化工原理下冊(cè)：第3章蒸餾和吸收塔設(shè)備

1、1 第3章 蒸餾和吸收塔設(shè)備 3.2 填料塔 3.2.1 填料塔的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 3.2.2 填料塔的類(lèi)型與性能評(píng)價(jià) 3.2.3 填料塔的流體力學(xué)性能 3.2.4 填料塔的內(nèi)件 3.2.5 填料塔的設(shè)計(jì) 2 一、填料塔的結(jié)構(gòu) 填料塔為連 續(xù)接觸式氣液傳 質(zhì)設(shè)備，它主要 由圓柱形殼體、 液體分布器、填 料支承板、塔填 料、填料壓板及 液體再分布裝置 等部件構(gòu)成。 1-塔殼體 2-液體分布器 3-填料壓板 4-填料 5-液體再分布 6-填料支承板 填料塔結(jié)構(gòu)示意圖 填 料 塔 液相 連續(xù)相氣相 分散相 3 與板式塔相比，填料塔具有以下特點(diǎn)： 生產(chǎn)能力大； 側(cè)線進(jìn)料和出料較難。 二、填料塔的特點(diǎn) 壓力降

2、小，持液量小； 操作彈性大； 分離效率高； 造價(jià)較高； 易堵塞； 4 一、填料的類(lèi)型 (1) 環(huán)形填料 拉西環(huán) 勒辛環(huán) 十字隔 板環(huán) 螺旋環(huán) 鮑爾環(huán)階梯環(huán)扁環(huán) 改變通量，改善氣液流動(dòng)狀況 增加填料比表面積 1.散裝填料 5 鮑爾環(huán) 一、填料的類(lèi)型 拉西環(huán)拉西環(huán) 6 階梯環(huán) 扁環(huán) 一、填料的類(lèi)型 7 (2)鞍形填料與環(huán)鞍形填料 弧鞍填料改進(jìn)矩鞍填料矩鞍填料 與環(huán)形填 料相結(jié)合 環(huán)矩鞍填料 一、填料的類(lèi)型 8 弧鞍填料 矩鞍填料 一、填料的類(lèi)型 9 金屬環(huán)矩鞍填料 一、填料的類(lèi)型 10 (3)球形填料與花環(huán)填料 1)球形填料 多面球填料； 花環(huán)填料； 通常用塑料注塑而成 TRI球形填料。 共軛環(huán)填

3、料； 海爾環(huán)填料； 納特環(huán)填料。 2)花環(huán)填料 一、填料的類(lèi)型 11 多面球形填料 TRI 球形填料 一、填料的類(lèi)型 12 海爾環(huán)填料 一、填料的類(lèi)型 13 花環(huán)填料 14 納特環(huán)填料 一、填料的類(lèi)型 納特環(huán)填料是一種形似環(huán)型 與鞍型填料，這種填料才用 薄板沖壓制成側(cè)壁開(kāi)孔的環(huán) 鞍型填料。在鞍的背部有一 個(gè)開(kāi)著數(shù)個(gè)圓孔的凸緣加強(qiáng) 筋，在筋的兩側(cè)有兩個(gè)與鞍 反向的半圓環(huán)，半圓環(huán)的直 徑一個(gè)大，一個(gè)小。直徑不 同，可避免填料堆積時(shí)套疊， 形成均勻開(kāi)敞的填料層。 15 共軛環(huán)填料 16 鞍環(huán)、扁環(huán)結(jié)構(gòu)融為一體，由多個(gè)鞍環(huán)、扁環(huán)填料連體而成，與普通填料相比：通鞍環(huán)、扁環(huán)結(jié)構(gòu)融為一體，由多個(gè)鞍環(huán)、扁環(huán)填

4、料連體而成，與普通填料相比：通 量大，可提高量大，可提高10-30%；壓碎降小，下降；壓碎降小，下降5-15%單元；傳質(zhì)高度低，可下降單元；傳質(zhì)高度低，可下降5-35%； 結(jié)構(gòu)為無(wú)翻動(dòng)結(jié)構(gòu)，避免了汽液滯留。自分布性能優(yōu)良，對(duì)汽液分布器要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低結(jié)構(gòu)為無(wú)翻動(dòng)結(jié)構(gòu)，避免了汽液滯留。自分布性能優(yōu)良，對(duì)汽液分布器要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低 于規(guī)整填料。于規(guī)整填料。 17 2.規(guī)整填料 18 木格柵填料格里奇格柵填料 一、填料的類(lèi)型 19 (1)格柵填料 格柵填料是以條狀單元體經(jīng)一定規(guī)則組合而成的， 具有多種結(jié)構(gòu)形式。工業(yè)上應(yīng)用最早的格柵填料為 木格柵填料。目前應(yīng)用較為普遍的有格里奇格柵填 料、網(wǎng)孔格柵填料、蜂窩格柵填

