青海大学吸收课件第二章(填料塔)(自学内容).ppt

第五节 填料塔 一、填料塔的结构与填料性能 二、填料塔的流体力学性能 三、填料塔的附件 第二章 吸 收 * 填料塔简介 （1）填料塔最初出现在十九世纪中叶，在1881年用 于蒸馏操作，二十世纪初被引入到炼油工业。 （2）填料塔是最常用的气液传质设备之一，它广泛 应用于蒸馏、吸收、解吸、汽提、萃取、化学交换 、洗涤和热交换等过程。 一、填料塔的结构及填料性能 Date 填料塔的结构 Date 填料吸收塔远景图 Date Date 2、填料塔的操作 （1）填料塔的操作方式 液体从塔顶经液体分布器喷 淋到填料上，并沿填料表面流 下； 气体从塔底送入，经气体分 布装置分布后，与液体呈逆流 连续通过填料层的空隙； 在填料表面上，气液两相接 触进行传质。 Date X2 Y1 Y2 X1 （2）填料塔的操作特点 填料塔属于微 分接触式气液传 质设备，两相组 成沿塔高连续变 化； 在正常操作状 态下，气相为连 续相，液相为分 散相。 Date 3、填料的作用 填料在填料塔操作中起着重要作用。主要为： （1）液体润湿填料表面便增大了气液接触面积； （2）延长了气液两相接触的时间； （3）填料层的多孔性不仅促使气流均匀分布，而且 促进了气相的湍动。增大了传质过程的总传质系数 。 【制造填料的材料】碳钢、不锈钢、陶瓷、高分子 材料（如塑料）等。 Date 4、填料类型 （1）散装填料 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗 粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆 填料或颗粒填料。 散装填料根据结构特点不同，可分为： 拉西环 鲍尔环 阶梯环 弧鞍形 矩鞍形 金属环矩鞍形 球形 Date （2）规整填料 【定义】按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。 规整填料种类很多，据其几何结构，主要有： 格栅栅填料 波纹纹填料 脉冲填料 Date 拉西环（Rasching ring） 【结构特点】外径与高度相等的圆环。 拉西环 填料于 1914年由 拉西（F. Rashching ）发明。 Date 金属拉西环 Date 塑料拉西环 Date （1）拉西环是最早使用的人造填料（此前的填料为 碎石、砖块、焦炭等），制造容易，曾得到极为广 泛的应用。 （2）大量的工业实践表明，拉西环由于高径比太大 ，堆积时相邻之间容易形成线接触，填料层的均匀 性差。因此，拉西环填料层中的液体存在着严重的 壁流和沟流现象。 （3）目前，拉西环填料在工业上的应用日趋减少。 【拉西环的性能特点】 Date 线接触 Date 【沟流和壁流现象】 【沟流】液体的偏流称为“沟流”（channeling）。产 生沟流的原因可从两方面考虑： （1）因操作时液体并不能全部润湿填料表面，于是 ，液体只沿润湿表面流下，形成沟流。 （2）因为每个填料与相邻填料都有若干个接触点， 该填料自某些接触点得到液体，又从某些接触点流 走液体。液体来去之间总优先“走近路”。可见，即使 填料表面全部润湿，仍存在液流不均匀问题。 Date 【壁流】液体有朝塔壁汇集的趋向，即存在“塔壁效 应”。液体自一个填料流至下一个填料的过程中，液 体通过填料与塔壁的接触点流至塔壁后，即顺塔壁 流下，基本上不再返回填料层中。 液体流过一段填料层后，填料层中心部位液流量 明显减小，甚至出现干填料区。 【沟流和壁流的影响】填料塔操作时存在着气、液 相在塔横截面上分布不均匀，其结果必减少气、液 接触机会，影响传质效果。 Date 【改进原因】当拉西环在塔内是直立状时，填料内、 外表面都是气、液传质表面，且气流阻力小，但当其 横卧或呈倾斜状时填料部分内表面不仅不能成为有效 的气液传质区，而且使气流阻力增大。填料间的线接 触会阻碍气、液流过。 【改进方法】 “截短” 拉西环，即高径比为0.5的短管。 这种填料保留了原来拉西环的优点，性能稍优于拉西 环，但应用并不普遍。 拉西环的改进“截短”型拉西环 Date Date 鲍尔环(Pall ring) 1948年出现的鲍尔环 是对拉西环作出重大改 进的一种填料。 【结构特点】在侧壁上开 出两排长方形的窗孔，被 切开的环壁的一侧仍与壁 面相连，另一侧向环内弯 曲，形成内伸的舌叶。 窗孔 舌叶 Date 金属鲍尔环 Date 陶瓷鲍尔环 Date 【鲍尔环的性能特点】 不论填料在塔内置于什 么方位，流体均可通过填 料，从而使填料内、外壁 面均成为有效传质区域。 与拉西环相比，鲍尔环的 气体通量可增加50%以上， 传质效率提高30%左右。 Date Date 阶梯环(cascade mini rings) 【结构特点】阶梯环是对鲍尔环的改进，与鲍尔环 相比，阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个 锥形翻边。 锥形翻边 Date 陶瓷阶梯环 Date 【锥形翻边的作用】 （1）增加了填料的机械强度； （2）而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为 主，增加了填料间的空隙，可以促进液膜的表面更 新，有利于传质效率的提高。 Date Date 【性能特点】（1）由于高径比减少，使得气体绕填 料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料 层的阻力。 （2）阶梯环的性能略优于鲍尔环，与鲍尔环相比， 生产能力可提高10%，气体阻力可降低5%左右，是 短管形填料中较好的一种。 Date 弧鞍与矩鞍（berl saddle and intolox saddle） 1931年出 现的这类填 料称弧鞍形 填料，是因 形如马鞍而 得名。 【弧鞍形填料】 Date 【结构特点】这种填料层中主要为弧形的液体通 道，填料层内的空隙较环形填料（尤其较拉西环填 料）更加连续，可使气体向上流动时主要沿弧形通 道流动。 【性能特点】空隙率大，压降和传质单元高度低， 泛点高、汽液接触充分、比重小、传质效率高、通 量大，效率高，负荷弹性性大，抗污性好等特点。 Date （1） 1950年出现的矩鞍形填料是改进型填料； （2）其形状仍像马鞍，但做得较厚实，形状比弧鞍形 填料简单； （3）矩鞍形填料不对称，不论以何种方式接触都不会 叠合。 （4）矩鞍形填料是当前应用较多的一种填料。 【矩鞍形填料】 Date 矩鞍形填料 Date 【球形填料】 【金属环矩鞍形填料】 Date 波纹填料 波纹整砌填料是我国开发成功并于1971年应用的 填料类型。 【结构特点】由许 多具有相同几何形 状的填料单元体 波纹片相互平行 、叠加组成的圆柱 状单元。 Date 陶瓷波纹填料 Date 塑料波纹填料 Date 波纹填料实物图 Date 【波纹填料的性能特点】 （1）由于波纹填料独特的结构，其表面的倾斜曲折 通道可形成极薄的液膜及气流； （2）能促进气、液流的湍动程度，但又不阻挡气、 液流； （3）极大的增大了气液两相的传质速率。 【波纹填料的材料】碳钢、不锈钢、铝、陶瓷、玻 璃钢及纸浸树脂等。 Date （1）流通量大。新塔设计可缩小直径，老塔改造可 大幅度增加处理量； （2）分离效率高，较散堆填料有大得多的比表面积 ； （3）压降低，可节约大量能源； （4）操作弹性大，持液量小，放大效应不明显； 【波纹填料的优点】波纹填料与板式塔、散堆填料 相比，具有以下优异的性能： Date 5、填料的特性 【定义】塔内单位体积填料层具有的填料表面积， m2/m3。 【影响】填料比表面积的大小是气液传质比表面积 大小的基础条件。填料的比表面积愈大，所提供的 气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性 能优劣的一个重要指标。 （1）比表面积a Date 【两点说明】 （1）操作中有部分填料表 面不被润湿，以致比表面积 中只有某个分率的面积才是 润湿面积。据资料介绍，填 料真正润湿的表面积（有效 表面积）只占全部填料表面 积的（2050）%。 Date （2）有的部位填料表面虽然润湿，但液流不畅，液 体有某种程度的停滞现象。这种停滞的液体与气体 接触时间长，气液趋于平衡态，在塔内几乎不构成 有效传质区。 【结论】填料的比表面积并非有效的传质面积。 Date 【定义】塔内单位体积填料层具有的空隙体积， m2/m3。 【影响】为一分数。值大则气体通过填料层的阻 力小，故值以高为宜。 填料的空隙率越大，气体通过的能力（处理能力 ）越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优 劣的又一重要指标。 （2） 空隙率 Date （3）填料因子 【定义】比表面积a与空隙率所组成的复合量a/3。 干填料因子 填料未被液体润湿时的a/3称为干填 料因子，它反映了填料的几何特性； 湿填料因子 填料被液体润湿后，填料表面覆盖 了一层液膜，空隙率变小，此时的a/ 3称为湿填料 因子，用表示。其单位为1/m。 湿填料因子反映了填料的流体力学性能，空隙率 越大，值越小，表明流动阻力越小。 Date （1）填料因子反映某种填料所构成的填料层中流体 通道的特性； （2）填料因子是表示填料层阻力与液泛条件的重要 参数，为填料塔设计所必须； （3）一般说来，填料因子越大，越容易造成液泛； （4）可根据填料因子确定泛点气速空塔气速填 料塔的直径。 【填料因子的用途】 Date 6、填料的性能评价 【评价依据】填料性能的优劣通常根据效率、通量 及压降三要素衡量。 （1）效率要高。在相同的操作条件下，填料的比表 面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好 ，则传质效率越高； （2）通量（处理量）要大，压降要小。填料的空隙 率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。 Date 填料名称评估值语言值排序 丝丝网波纹纹填料0.86很好1 孔板波纹纹填料0.61相当好2 金属Intalox0.59相当好3 金属鞍形环环0.57相当好4 金属阶阶梯环环0.53一般好5 金属鲍鲍尔环环0.51 一般好6 瓷Intalox0.41 较好 7 瓷鞍形环环0.38略好8 瓷拉西环环0.36略好9 Date 二、填料层内气液两相的流体力学特性 填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、 填料层的压降、液泛等。 1、填料层的持液量 在一定操作条件下，由于液膜与填料表面的摩擦 以及液膜与上升气体的摩擦，有部分液体停留在填 料表面及其缝隙中。 【定义】单单位体积积填料层层内所积积存的液体体积积，以 （m3液体）/（m3填料）表示。 Date 一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性 和传质是有益的，可以提供更大的气液相接触面积 ； 但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通 截面，使压降增大，处理能力下降。 