化工原理：第八章 氣體吸收 (3)

1、8.7.1 塔填料 第八章 氣體吸收 8.5 吸收系數(shù) 8.6 其他吸收與解吸(選讀） 8.7 填料塔 1.散裝填料 常用的填料可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。 散裝填料在塔內(nèi)可亂堆，也可以整砌。 優(yōu)點(diǎn)：易于制造，價格低廉，且對它 的研究較為充分，所以在過去較長的 時間內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。 缺點(diǎn)：高徑比大，堆積時填料間易形 成線接觸，故液體常存在嚴(yán)重的溝流 和壁流現(xiàn)象。且拉西環(huán)填料的內(nèi)表面 潤濕率較低，因而傳質(zhì)速率也不高。 拉西環(huán)（Raschig ring）填料 最早使用的一種填料，為高徑比相等 的陶瓷和金屬等制成的空心圓環(huán)。 在拉西環(huán)基礎(chǔ)上衍生了環(huán)、十字環(huán)及螺旋環(huán)等，其基本改 進(jìn)是在拉西環(huán)內(nèi)

2、增加一結(jié)構(gòu)，以增大填料的比表面積。 鮑爾環(huán)（Pall ring）填料 在環(huán)的側(cè)壁上開一層或兩層長方形 小孔，小孔的母材并不脫離側(cè)壁而 是形成向內(nèi)彎的葉片。上下兩層長 方形小孔位置交錯。 鮑爾環(huán)填料的優(yōu)良性能使它一直為工業(yè)所重視，應(yīng)用十分廣 泛?？捎商沾?、金屬或塑料制成。 同尺寸的鮑爾環(huán)與拉西環(huán)雖有相同 的比表面積和空隙率，但鮑爾環(huán)在 其側(cè)壁上的小孔可供氣液流通，使 環(huán)的內(nèi)壁面得以充分利用。 比之拉西環(huán)，鮑爾環(huán)不僅具有較大 的生產(chǎn)能力和較低的壓降，且分離 效率較高，溝流現(xiàn)象也大大降低。 這樣的結(jié)構(gòu)使得階梯環(huán)填料的性能在鮑爾 環(huán)的基礎(chǔ)上又有提高，其生產(chǎn)能力可提高 約10%，壓降則可降低25%，且由

3、于填料 間呈多點(diǎn)接觸，床層均勻，較好地避免了 溝流現(xiàn)象。 階梯環(huán)填料（Stair ring） 階梯環(huán)填料的結(jié)構(gòu)與鮑爾環(huán)填料相似，環(huán) 壁上開有長方形小孔，環(huán)內(nèi)有兩層交錯 45的十字形葉片，環(huán)的高度為直徑的一 半，環(huán)的一端成喇叭口形狀的翻邊。 階梯環(huán)一般由塑料和金屬制成，由于其性能優(yōu)于其它側(cè)壁上 開孔的填料，因此獲得廣泛的應(yīng)用。 弧鞍形(Berl saddle)矩鞍形(Intalox saddle)填料 一種表面全部展開的具有馬鞍形狀的瓷質(zhì) 型填料 (馬鞍填料)?；“疤盍显谒?nèi)呈相 互搭接狀態(tài)，形成弧形氣體通道， 優(yōu)點(diǎn)：空隙率高，氣體阻力小，液體分布 性能較好，填料性能優(yōu)于拉西環(huán)。 矩鞍填料的兩端

4、為矩形，且填料兩面大小 不等?？朔嘶“疤盍舷嗷ブ丿B的缺點(diǎn)， 填料的均勻性得到改善。液體分布均勻， 氣液傳質(zhì)速率得到提高。瓷矩鞍填料是目 前采用最多的一種瓷質(zhì)填料。 缺點(diǎn)：相鄰填料易相互套疊，使填料有效表面降低，從而影 響傳質(zhì)速率。 優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絲細(xì)密，空隙很高，比表 面積很大。由于毛細(xì)管作用，填料 表面潤濕性能很好。故網(wǎng)體填料氣 體阻力小，傳質(zhì)速率高。 缺點(diǎn)：造價很高，故多用于實(shí)驗(yàn)室 中難分離物系的分離。 金屬英特洛克斯（Intalox）填料 有環(huán)形與鞍形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，生產(chǎn)能力大、壓 降低、液體分布性能好、傳質(zhì)速率高及操作 彈性大，在減壓蒸餾中其優(yōu)勢更為顯著。 與實(shí)體填料對應(yīng)的另一類填料為網(wǎng)體填料