5、料等。格柵填料的 比表面積較低，主要用于要求壓降小、負(fù)荷大及防 堵等場(chǎng)合。 一、填料的類(lèi)型 20 格柵填料格柵填料 格柵填料層整體性好，空隙率高。它能防止汽液急流突然沖擊而致的變形格柵填料層整體性好，空隙率高。它能防止汽液急流突然沖擊而致的變形 與松動(dòng)。又因構(gòu)件可自由膨脹，故適用于石油減壓，精餾及催化裂化主精與松動(dòng)。又因構(gòu)件可自由膨脹，故適用于石油減壓，精餾及催化裂化主精 餾塔等易堵塞而溫度又很高的場(chǎng)合。餾塔等易堵塞而溫度又很高的場(chǎng)合。 21 (2)波紋填料 目前工業(yè)上應(yīng)用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填 料，它是由許多波紋薄板組成的圓盤(pán)狀填料，波 紋與塔軸的傾角有30和45兩種，組裝時(shí)相鄰 兩波紋

6、板反向靠疊。各盤(pán)填料垂直裝于塔內(nèi)，相 鄰的兩盤(pán)填料間交錯(cuò)90排列。 波紋填料按結(jié)構(gòu)可分為網(wǎng)波紋填料和板波紋填 料兩大類(lèi)。 一、填料的類(lèi)型 22 板波紋板波紋 絲網(wǎng)波紋絲網(wǎng)波紋 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊，阻力小，傳質(zhì)效率高，處理結(jié)構(gòu)緊湊，阻力小，傳質(zhì)效率高，處理 能力大，比表面積大（常用的有能力大，比表面積大（常用的有125、150、 250、350、500、700等幾種）。等幾種）。 缺點(diǎn)缺點(diǎn):不適于處理粘度大、易聚合或有懸浮物不適于處理粘度大、易聚合或有懸浮物 的物料，且裝卸、清理困難，造價(jià)高。的物料，且裝卸、清理困難，造價(jià)高。 網(wǎng)波紋填料和板波紋填料網(wǎng)波紋填料和板波紋填料 金屬絲網(wǎng)波紋填料的壓降

7、低，分離效率很高，金屬絲網(wǎng)波紋填料的壓降低，分離效率很高， 特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分 離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。 其造價(jià)高。其造價(jià)高。 波紋板片上軋成細(xì)小溝紋，可起到細(xì)分配板片波紋板片上軋成細(xì)小溝紋，可起到細(xì)分配板片 上的液體、增強(qiáng)表面潤(rùn)濕性能的作用。金屬孔上的液體、增強(qiáng)表面潤(rùn)濕性能的作用。金屬孔 板波紋填料強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，特別適用于板波紋填料強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，特別適用于 大直徑塔及氣液負(fù)荷較大的場(chǎng)合。大直徑塔及氣液負(fù)荷較大的場(chǎng)合。 23 金屬孔板波紋填料金屬絲網(wǎng)波紋填料 一

8、、填料的類(lèi)型 24 陶瓷板波紋填料塑料板波紋填料 一、填料的類(lèi)型 25 二、填料的性能及其評(píng)價(jià) (1)比表面積 單位體積填料層的表面積稱(chēng)為比表面積，以 表示，其單位為 m2/m3。 傳質(zhì)面積傳質(zhì)效率 流動(dòng)阻力生產(chǎn)能力 分析 1.填料的幾何特性 26 (2)空隙率 單位體積填料層的空隙體積稱(chēng)為空隙率，以 表示，其單位為 m3/m3，或以%表示。 流動(dòng)阻力塔壓降 生產(chǎn)能力 傳質(zhì)效率 流動(dòng)阻力 分析 二、填料的性能及其評(píng)價(jià) 27 (3)填料因子 填料的比表面積與空隙率三次方的比值稱(chēng)為填 料因子，以 表示，其單位為1/m。 3 分析 傳質(zhì)效率 流動(dòng)阻力 生產(chǎn)能力 干填料 因子 二、填料的性能及其評(píng)價(jià)

