青海大学吸收课件第二章(填料塔)(自学内容).ppt

2021/3/28 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 2021/3/28 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 2021/3/28 填 料 塔 的 结 构 2021/3/28 填 料 吸 收 塔 远 景 图 2021/3/28 2021/3/28 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。 2021/3/28 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 。 2021/3/28 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。 2021/3/28 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 2021/3/28 （ 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 2021/3/28 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。 2021/3/28 金属 拉西环 2021/3/28 塑料 拉西环 2021/3/28 （ 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 】 2021/3/28 线接触 2021/3/28 【 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。 2021/3/28 【 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 。 2021/3/28 【 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 2021/3/28 2021/3/28 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 2021/3/28 金 属 鲍 尔 环 2021/3/28 陶 瓷 鲍 尔 环 2021/3/28 【 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 。 2021/3/28 2021/3/28 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 2021/3/28 陶 瓷 阶 梯 环 2021/3/28 【 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 。 2021/3/28 2021/3/28 【 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。 2021/3/28 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 】 2021/3/28 【 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。 2021/3/28 （ 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 】 2021/3/28 矩 鞍 形 填 料 2021/3/28 【 球形填料 】 【 金属环矩鞍形填料 】 2021/3/28 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。 2021/3/28 陶 瓷 波 纹 填 料 2021/3/28 塑 料 波 纹 填 料 2021/3/28 波 纹 填 料 实 物 图 2021/3/28 【 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。 2021/3/28 （ 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： 2021/3/28 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 2021/3/28 【 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） %。 2021/3/28 （ 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 。 2021/3/28 【 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 2021/3/28 （ 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。 2021/3/28 （ 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 】 2021/3/28 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。 2021/3/28 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 Intalox 0.59 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 Intalox 0.41 较好 7 瓷鞍形环 0.38 略好 8 瓷拉西环 0.36 略好 9 2021/3/28 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。 2021/3/28 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 】 2021/3/28 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。 2021/3/28 【 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 对数坐标 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 2021/3/28 （ 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 2021/3/28 （ 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 L1 2021/3/28 【 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。 2021/3/28 （ 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 。 2021/3/28 （ 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。 2021/3/28 （ 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 2021/3/28 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。 2021/3/28 正 常 操 作 时 的 填 料 塔 【 特点 】 气体为分散相，液体为连续相。 2021/3/28 填 料 塔 的 液 泛 现 象 2021/3/28 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。 2021/3/28 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。 2021/3/28 栅板式填料支撑装置 2021/3/28 梁（气体喷射）式填料支撑装置 2021/3/28 升气管式填料支撑装置 2021/3/28 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 2021/3/28 各种填料压板 【 特点 】 无需固定，产生的压强为 1100Pa左右。 2021/3/28 【 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 2021/3/28 床层限制板 2021/3/28 3、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。 2021/3/28 液体分布器 2021/3/28 【 应用 】 一般用于 直径 600mm以 下的塔。 莲蓬式喷洒器 2021/3/28 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 D1200mm的大塔。 2021/3/28 5、除沫器 折板除沫器 丝网除沫器 2021/3/28 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 2021/3/28 （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： 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 L/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。 操作弹性：要求大时，用板式塔 侧线进出料塔：板式塔较方便。