吸收课件第二章(填料塔)(自学内容)

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2022/12/13第五节填料塔第二章吸收2022/12/101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2022/12/13填料塔简介（1）填料塔最初出现在十九世纪中叶，在1881年2填料塔的结构2022/12/13填料塔的结构2022/12/103填料吸收塔远景图2022/12/13填料吸收塔远景图2022/12/1042022/12/132022/12/1052、填料塔的操作（1）填料塔的操作方式①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；②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；③在填料表面上，气液两相接触进行传质。2022/12/132、填料塔的操作（1）填料塔的操作方式①液体从塔顶经液体分布6X2Y1Y2X1（2）填料塔的操作特点①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；②在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

2022/12/13X2Y1Y2X1（2）填料塔的操作特点①填料塔属于微分接触式73、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。

2022/12/133、填料的作用填料在填料塔操作中起着重要作用。主要84、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2022/12/134、填料类型（1）散装填料散装填料是一个个具有9（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：格栅填料波纹填料脉冲填料2022/12/13（2）规整填料【定义】按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料10①拉西环（Raschingring）

【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。2022/12/13①拉西环（Raschingring）【结构特点】外径与高11金属拉西环2022/12/13金属拉西环2022/12/1012塑料拉西环2022/12/13塑料拉西环2022/12/1013（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】2022/12/13（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14线接触2022/12/13线接触2022/12/1015【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。2022/12/13【沟流和壁流现象】【沟流】液体的偏流称为“沟流”（chann16【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。

2022/12/13【壁流】液体有朝塔壁汇集的趋向，即存在“塔壁效应”。液体自一17【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2022/12/13【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、182022/12/132022/12/1019②鲍尔环(Pallring)

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2022/12/13②鲍尔环(Pallring)1948年出现的鲍20金属鲍尔环2022/12/13金属鲍尔环2022/12/1021陶瓷鲍尔环2022/12/13陶瓷鲍尔环2022/12/1022【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。

2022/12/13【鲍尔环的性能特点】2022/12/10232022/12/132022/12/1024③阶梯环(cascademinirings)

【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2022/12/13③阶梯环(cascademinirings)【结构特点25陶瓷阶梯环2022/12/13陶瓷阶梯环2022/12/1026【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。2022/12/13【锥形翻边的作用】2022/12/10272022/12/132022/12/1028【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。

2022/12/13【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29④弧鞍与矩鞍（berlsaddleandintoloxsaddle）

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】2022/12/13④弧鞍与矩鞍（berlsaddleandintolox30【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。2022/12/13【结构特点】这种填料层中主要为弧形的液体通道，填料层31（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】2022/12/13（1）1950年出现的矩鞍形填料是改进型填料；【矩鞍形填料32矩鞍形填料2022/12/13矩鞍形填料2022/12/1033【球形填料】【金属环矩鞍形填料】2022/12/13【球形填料】【金属环矩鞍形填料】2022/12/1034⑤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。2022/12/13⑤波纹填料波纹整砌填料是我国开发成功并于197135陶瓷波纹填料2022/12/13陶瓷波纹填料2022/12/1036塑料波纹填料2022/12/13塑料波纹填料2022/12/1037波纹填料实物图2022/12/13波纹填料实物图2022/12/1038【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。2022/12/13【波纹填料的性能特点】2022/12/1039（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：2022/12/13（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405、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a2022/12/135、填料的特性【定义】塔内单位体积填料层具有的填料表面积，m41【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（20～50）%。2022/12/13【两点说明】（1）操作中有部分填料表面不被润湿，以致比表面42（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。2022/12/13（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43【定义】塔内单位体积填料层具有的空隙体积，m2/m3。【影响】ε为一分数。ε值大则气体通过填料层的阻力小，故ε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ε2022/12/13【定义】塔内单位体积填料层具有的空隙体积，m2/m3。（2）44（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。①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；②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φ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，φ值越小，表明流动阻力越小。

2022/12/13（3）填料因子【定义】比表面积a与空隙率所组成的复合量a45（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】2022/12/13（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；【466、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。2022/12/136、填料的性能评价【评价依据】填料性能的优劣通常根据效率、47填料名称评估值语言值排序丝网波纹填料0.86很好1孔板波纹填料0.61相当好2金属Intalox0.59相当好3金属鞍形环0.57相当好4金属阶梯环0.53一般好5金属鲍尔环0.51一般好6瓷Intalox0.41较好7瓷鞍形环0.38略好8瓷拉西环0.36略好92022/12/13填料名称评估值语言值排序丝网波纹填料0.86很好1孔板波纹填48二、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】单位体积填料层内所积存的液体体积，以（m3液体）/（m3填料）表示。

