化。定态流动流场中各点流体的速度u 、压强p不随时间而变化。 轨线与流线轨线是同一流体质点在不同时间的位置连线，是拉格朗日法考察的结果。流线是同一瞬间不同质点在速度方向上的连线，是欧拉法考察的结果。系统与控制体系统是采用拉格朗日法考察流体的。控制体是采用欧拉法考察流体的。 理想流体与实际流体的区别理想流体粘度为零，而实际流体粘度不为零。粘性的物理本质分子间的引力和分子的热运动。通常液体的粘度随温度增 加而减小，因为液体分子间距离较小，以分子间的引力为主。气体的粘度随温度上升而增大，因为气体分子间距离较大，以分子的热运动为主。 总势能流体的压强能与位能之和。 可压缩流体与不可压缩流体的区别流体的密度是否与压强有关。有关的称为可压缩流体，无关的称为不可压缩流体。 伯努利方程的物理意义流体流动中的位能、压强能、动能之和保持不变。平均流速流体的平均流速是以体积流量相同为原则的。 动能校正因子实际动能之平均值与平均速度之动能的比值。 均匀分布同一横截面上流体速度相同。 均匀流段各流线都是平行的直线并与截面垂直,在定态流动条件下该截面上
的流体没有加速度, 故沿该截面势能分布应服从静力学原理。 层流与湍流的本质区别是否存在流体速度u、压强p的脉动性，即是否存在流体质点的脉动性。 稳定性与定态性稳定性是指系统对外界扰动的反应。定态性是指有关运动参数随时间的变化情况。 边界层流动流体受固体壁面阻滞而造成速度梯度的区域。 边界层分离现象在逆压强梯度下，因外层流体的动量来不及传给边界层，而形成边界层脱体的现象。 雷诺数的物理意义雷诺数是惯性力与粘性力之比。 量纲分析实验研究方法的主要步骤: ①经初步实验列出影响过程的主要因素； ②无量纲化减少变量数并规划实验； ③通过实验数据回归确定参数及变量适用围，确定函数形式。 摩擦系数 层流区,λ与Re成反比，λ与相对粗糙度无关； 一般湍流区，λ随Re增加而递减，同时λ随相对粗糙度增大而增大； 充分湍流区，λ与Re无关,λ随相对粗糙度增大而增大。 完全湍流粗糙管当壁面凸出物低于层流层厚度，体现不出粗糙度过对阻力 损失的影响时，称为水力光滑管。Re很大，λ与Re无关的区域，称为完全湍流粗糙管。同一根实际管子在不同的Re下，既可以是水力光滑管，又可以是完全湍流粗糙管。 局部阻力当量长度把局部阻力损失看作相当于某个长度的直管，该长度即为局部阻力当量长度。 毕托管特点毕托管测量的是流速，通过换算才能获得流量。 驻点压强在驻点处，动能转化成压强(称为动压强)，所以驻点压强是静压强与动压强之和。 孔板流量计的特点恒截面，变压差。结构简单，使用方便，阻力损失较大。转子流量计的特点恒流速，恒压差，变截面。 非牛顿流体的特性 塑性：只有当施加的剪应力大于屈服应力之后流体才开始流动。
化工原理-第10章-气液传质设备 知识要点 用于蒸馏和吸收塔的塔器分别称为蒸馏塔和吸收(解吸)塔。通称气液传质设备。本章应重点掌握板式塔和填料塔的基本结构、流体力学与传质特性（包括板式塔的负荷性能图)。 1. 概述 高径比很大的设备叫塔器。 蒸馏与吸收作为分离过程，基于不同的物理化学原理，但其均属于气液两相间的传质过程，有共同的特点可在同样的设备中进行操作。 (1) 塔设备设计的基本原则 ① 使气液两相充分接触，以提供尽可能大的传质面积和传质系数，接触后两相又能及时完善分离。 ② 在塔气液两相最大限度地接近逆流，以提供最大的传质推动力。 (2) 气液传质设备的分类 ① 按结构分为板式塔和填料塔 ② 按气液接触情况分为逐级式与微分式 通常板式塔为逐级接触式塔器，填料塔为微分接触式塔器。 2. 板式塔 (1) 板式塔的设计意图：总体上使两相呈逆流流动，每一块塔板上呈均匀的错流接触。 (2) 筛孔塔板的构造 ① 筛孔——塔板上的气体通道，筛孔直径通常为3~8mm 。 ② 溢流堰——为保证塔板上有液体。 ③ 降液管——液体自上层塔板流至下层塔板的通道。 (3) 筛板上的气液接触状态 筛板上的气液接触状态有鼓泡接触、泡沫接触、喷射接触，比较见表10-1。 表10-1 气液接触状态比较 项 目 鼓泡接触状态 泡沫接触状态 喷射接触状态 孔速 很低 较高 高 两相接触面 气泡表面 液膜 液滴外表面 两相接触量 少 多 多 传质阻力 较大 小 小 传质效率 低 高 高 连续相 液体 液体 气体 分散相 气体 气体 液体 适用物系 重 轻σσ< (正系统) 重 轻σσ> (负系统) 工业上经常采用的两种接触状态是泡沫接触与喷射接触。由泡沫状态转为喷射状态的临界点称为转相点。 (4) 气体通过塔板的压降 包括塔板本身的干板阻力(即板上各部件所造成的局部阻力)、气体克服板上充气液层的静压力所产生的压力降、气体克服液体表面力所产生的压力降(一般较小，可忽略
