第六节塔板效率.doc

第六节  塔板效率
板式塔是以塔板效率表示传质效率的。
§7．6．1塔板效率的不同表示方法及其应用
塔板效率通常有三种定义形式。
1）  总板效率ET
定义

(7-30)

式中
NT——
理论板数；

N——
实际板数。
总板效率表示全塔的平均效率。由理论板数NT除以ET即得实际所需的塔板数，使用十分方便，故总板效率被广泛采用。但总板效率并不区分同一个塔中不同塔板的传质效率差别，所以在塔器研究与改进操作中不能满足要求。
2）默弗里板效率
以气相浓度变化表示的默弗里板效率的定义式为

（7-31）

式中
yn，yn+1——离开第n块塔板及第n+1块塔板的气相浓度，摩尔分率；

y*n——与离开第n块塔板的液相浓度xn呈平衡的气相浓度，摩尔分率。
以液相浓度变化表示的默弗里板效率的定义式为

（7-32）

式中
xn-1，xn——离开第n-1块塔板及第n块塔板的液相平均浓度，摩尔分

率；

x*n——与离开第n块塔板的气相平均浓度yn呈平衡的液相浓度，摩尔

分率。
默弗里板效率用以标明一块塔板的传质效率。欲测定默弗里板效率，只需在塔板的上、下方取样测其浓度，即可按定义算出，由此可判断该塔板操作状况的优劣。
当液相流过塔板时，若传质效率高且液相返混程度小，塔板上液相有明显的浓度差，则默弗里板效率值可能大于1；若液相返混严重，塔板上液相浓度比较均匀，默弗里板效率则小于1。通常因液相总存在返混，所以默弗里板效率小于1。默弗里板效率又称单板效率。
参看图7-28。左图表示通过第n块塔板前后的气液浓度。右图中“a-c-b”表示一个实际的“梯级”。EmV是长度与长度之比，EmL是长度与长度之比。

根据默弗里板效率可直接用作图法求取实际塔板数。现以已知不同液相浓度时的EmV值为例说明之。
在“y-x”图中在操作线与平衡线间任意作数条垂直于x轴的直线，并按已知默弗里板效率值在这些直线中取内分点。如图7-29中在直线中取c点，c点位置需满足（注意EmV依不同x而异）。连接这些内分点，描绘成光滑的虚线。然后，由对角线上（xD，xD）点出发，在操作线与虚线间画梯级，梯级数即为所求实际塔板数。

效率求实际塔板数
3）点效率
点效率是为考察塔板在操作时不同板面部位的局部传质效率所采用的一种塔效率，主要用于塔板结构研究。点效率EOG的定义式为：

（7-33）

式中
yn+1——进入第n块塔板的气相平均浓度，摩尔分率；

y——离开第n块塔板上某点的气相浓度，摩尔分率；

y*——与被考察点的液相浓度呈平衡的气相浓度，摩尔分率。在

塔板上任一点位置，液层在铅垂方向上由于气泡的搅拌，可认为

液相浓度是均匀的。

对图7-30中液相浓度为x的位置，现分析气相经历了在液相中浓度由yn+1逐渐变为y的传质过程。设气相的摩尔流速为G，气相的体积传质系数为Kya，泡沫层高为Hf，与液相浓度x呈平衡的气相浓度为y*，对精馏操作来说

（7-34）
将上式沿泡沫层高度积分，可得

则

（7-35）
（7-34）式表明，要提高点效率，则泡沫层Hf要高，泡沫的比表面积a要大，传质系数Ky要大，气相流速G要低。
对点效率的分析结果指明了强化板式塔传质效果的途径，但由于塔器的传质问题十分复杂，目前，对塔板效率尚不能完全进行理论分析，只能依靠实验测定。
§7．6．2 提高塔器操作传质效果需注意的问题
为提高塔器操作的传质效果，应注意三个问题：
（1）尽可能减少气相与液相的轴向混合。
（2）对于不同物系，应选用适宜的气液接触状态。
气体通过液层时，随着气速的增大，会出现不同的气液接触状态。气速低时，气泡生成的频率低，液层较清晰，这时属“鼓泡态”操作。气速增大后，气泡生成频率增加，属“泡沫态”操作。当气速增大到一定程度后，气体呈气流状喷出，将液体排开，部分液体被气流冲击成液滴并被抛上属“喷射态”操作。
在这三种气液接触状态中，“鼓泡态”因气液湍动程度较弱，传质效果差，不宜采用。“泡沫态”气液湍动程度加剧，表面更新好，气液接触比表面积大，是一种较理想的气液接触状态。以精馏操作为例，随着传质过程的进行，液膜上轻组分减少，重组分增多。若重组分的表面张力大于轻组分的表面张力，则液膜不易破裂，采用“泡沫态”操作是适宜的。“喷射态”气相为连续相，液体被分散成细小液滴，液体的比表面积很大，气液湍动程度高，也是一种良好的操作状态，但要求大液滴能分成若干小液滴，以对抗液滴因碰撞而聚为大液滴的趋势。对精馏来说，“喷射态”适于重组分的表面张力小于轻组分表面张力的物系。
（3）减小塔板上气液流动的不均匀性
在传质过程中，传质量G随时间τ的延续而增加。开始时传质推动力大，传质速率高，但随着时间的推移，推动力变小，传质速率降低，如图7-31所示。图中的“G～τ”函数关系属“凸函数”型。
对于凸函数型传质过程，若气液平均接触时间为τ，传质量为G，但由于部分气液“短路”，这部分气液接触时间降为τ—Δτ，传质量为G—ΔG’，另一部分气液发生滞留现象，则其气液接触时间增为τ+Δτ，传质量为G+ΔG。由图可见，从传质量来看，ΔG'>ΔG，“得不偿失”，故气液接触时间不匀对传质是不利的。为使气液接触时间均匀，应力求塔板上气液流动均匀。
§7．6．3 总板效率的经验图线

塔板效率是个影响因素甚多的复杂指标，已有不少研究成果发表。有的研究者立足于全面考察各有关影响因素，如A．I．Ch．E预测板效率法。这种计算方法甚繁。有的研究者只着重考察一些重要因素对塔板效率的影响，而略去次要因素，如奥肯奈尔（O'connell）的关联图等。
下面只介绍O'connell关联图。这是由实验数据归纳得到的。
1）  精馏操作全塔效率
精馏操作的全塔效率关联图如图7-32所示。

图中横坐标为α·μL。α是塔顶、底平均温度下物系的相对挥发度。如为多元精馏，则α是关键组分间的相对挥发度。μL是塔顶、底平均温度下按进料组成计算的液相粘度，单位是cP。该粘度可用加和法估算：
，
式中xi是组分i的摩尔分率，μLi是该组分的液相粘度，cP。

2）  吸收操作全塔效率
吸收操作全塔效率关联图如图7-33所示。图中横坐标为，其中H为溶质的溶解度系数（），kmol/(m3·atm)，P为总压，atm，μL为液相粘度，cP。