板式塔流体力学演示实验装置使用说明书

一、板式塔流体力学演示实验装置使用说明书-实验目的
1.观察板式塔各类型塔板的结构，比较各塔板上的气液接触状况。
2.实验研究板式塔的极限操作状态，确定各塔板的漏液点和液泛点。
二、实验原理
板式塔是一种应用广泛的气液两相接触并进行传热、传质的塔设备，可用于吸收（解吸）、精馏和萃取等化工单元操作。与填料塔不同，板式塔属于分段接触式气液传质设备，塔板上气液接触的良好与否和塔板结构及气液两相相对流动情况有关，后者即是本实验研究的流体力学性能。
1.塔板的组成
各种塔板板面大致可分为三个区域，即溢流区、鼓泡区和无效区。
降液管所占的部分称为溢流区。降液管的作用除使液体下流外，还须使泡沫中的气体在降液管中得到分离，不至于使气泡带入下一塔板而影响传质效率。因此液体在降液管中的应有足够的停留时间使气体得以解脱，一般要求停留时间大于3～5s。一般溢流区所占总面积不超过塔板总面积的25％，对液量很大的情况，可超过此值。
塔板开孔部分称为鼓泡区，即气液两相传质的场所，也是区别各种不同塔板的依据。而如图1所示则为无效区，因为在液体进口处液体容易 自板上孔中漏下，故设一传质无效的不开孔区，称为进口安定区，而在出口处，由于进降液管的的泡沫较多，也应设定不开孔区来破除一部分泡沫，又称破沫区。
2.常用塔板类型
泡罩塔：这是最早应用于生产上的塔板之一，因其操作性能稳定，故一直到20世纪40年代还在板式塔中占绝对优势。后来逐渐被其他塔板代替，但至今仍占有一定地位，泡罩塔特别适用于容易堵塞的物系。
泡罩塔板见图2(A).塔板上装有许多升气管，每根升气管上覆盖着一只泡罩（多为圆形，也可以是条形或是其他形状）。泡罩下边缘或开齿缝或不开齿缝，操作时气体从升气管上升再经泡罩塔与升气管的环隙，然后从泡罩下边缘或经齿缝排出进入液层。
泡罩塔板操作稳定，传质效率（对塔板而言称为塔板效率）也较高。但有不少缺点：结构复杂、造价高、塔板阻力大。液体通过塔板的液面落差较大，因而易使气流分布不均造成气液接触不良。
筛板塔：筛板塔也是最早出现的塔板之一。从图2(B)可知，筛板就是在板上打很多筛孔，操作时气体直接穿过筛孔进入液层。这种塔板早期一直被认为很难操作，只要气流发生波动，液体就不从降液管下来，而是从筛孔中大量漏下，于是操作也就被破坏。直到1949年以后才又对筛板进行试验，掌握了规律，发现能稳定操作。目前它在国内外已大量应用，特别在美国其比例大于下面介绍的浮阀塔板。
筛板塔的优点是构造简单、造价低，此外也能稳定操作，板效率也较高。缺点是小孔易堵（近年来发展了大孔径筛板，以适应大塔径、易堵塞物料的需要），操作弹性和板效率比下面介绍的浮阀塔板略差。
浮阀塔：这种塔板见图2(C)，是在20世纪40～50年代才发展起来的，现在使用很广。在国内浮阀塔的应用占有重要地位，普遍获得好评。其特点是当气流在较大范围内波动时均能稳定地操作，弹性大，效率好，适应性强。
浮阀塔结构特点是将浮阀装在塔板上的孔中，能自由地上下浮动，随气速的不同，浮阀打开的程度也不同。 3.板式塔的操作
塔板的操作上限与操作下限之比称为操作弹性（即最大气量与最小气量之比或最大液量与最小液量之比）。操作弹性是塔板的一个重要特性。操作弹性大，则该塔稳定操作范围大，这是我们所希望的。
为了使塔板在稳定范围内操作，必须了解板式塔的几个极限操作状态。在本演示实验中，主要观察研究各塔板的漏液点和液泛点，也即塔板的操作上、下限。
漏液点：可以设想，在一定液量下，当气速不够大时，塔板上的液体会有一部分从筛孔漏下，这样就会降低塔板的传质效率。因此一般要求塔板应在不漏液的情况下操作。所谓“漏液点”是指刚使液体不从塔板上泄漏时的气速，此气体也称为最小气速。
液泛点：当气速大到一定程度，液体就不再从降液管下流，而是从下塔板上升，这就是板式塔的液泛。液泛速度也就是达到液泛时的气速。
现以筛板塔为例来说明板式塔的操作原理。如图3，上一层塔板上的液体由降液管流至塔板上，并经过板上由另一降液管流至下一层塔板上。而下一层板上升的气体（或蒸汽）经塔板上的筛孔，以鼓泡的形式穿过塔板上的液体层，并在此进行气液接触传质。离开液层的气体继续升至上一层塔板，再次进行气液接触传质。由此经过若干层塔板，由塔板结构和气液两相流量而定。在塔板结构和液量已定的情况下，鼓泡层高度随气速而变。通常在塔板以上形成三种不同状态的区间，靠近塔板的液层底部属鼓泡区，如图3中的1；在液层表面属泡沫区，如图3中的2；在液层上方空间属雾沫区，如图3中的3。 这三种状态都能起气液接触传质作用，其中泡沫状态的传质效果尤为良好。当气速不很大时，塔板上以鼓泡区为主，传质效果不够理想。随着气速增大到一定值，泡沫区增加，传质效果显著改善，相应的雾沫夹带虽有增加，但还不至于影响传质效果。如果气速超过一定范围，则雾沫区显著增大，雾沫夹带过量，严重影响传质效果。为此，在板式塔中必须在适宜的液体流量和气速下操作，才能达到良好的传质效果。
三、演示操作
本装置主体由直径200mm，板间距为300mm的四个有机玻璃塔节与两个封头组成的塔体，配以风机、水泵和气、液转子流量计及相应的管线、阀门等部件构成。塔体内由上而下安装四块塔板，分别为泡罩塔板、浮阀塔板、有降液管的筛孔板和无降液管的筛孔板，降液管均为内径25mm的有机圆柱管。流程示意如图4。 实验开始前，先检查水泵和风机电源，并保持所有阀门全关状态。以下以有降液管的筛孔板（即自下而上第二块塔板）为例，介绍该塔板流体力学性质演示操作。
水泵进口连接水源（自来水接口或水槽），塔底排液阀接地沟或循环接入水槽，打开水泵出口调节阀，开启水泵电源。观察液流从塔顶流出的速度，通过水转子流量计调节液流量在转子流量计显示适中的位置，并保持稳定流动。
打开风机出口阀，打开无降液管的筛孔板下对应的气流进口阀，开启风机电源。通过空气转子流量计自小而大调节气流量，观察塔板上气液接触的几个不同阶段，即由漏液至鼓泡、泡沫和雾沫夹带到最后淹塔。
观察实验的两个临界气速，即作为操作下限的“漏液点”——刚使液体不从塔板上泄漏时的气速，和作为操作上限的“液泛点”——使液体不再从降液管（对于无降液管的筛孔板，是指不降液）下流，而是从下塔板上升直至淹塔时的气速。
对于其余另两种类型的塔板也是作如上的操作，最后记录各塔板的气液两相流动参数，计算塔板弹性，并作出比较。
也可作全塔液泛实验，从有降液管的第二块筛塔板作起，可观察全塔液泛的状况。实验过程中，注意塔身与下水箱的接口处应液封，以免漏出风量。

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