板式塔流體力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)裝置使用說明書

一、板式塔流體力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)裝置使用說明書-實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1.觀察板式塔各類型塔板的結(jié)構(gòu)，比較各塔板上的氣液接觸狀況。
2.實(shí)驗(yàn)研究板式塔的極限操作狀態(tài)，確定各塔板的漏液點(diǎn)和液泛點(diǎn)。
二、實(shí)驗(yàn)原理
板式塔是一種應(yīng)用廣泛的氣液兩相接觸并進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)的塔設(shè)備，可用于吸收（解吸）、精餾和萃取等化工單元操作。與填料塔不同，板式塔屬于分段接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，塔板上氣液接觸的良好與否和塔板結(jié)構(gòu)及氣液兩相相對流動(dòng)情況有關(guān)，后者即是本實(shí)驗(yàn)研究的流體力學(xué)性能。
1.塔板的組成
各種塔板板面大致可分為三個(gè)區(qū)域，即溢流區(qū)、鼓泡區(qū)和無效區(qū)。
降液管所占的部分稱為溢流區(qū)。降液管的作用除使液體下流外，還須使泡沫中的氣體在降液管中得到分離，不至于使氣泡帶入下一塔板而影響傳質(zhì)效率。因此液體在降液管中的應(yīng)有足夠的停留時(shí)間使氣體得以解脫，一般要求停留時(shí)間大于3～5s。一般溢流區(qū)所占總面積不超過塔板總面積的25％，對液量很大的情況，可超過此值。
塔板開孔部分稱為鼓泡區(qū)，即氣液兩相傳質(zhì)的場所，也是區(qū)別各種不同塔板的依據(jù)。而如圖1所示則為無效區(qū)，因?yàn)樵谝后w進(jìn)口處液體容易

圖1 塔板板面
自板上孔中漏下，故設(shè)一傳質(zhì)無效的不開孔區(qū)，稱為進(jìn)口安定區(qū)，而在出口處，由于進(jìn)降液管的的泡沫較多，也應(yīng)設(shè)定不開孔區(qū)來破除一部分泡沫，又稱破沫區(qū)。
2.常用塔板類型
泡罩塔：這是最早應(yīng)用于生產(chǎn)上的塔板之一，因其操作性能穩(wěn)定，故一直到20世紀(jì)40年代還在板式塔中占絕對優(yōu)勢。后來逐漸被其他塔板代替，但至今仍占有一定地位，泡罩塔特別適用于容易堵塞的物系。
泡罩塔板見圖2(A).塔板上裝有許多升氣管，每根升氣管上覆蓋著一只泡罩（多為圓形，也可以是條形或是其他形狀）。泡罩下邊緣或開齒縫或不開齒縫，操作時(shí)氣體從升氣管上升再經(jīng)泡罩塔與升氣管的環(huán)隙，然后從泡罩下邊緣或經(jīng)齒縫排出進(jìn)入液層。
泡罩塔板操作穩(wěn)定，傳質(zhì)效率（對塔板而言稱為塔板效率）也較高。但有不少缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、塔板阻力大。液體通過塔板的液面落差較大，因而易使氣流分布不均造成氣液接觸不良。
篩板塔：篩板塔也是最早出現(xiàn)的塔板之一。從圖2(B)可知，篩板就是在板上打很多篩孔，操作時(shí)氣體直接穿過篩孔進(jìn)入液層。這種塔板早期一直被認(rèn)為很難操作，只要?dú)饬靼l(fā)生波動(dòng)，液體就不從降液管下來，而是從篩孔中大量漏下，于是操作也就被破壞。直到1949年以后才又對篩板進(jìn)行試驗(yàn)，掌握了規(guī)律，發(fā)現(xiàn)能穩(wěn)定操作。目前它在國內(nèi)外已大量應(yīng)用，特別在美國其比例大于下面介紹的浮閥塔板。
篩板塔的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、造價(jià)低，此外也能穩(wěn)定操作，板效率也較高。缺點(diǎn)是小孔易堵（近年來發(fā)展了大孔徑篩板，以適應(yīng)大塔徑、易堵塞物料的需要），操作彈性和板效率比下面介紹的浮閥塔板略差。
浮閥塔：這種塔板見圖2(C)，是在20世紀(jì)40～50年代才發(fā)展起來的，現(xiàn)在使用很廣。在國內(nèi)浮閥塔的應(yīng)用占有重要地位，普遍獲得好評。其特點(diǎn)是當(dāng)氣流在較大范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)均能穩(wěn)定地操作，彈性大，效率好，適應(yīng)性強(qiáng)。
浮閥塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將浮閥裝在塔板上的孔中，能自由地上下浮動(dòng)，隨氣速的不同，浮閥打開的程度也不同。