5、。 有多種形式，如金屬絲網(wǎng)制成的網(wǎng)環(huán)和鞍型網(wǎng)等。 網(wǎng)體填料（Wire gauze packings） 2.規(guī)整填料 規(guī)整填料一般由波紋狀的金屬網(wǎng)絲或多孔板重疊而成。 使用時根據(jù)填料塔的結(jié)構(gòu)尺寸，疊成圓筒形整塊放入塔內(nèi)或 分塊拼成圓筒形在塔內(nèi)砌裝。 優(yōu)點(diǎn)：空隙大，生產(chǎn)能力大，壓降小。流道規(guī)則，只要液體 初始分布均勻，則在全塔中分布也均勻，因此規(guī)整填料幾乎 無放大效應(yīng)，通常具有很高的傳質(zhì)效率。 缺點(diǎn)：造價較高，易堵塞難清洗，因此工業(yè)上一般用于較難 分離或分離要求很高的情況。 規(guī)整填料 Corrugated Metal Plates Packings 6400金屬板波紋規(guī)整填料 300脈沖規(guī)整填料各

6、種陶瓷規(guī)整填料 (1)格柵填料 格柵填料是以條狀單元體經(jīng)一定規(guī)則組合而成的， 具有多種結(jié)構(gòu)形式。工業(yè)上應(yīng)用最早的格柵填料為 木格柵填料。目前應(yīng)用較為普遍的有格里奇格柵填 料、網(wǎng)孔格柵填料、蜂窩格柵填料等。格柵填料的 比表面積較低，主要用于要求壓降小、負(fù)荷大及防 堵等場合。 一、填料的類型 木格柵填料格里奇格柵填料 (2)波紋填料 目前工業(yè)上應(yīng)用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填 料，它是由許多波紋薄板組成的圓盤狀填料，波 紋與塔軸的傾角有30和45兩種，組裝時相鄰 兩波紋板反向靠疊。各盤填料垂直裝于塔內(nèi)，相 鄰的兩盤填料間交錯90排列。 波紋填料按結(jié)構(gòu)可分為網(wǎng)波紋填料和板波紋填 料兩大類。 一、填料的

7、類型 金屬孔板波紋填料金屬絲網(wǎng)波紋填料 陶瓷板波紋填料塑料板波紋填料 二、填料的性能及其評價 (1)比表面積 單位體積填料層的表面積稱為比表面積，以 表示，其單位為 m2/m3。 傳質(zhì)面積傳質(zhì)效率 流動阻力 生產(chǎn)能力 分析 t a t a t a 1.填料的幾何特性 (2)空隙率 單位體積填料層的空隙體積稱為空隙率，以 表示， 其單位為 m3/m3，或以%表示, = 0.450.95。 流動阻力塔壓降 生產(chǎn)能力 傳質(zhì)效率 流動阻力 分析 二、填料的性能及其評價 (3)填料因子 填料的比表面積與空隙率三次方的比值稱為填 料因子，以 表示，其單位為1/m。 3 t a 二、填料的性能及其評價 干填

8、料 因子 填料因子 干填料因子 濕填料因子 二、填料的性能及其評價 填料未被潤濕時的 ，反映填料的幾何特性。 3 t a 填料被液體潤濕后 ，反映填料的流體 力學(xué)性能。 3 t a 分析 傳質(zhì)效率 流動阻力 生產(chǎn)能力 t a 二、填料的性能及其評價 2.填料的性能評價 填料的性能評價指標(biāo) v 生產(chǎn)能力大 v 傳質(zhì)效率高 v 填料層壓降低 v 操作彈性大 v 造價低 9 種填料綜合性能評價 填料名稱 評估值 評 價 排序 絲網(wǎng)波紋填料 0.86 很好 1 孔板波紋填料 0.61 相當(dāng)好 2 金屬Intalox填料 0.59 相當(dāng)好 3 金屬鞍形環(huán)填料 0.57 相當(dāng)好 4 金屬階梯環(huán)填料 0.5