9、28 在操作狀態(tài)下 濕填料因子 壓降填料因子 P 泛點(diǎn)填料因子 F L 濕填料 因子 Pp 操作氣速 u FpF 泛點(diǎn)氣速 uF 二、填料的性能及其評(píng)價(jià) 29 2.填料的性能評(píng)價(jià) 填料的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)： 生產(chǎn)能力大； 傳質(zhì)效率高； 填料層壓降低； 操作彈性大； 造價(jià)低。 二、填料的性能及其評(píng)價(jià) 30 9 種填料綜合性能評(píng)價(jià) 填料名稱(chēng) 評(píng)估值 評(píng) 價(jià) 排序 絲網(wǎng)波紋填料 0.86 很好 1 孔板波紋填料 0.61 相當(dāng)好 2 金屬I(mǎi)ntalox填料 0.59 相當(dāng)好 3 金屬鞍形環(huán)填料 0.57 相當(dāng)好 4 金屬階梯環(huán)填料 0.53 一般好 5 金屬鮑爾環(huán)填料 0.51 一般好 6 瓷Intalo

10、x填料 0.41 較好 7 瓷鞍形環(huán)填料 0.38 略好 8 瓷拉西環(huán)填料 0.36 略好 9 二、填料的性能及其評(píng)價(jià) 31 練 習(xí) 題 目 思考題 作業(yè)題: 無(wú) 1.填料有哪些主要類(lèi)型？ 2.填料的幾何特性包括哪些參數(shù)？ 32 3.2 填料塔 3.2.3 填料塔的流體力學(xué)性能 第3章 蒸餾和吸收塔設(shè)備 33 一、填料層的持液量 填料層的持液量是指在一定操作的條件下，在 單位體積填料層內(nèi)所積存的液體體積。 持液量 總持液量 Ht 動(dòng)持液量 Hc 靜持液量 Hs HtHc Hs 33 mm液體填料()/() 分析 Ht 填料層 壓降 傳質(zhì)效率 生產(chǎn)能力 34 二、氣體通過(guò)填料層的壓降 填料層的壓

11、降形成 液膜與上升氣體的摩擦 u 一定，L L 一定，u 填料塔的流體力學(xué)性能 分析 p p p Zp /uc 單位高度 填料層壓 降 35 填料層的p/z - u關(guān)系 泛點(diǎn) 載點(diǎn) 液泛 區(qū) 載液 區(qū) 恒持 液量 區(qū) 36 三、液 泛 在泛點(diǎn)氣速下，持液量的增多使液相由分散相 變?yōu)檫B續(xù)相，而氣相則由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?，此時(shí) 氣體呈氣泡形式通過(guò)液層，氣流出現(xiàn)脈動(dòng)，液體被 帶出塔頂，塔的操作極不穩(wěn)定，甚至被破壞，此種 情況稱(chēng)為液泛。 液泛時(shí)的空塔氣速泛點(diǎn)氣速 uF 37 uF 影響液泛 的因素 填料特性 流體物性 L L V 液氣比wL/wV 分析 uF uF uF uF 三、液 泛 38 四、液體

12、噴淋密度和填料表面的潤(rùn)濕 1.液體噴淋密度 單位塔截面積上單位時(shí)間內(nèi)噴淋的液體體積 液體噴淋密度。 h L U m3/(m2h) Lh 液體體積流量，m3/h； 填料塔的截面積，m2。 式中： 39 2.最小液體噴淋密度 為保證填料層的充分潤(rùn)濕，必須保證液體噴淋 密度大于某一極限值 最小液體噴淋密度。 式中：Umin minWmin ()UL Lmin 最小液體噴淋密度，m3/(m2h)； 最小噴淋密 度計(jì)算式 經(jīng)驗(yàn)值 四、液體噴淋密度和填料表面的潤(rùn)濕 最小潤(rùn)濕速率，m3/(mh)。 40 第3章 蒸餾和吸收塔設(shè)備 3.2 填料塔 3.2.4 填料塔的內(nèi)件 41 一、填料支承裝置 填料支承裝置

13、的作用是支承塔內(nèi)的填料。 填料支承 裝置類(lèi)型 柵板型 孔管型 駝峰型 42 二、填料壓緊裝置 填料上方安裝壓緊裝置可防止在氣流的作用下 填料床層發(fā)生松動(dòng)和跳動(dòng)。 填料壓緊 裝置類(lèi)型 柵板型 網(wǎng)板型 43 三、液體分布裝置 液體分布裝置作用是將進(jìn)塔液體均勻分布，以 噴灑在填料層的上方。 液體分布 裝置類(lèi)型 噴頭式 盤(pán)式 管式 槽式 槽盤(pán)式 44 噴頭式液體分布器 三、液體分布裝置 45 盤(pán)式液體分布器 三、液體分布裝置 46 管式液體分布器 47 槽式液體分布器 三、液體分布裝置 48 槽盤(pán)式液體分布器 三、液體分布裝置 49 四、液體收集及再分布裝置 液體沿填料層向下流動(dòng)時(shí)，有偏向塔壁流動(dòng)的

