化工原理：第八章 气体吸收 (3)

1、8.7.1 塔填料 第八章 气体吸收 8.5 吸收系数 8.6 其他吸收与解吸(选读） 8.7 填料塔 1.散装填料 常用的填料可分为散装填料和规整填料两大类。 散装填料在塔内可乱堆，也可以整砌。 优点：易于制造，价格低廉，且对它 的研究较为充分，所以在过去较长的 时间内得到了广泛的应用。 缺点：高径比大，堆积时填料间易形 成线接触，故液体常存在严重的沟流 和壁流现象。且拉西环填料的内表面 润湿率较低，因而传质速率也不高。 拉西环（Raschig ring）填料 最早使用的一种填料，为高径比相等 的陶瓷和金属等制成的空心圆环。 在拉西环基础上衍生了环、十字环及螺旋环等，其基本改 进是在拉西环内

2、增加一结构，以增大填料的比表面积。 鲍尔环（Pall ring）填料 在环的侧壁上开一层或两层长方形 小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而 是形成向内弯的叶片。上下两层长 方形小孔位置交错。 鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广 泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。 同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同 的比表面积和空隙率，但鲍尔环在 其侧壁上的小孔可供气液流通，使 环的内壁面得以充分利用。 比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大 的生产能力和较低的压降，且分离 效率较高，沟流现象也大大降低。 这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔 环的基础上又有提高，其生产能力可提高 约10%，压降则可降低25%，且由

3、于填料 间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了 沟流现象。 阶梯环填料（Stair ring） 阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，环 壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一 半，环的一端成喇叭口形状的翻边。 阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上 开孔的填料，因此获得广泛的应用。 弧鞍形(Berl saddle)矩鞍形(Intalox saddle)填料 一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质 型填料 (马鞍填料)。弧鞍填料在塔内呈相 互搭接状态，形成弧形气体通道， 优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布 性能较好，填料性能优于拉西环。 矩鞍填料的两端

4、为矩形，且填料两面大小 不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点， 填料的均匀性得到改善。液体分布均匀， 气液传质速率得到提高。瓷矩鞍填料是目 前采用最多的一种瓷质填料。 缺点：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影 响传质速率。 优点：网丝细密，空隙很高，比表 面积很大。由于毛细管作用，填料 表面润湿性能很好。故网体填料气 体阻力小，传质速率高。 缺点：造价很高，故多用于实验室 中难分离物系的分离。 金属英特洛克斯（Intalox）填料 有环形与鞍形的结构特点，生产能力大、压 降低、液体分布性能好、传质速率高及操作 弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。 与实体填料对应的另一类填料为网体填料

5、。 有多种形式，如金属丝网制成的网环和鞍型网等。 网体填料（Wire gauze packings） 2.规整填料 规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。 使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或 分块拼成圆筒形在塔内砌装。 优点：空隙大，生产能力大，压降小。流道规则，只要液体 初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎 无放大效应，通常具有很高的传质效率。 缺点：造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难 分离或分离要求很高的情况。 规整填料 Corrugated Metal Plates Packings 6400金属板波纹规整填料 300脉冲规整填料各

6、种陶瓷规整填料 (1)格栅填料 格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的， 具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为 木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填 料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等。格栅填料的 比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防 堵等场合。 一、填料的类型 木格栅填料格里奇格栅填料 (2)波纹填料 目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填 料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波 纹与塔轴的倾角有30和45两种，组装时相邻 两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相 邻的两盘填料间交错90排列。 波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填 料两大类。 一、填料的

7、类型 金属孔板波纹填料金属丝网波纹填料 陶瓷板波纹填料塑料板波纹填料 二、填料的性能及其评价 (1)比表面积 单位体积填料层的表面积称为比表面积，以 表示，其单位为 m2/m3。 传质面积传质效率 流动阻力 生产能力 分析 t a t a t a 1.填料的几何特性 (2)空隙率 单位体积填料层的空隙体积称为空隙率，以 表示， 其单位为 m3/m3，或以%表示, = 0.450.95。 流动阻力塔压降 生产能力 传质效率 流动阻力 分析 二、填料的性能及其评价 (3)填料因子 填料的比表面积与空隙率三次方的比值称为填 料因子，以 表示，其单位为1/m。 3 t a 二、填料的性能及其评价 干填

