气液传质设备教材

第十章气液传质设备气液传质设备用于处理气液传质过程，包括吸收和精馏过程，要求设备提供充分的气液接触。气液传质设备板式塔填料塔逐级接触式微分接触式6/1/20241

6/1/20242一、性能要求

二、板式塔类型、结构及特点三、塔板的流体力学状况四、塔板负荷性能图五、塔主要尺寸确定六、塔板设计要点Ⅰ板式塔6/1/20243Ⅰ板式塔一、性能要求分离效率高气、液负荷大有一定的操作弹性塔板压降小结构简单，制造维修方便，造价低

6/1/20244Ⅰ板式塔二、板式塔类型、结构及特点6/1/20245Ⅰ板式塔降液管平顶型溢流堰受液区开孔区6/1/20246Ⅰ板式塔有溢流和无溢流塔板有溢流 无溢流鼓泡区受液区降液区6/1/20247Ⅰ板式塔6/1/20248Ⅰ板式塔双流型塔板6/1/20249Ⅰ板式塔降液管液流程数（有溢流塔板）6/1/202410Ⅰ板式塔6/1/202411Ⅰ板式塔气液接触元件及塔板型式6/1/202412Ⅰ板式塔气液接触元件及塔板型式6/1/202413气液接触元件及塔板型式6/1/202414Ⅰ板式塔优点：弹性大、操作稳定可靠。缺点：结构复杂，制造成本高，压降大，液泛气速低，故生产能力较小。6/1/202415Ⅰ板式塔特点：结构简单、造价低、压降小、生产能力大、操作弹性可达2~3、6/1/202416Ⅰ板式塔特点：结构上较泡罩简单，比筛板复杂，操作弹性大、生产能力大。6/1/202417阀型：F1型、V型、T型、A型

各种浮阀：6/1/202418Ⅰ板式塔压延孔板旋流塔板

斜孔塔板

6/1/202419Ⅰ板式塔气液接触元件及塔板型式筛板塔泡罩塔浮阀塔结构板上开孔升气管和泡罩组成板孔上安装阀片制造最简单复杂较简单造价低高较高安装检修极方便不方便方便操作弹性较小很大最大压降小最大较小生产能力大小较大6/1/202420三、塔板流体力学状况气液接触状态鼓泡状态：孔速较低，液体为连续相，气体为分散相，两相接触传质表面——泡沫状态：孔速增加，液体为高度活动的泡沫形式存在于气泡中，连续相——？分散相——？喷雾状态：气流直接穿过液层，呈喷雾状态，连续相——？分散相——？转相点实际操作状态6/1/2024216/1/202422塔板的流体力学性能6/1/202423（1）气体通过单个塔板的压降加和模型hf=干板压降+液层压降=hd+hl其中hd=ξu02/（2g）ρv/ρlhl=β(hw+how)压降太大的不良后果：A.单板压降大，气体流动阻力大，对输送要求较高。B.过高的单板压降会使塔顶与塔底的压差较大，从而影响体系的相平衡关系以及气液流动情况，这对真空操作尤为重要。一般，常压塔：40~65mmH2O

减压塔：10~35mmH2O6/1/2024246/1/202425过量液沫夹带定义液泛气相负荷因子Cf液泛气相负荷因子受表面张力、板间距及两相流动的影响，气相负荷因子Cf可由经验关联图查到。图中横坐标为两相流动参数

6/1/202426(4)液泛（淹塔）降液管液泛（溢流液泛）降液管液面Hd=Hw+How+Δ+hf+Σhf（Σhf液体的阻力）泡沫层高度Hfd=Hd/Φ其中相对泡沫层密度Φ=ρf/ρl溢流液泛发生：泡沫层高度达到溢流堰上缘时Hd/Φ=HT+HW

不良后果：塔压力降急剧增大、板效急剧减小、是不正常操作现象之一产生原因：A.气体流量过大，产生了过量的液沫夹带，B.液体负荷过大，降液管的截面积不够6/1/202427(5)塔板上的液面落差

(6)板上液体的返混

减少返混对传质是有利的

(7)液体在降液管内的停留时间

3~5s6/1/202428Ⅰ板式塔四、塔板负荷性能图1、过量液沫夹带线规定液沫夹带量的最大值ev=0.1kg液/kg干气，以此为原则，便可作出过量液沫夹带线。2、漏液线3、溢流液泛线Hfd=Hd/Φ=HT+hw4、液量下限线当溢流堰顶上的液层厚度how等于6mm时，对应液体流量的下限5、液量上限线由液体在降液管中的停留时间决定τ=AfHd/Ls≧3~5s操作弹性：VA/VB

