塔内件包括液体分布装置

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'塔内件包括液体分布装置'
三、塔内件 塔内件包括液体分布装置、床层固定装置或床层压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布和进料装置以及气体分布装置等。一座性能良好的大型填料塔,填料本身的高性能固然重要,但与之匹配的塔内件,尤其是液体分布器和气体分布器也是至关重要的。否则填料的高性能就不能得以充分发挥,特别是对于大直径、多侧线、浅床层塔器,气液分布往往是成败的关键。不良的液体分布可能使填料的性能下降50%~70%。 与板式塔相比,填料塔对液体的不均匀分布更为敏感。液体在填料塔内的分布性能以及最终的填料性能在很大程度上依赖于液体的初始分布。不均匀分布可导致填料效率的降低,特别是对规整填料等低压降填料。而且,当塔具有很高的填料层高度、很高的填料比表面积及很高的填料效率时,液体不均匀分布的负面效应更大。1、填料支承装置 填料支承装置的作用是支承塔内填料层。对其要求是: 第一,应具有足够的强度和刚度,能支承填料的质量、填料层的持液量及操作中的附加压力等; 第二,应具有大于填料层空隙率的开孔率,以防止在此处首先发生液泛; 第三,结构合理,有利于气液两相的均匀分布,阻力小,便于拆装。 常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等,如图所示。选择哪种支承装置,主要根据塔径、使用的填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流速等而定。2、填料压紧装置 为保持操作中填料床层为一高度恒定的固定床,从而保持均匀一致的空隙结构,使操作正、稳定,在填料装填后于其上方要安装填料压紧装置。这样,可以防止在高压降、瞬时负荷波动等情况下填料床层发生松动和跳动。 填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类,每类又有不同的型式,图中列出了几种常用的填料压紧装置。填料压板自由放置于填料层上端,靠自身重量将填料压紧, 它适用于陶瓷、石墨制的散装填料。因其易碎,当填料层发生破碎时,填料层空隙率下降, 此时填料压板可随填料层一起下落,紧紧压住填料而不会形成填料的松动。床层限制板用于金属散装填料、塑料散装填料及所有规整填料。因金属及塑料填料不易破碎,且有弹性,在装填正确时不会使填料下沉。床层限制板要固定在塔壁上,对于小塔可用螺钉固定于塔壁,而大塔则用支耳固定。3、液体分布装置 为了实现填料内气液两相密切接触、高效传质,填料塔的传质过程要求塔内任一截面上气液两相流体能均匀分布,特别是液体的初始分布至关重要。理想的液体分布器应具备以下条件: (1) 与填料相匹配的液体均匀分布点。填料比表面积越大,分离要求越精密,则液体分布器分布点密度也应越大。 (2) 操作弹性较大,适应性好。 (3) 为气体提供尽可能大的自由截面,实现气体的均匀分布,且阻力小。 (4) 结构合理,便于制造、安装、调整和检修。 液体分布装置的种类多样,有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。喷头式分布器如图(a)所示。液体由半球形喷头的小孔喷出,小孔直径为3~10mm,作同心圆排列, 喷洒角小于80°,直径为(1/3~1/5)D。这种分布器结构简单,只适用于直径小于600mm的塔中。因小孔容易堵塞,一般应用较少。 盘式分布器有盘式筛孔分布器、盘式溢流管式分布器等形式。如图(b)、(c)所示。液体加至分布盘上,经筛孔或溢流管流下。分布盘直径为塔径的0.6~0.8倍,此种分布器用于D <800mm的塔中。 管式分布器由不同结构形式的开孔管制成。其突出的特点是结构简单,供气体流过的自由截面大,阻力小。但小孔易堵塞,弹性一般较小。管式液体分布器使用十分广泛,多用于中等以下液体负荷的填料塔中。在减压精馏及丝网波纹填料中,由于液体负荷较小故常用之。管式分布器有排管式、环管式等不同形状,如图(d)、(e)所示。根据液体负荷情 况,可做成单排或双排。 槽式液体分布器通常是由分流槽(又称主槽或一级槽)、分布槽(又称副槽或二级槽) 构成的。一级槽通过槽底开孔将液体初分成若干流股,分别加入其下方的液体分布槽。分布槽的槽底(或槽壁)上设有孔道(或导管),将液体均匀分布于填料层上。如图(f) 所示。 槽式液体分布器具有较大的操作弹性和极好的抗污性,特别适合于气液负荷大及含有固体悬浮物、粘度大的分离场合。由于槽式分布器具有优良的分布性能和抗污垢堵塞性能,应用范围非常广泛。 槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器,它将槽式及盘式分布器的优点有机地结合一体,兼有集液、分液及分气三种作用,结构紧凑,操作弹性高达10:1。气液分布均匀,阻力小,特别适用于易发生夹带、易堵塞的场合。盘槽式液体分布器的结构如图(g) 所示。四、气液两相在填料层内的流动1、液体成膜的条件 液体能否在填料表面铺展成膜与填料的润湿性有关。严格地说,液体自动成膜的条 件是: δLS+ δGL<δGS式中δLS、δGL、δGS分别为液固、气液及气固间的界面张力。上式中两端的差值越大, 表明填料表面越容易被该种液体所润湿,即液体在填料表面上的铺展能力越强。当物系和操作温度、压力一定时,气液界面张力δGL为一定值。