填料塔的設(shè)計與計算課件

1、第五節(jié) 填料塔一、填料塔的結(jié)構(gòu)與填料性能 二、填料塔的流體力學(xué)性能 三、填料塔的附件 第五章吸 收2022/7/27填料塔簡介 （1）填料塔最初出現(xiàn)在十九世紀(jì)中葉，在1881年用于蒸餾操作，二十世紀(jì)初被引入到煉油工業(yè)。（2）填料塔是最常用的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一，它廣泛應(yīng)用于蒸餾、吸收、解吸、汽提、萃取、化學(xué)交換、洗滌和熱交換等過程。 一、填料塔的結(jié)構(gòu)及填料性能2022/7/271 填料塔的結(jié)構(gòu)2022/7/27填料吸收塔遠(yuǎn)景圖2022/7/272022/7/272、填料塔的操作（1）填料塔的操作方式液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下；氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置分布后，與液體呈

2、逆流連續(xù)通過填料層的空隙；在填料表面上，氣液兩相接觸進(jìn)行傳質(zhì)。 2022/7/27X2Y1Y2X1（2）填料塔的操作特點填料塔屬于微分接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化；在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。 2022/7/273、填料的作用 填料在填料塔操作中起著重要作用。主要為：（1）液體潤濕填料表面便增大了氣液接觸面積；（2）延長了氣液兩相接觸的時間；（3）填料層的多孔性不僅促使氣流均勻分布，而且促進(jìn)了氣相的湍動。增大了傳質(zhì)過程的總傳質(zhì)系數(shù)?！局圃焯盍系牟牧稀刻间?、不銹鋼、陶瓷、高分子材料（如塑料）等。 2022/7/274、填料類型 （1）散裝填料 散裝填料是一個個具有

3、一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。 散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點不同，可分為： 拉西環(huán) 鮑爾環(huán) 階梯環(huán) 弧鞍形 矩鞍形 金屬環(huán)矩鞍形 球形2022/7/27（2）規(guī)整填料 【定義】按一定的幾何構(gòu)形排列，整齊堆砌的填料。 規(guī)整填料種類很多，據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)，主要有： 格柵填料波紋填料脈沖填料2022/7/27拉西環(huán)（Rasching ring） 【結(jié)構(gòu)特點】外徑與高度相等的圓環(huán)。 拉西環(huán)填料于1914年由拉西（F. Rashching）發(fā)明。2022/7/27金屬拉西環(huán)2022/7/27塑料拉西環(huán)2022/7/27（1）拉西環(huán)是最早使用的人造填料（此前的填料為

4、碎石、磚塊、焦炭等），制造容易，曾得到極為廣泛的應(yīng)用。（2）大量的工業(yè)實踐表明，拉西環(huán)由于高徑比太大，堆積時相鄰之間容易形成線接觸，填料層的均勻性差。因此，拉西環(huán)填料層中的液體存在著嚴(yán)重的壁流和溝流現(xiàn)象。（3）目前，拉西環(huán)填料在工業(yè)上的應(yīng)用日趨減少。 【拉西環(huán)的性能特點】2022/7/27線接觸2022/7/27【溝流和壁流現(xiàn)象】【溝流】液體的偏流稱為“溝流”（channeling）。產(chǎn)生溝流的原因可從兩方面考慮：（1）因操作時液體并不能全部潤濕填料表面，于是，液體只沿潤濕表面流下，形成溝流。（2）因為每個填料與相鄰填料都有若干個接觸點，該填料自某些接觸點得到液體，又從某些接觸點流走液體。液體

5、來去之間總優(yōu)先“走近路”?？梢?，即使填料表面全部潤濕，仍存在液流不均勻問題。 2022/7/27【壁流】液體有朝塔壁匯集的趨向，即存在“塔壁效應(yīng)”。液體自一個填料流至下一個填料的過程中，液體通過填料與塔壁的接觸點流至塔壁后，即順?biāo)诹飨拢旧喜辉俜祷靥盍蠈又小?液體流過一段填料層后，填料層中心部位液流量明顯減小，甚至出現(xiàn)干填料區(qū)。【溝流和壁流的影響】填料塔操作時存在著氣、液相在塔橫截面上分布不均勻，其結(jié)果必減少氣、液接觸機(jī)會，影響傳質(zhì)效果。 2022/7/27【改進(jìn)原因】當(dāng)拉西環(huán)在塔內(nèi)是直立狀時，填料內(nèi)、外表面都是氣、液傳質(zhì)表面，且氣流阻力小，但當(dāng)其橫臥或呈傾斜狀時填料部分內(nèi)表面不僅不能成為