负荷性能图LV12453AB6/1/202429Ⅰ板式塔五、塔主要尺寸确定板间距由塔径、气液负荷及制造维修等因素决定取值范围：0.3~0.8米传质高度H=HT(N实际-1)筛板塔塔径计算两相流动参数：FLV=LS/VS(ρL/ρV)1/2确定泛点气速设计气速/泛点气速=0.6~0.8计算流通面积计算塔板总面积（考虑降液管面积影响）塔径圆整6/1/202430Ⅰ板式塔6/1/202431

Ⅱ填料塔（Packedcolumns）一、填料塔简介二、填料塔结构三、填料的种类与特性四、填料层内气液逆流的流体力学特性五、填料塔附件

6/1/202432Ⅱ填料塔一、填料塔简介填料塔最初出现在十九世纪中叶，在1881年用于精馏操作。填料塔的塔体横截面有圆形，矩形及多边形等，但绝大部分是圆形。塔壳材料可以是碳钢，不锈钢，聚氯乙烯，玻璃钢和砖等。塔内放置填料（packings）。填料种类很多。用于制造填料的材料有碳钢、不锈钢、陶瓷、聚丙烯、增强聚丙烯等。由于填料与塔体取材面广，故易于解决物料腐蚀问题。6/1/202433填料塔6/1/2024346/1/202435二、填料塔结构

塔体填料支承板填料液体再分布器进气管液体分布器液体收集器6/1/202436

6/1/202437

6/1/202438三、填料的种类与特性

填料在填料塔操作中起着重要作用。液体润湿填料表面便增大了气液接触面积，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。填料塔的发展史中最主要的是填料的发展史。早期以碎石为填料，碎石比表面积小，空隙率低，堆积密度大，造成塔体很重，逐渐暴露出其缺点。自二十世纪初至廿世纪中叶，曾兴起了对填料开发、研制的热潮。

在这时期，先后出现了拉西环、Stedman金属纱网规则填料、弧鞍形填料、鲍尔环及矩鞍形填料等。这些新型填料的出现，使填料塔的操作性能得到显著改进。6/1/2024391

填料的种类

常见填料的形状可分为四种类型。①环形填料：最早采用的拉西环是高度与外径之比为1的短管。该填料易于制造，强度好，取材面广，但流体力学及传质性能都不够理想。

1948年出现的鲍尔环是对拉西环作出重大改进的一种填料。该填料是在拉西环的基础上，在填料壁面开两层矩形孔。开矩形孔的部份只切开三条边，留下一边仍与填料壁相连，并把切开的部份推到填料圈内侧。于是，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。

短管形填料一般是乱堆填料，只有2英寸以上的大填料才可能是整砌填料。6/1/2024406/1/2024416/1/202442环形拉西环Raschingring高度和外径相等；可用陶瓷和金属制造，存在严重的壁偏流和沟流现象，液体滞留量大，传质效率不高，气体通过能力低，阻力大。

6/1/202443内十字环内螺旋环环形6/1/202444其构造大大提高了环内空间与环内表面的利用率，而且使气液流通顺畅，有利于气液进入环内。因此，鲍尔环比拉西环传质效率高、气体通过能力大。鲍尔环Pallring环形6/1/202445阶梯环Cascadering高度仅为直径的一半；环的一端制成喇叭口，这种喇叭结构，使填料个体之间多呈点接触；与鲍尔环相比，其气体通量高，阻力小，传质效率大。环形6/1/202446环形DC环DCring6/1/202447扁环OX环环形6/1/202448②鞍形填料鞍形填料不同于短管形填料，其特点是不分内、外表面，整个填料表面由各种曲面组成，填料在塔内任意方位均可使流体舒畅流过。1931年出现的这类填料称弧鞍形填料，是因形如马鞍而得名。这种填料与拉西环相比，填料表面利用率高，阻力小，但因形状设计尚有缺陷，相邻填料有重叠倾向，填料层均匀性较差，且填料易碎，故使用不广。另一种改进型填料是1950年出现的矩鞍形填料，矩鞍形填料亦是当前应用较多的一种填料。这种形状的填料也有网体的。鞍形填料都是乱堆填料。6/1/202449陶瓷弧鞍Berlsaddle属敞开型填料，敞开型填料的特点是：表面全部敞开，不分内外，因而表面利用率高，不易积液，气体流动阻力小，制造也方便。弧鞍形填料是两面对称结构，在塔内堆积时容易造成填料相互重叠，从而产生沟流，目前已较少使用。鞍形6/1/202450矩鞍Intaloxsaddlering属敞开型填料。