9、3 一般好 5 金屬鮑爾環(huán)填料 0.51 一般好 6 瓷Intalox填料 0.41 較好 7 瓷鞍形環(huán)填料 0.38 略好 8 瓷拉西環(huán)填料 0.36 略好 9 二、填料的性能及其評價 三、填料的選擇 1.填料類型的選擇 填料類型的選擇考慮因素 v 填料的傳質(zhì)效率要高 v 填料的通量要大 v 填料的壓降要低 v 填料抗污堵性能強(qiáng) v 填料便于拆裝、檢修 2.填料規(guī)格的選擇 散裝填料常用的規(guī)格（公稱直徑） DN16 DN25 DN38 DN50 DN76 (1)散裝填料規(guī)格的選擇 填料規(guī)格傳質(zhì)效率 填料層壓降 選擇原則：D/d 8 塔 徑 填料 公稱 直徑 三、填料的選擇 (2)規(guī)整填料規(guī)格的

10、選擇 規(guī)整填料常用的規(guī)格（比表面積） 125 150 250 350 500 700 同種類型的規(guī)整填料，其比表面積越大，傳 質(zhì)效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費(fèi)用 也明顯增加。故選用時，應(yīng)從分離要求、通量要 求、場地條件、物料性質(zhì)以及設(shè)備投資、操作費(fèi) 用等方面綜合考慮。 三、填料的選擇 8.7.1 塔填料 第八章 氣體吸收 8.7 填料塔 8.7.2 填料塔的流體力學(xué)性能與操作特性 一、填料塔的流體力學(xué)性能 填料層的持液量是指在一定操作的條件下，在 單位體積填料層內(nèi)所積存的液體體積。 持液量 總持液量 Ht 動持液量 Ho 靜持液量 Hs 1.填料層的持液量 HtHo Hs 填料液體/

11、33 mm 液體在填料層中的停留時間與持液量成正比，故熱敏 性物系分離不宜采用持液量大的填料。 對間歇蒸餾不宜采用持液量大的填料。 填料塔穩(wěn)定操作時持液量越小，靈敏度越高。 理想的操作：大傳質(zhì)表面，較小持液量。 分析 Ht 填料層 壓降 傳質(zhì)效率 生產(chǎn)能力 持液量對填料的壓降、氣液通量以及分離效率均有影響。 一、填料塔的流體力學(xué)性能 填料層的壓降形成 v 液膜與填料表面的摩擦 v 液膜與上升氣體的摩擦 u 一定L L 一定u 填料塔的流 體力學(xué)性能 分析 P P P ZP /u 單位高度 填料層壓 降 一、填料塔的流體力學(xué)性能 2.填料層的壓降 填料層的P u關(guān)系 液泛 區(qū) 載液 區(qū) 恒持 液

12、量 區(qū) 泛點(diǎn) 載點(diǎn) 二、填料塔的操作特性 氣液兩相的均勻分布是填料塔設(shè)計(jì)與操作中十 分重要的問題。 氣液 分布 初始分布 動態(tài)分布 1.填料塔內(nèi)的氣液分布 進(jìn)塔的氣液兩相通過分布裝置所進(jìn)行 的強(qiáng)制分布。 在一定的操作條件下，氣液兩相在填 料層內(nèi)，依靠自身性質(zhì)與流動狀態(tài)所 進(jìn)行的隨機(jī)分布。 2.液體噴淋密度與填料表面的潤濕 單位塔截面積上單位時間內(nèi)噴淋的液體體積 液體噴淋密度。 q U LV, 3600 m3/(m2h) 液體體積流量，m3/s 填料塔的截面積，m2 二、填料塔的操作特性 （1）液體噴淋密度 LV q , (2)最小液體噴淋密度 為保證填料層的充分潤濕，必須保證液體噴淋 密度大于

13、某一極限值 最小液體噴淋密度。 Umin tW aLU minmin )( 最小液體噴淋密度，m3/(m2h) 最小噴淋密 度計(jì)算式 最小潤濕速率，m3/(mh) 經(jīng)驗(yàn)值 二、填料塔的操作特性 min )( W L 在泛點(diǎn)氣速下，持液量的增多使液相由分散相 變?yōu)檫B續(xù)相，而氣相則由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?，此時 氣體呈氣泡形式通過液層，氣流出現(xiàn)脈動，液體被 帶出塔頂，塔的操作極不穩(wěn)定，甚至被破壞，此種 情況稱為液泛。 液泛時的空塔氣速泛點(diǎn)氣速 uF 二、填料塔的操作特性 3.液泛 (1)填料塔的液泛現(xiàn)象 uF 影響液泛 的因素 填料特性 流體物性 L L V 液氣比 分析 uF uF uF uF 二、填