8、料 因子 填料因子 干填料因子 湿填料因子 二、填料的性能及其评价 填料未被润湿时的 ，反映填料的几何特性。 3 t a 填料被液体润湿后 ，反映填料的流体 力学性能。 3 t a 分析 传质效率 流动阻力 生产能力 t a 二、填料的性能及其评价 2.填料的性能评价 填料的性能评价指标 v 生产能力大 v 传质效率高 v 填料层压降低 v 操作弹性大 v 造价低 9 种填料综合性能评价 填料名称 评估值 评 价 排序 丝网波纹填料 0.86 很好 1 孔板波纹填料 0.61 相当好 2 金属Intalox填料 0.59 相当好 3 金属鞍形环填料 0.57 相当好 4 金属阶梯环填料 0.5

9、3 一般好 5 金属鲍尔环填料 0.51 一般好 6 瓷Intalox填料 0.41 较好 7 瓷鞍形环填料 0.38 略好 8 瓷拉西环填料 0.36 略好 9 二、填料的性能及其评价 三、填料的选择 1.填料类型的选择 填料类型的选择考虑因素 v 填料的传质效率要高 v 填料的通量要大 v 填料的压降要低 v 填料抗污堵性能强 v 填料便于拆装、检修 2.填料规格的选择 散装填料常用的规格（公称直径） DN16 DN25 DN38 DN50 DN76 (1)散装填料规格的选择 填料规格传质效率 填料层压降 选择原则：D/d 8 塔 径 填料 公称 直径 三、填料的选择 (2)规整填料规格的

10、选择 规整填料常用的规格（比表面积） 125 150 250 350 500 700 同种类型的规整填料，其比表面积越大，传 质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用 也明显增加。故选用时，应从分离要求、通量要 求、场地条件、物料性质以及设备投资、操作费 用等方面综合考虑。 三、填料的选择 8.7.1 塔填料 第八章 气体吸收 8.7 填料塔 8.7.2 填料塔的流体力学性能与操作特性 一、填料塔的流体力学性能 填料层的持液量是指在一定操作的条件下，在 单位体积填料层内所积存的液体体积。 持液量 总持液量 Ht 动持液量 Ho 静持液量 Hs 1.填料层的持液量 HtHo Hs 填料液体/

11、33 mm 液体在填料层中的停留时间与持液量成正比，故热敏 性物系分离不宜采用持液量大的填料。 对间歇蒸馏不宜采用持液量大的填料。 填料塔稳定操作时持液量越小，灵敏度越高。 理想的操作：大传质表面，较小持液量。 分析 Ht 填料层 压降 传质效率 生产能力 持液量对填料的压降、气液通量以及分离效率均有影响。 一、填料塔的流体力学性能 填料层的压降形成 v 液膜与填料表面的摩擦 v 液膜与上升气体的摩擦 u 一定L L 一定u 填料塔的流 体力学性能 分析 P P P ZP /u 单位高度 填料层压 降 一、填料塔的流体力学性能 2.填料层的压降 填料层的P u关系 液泛 区 载液 区 恒持 液

12、量 区 泛点 载点 二、填料塔的操作特性 气液两相的均匀分布是填料塔设计与操作中十 分重要的问题。 气液 分布 初始分布 动态分布 1.填料塔内的气液分布 进塔的气液两相通过分布装置所进行 的强制分布。 在一定的操作条件下，气液两相在填 料层内，依靠自身性质与流动状态所 进行的随机分布。 2.液体喷淋密度与填料表面的润湿 单位塔截面积上单位时间内喷淋的液体体积 液体喷淋密度。 q U LV, 3600 m3/(m2h) 液体体积流量，m3/s 填料塔的截面积，m2 二、填料塔的操作特性 （1）液体喷淋密度 LV q , (2)最小液体喷淋密度 为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋 密度大于