2022/12/13二、填料层内气液两相的流体力学特性填料塔的流体力学49一般来说，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】2022/12/13一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有502、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。

2022/12/132、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51【构成】将不同液体喷淋量下的单位高度填料层的压降ΔP/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸上，所得到的曲线簇。

【填料层压降ΔP/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2022/12/13【构成】将不同液体喷淋量下的单位高度填料层的压降ΔP/Z与空52（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/Z～u关系，称为干填料压降线。【特点】△P/Z～u为线性关系。空塔气速2022/12/13（1）干填料压降线在图中，直线0表示无液体喷淋（L53（2）填料操作压降线【构成】在不同液体喷淋量下，填料层的△P/Z～u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

L3＞L2＞L12022/12/13（2）填料操作压降线【构成】在不同液体喷淋量下，填料层的△54【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。2022/12/13【特点】三个区域内的压降与空塔气速之间的关系不同。【现象】两55（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/Z～u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。2022/12/13（3）恒持液量区【原因】当气速低于载点时，气体流动对液膜的56（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。2022/12/13（4）载液区当气速超过载点时，气体对液膜的曳力较大57（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，此现象称为液泛，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2022/12/13（5）液泛区若气速继续增大，到达泛点时，由于液体583、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。2022/12/133、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59正常操作时的填料塔【特点】气体为分散相，液体为连续相。2022/12/13正常操作时的填料塔【特点】气体为分散相，液体为连续相。20260填料塔的液泛现象2022/12/13填料塔的液泛现象2022/12/1061三、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。2022/12/13三、填料塔的附件填料塔的附件主要有：2022/12/621、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。2022/12/131、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63栅板式填料支撑装置2022/12/13栅板式填料支撑装置2022/12/1064梁（气体喷射）式填料支撑装置2022/12/13梁（气体喷射）式填料支撑装置2022/12/1065升气管式填料支撑装置2022/12/13升气管式填料支撑装置2022/12/10662、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2022/12/132、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67各种填料压板【特点】无需固定，产生的压强为1100Pa左右。2022/12/13各种填料压板【特点】无需固定，产生的压强为1100Pa左右。68【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2022/12/13【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69床层限制板2022/12/13床层限制板2022/12/10703、液体分布装置【分类】液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。

液体淋洒不良就不能在填料表面散布均匀，甚至出现沟流现象，严重影响填料表面的有效利用率。

要做到液体开始分布良好，在填料塔顶设置液体分布器。【作用】使加入到塔内的吸收剂分布均匀。2022/12/133、液体分布装置【分类】液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘71液体分布器2022/12/13液体分布器2022/12/1072【应用】一般用于直径600mm以下的塔。莲蓬式喷洒器2022/12/13【应用】一般用于直径600mm以下的塔。莲蓬式喷洒器20273盘式液体分布器

【应用】分布盘直径为塔径的0.6～0.8倍，此种分布器用于D<800mm的塔中。

【原理】液体加至分布盘上，经筛孔或溢流管流下。2022/12/13盘式液体分布器【应用】分布盘直径为塔径的0.6～0.8倍，74管式分布器

管式液体分布器多用于中等以下液体负荷的填料塔中。在波纹填料塔中，由于液体负荷较小故常用之。2022/12/13管式分布器管式液体分布器多用于中等以下液体负荷的752022/12/132022/12/1076垂直主管进液式2022/12/13垂直主管进液式2022/12/1077水平主管进液式

2022/12/13水平主管进液式2022/12/10782022/12/132022/12/1079槽式液体分布器

【原理】当液面超过堰口高度时，依靠液体自重通过堰口流出，淋洒于填料层上。2022/12/13槽式液体分布器【原理】当液面超过堰口高度时，依靠液体自重通80大型槽式液体分布器