6、有效的氣液傳質(zhì)區(qū)，而且使氣流阻力增大。填料間的線接觸會阻礙氣、液流過?！靖倪M(jìn)方法】 “截短” 拉西環(huán)，即高徑比為0.5的短管。這種填料保留了原來拉西環(huán)的優(yōu)點，性能稍優(yōu)于拉西環(huán)，但應(yīng)用并不普遍。 拉西環(huán)的改進(jìn)“截短”型拉西環(huán)2022/7/27鮑爾環(huán)(Pall ring) 1948年出現(xiàn)的鮑爾環(huán)是對拉西環(huán)作出重大改進(jìn)的一種填料。 【結(jié)構(gòu)特點】在側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉。 窗孔舌葉2022/7/27金屬鮑爾環(huán)2022/7/27陶瓷鮑爾環(huán)2022/7/27【鮑爾環(huán)的性能特點】 不論填料在塔內(nèi)置于什么方位，流體均可通過填料，從而使填料內(nèi)

7、、外壁面均成為有效傳質(zhì)區(qū)域。與拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣體通量可增加50%以上，傳質(zhì)效率提高30%左右。 2022/7/272022/7/27階梯環(huán)(cascade mini rings) 【結(jié)構(gòu)特點】階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進(jìn)，與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半并在一端增加了一個錐形翻邊。 錐形翻邊2022/7/27陶瓷階梯環(huán)2022/7/27【錐形翻邊的作用】（1）增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度；（2）而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，增加了填料間的空隙，可以促進(jìn)液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。 2022/7/272022/7/27【性能特點】（1）由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路

8、徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。 （2）階梯環(huán)的性能略優(yōu)于鮑爾環(huán)，與鮑爾環(huán)相比，生產(chǎn)能力可提高10%，氣體阻力可降低5%左右，是短管形填料中較好的一種。 2022/7/27弧鞍與矩鞍（berl saddle and intolox saddle） 1931年出現(xiàn)的這類填料稱弧鞍形填料，是因形如馬鞍而得名。 【弧鞍形填料】2022/7/27【結(jié)構(gòu)特點】這種填料層中主要為弧形的液體通道，填料層內(nèi)的空隙較環(huán)形填料（尤其較拉西環(huán)填料）更加連續(xù)，可使氣體向上流動時主要沿弧形通道流動?！拘阅芴攸c】空隙率大，壓降和傳質(zhì)單元高度低，泛點高、汽液接觸充分、比重小、傳質(zhì)效率高、通量大，效率高，負(fù)荷彈性性大

9、，抗污性好等特點。 2022/7/27（1） 1950年出現(xiàn)的矩鞍形填料是改進(jìn)型填料；（2）其形狀仍像馬鞍，但做得較厚實，形狀比弧鞍形填料簡單；（3）兩個鞍形填料不論以何種方式接觸都不會疊合。（4）矩鞍形填料是當(dāng)前應(yīng)用較多的一種填料。 【矩鞍形填料】2022/7/27矩鞍形填料2022/7/27波紋填料 波紋整砌填料是我國開發(fā)成功并于1971年應(yīng)用的填料類型。 【結(jié)構(gòu)特點】由許多具有相同幾何形狀的填料單元體波紋片相互平行、疊加組成的圓柱狀單元。2022/7/27陶瓷波紋填料2022/7/27塑料波紋填料2022/7/27波紋填料實物圖2022/7/27【波紋填料的性能特點】（1）由于波紋填料獨

10、特的結(jié)構(gòu)，其表面的傾斜曲折通道可形成極薄的液膜及氣流；（2）能促進(jìn)氣、液流的湍動程度，但又不阻擋氣、液流；（3）極大的增大了氣液兩相的傳質(zhì)速率?！静y填料的材料】碳鋼、不銹鋼、鋁、陶瓷、玻璃鋼及紙浸樹脂等。2022/7/27（1）流通量大。新塔設(shè)計可縮小直徑，老塔改造可大幅度增加處理量；（2）分離效率高，較散堆填料有大得多的比表面積；（3）壓降低，可節(jié)約大量能源；（4）操作彈性大，持液量小，放大效應(yīng)不明顯；【波紋填料的優(yōu)點】波紋填料與板式塔、散堆填料相比，具有以下優(yōu)異的性能：2022/7/275、填料的特性【定義】塔內(nèi)單位體積填料層具有的填料表面積，m2/m3?！居绊憽刻盍媳缺砻娣e的大小是氣液