13、某一极限值 最小液体喷淋密度。 Umin tW aLU minmin )( 最小液体喷淋密度，m3/(m2h) 最小喷淋密 度计算式 最小润湿速率，m3/(mh) 经验值 二、填料塔的操作特性 min )( W L 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，此时 气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被 带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至被破坏，此种 情况称为液泛。 液泛时的空塔气速泛点气速 uF 二、填料塔的操作特性 3.液泛 (1)填料塔的液泛现象 uF 影响液泛 的因素 填料特性 流体物性 L L V 液气比 分析 uF uF uF uF 二、填

14、料塔的操作特性 Vm Lm q q , , (2)影响液泛的因素 (3)泛点率 100 F u u 散装填料50 规整填料60 85% 95% 二、填料塔的操作特性 为保证填料塔正常操作，其操作气速应低于泛 点气速，操作气速与泛点气速的比值称为泛点率。 安全系数 uFu (4)泛点气速的计算 二、填料塔的操作特性 贝恩霍根关联式 8/14/1 , ,2 . 0 3 2 )()()(lg L V Vm Lm L L VtF q q KA a g u A、K 关联式常数，由表 P778-9 查出。 埃克特(Eckert)通用关联图 散装填料的泛点气速可用埃克特通用关联图计算。 埃克特通用关联图 5

15、 . 0 , , )( L V Vm Lm q q 横坐标 纵坐标 5 . 0 2 )( L L VFF g u L O 2 H 泛点填料因子 Uba F lglg 二、填料塔的操作特性 a、b 关联式常数，由有关手册查出。 为了工程计算方便，将散装填料的泛点填料 因子进行归纳整理，得到与液体喷淋密度无关的 泛点填料因子平均值，部分散装填料的泛点填料 因子平均值见p79表8-10。 在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活 塞流状态，而是存在着不同程度的返混。 造成返混现象原因 返混的影响 传质推动力变小，传质效率降低放大效应。 v 填料层内的气液分布不均 v 气体和液体在填料层内的沟流 v

16、气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致 二、填料塔的操作特性 4.填料塔的返混 8.7.1 塔填料 第八章 气体吸收 8.7 填料塔 8.7.2 填料塔的流体力学性能与操作特性 8.7.3 填料塔的内件 一、 填料支承装置 填料支承装置的作用是支承塔内的填料。 填料支承 装置类型 栅板型 孔管型 驼峰型 二、填料压紧装置 填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下 填料床层发生松动和跳动。 填料压紧 装置类型 栅板型 网板型 三、液体分布装置 液体分布装置作用是将进塔液体均匀分布，以 喷洒在填料层的上方。 液体分布 装置类型 喷头式 盘式 管式 槽式 槽盘式 喷头式液体分布器 盘式液体分布器 管

17、式液体分布器 槽式液体分布器 槽盘式液体分布器 四、液体收集及再分布装置 液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的 现象壁流。壁流导致填料层内气液分布不均，使 传质效率下降。为减小壁流现象，可间隔一定高度 在填料层内设置液体再分布装置。 液体收集及再 分布装置类型 截锥式 斜板式 槽盘式液体分布器 截锥式液体收集及再分布器 斜板式液体收集器 课外资料：国内常用的填料手册 1. 李锡源等. 新型工业塔填料应用手册散装填 料部分. 西安: 化学工业部第六设计院,1989 2. 刘乃鸿等. 工业塔新型规整填料应用手册. 天 津: 天津大学出版社,1993 3. 王树楹等. 现代填料塔技术指南.北京:中国石 化出版社,1998 4. 徐崇嗣等. 塔填料产品及技术手册.北京:化学 工业出版社,1995 练 习 题 目 思考题 1.填料塔的流体力学性能包括哪些方面，对填料 塔的传质过程有何影响？ 2.填料塔有哪些操作特性？ 3.最小液体喷淋密度表示何种意义？