2022/12/13大型槽式液体分布器2022/12/10812022/12/132022/12/10824、液体再分布装置【使用原因】液体沿填料层向下流动时，存在壁流现象。壁流将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（3～6m，因填料的种类而异）在填料层内设置液体再分布装置。【作用】收集上段来液，为下一段创造均匀分布液体的条件。【分类】常用的有截锥式、升气管式、槽式等。2022/12/134、液体再分布装置【使用原因】液体沿填料层向下流动时，存在壁83截锥式液体再分布器

【应用】一般用于直径600mm以下的小塔。2022/12/13截锥式液体再分布器【应用】一般用于直径600mm以下的小塔84升气管式液体再分布器

2022/12/13升气管式液体再分布器2022/12/1085槽式液体再分布器

【应用】一般用于直径D>1200mm的大塔。2022/12/13槽式液体再分布器【应用】一般用于直径D>1200mm的大塔865、除沫器折板除沫器丝网除沫器2022/12/135、除沫器折板除沫器87板式塔与填料塔的比较及塔设备选型

板式塔填料塔备注造价塔越大，单位体积造价越便宜塔越大，单位体积造价越贵填料个数随塔体积而增加分离效率板效率稳定且大塔效率高于小塔效率较高，与填料形式及尺寸有密切关系

压降压降较大相近，丝网填料则较小

操作性能较大较小填料塔的操作性能与填料有关液—气比（L/G）范围较宽L/G变化较小，分离效率下降因板式塔中传质分离有液层作保障检修清理方便不太方便

耐腐性较差较好

塔中持液量较大（较多）较小（较少）

塔中换热可能性可以实现较困难

（一）比较2022/12/13板式塔与填料塔的比较及塔设备选型

板式塔填料塔备注造88（二）选型原则1.物性影响：起泡性、清洁性、粘性、腐蚀性、热敏性(高沸点)、换热要求2.操作条件影响：①传质速率控制步骤:如气膜控制,用填料塔可使气速得到增大②L/V值：要求小时，可用板式塔，使之维持一定液层高度，增强传质。③操作弹性：要求大时，用板式塔④侧线进出料塔：板式塔较方便。2022/12/13（二）选型原则1.物性影响：起泡性、清洁性、粘性、腐蚀性、89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2022/12/13第五节填料塔第二章吸收2022/12/1090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2022/12/13填料塔简介（1）填料塔最初出现在十九世纪中叶，在1881年91填料塔的结构2022/12/13填料塔的结构2022/12/1092填料吸收塔远景图2022/12/13填料吸收塔远景图2022/12/10932022/12/132022/12/10942、填料塔的操作（1）填料塔的操作方式①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；②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；③在填料表面上，气液两相接触进行传质。2022/12/132、填料塔的操作（1）填料塔的操作方式①液体从塔顶经液体分布95X2Y1Y2X1（2）填料塔的操作特点①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；②在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

2022/12/13X2Y1Y2X1（2）填料塔的操作特点①填料塔属于微分接触式963、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。

2022/12/133、填料的作用填料在填料塔操作中起着重要作用。主要974、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2022/12/134、填料类型（1）散装填料散装填料是一个个具有98（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：格栅填料波纹填料脉冲填料2022/12/13（2）规整填料【定义】按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料99①拉西环（Raschingring）

【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。2022/12/13①拉西环（Raschingring）【结构特点】外径与高100金属拉西环2022/12/13金属拉西环2022/12/10101塑料拉西环2022/12/13塑料拉西环2022/12/10102（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】2022/12/13（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103线接触2022/12/13线接触2022/12/10104【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。2022/12/13【沟流和壁流现象】【沟流】液体的偏流称为“沟流”（chann105【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。

2022/12/13【壁流】液体有朝塔壁汇集的趋向，即存在“塔壁效应”。液体自一106【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2022/12/13【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、1072022/12/132022/12/10108②鲍尔环(Pallring)

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2022/12/13②鲍尔环(Pallring)1948年出现的鲍109金属鲍尔环2022/12/13金属鲍尔环2022/12/10110陶瓷鲍尔环2022/12/13陶瓷鲍尔环2022/12/10111【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。

2022/12/13【鲍尔环的性能特点】2022/12/101122022/12/132022/12/10113③阶梯环(cascademinirings)

【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2022/12/13③阶梯环(cascademinirings)【结构特点114陶瓷阶梯环2022/12/13陶瓷阶梯环2022/12/10115【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。2022/12/13【锥形翻边的作用】2022/12/101162022/12/132022/12/10117【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。