11、傳質(zhì)比表面積大小的基礎(chǔ)條件。填料的比表面積愈大，所提供的氣液傳質(zhì)面積愈大。因此，比表面積是評價填料性能優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)。 （1）比表面積a2022/7/27【兩點說明】 （1）操作中有部分填料表面不被潤濕，以致比表面積中只有某個分率的面積才是潤濕面積。據(jù)資料介紹，填料真正潤濕的表面積（有效表面積）只占全部填料表面積的（2050）%。2022/7/27（2）有的部位填料表面雖然潤濕，但液流不暢，液體有某種程度的停滯現(xiàn)象。這種停滯的液體與氣體接觸時間長，氣液趨于平衡態(tài)，在塔內(nèi)幾乎不構(gòu)成有效傳質(zhì)區(qū)。【結(jié)論】填料的比表面積并非有效的傳質(zhì)面積。 2022/7/27【定義】塔內(nèi)單位體積填料層具有的空隙體

12、積，m2/m3?！居绊憽繛橐环?jǐn)?shù)。值大則氣體通過填料層的阻力小，故值以高為宜。 填料的空隙率越大，氣體通過的能力（處理能力）越大且壓降低。因此，空隙率是評價填料性能優(yōu)劣的又一重要指標(biāo)。（2） 空隙率2022/7/27（3）填料因子 【定義】比表面積a與空隙率所組成的復(fù)合量a/3。干填料因子 填料未被液體潤濕時的a/3稱為干填料因子，它反映了填料的幾何特性；濕填料因子 填料被液體潤濕后，填料表面覆蓋了一層液膜，空隙率變小，此時的a/ 3稱為濕填料因子，用表示。其單位為1/m。 濕填料因子反映了填料的流體力學(xué)性能，空隙率越大，值越小，表明流動阻力越小。 2022/7/27（1）填料因子反映某種填料

13、所構(gòu)成的填料層中流體通道的特性；（2）填料因子是表示填料層阻力與液泛條件的重要參數(shù)，為填料塔設(shè)計所必須；（3）一般說來，填料因子越大，越容易造成液泛；（4）可根據(jù)填料因子確定泛點氣速空塔氣速填料塔的直徑。 【填料因子的用途】2022/7/276、填料的性能評價 【評價依據(jù)】填料性能的優(yōu)劣通常根據(jù)效率、通量及壓降三要素衡量。（1）效率要高。在相同的操作條件下，填料的比表面積越大，氣液分布越均勻，表面的潤濕性能越好，則傳質(zhì)效率越高；（2）通量（處理量）要大，壓降要小。填料的空隙率越大，結(jié)構(gòu)越開敞，則通量越大，壓降亦越低。 2022/7/27填料名稱評估值語言值排序絲網(wǎng)波紋填料0.86很好1孔板波紋

14、填料0.61相當(dāng)好2金屬Intalox0.59相當(dāng)好3金屬鞍形環(huán)0.57相當(dāng)好4金屬階梯環(huán)0.53一般好5金屬鮑爾環(huán)0.51 一般好6瓷Intalox0.41 較好 7瓷鞍形環(huán)0.38略好8瓷拉西環(huán)0.36略好92022/7/27二、填料層內(nèi)氣液兩相的流體力學(xué)特性 填料塔的流體力學(xué)性能主要包括填料層的持液量、填料層的壓降、液泛等。 1、填料層的持液量 在一定操作條件下，由于液膜與填料表面的摩擦以及液膜與上升氣體的摩擦，有部分液體停留在填料表面及其縫隙中?！径x】單位體積填料層內(nèi)所積存的液體體積，以（m3液體）/（m3填料）表示。 2022/7/27 一般來說，適當(dāng)?shù)某忠毫繉μ盍纤僮鞯姆€(wěn)定性和