【结论】持液量不宜太小，也不宜太大。 【持液量的影响】 Date 2、填料层的压降 【产生原因】在操作过程中，从塔顶喷淋下来的液 体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气 体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。 【影响因素】压降与液体喷淋量及气速有关： （1）一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大； （2）在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越 大。 Date 【构成】将不同液体 喷淋量下的单位高度 填料层的压降P/Z与 空塔气速u的关系标 绘在对对数坐标标纸上， 所得到的曲线簇。 【填料层压降P/Z与空塔气速u的关系曲线图】 【空塔气速】气体的体积流量除以塔截面积所得的 流速。 空塔气速 Date （1）干填料压降线 在图中，直线0表 示无液体喷淋（L=0 ）时，干填料的 P/Zu关系，称为 干填料压降线。 【特点】 P/Zu 为线性关系。 空塔气速 Date （2）填料操作压降线 【构成】在不同液体喷淋 量下，填料层的P/Zu 关系，称为填料操作压降 线。 【特点】在一定的喷淋量 下， P/Z随空塔气速的 变化曲线大致可分为三段 （三个区域）。 空塔气速 液体喷淋量 L3L2L1 Date 【特点】三个区域内的 压降与空塔气速之间的 关系不同。 【现象】两个拐点；三个区域。 Date （3）恒持液量区 【原因】当气速低于载点时，气 体流动对液膜的曳力很小，液体 流动不受气流的影响，填料表面 上覆盖的液膜厚度基本不变，因 而填料层的持液量不变。 【特点】此时P/Zu为一直线 ，位于干填料压降线的左侧，且 基本上与干填料压降线平行。 Date （4）载液区 当气速超过载点时，气体对 液膜的曳力较大，对液膜流动 产生阻滞作用，使液膜增厚， 填料层的持液量随气速的增加 而增大，此现象称为拦液。开 始发生拦液现象时的空塔气速 称为载点气速，曲线上的转折 点称为载点。 载点气速 【有关规律】载点气速随喷 淋量增大而减小。 Date （5）液泛区 若气速继续增大，到达泛点 时，由于液体不能顺利向下流 动，使填料层的持液量不断增 大，填料层内几乎充满液体。 此时，气速增加很小便会引起 压降的剧增，此现现象称为为液泛 ，开始发生液泛现象时的气速 称为泛点气速，以uF表示，曲 线上的拐点称为泛点。 【填料塔的正常操作范围】 从载点到泛点的载液区，是 填料塔的正常操作范围。 泛点气速 Date 3、填料塔的液泛 【现象】在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散 相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此种 情况称为淹塔或液泛。 【危害】液泛时，气体呈气泡形式通过液层，传质速 率下降；液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定， 甚至会被破坏。 【影响液泛的因素】影响因素很多，如填料的特性、 流体的物性及操作的液气比等。 Date 正常操作时的填料塔 【特点】气体为分散相，液体为连续相。 Date 填料塔的液泛现象 Date 三、填料塔的附件 填料塔的附件主要有： （1）填料支承装置； （2）填料压紧装置； （3）液体分布装置； （4）液体再分布装置。 Date 1、填料支承装置 【作用】填料支承安装在填料层底部，主要有以下几个 作用： （1）阻止填料穿过气体分布装置而掉下来； （2）支承操作状况下填料床层的重量。 【分类】常用的填料支承装置有： （1）栅板型； （2）梁型； （3）升气管型等。 Date 栅板式填料支撑装置 Date 梁（气体喷射）式填料支撑装置 Date 升气管式填料支撑装置 Date 2、填料压紧装置 【作用】防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动而 引起的填料破碎或带走。 【分类】填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类 ，每类又有不同的型式。 填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压 紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料 。 （1）填料压板 Date 各种填料压板 【特点】无需固定，产生的压强为1100Pa左右。 Date 【使用对象】床层限制板用于金属、塑料等制成的 不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。 【使用方法】床层限制板要固定在塔壁上，为不影 响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈 固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用 支耳固定。 【特点】产生的压强为300Pa左右。 （2）床层限制板 Date 床层限制板 Date 3、液体