14、現(xiàn)象壁流。壁流導(dǎo)致填料層內(nèi)氣液分布不均， 使傳質(zhì)效率下降。為減小壁流現(xiàn)象，可間隔一定高 度在填料層內(nèi)設(shè)置液體再分布裝置。 液體收集及再 分布裝置類(lèi)型 截錐式 斜板式 槽盤(pán)式液體分布器 50 截錐式液體收集及再分布器 四、液體收集及再分布裝置 51 斜板式液體收集器 四、液體收集及再分布裝置 52 第3章 蒸餾和吸收塔設(shè)備 3.2 填料塔 3.2.5 填料塔的設(shè)計(jì) 53 一、填料的選擇 1.填料類(lèi)型的選擇 填料類(lèi)型的選擇考慮因素： 填料的傳質(zhì)效率要高； 填料的通量要大； 填料的壓降要低； 填料抗污堵性能強(qiáng)； 填料便于拆裝、檢修。 54 2.填料規(guī)格的選擇 散裝填料常用的規(guī)格（公稱(chēng)直徑）有 DN1

15、6 DN25 DN38 DN50 DN76 (1)散裝填料規(guī)格的選擇 填料規(guī)格傳質(zhì)效率 填料層壓降 選擇原則：D/d 8 塔 徑 填料 公稱(chēng) 直徑 一、填料的選擇 55 (2)規(guī)整填料規(guī)格的選擇 規(guī)整填料常用的規(guī)格（比表面積）有 125 150 250 350 500 700 同種類(lèi)型的規(guī)整填料，其比表面積越大，傳 質(zhì)效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費(fèi)用 也明顯增加。故選用時(shí)，應(yīng)從分離要求、通量要 求、場(chǎng)地條件、物料性質(zhì)以及設(shè)備投資、操作費(fèi) 用等方面綜合考慮。 一、填料的選擇 56 二、填料塔工藝尺寸的計(jì)算 1.塔徑的計(jì)算 s 4 V D u 操作氣速 u 計(jì)算： 泛點(diǎn)氣速法， 動(dòng)能因子法

16、， 用于散裝填料塔計(jì)算； 用于規(guī)整填料塔計(jì)算。 57 (1)泛點(diǎn)氣速法 液泛氣速 uF操作氣速 u F 100 u u 泛點(diǎn)率(安全系數(shù)) 散裝填料 F /50u u 規(guī)整填料 F /60uu 85% 95% 二、填料塔工藝尺寸的計(jì)算 58 1）貝恩霍根關(guān)聯(lián)式 1/41/8 2 0.2 VVFL L 3 LVL lg uw AK gw 式中：A、K 關(guān)聯(lián)式常數(shù)，由有關(guān)手冊(cè)查出。 2）埃克特(Eckert)通用關(guān)聯(lián)圖 散裝填料的泛點(diǎn)氣速可用?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計(jì)算。 二、填料塔工藝尺寸的計(jì)算 59 ?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖 0.5 VL VL () w w 橫坐標(biāo) 縱坐標(biāo) 2 0.5 V L L () u

17、g H O 2 L 60 (2) 動(dòng)能因子法 氣相動(dòng)能因子 F操作氣速 u V Fu 氣相動(dòng)能因子 F的獲得方法如下： 查有關(guān)填料手冊(cè)； 由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 二、填料塔工藝尺寸的計(jì)算 61 2.填料層高度的計(jì)算 (1)傳質(zhì)單元高度法 OGOG ZHN (2)等板高度法 T ZNHETP 注意問(wèn)題： 填料層的分段； 設(shè)計(jì)填料層高度 1.31.5ZZ 。 二、填料塔工藝尺寸的計(jì)算 62 三、填料層壓降的計(jì)算 1.散裝填料壓降的計(jì)算 2.規(guī)整填料壓降的計(jì)算 由壓降關(guān)聯(lián)式計(jì)算； 由實(shí)驗(yàn)曲線計(jì)算。 計(jì)算方法：由?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計(jì)算。 計(jì)算方法： 63 0.5 VL VL () w w 橫坐標(biāo) 縱坐標(biāo) 2 0.5 V L L () u g H O 2 L ?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖 64 課外資料：國(guó)內(nèi)常用的填料手冊(cè) 1 李錫源,等. 新型工業(yè)塔填料應(yīng)用手冊(cè)散裝 填料部分. 西安: 化學(xué)工業(yè)部第六設(shè)計(jì)院,1989. 2 劉乃鴻,等. 工業(yè)塔新型規(guī)整填料應(yīng)用手冊(cè).天津: 天津大學(xué)出版社,1993. 3 王樹(shù)楹,等. 現(xiàn)代填料塔技術(shù)指南.