化工原理课程设计任务书设计题目填料吸收塔设计—15 主要内容1、设计方案简介：对给定或选定的工艺流程、主要设备进行简要 论述； 2、主要设备的工艺设计计算：物料衡算、能量衡算、工艺参数的 选定、填料塔结构设计和工艺尺寸的设计计算； 3、辅助设备的选型 4、绘流程图：以单线图的形式描绘，标出主体设备和辅助设备的 物料方向、物流量、能流量。 5、吸收塔的设备工艺条件图 6、编写设计计算说明书 设计参数用清水吸收空气中的NH 3 气体，混合气体处理量5000m3/h，其中NH 3 含量为0.14kg/m3干空气（标态），干空气温度为25℃，相对湿度为 70%，要求净化气中NH 3 含量不超过0.07%（体积分数），气体入口温 度40℃，入塔吸收剂中不含NH 3 ，水入口温度30℃。 设计计划进度布置任务，学习课程设计指导书，其它准备……………0.5天主要工艺设计计算…………………………………………2.5天辅助设备选型计算／绘制工艺流程图……………………1.0天绘制主要设备工艺条件图…………………………………1.0天编写设计计算说明书（考核）……………………………1.0天合计：（1周）………………………………………………6.0天 主要参考文献1. 《化工原理课程设计》，贾绍义等编，天津大学出版社，2002.08 2.《化工原理》（上、下册），夏清，陈常贵主编，天津大学出版社， 2005.01 3. 《化工原理课程设计》，大连理工大学编，大连理工大学出版社， 1994.07 4.《化工工艺设计手册》（第三版）（上、下册），化学工业出版社， 2003.08 5.《化学工程手册》（第二版）（上、下卷），时钧等主编，化学工 业出版社，1998.11 6.《化工设备机械基础》，董大勤编，化学工业出版社，2003.01 7.《化工数据导引》，王福安主编，化工出版社，1995.10 8.《化工工程制图》，魏崇光等主编，化学工业出版社1994.05 9.《现代填料塔技术指南》，王树楹主编，中国石化出版社，1998.08 设计文件要求1.设计说明书不得少于7000字，A4幅面； 2.工艺流程图为A2幅面； 3.设备工艺条件图为A3幅面； 备注
第1章流体流动重点复习题及答案 学习目的与要求 1、掌握密度、压强、绝压、表压、真空度的有关概念、有关表达式和计算。 2、掌握流体静力学平衡方程式。 3、掌握流体流动的基本概念——流量和流速，掌握稳定流和不稳定流概念。 4、掌握连续性方程式、柏努利方程式及有关应用、计算。 5、掌握牛顿黏性定律及有关应用、计算。 6、掌握雷诺实验原理、雷诺数概念及计算、流体三种流态判断。 7、掌握流体流动阻力计算，掌握简单管路计算，了解复杂管路计算方法。 8、了解测速管、流量计的工作原理，会利用公式进行简单计算。 综合练习 一、填空题 1．某设备的真空表读数为200 mmHg，则它的绝对压强为____________mmHg。当地大气压强为101.33 103Pa. 2．在静止的同一种连续流体的内部，各截面上__________与__________之和为常数。 3．法定单位制中粘度的单位为__________，cgs制中粘度的单位为_________，它们之间的关系是__________。 4．牛顿粘性定律表达式为_______，它适用于_________流体呈__________流动时。 5．开口U管压差计是基于__________原理的测压装置，它可以测量管流中___________上的___________或__________。 6．流体在圆形直管内作滞流流动时的速度分布是_____________形曲线，中心最大速度为平均速度的________倍。摩擦系数与_____________无关，只随_____________加大而_____________。 7．流体在圆形直管内作湍流流动时，摩擦系数λ是_____________函数，若流动在阻力平方区，则摩擦系数是_____________函数，与_____________无关。 8．流体在管内作湍流流动时，在管壁处速度为_____________。邻近管壁处存在_____________层，Re值越大，则该层厚度越_____________ 9．实际流体在直管内流过时，各截面上的总机械能_________守恒，因实际流体流动时有_____________。
化工原理第七章塔设 备答案
七气液传质设备习题解答 1 解: 塔底压强=101+30=131[kn/m2], 在上此压强下水沸点为107℃ ,此温度下ρG=18×131×273/(22.4×101×380)=0.75[kg/m3] ρl=953[kg/m3] θ=57.5[dyn/cm] μ=0.266[cp] (ρl/ρG)1/2V l/V G=(ρG/ρl)1/2m l/m G =(0.75/953)1/2×1.24/0.82=0.041 H T=0.3m 当P148图11--6 ,C20=0.065 C=C200(σ/20)0.2=0.065(57.5/20)0.2=0.08 UF=C[(ρl-ρG)/ρG]0.5=0.08[(953-0.75)/0.75]0.5 =2.85[m/s] U=0.7UF=0.7×2.85=2[m/s] 气体流量 : V G=m G/ρG=0.82/0.75=1.09[m3/s] 塔的有效截面An(指塔版上可供气体通过的截面) An=V