因此,适当选择填料的材质和表面性质,液体将具有较大的铺展能力,可使用较少的液体获得较大的润湿表面。如填料的材质选用不当,液体将不呈膜而呈细流下降,使气液传质面积大为减少。2、填料塔内液膜表面的更新 在填料塔内液膜所流经的填料表面是许多填料堆积而成的,形状极不规则。这种不规则的填料表面有助于液膜的湍动。特别是当液体自一个填料通过接触点流至下一个填料时,原来在液膜内层的液体可能转而处于表层,而原来处于表层的液体可能转入内层,由此产生所谓表面更新现象。这种表面更新现象有力地加快液相内部的物质传递,是填料塔内汽液传质 中的有利因素。 但是,也应该看到,在乱堆填料层中可能存在某些液流所不及的死角。这些死角虽然是润湿的,但液体基本上处于静止状态,对两相传质贡献不大。3、填料塔内的液体分布 液体在乱堆填料层内流体所经历的路径是随机的。当液体集中在某点进入填料层并沿填料流下,液体将呈锥形逐渐散开。这表明乱堆填料是具有一定的分散液体的能力。因此,乱堆填料对液体预分布没有过于苛刻的要求。 另一方面,在填料表面流动的液体会部分地汇集形成沟流,使部分填料表面未能润湿。 综合上述两方面的因素,液体在流经足够高的一段填料层之后,将形成一种的液体分布,称为填料的特征分布。特征分布是填料的特性,规整填料的特征分布优于散装填料。 在同一填料塔中,喷液量越大,特征分布越均匀。 液体在填料塔中流下时,由于以下原因造成较大尺度上的分布不均匀性,在设计时应采取适当的改进措施。 (1) 初始分布不均匀性 对于小塔,液体在乱堆填料层中虽有一定的自分布能力,但若液体初始分布不良,总体上填料的润湿表面积减少。对于大塔,初始分布不良很难利用填料的自分布能力达到全塔截面液体的分布均匀。因此,大塔的液体初始分布应予充分注意。 (2) 填料层内液流的不均匀性 沿填料流下的液流可能向内,也可能向外流向塔壁,导致较多液体沿壁流下形成壁流,减少了填料层的润湿率。这种现象叫填料层内液流的不均匀性。尤其当填料较大时(塔径与填料之比D/d<8),壁流现象显著。工业大型填料塔以取D/d在30以上为宜。此外,由于塔体倾斜、填充不均匀及局部填料破损等均会造成填料层内的液体分布不均匀。液流不均匀性是大型填料塔传质性能下降即放大效应的主要原因。4、填料塔中的持液量 在填料塔中流动的液体占有一定的体积,操作时单位填充体积所具有的液体量称为持液量(m3/m3)。定态操作中的精馏塔若持液量小,则系统对干扰的反应灵敏度高,液体在塔内的停留时间短,有利于热敏物质的分离;在间歇精馏中若持液量大,则每批获得的馏出液量减少,停止操作时塔内持液,流入塔釜,使釜液中轻组分的含量增加,对生产能力和产品质量不利。因此,通常希望保证液体在填料表面呈薄膜流动,具有尽可能大的传质表面而持液量较小。 持液量与填料表面的液膜厚度有关。液体喷淋量大,液膜增厚,持液量也加大。在一般填料塔操作的气速范围内,由于气体上升对液膜流下造成的阻力可以忽略,气体流量对液膜厚度及持液量的影响不大。一般说来,适当的持液量对填料塔的操作的稳定性和传热传质是有益的,但持液量过大,将减少填料层的空隙气相流通截面,使压降增大,处理能力下降。五、填料塔的特点 与板式塔相比,填料塔具有如下特点。1、生产能力大 板式塔与填料塔的液体流动和传质机理不同。板式塔的传质是通过上升气体穿过板上的液 层来实现,塔板的开孔率一般占塔截面积的7%~10%。而填料塔的传质是通过上升气体和靠重力沿填料表面下降的液流接触实现。填料塔内件的开孔率均在50%以上,而填料层的空隙率则超过90%,一般液泛点较高。故单位塔截面积上,填料塔的生产能力一般均高于板式塔。2、分离效率高 一般情况下,填料塔具有较高的分离效率。工业填料塔每米理论级大多在2级以上,最多可达10级以上。而常用的板式塔,每米理论板最多不超过2级。研究表明,在减压和常压操作下,填料塔的分离效率明显优于板式塔,在高压 下操作,板式塔的分离效率略优于填料塔。但大多数分离操作是处于减压及常压的状态下。3、压力降小 填料塔由于空隙率高,故其压降远远小于板式塔。一般情况下,板式塔的每个理论级压降约在0.4~1.1kPa,填料塔约为0.01~0.27kPa。通常,板式塔压降高于填料塔5倍左 右。压降低不仅能降低操作费用,节约能耗,对于精馏过程,可使塔釜温度降低,有利于热敏性物料的分离。4、持液量小 持液量是指塔在正常操作时填料表面、内件或塔板上所持有的液量,对于填料塔,持液量一般小于6%,而板式塔则高达8%~12%。5、操作弹性大 由于填料本身对负荷变化的适应性很大,加之填料塔的操作弹性决定于塔内件的设计, 设计时,可根据实际需要确定填料的操作弹性。而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,一般操作弹性较小。 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;不能直接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。因此,在选择塔的类型时,应根据分离物系的具体情况和操作所追求的目标综合考虑上述各因素。 填料塔的种类繁多,其设计的原则大体相同,一般来说,填料塔的设计程序有:①给定的设计条件,合理地选择填料;②计算塔径、填料层高度等工艺尺寸;③计算填料层的压降;④进行填料塔的结构设计,结构设计包括塔体设计及塔内件设计两部分。 前已述及,填料是填料塔的核心,其性能优劣是影响填料塔能否正常操作的主要因素。填料应根据
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