（A）泡罩塔（B）篩板塔（C）浮閥塔

圖2 常用塔板示意圖
3.板式塔的操作
塔板的操作上限與操作下限之比稱為操作彈性（即最大氣量與最小氣量之比或最大液量與最小液量之比）。操作彈性是塔板的一個(gè)重要特性。操作彈性大，則該塔穩(wěn)定操作范圍大，這是我們所希望的。
為了使塔板在穩(wěn)定范圍內(nèi)操作，必須了解板式塔的幾個(gè)極限操作狀態(tài)。在本演示實(shí)驗(yàn)中，主要觀察研究各塔板的漏液點(diǎn)和液泛點(diǎn)，也即塔板的操作上、下限。
漏液點(diǎn)：可以設(shè)想，在一定液量下，當(dāng)氣速不夠大時(shí)，塔板上的液體會(huì)有一部分從篩孔漏下，這樣就會(huì)降低塔板的傳質(zhì)效率。因此一般要求塔板應(yīng)在不漏液的情況下操作。所謂“漏液點(diǎn)”是指剛使液體不從塔板上泄漏時(shí)的氣速，此氣體也稱為最小氣速。
液泛點(diǎn)：當(dāng)氣速大到一定程度，液體就不再從降液管下流，而是從下塔板上升，這就是板式塔的液泛。液泛速度也就是達(dá)到液泛時(shí)的氣速。
現(xiàn)以篩板塔為例來說明板式塔的操作原理。如圖3，上一層塔板上的液體由降液管流至塔板上，并經(jīng)過板上由另一降液管流至下一層塔板上。而下一層板上升的氣體（或蒸汽）經(jīng)塔板上的篩孔，以鼓泡的形式穿過塔板上的液體層，并在此進(jìn)行氣液接觸傳質(zhì)。離開液層的氣體繼續(xù)升至上一層塔板，再次進(jìn)行氣液接觸傳質(zhì)。由此經(jīng)過若干層塔板，由塔板結(jié)構(gòu)和氣液兩相流量而定。在塔板結(jié)構(gòu)和液量已定的情況下，鼓泡層高度隨氣速而變。通常在塔板以上形成三種不同狀態(tài)的區(qū)間，靠近塔板的液層底部屬鼓泡區(qū)，如圖3中的1；在液層表面屬泡沫區(qū)，如圖3中的2；在液層上方空間屬霧沫區(qū)，如圖3中的3。

圖3篩板塔操作簡圖
這三種狀態(tài)都能起氣液接觸傳質(zhì)作用，其中泡沫狀態(tài)的傳質(zhì)效果尤為良好。當(dāng)氣速不很大時(shí)，塔板上以鼓泡區(qū)為主，傳質(zhì)效果不夠理想。隨著氣速增大到一定值，泡沫區(qū)增加，傳質(zhì)效果顯著改善，相應(yīng)的霧沫夾帶雖有增加，但還不至于影響傳質(zhì)效果。如果氣速超過一定范圍，則霧沫區(qū)顯著增大，霧沫夾帶過量，嚴(yán)重影響傳質(zhì)效果。為此，在板式塔中必須在適宜的液體流量和氣速下操作，才能達(dá)到良好的傳質(zhì)效果。
三、演示操作
本裝置主體由直徑200mm，板間距為300mm的四個(gè)有機(jī)玻璃塔節(jié)與兩個(gè)封頭組成的塔體，配以風(fēng)機(jī)、水泵和氣、液轉(zhuǎn)子流量計(jì)及相應(yīng)的管線、閥門等部件構(gòu)成。塔體內(nèi)由上而下安裝四塊塔板，分別為泡罩塔板、浮閥塔板、有降液管的篩孔板和無降液管的篩孔板，降液管均為內(nèi)徑25mm的有機(jī)圓柱管。流程示意如圖4。

實(shí)驗(yàn)開始前，先檢查水泵和風(fēng)機(jī)電源，并保持所有閥門全關(guān)狀態(tài)。以下以有降液管的篩孔板（即自下而上第二塊塔板）為例，介紹該塔板流體力學(xué)性質(zhì)演示操作。
水泵進(jìn)口連接水源（自來水接口或水槽），塔底排液閥接地溝或循環(huán)接入水槽，打開水泵出口調(diào)節(jié)閥，開啟水泵電源。觀察液流從塔頂流出的速度，通過水轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)液流量在轉(zhuǎn)子流量計(jì)顯示適中的位置，并保持穩(wěn)定流動(dòng)。
打開風(fēng)機(jī)出口閥，打開無降液管的篩孔板下對應(yīng)的氣流進(jìn)口閥，開啟風(fēng)機(jī)電源。通過空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)自小而大調(diào)節(jié)氣流量，觀察塔板上氣液接觸的幾個(gè)不同階段，即由漏液至鼓泡、泡沫和霧沫夾帶到最后淹塔。
觀察實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)臨界氣速，即作為操作下限的“漏液點(diǎn)”——剛使液體不從塔板上泄漏時(shí)的氣速，和作為操作上限的“液泛點(diǎn)”——使液體不再從降液管（對于無降液管的篩孔板，是指不降液）下流，而是從下塔板上升直至淹塔時(shí)的氣速。
對于其余另兩種類型的塔板也是作如上的操作，最后記錄各塔板的氣液兩相流動(dòng)參數(shù)，計(jì)算塔板彈性，并作出比較。
也可作全塔液泛實(shí)驗(yàn)，從有降液管的第二塊篩塔板作起，可觀察全塔液泛的狀況。實(shí)驗(yàn)過程中，注意塔身與下水箱的接口處應(yīng)液封，以免漏出風(fēng)量。

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