G/u=1.09/2=0.545[m2] 塔的总截面为A,依题意0.9A=An , ∴A=An/0.9=0.545/0.9=0.606[m2] 塔截面为A,故塔径为D πD2/4=A D=(4A/π)0.5=(4×0.606/3.14)0.5=0.879≈0.9[m] 2 解: 已知a=6.3, 86℃时, μ水=0.33[cp] μ甲醇=0.26[cp] μaΩ=0.52×0.26+0.48×0.33=0.29[cp] aμaΩ=6.3×0.29=1.83 由图11--21查得总板效率E=0.42=42% 筛板塔增大10% 故得 E=1.1×0.42=46% 实际塔板数为(30-1)/E=29/0.46=63 (釜算一块理论板) 塔板层高度为(63-1)×0.3=18.6[m] 3 解 : 校核液泛是否发生 气体通过筛孔压力降ho h O=(1/2g)(uo/Co)2ρG/ρl 式中:uo=12.7[m/s] ,ρG=0.75[kg/m3] ; ρl=953[kg/m3] 根据do/tp=4mm/2mm=2 ,由图11--9读出Co=0.76 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢175
化工原理课程设计 题目：乙醇水精馏筛板塔设计设计时间：2010、12、20-2011、1、6 化工原理课程设计任务书（化工1） 一、设计题目板式精馏塔的设计 二、设计任务：乙醇-水二元混合液连续操作常压筛板精馏塔的设计 三、工艺条件 生产负荷（按每年7200小时计算）：6、7、8、9、10、11、12万吨/年 进料热状况：自选 回流比：自选 加热蒸汽：低压蒸汽 单板压降：≤0.7Kpa 工艺参数 组成浓度（乙醇mol%）
塔顶78 加料板28 塔底0.04 四、设计内容 1.确定精馏装置流程，绘出流程示意图。 2.工艺参数的确定 基础数据的查取及估算，工艺过程的物料衡算及热量衡算，理论塔板数，塔板效率，实际塔板数等。 3.主要设备的工艺尺寸计算 板间距，塔径，塔高，溢流装置，塔盘布置等。 4.流体力学计算 流体力学验算，操作负荷性能图及操作弹性。 5.主要附属设备设计计算及选型 塔顶全凝器设计计算：热负荷，载热体用量，选型及流体力学计算。 料液泵设计计算：流程计算及选型。 管径计算。 五、设计结果总汇 六、主要符号说明 七、参考文献 八、图纸要求 1、工艺流程图一张(A2 图纸) 2、主要设备工艺条件图（A2图纸） 目录 前言 (4) 1概述 (5) 1.1 设计目的 (5) 1.2 塔设备简介 (6) 2设计说明书 (7) 2.1 流程简介 (7) 2.2 工艺参数选择 (8) 3 工艺计算 (10) 3.1物料衡算 (10) 3.2理论塔板数的计算 (10) 3.2.1 查找各体系的汽液相平衡数据 (10) 如表3-1 (10) 3.2.2 q线方程 (9)
化工设备填料塔结构 10.2.1 填料塔的结构及其结构特性 1. 填料塔的结构 如图所示为填料塔的结构示意图，填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一样不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的间隙，在填料表面上，气液两相紧密接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。 当液体沿填料层向下流淌时，有逐步向塔壁集中的趋势，使得塔壁邻近的液流量逐步增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。 填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直截了当用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。 2. 填料特性的评判 （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
t08a05001①塔板中溢流堰的主要作用是为了保证塔板上有＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。当喷淋量一定时，填料塔单位高度填料层的压力降与空塔气速关系线上存在着两个转折点，其中下转折点称为＿＿，上转折点称为＿＿＿＿＿＿。 ②筛板塔、泡罩塔、浮阀塔相比较，操作弹性最大的是＿＿＿＿；单板压力降最小的是＿＿＿＿；造价最便宜的是＿＿＿＿。 A．筛板塔 B．浮阀塔 C．泡罩塔 ①一定高度的液层载点泛点② B A A t08b05002①当填料塔操作气速达到泛点气速时＿＿＿＿＿充满全塔空隙并在塔顶形成＿＿＿＿，因而＿＿＿＿急剧升高。 ②在浮阀塔设计中，哪些因素考虑不周时，则塔易发生降液管液泛，请举出其中三种情况：(1)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；(2)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；(3)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ①液体液层压降② (1)开孔率过小或气速过大；(2)板间距小；(3)降液管载面积太小。 t08a05003①鲍尔环比拉西环优越之处有(说出三点来)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ②是非题: 在同样空塔气速和液体流量下，塔板开孔率增加(1)其漏液量也增加(2)压力降必减少。 ①生产能力大、阻力小、操作弹性大。② (1) 是 (2) 是 t08b05006①气体通过塔板的阻力可视作是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿的阻力与＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿的阻力之和。 ②如果板式塔设计不合理或操作不当，可能产生＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿＿及＿＿＿＿＿＿＿＿＿等不正常现象，使塔无法工作。 ①气体通过干板气体通过液层②过量液沫夹带、漏液、降液管液泛 t08a05007气液两相在填料塔内逆流接触时，＿＿＿＿＿＿＿＿是气液两相的主要传质表面积。在相同填料层高度和操作条件下，分别采用拉西环、阶梯环、鲍尔环填料进行填料的流体力学性能试验，哪种填料的压力降最小？A．鲍尔环 B．拉西环 C．阶梯环 被润湿的填料表面 C t08a05008①填料塔是连续接触式气液传质设备，塔内液体为分散相，气体为连续相, 为保证操作过程中两相的良好接触，故填料吸收塔顶部要有良好的液体分布装置。 ②任写出浮阀塔三种不正常操作情况:(1)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿(2)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿(3)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ①液体气体液体分布②严重漏液、严重气泡夹带、降液管液泛、严重雾沫夹带、液相不足。 t08b05009板式塔塔板上造成液面落差的主要原因是①＿＿＿＿＿＿②＿＿＿＿＿＿＿③＿＿＿＿＿。为减少液面落差可采用④＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿⑤＿＿＿＿＿＿＿＿办法。 ①液流量②塔板结构③液流长度④双溢流、多溢流；⑥用塔板上结构简单的筛板塔。 t08a05010①板式塔的类型有：＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿等(至少列举三种)。 ②筛板塔设计中，板间距H T设计偏大优点是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；缺点是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 ①泡罩塔、浮阀塔、筛板塔②液沫夹带少，不易造成降液管液泛；增加全塔高度。 t08b05011从塔板水力学性能的角度来看，引起塔板效率不高的原因，可以是＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿等现象(至少列举三条)。塔板结构设计时，溢流堰长应当适当，过长则会＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿, 过短则会＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 过量雾沫夹带；严重漏液；汽流或液流分布不均；降低塔板面积有效利用率；使塔板上液流分布不均，降液管截面过小。 t08a05015筛板上的气液接触状态有________________，_______________，_______________________，工业上常用的是___________________________。 ①鼓泡接触状态②泡沫接触状态③喷射接触状态④泡沫接触状态和喷射接触状态 t08a05016评价塔板性能的标准是_____________________，____________,________________________，____________________________。 ①通过能力大②塔板效率高③塔板压降低④操作弹性大⑤结构简单，制造成本低 t08a05017负荷性能图中有____条线，分别是_________________________________________________。 ① 5 ②液泛线、雾沫夹带线、漏液线、液相上限线、液相下限线