矩鞍形填料结构不对称，堆积时不会重叠，填料均匀性大为提高。矩鞍形填料传质性能比拉西环好，但比鲍尔环差，但在制造上比鲍尔环方便。矩鞍形填料的缺点是，因开放式结构使其强度差，特别是瓷质填料，易破碎。

鞍形6/1/202451③环形与鞍形填料的结合型填料现在已开发的这类填料有环矩鞍与共轭环等，其中共轭环是1992年我国自行开发、试验成功的。开发这类填料的出发点是想使之具有短管形与鞍形两大类填料的优点。试验表明，共轭环的阻力比阶梯环低（40～50）%，比鲍尔环低（50～55）%，其传质单元高度比阶梯环的约低15%，比鲍尔环的约低30%，可见，新的结合型填料的优点是明显的。

6/1/202452金属鞍环Intaloxsaddlering鞍环形金属鞍环填料综合了环形填料通量大及鞍形填料的液体再分布性能好的优点，其性能优于环形填料和鞍形填料。

6/1/202453共軛环6/1/202454④规整填料这是我国开发成功并于1971年发表的填料类型。该填料的基本件是冲压出45度斜波纹槽的薄板。薄板高度通常为40～60mm。若干板片平行组合，但相邻薄板的波纹反向。当塔截面为圆形，则波形板片的组合体为圆柱形。上下相邻的填料组合体，其薄板方向互呈90度交错。波纹填料的材料有碳钢、不锈钢、铝、陶瓷、玻璃钢及纸浸树脂等。薄板厚度：金属板一般为0.5～1mm，陶瓷板为1～1.5mm，纸浸树脂及玻璃钢板则为0.1～0.2mm。这种填料为气、液相提供了一段段带分支的直通道，气流阻力小，允许操作气速较大（如空速可达2m/s），故处理能力大。近年来不少工厂采用不锈钢丝网制作的波纹填料，既保留波纹整砌填料的优点，又改善布液的均匀性。这种填料属高效填料。6/1/202455金属波纹填料主要有：金属刺孔波纹填料、金属板网波纹填料、金属孔板波纹填料、金属丝网波纹填料等

规整填料以整砌的方式装填在塔内规整填料已有很多，如波纹填料（金属、陶瓷）、栅格类填料。6/1/202456规整填料：波纹填料金属孔板波纹填料陶瓷孔板波纹填料6/1/202457

6/1/202458规整填料：波纹填料金属波纹填料6/1/202459规整填料：栅格类填料

格栅填料（格利希填料）GridPacking6/1/202460塑料花环rosttering多面空心球BallPacking海尔环Hillisring其他乱堆填料6/1/2024612、填料的特性填料特性有下列几方面：（1）

比表面积a——塔内单位体积填料层具有的填料表面积，m2/m3。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。比表面积与有效的传质比表面积不同：A.操作中有部分填料表面不被润湿，比表面积中只有某个分率的面积才是润湿面积。B.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。6/1/202462（2）

空隙率ε空隙率ε塔内单位体积填料层具有的空隙体积，m3/m3.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。各向同性对于乱堆填料，当塔径D与填料尺寸d之比大于8时，因每个填料在塔内的方位是随机的，填料层的均匀性较好，这时填料层可视为各向同性，填料层的空隙率ε就是填料层内任一横截面的空隙截面分率。空塔气速当气体以一定流量过填料层时，按塔横截面积计的气速u称为空塔气速（简称空速），而气体在填料层孔隙内流动的真正气速为u1

。二者关系为：u1=u/ε。6/1/202463（3）塔内单位体积具有的填料个数n——根据计算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料的体积，即可确定塔内需要的填料数量。（4）单个填料的尺寸：一般要求塔径与填料尺寸之比D/d>8（在8～15之间为宜），以便气、液分布均匀。若D/d<8在近塔壁处填料层空隙率比填料层中心部位的空隙率明显偏高，会影响气液的均匀分布。若D/d值过大即填料尺寸偏小，气流阻力增大。

6/1/202464在选择填料时，一般要求：比表面积及空隙率要大，填料的润湿性要好，气体通过能力大，阻力小，液体滞留量小，单位体积填料的重量轻，造价低，并有足够的机械强度。

