板效率

板效率表征的是實際塔板的分離效果接近理論板的程度。單板效率與全塔板效率是常用的兩種表示方法。

基本介紹

• 中文名：板效率
• 外文名：plate efficiency 
• 領域：化工

簡介

分級接觸傳質設備中，一個級的傳質分離效果接近理論級的程度的度量。在分級接觸傳質設備的設計中，實際級數的確定是主要內容。板式塔的級效率，常稱板效率。在設計計算中常用的級效率有單級效率和總級效率。

單板效率 E_m 又稱默弗里（Murphree）板效率，可用氣相單板效率 E_mV 或液相單板效率 E_mL 表示，其定義分別為，。

其中x_n，y_n代表離開第n 板的液相與汽相的實際組成；

y_n^*和x_n^*離開第n板的液（汽）相組成 xⁿ （yⁿ）成平衡的汽（液）相組成；

分別代表經過一塊板後組成的實際變化，分母則為將該板視為理論板時的組成變化。單板效率通常由實驗測定。

注意：單板效率是一塊板的平均效率，板上各點的傳質差異可進一步由點效率（Local efficiency）來表達。

全塔板效率ET（總板效率）為完成一定分離任務所需的理論塔板數 N_T 和實際塔板數 N_P 之比。

E_T 代表了全塔各層塔板的平均效率，其值恆小於1.0。一般由實驗確定或用經驗公式計算。

經驗式：E_T=0.49（αμ_L）^-0.245

N_T表示理論板數；N_P表示實際塔板數。

對一定結構形式的板式塔，由分離任務和工藝條件確定出理論板數後，若已知一定操作條件下的全塔效率，便可求得實際板數。

引入理論板和板效率兩個概念後，為達到規定的分離要求，確定精餾塔所需的實際板數就轉變為確定所需理論板數和板效率兩個問題。

板效率的影響因素

汽體混合情況對板效率的影響

由於塔板上泡沫層高度不均勻，因而汽相流動產生不均勻。氣體必然以較大流速通過泡沫層較薄的區域，流速分布：從液體進口向出口逐漸增大。一般認為液體在相鄰板上反向流動，則汽相在板間的不完全混合將造成板效率有些降低，影響較小。但是當存在嚴重分布不均時，會引起塔板的液體入口過量漏液，那么效率就降低很多了。

液體混合情況對板效率的影響

塔板上液體有3種混合方式，即軸向混合、橫向混合、全混。小直徑的塔，可以認為液體流經小塔板時各方向均勻混合，稱為全混；當精餾塔的直徑變大時，液體流經大塔板時，軸向和橫向均不會全混，沿流經方向有濃度梯度存在；隨著塔徑的增大，液相的不均勻流動逐漸嚴重，給板式的傳質產生有害影響。塔板上液體也有2種流動方式，即活塞流、軸向部分混合。

不均勻流動程度對板效率的影響

由於塔板形狀的原因，液體再塔板部分的停留時間長短不一，當精餾塔直徑變大時，液體不均勻性更嚴重，將在塔板邊緣部分形成環流。這種非均勻流動將造成分離效果明顯下降。但是在加壓精餾的情況下，由於液體流量比較大，設計時大的精餾塔往往採用多流程，可以大大緩解液體的不均勻性問題。

相關研究

塔段板效率可調的乙烯精餾塔穩態與動態模擬

乙烯精餾塔是精餾塔中結構最複雜、要求最嚴格的分離設備，與一般精餾塔不同的是乙烯精餾塔需要側線抽出和中間再沸器，其操作和控制水平直接關係到乙烯產品的質量、回收率和能量消耗。乙烯精餾塔板效率是影響精餾效率和產品質量的重要指標之一，因此板效率成為精餾塔研究過程中的重點。乙烯精餾塔板效率受到多方面因素的影響，有學者採用差分法對液體二維不均勻流動、二維渦流擴散模型進行了求解，結果表明，漏液不均勻對乙烯精餾塔板效率具有重大影響。還有學者發現霧沫夾帶會導致液體在相鄰塔板間返混，這在傳質中會極大地降低塔板效率。

通過建立在完全泡沫狀態和以泡沫為主的混合狀態下進行蒸餾操作時的氣相夾帶板效率模型，推導出了Lewis在3種情況下的板效率計算式，討論了氣相夾帶對板效率的影響，並與FRI實驗值進行了比較，結果表明，氣相夾帶過大會導致板效率急劇下降，影響精餾效率。

綜上所述，乙烯精餾塔在實際操作過程中，板效率會受到霧沫夾帶、漏液及氣相夾帶等因素的影響，操作條件不當將導致板效率降低，進而影響分離效率和產品質量。然而目前國內外只局限於對板效率變化原因進行研究，並沒有對板效率線上可調的精餾塔數學模型進行模擬實驗。基於此，可嘗試利用發展成熟、套用廣泛的平衡級模型建立乙烯精餾塔穩態和動態數學機理模型。

結果表明：板效率下降會導致乙烯精餾塔的分離效果降低，產品質量下降。而且該結果能夠反映實際生產過程。