青海大学吸收第二章(填料塔)(自学内容).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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,2026/10/26,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,2026/10/26,填料塔的结构,2026/10/26,填料吸收塔远景图,2026/10/26,2,、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。,2026/10/26,X,2,Y,1,Y,2,X,1,（,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,。,2026/10/26,3,、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。,2026/10/26,（,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,2026/10/26,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。,2026/10/26,塑料,拉西环,2026/10/26,线接触,2026/10/26,【,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。,2026/10/26,【,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,2026/10/26,2026/10/26,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,2026/10/26,金属鲍尔环,2026/10/26,陶瓷鲍尔环,2026/10/26,2026/10/26,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,2026/10/26,陶瓷阶梯环,2026/10/26,2026/10/26,【,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。,2026/10/26,【,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。,2026/10/26,（,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,】,2026/10/26,矩鞍形填料,2026/10/26,【,球形填料,】,【,金属环矩鞍形填料,】,2026/10/26,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。,2026/10/26,陶瓷波纹填料,2026/10/26,塑料波纹填料,2026/10/26,波纹填料实物图,2026/10/26,【,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。,2026/10/26,（,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：,2026/10/26,5,、填料的特性,【,定义,】,塔内,单位体积填料层具有的填料表面积,，,m,2,/m,3,。,【,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,2026/10/26,【,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,）,%,。,2026/10/26,（,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,。,2026/10/26,【,定义,】,塔内,单位体积填料层具有的空隙体积,，,m,2,/m,3,。,【,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,2026/10/26,（,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。,2026/10/26,（,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,】,2026/10/26,6,、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。,2026/10/26,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,9,2026/10/26,二、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,（,m,3,液体,）,/,（,m,3,填料,）,表示。,2026/10/26,一般来说，,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,】,2026/10/26,2,、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。,2026/10/26,【,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,2026/10/26,（,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,2026/10/26,（,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,L,3,L,2,L,1,2026/10/26,【,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。,2026/10/26,（,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,。,2026/10/26,（,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。,2026/10/26,（,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,u,F,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,2026/10/26,3,、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。,2026/10/26,正常操作时的填料塔,【,特点,】,气体为分散相，液体为连续相。,2026/10/26,填料塔的液泛现象,2026/10/26,三、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。,2026/10/26,1,、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。,2026/10/26,栅板式填料支撑装置,2026/10/26,梁（气体喷射）式填料支撑装置,2026/10/26,升气管式填料支撑装置,2026/10/26,2,、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,2026/10/26,各种填料压板,【,特点,】,无需固定，产生的压强为,1100Pa,左右。,2026/10/26,【,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,2026/10/26,床层限制板,2026/10/26,3,、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。,2026/10/26,液体分布器,2026/10/26,【,应用,】,一般用于直径,600mm,以下的塔。,莲蓬式喷洒器,2026/10/26,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,12,00mm,的大塔。,2026/10/26,5,、除沫器,折板除沫器 丝网除沫器,2026/10/26,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,2026/10/26,（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。,2026/10/26,