6/1/202465从环形填料、鞍形填料到鞍环形填料，从个体填料、到规整填料，人们千方百计地改进填料结构，目的是增加填料比表面积以提高传质效率，增加填料的空隙率以降低流动阻力、加大流体通量，改善填料堆积性能以防止填料的嵌套叠合，从而有利于液体的均布、降低壁效应。

与散装填料相比，规整填料具有以下优点：传质效率高、压降低、处理量大、持液量小、放大效应不明显、操作弹性大等一系列优点。同时使大塔径的填料塔工业化成为可能。6/1/202466四、填料层内气液逆流的流体力学特性

1、填料塔内的液体分布液体的偏流称为沟流。产生原因:一方面因操作时液体并不能全部润湿填料表面，液体只沿润湿表面流下，形成沟流。另一方面相邻填料都有若干个接触点，液体优先从接触点流动。即使填料表面全部润湿，仍存在液流不均匀问题。塔壁效应。在紧靠塔壁处。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。导致液体向塔壁流动。6/1/202467放大效应随着塔径的增大，塔内气液分布不匀现象更严重。这称为填料塔的放大效应。限制了填料塔的大型化。解决填料塔放大效应的措施改进塔顶液体原始喷淋的均匀性，多设喷淋点;在填料层中设置液体再分布器;控制塔径与填料尺寸的比值;此外新型高效填料的采用使气液分布情况得到改善。6/1/2024682、气液流速与气体通过填料层压降的关系气体流动类型:填料在塔内乱堆，给气流构成了弯曲、分支及变截面的复杂几何形状的流道。这样的流道促使气流发生扰动，从而使气流在实际操作气速范围内均为湍流。在对填料塔内气、液流体力学特性作测定时，通常气速以空塔气速u表示，液体喷淋密度L的单位是m3/（h·m2），气体流过一定高度填料层的压降为Δp。对一定高度的填料层，在不同喷淋密度下实验测得的“lgΔp—lgu”曲线如下图。6/1/202469L=0，即干填料时，因气体在填料层呈湍流，Δp∝u1.8~2.0，图中为一直线.L1：A1点以下线段--气速较低时，气体向上流动对液体沿填料表面膜状流下的曳力很小，lgΔp与lgu的关系仍呈直线，且与干填料时的直线平行，由于液膜有一定厚度使气体流道变小，该条件下的直线段要高于干填料条件下相应的直线。

A1—B1线段--气流对液膜流动产生影响，使液膜增厚，气体通道变窄流速增大，Δp随u的增加而较快增长。在此阶段，液流虽遇到阻碍，但仍可沿填料表面流下，未发生液体停滞或积液现象.B1点--因液膜已足够厚，四周的液膜几乎封闭气体通道，若气速再稍增大，气体对液体的曳力迅速增加，曲线呈现为垂直向上的直线。这时，因塔顶不断进液，塔内液体又不能畅流而下，塔内积液，液位不断上升，于是液体由气体出口泛滥出去，塔的正常操作便受到破坏。这种状况称为液泛。应于液泛开始状况的空塔气速叫做液泛气速，即图中B1点对应的空速.6/1/202470当u不变，L增加时，曲线形状与L1时的曲线形状相像，只因L3>L2>L1，故与其相应的曲线中L3曲线的位置最高，L2的次之，L1的最低。A点称之“载点”（loadingpoint），B点称为“泛点”。一般认为正常操作的空速应在载点气速之上，在泛点气速的0.8倍之下。因载点从理论上讲是在“lgΔp—lgu”图中当L为定值时随气速增大由直线转为曲线的转折点，但载点气速时的征状不明显，而泛点气速时的特征明显，易于辨认，故通常由实验数据整理成计算泛速的经验关联图。操作气体空速u的数值范围是：

u=(0.5~0.8)uf式中uf为空塔气体泛速，m/s。6/1/2024711、气体通过填料层的压力降

二、填料塔的流体力学性能大（空塔气速）6/1/202472埃克特（Eckert）在Sherwood和Leva工作的基础上提出的经验泛点关联图。图中最上面的三条曲线为乱堆填料、整砌填料及弦栅填料的泛点关联图线。该图采用双对数坐标。填料塔泛点及压降普遍化关联图3、

泛点与压降的经验关联图横轴为纵轴为。

6/1/202473实验中发现，乱堆填料液泛时单位填料层高度的气体压降基本上为一恒值，亦即Eckert图中乱堆填料的泛点线为一等压降线。由此推测，当操作气速低于泛速时，其它等压降曲线会有与泛点关联图线相像的曲线形状。实验结果证实了这一推测。图中在乱堆填料泛点线以下的系列曲线均为乱堆填料的等压降线。使用这些等压降线时，纵坐标中的uf须改为操作气速u。