14、料塔的操作特性 Vm Lm q q , , (2)影響液泛的因素 (3)泛點(diǎn)率 100 F u u 散裝填料50 規(guī)整填料60 85% 95% 二、填料塔的操作特性 為保證填料塔正常操作，其操作氣速應(yīng)低于泛 點(diǎn)氣速，操作氣速與泛點(diǎn)氣速的比值稱為泛點(diǎn)率。 安全系數(shù) uFu (4)泛點(diǎn)氣速的計(jì)算 二、填料塔的操作特性 貝恩霍根關(guān)聯(lián)式 8/14/1 , ,2 . 0 3 2 )()()(lg L V Vm Lm L L VtF q q KA a g u A、K 關(guān)聯(lián)式常數(shù)，由表 P778-9 查出。 ?？颂?Eckert)通用關(guān)聯(lián)圖 散裝填料的泛點(diǎn)氣速可用埃克特通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算。 ?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖 5

15、 . 0 , , )( L V Vm Lm q q 橫坐標(biāo) 縱坐標(biāo) 5 . 0 2 )( L L VFF g u L O 2 H 泛點(diǎn)填料因子 Uba F lglg 二、填料塔的操作特性 a、b 關(guān)聯(lián)式常數(shù)，由有關(guān)手冊查出。 為了工程計(jì)算方便，將散裝填料的泛點(diǎn)填料 因子進(jìn)行歸納整理，得到與液體噴淋密度無關(guān)的 泛點(diǎn)填料因子平均值，部分散裝填料的泛點(diǎn)填料 因子平均值見p79表8-10。 在填料塔內(nèi)，氣液兩相的逆流并不呈理想的活 塞流狀態(tài)，而是存在著不同程度的返混。 造成返混現(xiàn)象原因 返混的影響 傳質(zhì)推動力變小，傳質(zhì)效率降低放大效應(yīng)。 v 填料層內(nèi)的氣液分布不均 v 氣體和液體在填料層內(nèi)的溝流 v

16、氣液的湍流脈動使氣液微團(tuán)停留時間不一致 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 氣體吸收 8.7 填料塔 8.7.2 填料塔的流體力學(xué)性能與操作特性 8.7.3 填料塔的內(nèi)件 一、 填料支承裝置 填料支承裝置的作用是支承塔內(nèi)的填料。 填料支承 裝置類型 柵板型 孔管型 駝峰型 二、填料壓緊裝置 填料上方安裝壓緊裝置可防止在氣流的作用下 填料床層發(fā)生松動和跳動。 填料壓緊 裝置類型 柵板型 網(wǎng)板型 三、液體分布裝置 液體分布裝置作用是將進(jìn)塔液體均勻分布，以 噴灑在填料層的上方。 液體分布 裝置類型 噴頭式 盤式 管式 槽式 槽盤式 噴頭式液體分布器 盤式液體分布器 管

17、式液體分布器 槽式液體分布器 槽盤式液體分布器 四、液體收集及再分布裝置 液體沿填料層向下流動時，有偏向塔壁流動的 現(xiàn)象壁流。壁流導(dǎo)致填料層內(nèi)氣液分布不均，使 傳質(zhì)效率下降。為減小壁流現(xiàn)象，可間隔一定高度 在填料層內(nèi)設(shè)置液體再分布裝置。 液體收集及再 分布裝置類型 截錐式 斜板式 槽盤式液體分布器 截錐式液體收集及再分布器 斜板式液體收集器 課外資料：國內(nèi)常用的填料手冊 1. 李錫源等. 新型工業(yè)塔填料應(yīng)用手冊散裝填 料部分. 西安: 化學(xué)工業(yè)部第六設(shè)計(jì)院,1989 2. 劉乃鴻等. 工業(yè)塔新型規(guī)整填料應(yīng)用手冊. 天 津: 天津大學(xué)出版社,1993 3. 王樹楹等. 現(xiàn)代填料塔技術(shù)指南.北京:中國石 化出版社,1998 4. 徐崇嗣等. 塔填料產(chǎn)品及技術(shù)手冊.北京:化學(xué) 工業(yè)出版社,1995 練 習(xí) 題 目 思考題 1.填料塔的流體力學(xué)性能包括哪些方面，對填料 塔的傳質(zhì)過程有何影響？ 2.填料塔有哪些操作特性？ 3.最小液體噴淋密度表示何種意義？