2022/12/13【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118④弧鞍与矩鞍（berlsaddleandintoloxsaddle）

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】2022/12/13④弧鞍与矩鞍（berlsaddleandintolox119【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。2022/12/13【结构特点】这种填料层中主要为弧形的液体通道，填料层120（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】2022/12/13（1）1950年出现的矩鞍形填料是改进型填料；【矩鞍形填料121矩鞍形填料2022/12/13矩鞍形填料2022/12/10122【球形填料】【金属环矩鞍形填料】2022/12/13【球形填料】【金属环矩鞍形填料】2022/12/10123⑤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。2022/12/13⑤波纹填料波纹整砌填料是我国开发成功并于1971124陶瓷波纹填料2022/12/13陶瓷波纹填料2022/12/10125塑料波纹填料2022/12/13塑料波纹填料2022/12/10126波纹填料实物图2022/12/13波纹填料实物图2022/12/10127【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。2022/12/13【波纹填料的性能特点】2022/12/10128（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：2022/12/13（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1295、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a2022/12/135、填料的特性【定义】塔内单位体积填料层具有的填料表面积，m130【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（20～50）%。2022/12/13【两点说明】（1）操作中有部分填料表面不被润湿，以致比表面131（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。2022/12/13（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132【定义】塔内单位体积填料层具有的空隙体积，m2/m3。【影响】ε为一分数。ε值大则气体通过填料层的阻力小，故ε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ε2022/12/13【定义】塔内单位体积填料层具有的空隙体积，m2/m3。（2）133（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。①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；②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φ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，φ值越小，表明流动阻力越小。

2022/12/13（3）填料因子【定义】比表面积a与空隙率所组成的复合量a134（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】2022/12/13（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；【1356、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。2022/12/136、填料的性能评价【评价依据】填料性能的优劣通常根据效率、136填料名称评估值语言值排序丝网波纹填料0.86很好1孔板波纹填料0.61相当好2金属Intalox0.59相当好3金属鞍形环0.57相当好4金属阶梯环0.53一般好5金属鲍尔环0.51一般好6瓷Intalox0.41较好7瓷鞍形环0.38略好8瓷拉西环0.36略好92022/12/13填料名称评估值语言值排序丝网波纹填料0.86很好1孔板波纹填137二、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】单位体积填料层内所积存的液体体积，以（m3液体）/（m3填料）表示。

2022/12/13二、填料层内气液两相的流体力学特性填料塔的流体力学138一般来说，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】2022/12/13一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有1392、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。

2022/12/132、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140【构成】将不同液体喷淋量下的单位高度填料层的压降ΔP/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸上，所得到的曲线簇。

【填料层压降ΔP/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2022/12/13【构成】将不同液体喷淋量下的单位高度填料层的压降ΔP/Z与空141（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/Z～u关系，称为干填料压降线。【特点】△P/Z～u为线性关系。空塔气速2022/12/13（1）干填料压降线在图中，直线0表示无液体喷淋（L142（2）填料操作压降线【构成】在不同液体喷淋量下，填料层的△P/Z～u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

L3＞L2＞L12022/12/13（2）填料操作压降线【构成】在不同液体喷淋量下，填料层的△143【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。2022/12/13【特点】三个区域内的压降与空塔气速之间的关系不同。【现象】两144（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/Z～u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。2022/12/13（3）恒持液量区【原因】当气速低于载点时，气体流动对液膜的145（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。2022/12/13（4）载液区当气速超过载点时，气体对液膜的曳力较大146（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，此现象称为液泛，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2022/12/13（5）液泛区若气速继续增大，到达泛点时，由于液体1473、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。2022/12/133、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148正常操作时的填料塔【特点】气体为分散相，液体为连续相。2022/12/13正常操作时的填料塔【特点】气体为分散相，液体为连续相。202149填料塔的液泛现象2022/12/13填料塔的液泛现象2022/12/10150三、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。2022/12/13三、填料塔的附件填料塔的附件主要有：2022/12/1511、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。2022/12/131、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152栅板式填料支撑装置2022/12/13栅板式填料支撑装置2022/12/10153梁（气体喷射）式填料支撑装置2022/12/13梁（气体喷射）式填料支撑装置2022/12/10154升气管式填料支撑装置2022/12/13升气管式填料支撑装置2022/12/101552、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2022/12/132、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156