15、傳質(zhì)是有益的，可以提供更大的氣液相接觸面積； 但持液量過大，將減少填料層的空隙和氣相流通截面，使壓降增大，處理能力下降?！窘Y(jié)論】持液量不宜太小，也不宜太大。【持液量的影響】2022/7/272、填料層的壓降【產(chǎn)生原因】在操作過程中，從塔頂噴淋下來的液體，依靠重力在填料表面成膜狀向下流動，上升氣體與下降液膜的摩擦阻力形成了填料層的壓降。 【影響因素】壓降與液體噴淋量及氣速有關(guān)：（1）一定的氣速下，液體噴淋量越大，壓降越大；（2）在一定的液體噴淋量下，氣速越大，壓降也越大。 2022/7/27【構(gòu)成】將不同液體噴淋量下的單位高度填料層的壓降P/Z與空塔氣速u的關(guān)系標(biāo)繪在對數(shù)坐標(biāo)紙上，所得到的曲線簇

16、。 【填料層壓降P/Z與空塔氣速u的關(guān)系曲線圖】【空塔氣速】氣體的體積流量除以塔截面積所得的流速?？账馑?022/7/27（1）干填料壓降線 在圖中，直線0表示無液體噴淋（L=0）時，干填料的P/Zu關(guān)系，稱為干填料壓降線。【特點】 P/Zu為線性關(guān)系?？账馑?022/7/27（2）填料操作壓降線 【構(gòu)成】在不同液體噴淋量下，填料層的P/Zu關(guān)系，稱為填料操作壓降線。【特點】在一定的噴淋量下， P/Z隨空塔氣速的變化曲線大致可分為三段（三個區(qū)域）。 空塔氣速液體噴淋量 L3L2L12022/7/27【特點】三個區(qū)域內(nèi)的壓降與空塔氣速之間的關(guān)系不同?！粳F(xiàn)象】兩個拐點；三個區(qū)域。2022/7/

17、27（3）恒持液量區(qū) 【原因】當(dāng)氣速低于載點時，氣體流動對液膜的曳力很小，液體流動不受氣流的影響，填料表面上覆蓋的液膜厚度基本不變，因而填料層的持液量不變?！咎攸c】此時P/Zu為一直線，位于干填料壓降線的左側(cè)，且基本上與干填料壓降線平行。 2022/7/27（4）載液區(qū) 當(dāng)氣速超過載點時，氣體對液膜的曳力較大，對液膜流動產(chǎn)生阻滯作用，使液膜增厚，填料層的持液量隨氣速的增加而增大，此現(xiàn)象稱為攔液。開始發(fā)生攔液現(xiàn)象時的空塔氣速稱為載點氣速，曲線上的轉(zhuǎn)折點稱為載點。 載點氣速【有關(guān)規(guī)律】載點氣速隨噴淋量增大而減小。2022/7/27（5）液泛區(qū) 若氣速繼續(xù)增大，到達(dá)泛點時，由于液體不能順利向下流動，

18、使填料層的持液量不斷增大，填料層內(nèi)幾乎充滿液體。此時，氣速增加很小便會引起壓降的劇增，此現(xiàn)象稱為液泛，開始發(fā)生液泛現(xiàn)象時的氣速稱為泛點氣速，以uF表示，曲線上的拐點稱為泛點。 【填料塔的正常操作范圍】從載點到泛點的載液區(qū)，是填料塔的正常操作范圍。 泛點氣速2022/7/273、填料塔的液泛【現(xiàn)象】在泛點氣速下，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?，此種情況稱為淹塔或液泛。【危害】液泛時，氣體呈氣泡形式通過液層，傳質(zhì)速率下降；液體被大量帶出塔頂，塔的操作極不穩(wěn)定，甚至?xí)黄茐??！居绊懸悍旱囊蛩亍坑绊懸蛩睾芏?，如填料的特性、流體的物性及操作的液氣比等。2022/7/27正常操作時的填料塔【特點】氣體為分散相，液體為連續(xù)相。2022/7/27填料塔的液泛現(xiàn)象2022/7/27三、填料塔的附件 填料塔的附件主要有：（1）填料支承裝置；（2）填料壓緊裝置；（3）液體分布裝置；（4）液體再分布裝置。2022/7/271、填料支承裝置【作用】填料支承安裝在填料層底部，主要有以下幾個作用：（1）阻止填料穿過氣體分布裝置而掉下來； （2）支承操作狀況下填料床層的重量。 【分類】常用的填料支承裝置有：（1）柵板型；（2）梁型；（3）升氣管型等。 2022/7/27柵板式填料支撐裝置2022/7/27梁（氣體噴射）式填料支撐裝置2022