6/1/202474以乱堆填料为例，泛点与压降关联图的使用方法。步骤如下：

已知空塔操作气速后，可按下式计算塔径D：

式中Vs——气相体积流量，m3/s

u——操作空塔气速，m/s6/1/202475例题在25℃，123.3kPa下，用水洗涤空气中少量的HCl，气体处理量为600m3/h，用水量为13570kg/h，若采用25×25mm的瓷质鲍尔环，试求填料塔塔径及每米填料层压降。解：查P199图10-54，从横坐标0.596处引垂线与乱堆填料泛点线交点的纵坐标为0.035，即查得25×25mm的瓷质鲍尔环，填料因子

=3006/1/202476例25℃时溶液的黏度取水的黏度，μL=1mPa·s，则泛点气速取设计气速为泛点气速的75%，即u=0.75uf=0.75×0.892=0.669m/s则所需塔径根据压力容器公称直径标准圆整为DT=0.6m，对应气速6/1/202477例查P199图10-54，点（0.596，0.015）对应的压降为280Pa/m，即每米填料层压降为280Pa。6/1/2024784、填料塔逆流操作时的持液量填料塔在逆流操作时，单位填充体积所具有的液体量为持液量m3液/m3塔容积。持液量由两部分组成：①动持液量：在填料塔正常操作时突然停止喷淋液体和输入气体，由填料层流出的液体体积与填料层体积之比。动持液量的液体能连续流过填料层，可不断地被上面流下来的液体置换。对传质有效。②

静持液量：当停止喷淋液体和输入气体后经过一段时间仍然滞留在填料层内的液体体积与填料层体积之比。静持液量的液体多数是不流动的，只能缓慢地被新鲜液体置换。因与气相接触时间长而趋近平衡，几乎失去传质效能。

持液量大则塔体重量增加，气流通道变狭阻力增大，而且会延长所需由开工至稳定操作的时间，一般认为持液量以小为宜。6/1/202479五、填料塔附件

主要有液体喷淋装置、除沫装置、液体再分布器及填料支承装置等。

1、液体喷淋装置填料塔操作要求液体沿同一塔截面均匀分布。为使液流分布均匀，液体在塔顶的初始分布须均匀。经验表明，对塔径为0.75m以上的塔，每平方米塔横截面上应有40～50个喷淋点；对塔径在0.75m以下的塔，喷淋点密度集至少应为160个/m2塔截面。常见的液体喷淋装置有多孔管式、槽式及挡板式等，管式布液器是令液体从总管流进，分流至各支管，再从支管底部及侧面的小孔喷出。这种装置要求液体洁净，以免发生小孔堵塞，影响布液的均匀性。槽式分布器不易堵塞，布液较均匀，但因液体是由分槽的V形缺口流出，故对安装的水平度有一定要求。挡板式是将管内流出的液体经档板反溅洒开的液体喷淋装置，其结构简单，不会堵塞，但布液不够均匀。6/1/202480液体喷淋装置

6/1/202481

OrificePanDistributor,TroughDistributor6/1/2024822、除沫装置气体从塔顶流出时，总会带少量液滴出塔。为使气体夹带的液滴能重新返回塔内，一般在塔内液体喷淋装置上方装置除沫器。常用的除沫器有折流板式与填料层式。

图中左图所示为折流板式除沫器。气体流过曲折通道时，气流中夹带的液滴因惯性附于折流板壁，然后流回塔内。

6/1/202483除沫器

6/1/202484MistEliminator6/1/202485为使流向塔壁的液体能重新流回塔中心部位，一般在液体流过一定高度的填料层后装置一个液体再分布器。液体再分布器形状如漏斗，如图7-8所示。在液体再分布器侧壁装有若干短管，使近塔壁的上升气流通过短管与中心气流汇合，以利气流沿塔截面均匀分布。通常将整个填料层分为若干段，段与段间设置液体再分布器。如令每段填料层的高度为Z，塔径为D，对乱堆拉西环，取。随着填料性能的改进，之值可增大，该值一般在3至10之间。

3、液体再分布器6/1/202486Collector/Redistributor6/1/202487结构最简单的是栅板，由竖立的扁钢焊在钢圈上制成。为防止在栅板处积液导致液泛，栅板的自由截面率应大于50%。此外，效果较好的是具有圆形或条形升气管的筛板式支承