1、2022-8-11第五节第五节 填料塔填料塔一、一、填料塔的结构与填料性能填料塔的结构与填料性能 二、二、填料塔的流体力学性能填料塔的流体力学性能 三、三、填料塔的附件填料塔的附件 第五章第五章吸 收2022-8-11填料塔简介填料塔简介（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一、填料塔的结构及填料性能2022-8-111 填料塔的结构填料塔的结构2022-8-11填料吸收塔远景图填料吸收塔远景图202
2、2-8-112022-8-112、填料塔的操作、填料塔的操作（1）填料塔的操作方式）填料塔的操作方式液体从塔顶经液体分布器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，经气体气体分布装置分布装置分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙空隙；在填料表面填料表面上，气液两相接触进行传质。2022-8-11X2Y1Y2X1（2）填料塔的操作特点）填料塔的操作特点填料塔属于微微分接触式分接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变连续变化化；在正常操作状正常操作状态态下，气相为气相为连连续相续相，液相为，液相为分分散相散相。2022-8-113、填料的作用、填料的作用 填料在填料塔操作中起着重
3、要作用作用。主要为：（1）液体润湿填料表面便增大了气液接触面积增大了气液接触面积；（2）延长了气液两相接触的时间时间；（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气相的湍动。增大了传质过程的总传质系数增大了传质过程的总传质系数。【制造填料的材料制造填料的材料】碳钢、不锈钢、陶瓷、高分子材料（如塑料）等。2022-8-114、填料类型、填料类型（1）散装填料）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具有一定几何形状和尺寸的颗粒体粒体，一般以随机的方式堆积随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆乱堆填料填料或颗粒填料颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，可分为可分为：拉西环拉西
4、环 鲍尔环鲍尔环 阶梯环阶梯环 弧鞍形弧鞍形 矩鞍形矩鞍形 金属环矩鞍形金属环矩鞍形 球形球形2022-8-11（2）规整填料）规整填料【定义定义】按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料几何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，据其几何结构，主要有：格栅填料格栅填料波纹填料波纹填料脉冲填料脉冲填料2022-8-11拉西环（拉西环（Rasching ring）【结构特点结构特点】外径与高度相等的圆环圆环。拉西环填料于1914年年由拉西（F.Rashching）发明。2022-8-11金属金属拉西环拉西环2022-8-11塑料塑料拉西环拉西环2022-8-11（1）拉西环是最早使用的最早使用的
5、人造填料人造填料（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壁流流和沟流沟流现象。（3）目前，拉西环填料在工业上的应用日趋减少。【拉西环的性能特点拉西环的性能特点】2022-8-11线接触线接触2022-8-11【沟流和壁流现象沟流和壁流现象】【沟流沟流】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并不能全部润湿填料表面，于是，液体只沿润湿表面流下液
6、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，又从某些接触点流填料自某些接触点得到液体，又从某些接触点流走液体走液体。液体来去之间总优先“走近路走近路”。可见，即使填料表面全部润湿，仍存在液流不均匀问题。2022-8-11【壁流壁流】液体有朝塔壁汇集的趋向，即存在“塔壁塔壁效应效应”。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，甚至出现干填料区干填料区。【沟流和壁流的影响沟流和壁流的影响】填料塔操作时
7、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，影响传质效果影响传质效果。2022-8-11【改进原因改进原因】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、液流过线接触会阻碍气、液流过。【改进方法改进方法】“截短”拉西环，即高径比为高径比为0.5的短的短管管。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。拉西环的改进拉西环的改进“截短截短”型拉西环型拉西环2022-8-11鲍尔环鲍尔环(Pall ring
8、)1948年出现的鲍尔环是对拉西环作出重大改拉西环作出重大改进进的一种填料。【结构特点结构特点】在侧壁上开出两排长方形的窗孔两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶舌叶。窗孔窗孔舌叶舌叶2022-8-11金属鲍尔环金属鲍尔环2022-8-11陶瓷鲍尔环陶瓷鲍尔环2022-8-11【鲍尔环的性能特点鲍尔环的性能特点】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、外壁使填料内、外壁面均成为有效传质区域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，传质效率提高传质效率提高30%左右左右。2022-8-112022-8-1
9、1阶梯环阶梯环(cascade mini rings)【结构特点结构特点】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高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边锥形翻边。锥形翻边锥形翻边2022-8-11陶瓷阶梯环陶瓷阶梯环2022-8-11【锥形翻边的作用锥形翻边的作用】（1）增加了填料的机械强度；（2）而且使填料之间由线接触线接触为主变成以点接触点接触为主，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有利于传质效率的提高。2022-8-112022-8-11【性能特点性能特点】（1）由于高径比高径比减少，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
10、料减少了气体通过填料层的阻力层的阻力。（2）阶梯环的性能略优于鲍尔环性能略优于鲍尔环，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。2022-8-11弧鞍与矩鞍（弧鞍与矩鞍（berl saddle and intolox saddle）1931年出现的这类填料称弧鞍形弧鞍形填料填料，是因形如马鞍而得名。【弧鞍形填料弧鞍形填料】2022-8-11【结构特点结构特点】这种填料层中主要为弧形的液体通道弧形的液体通道，填料层内的空隙空隙较环形填料（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。【性能特点性能特点】空隙率大，压降和传质单元高度低
11、，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。2022-8-11（1）1950年出现的矩鞍形填料矩鞍形填料是改进型填料；（2）其形状仍像马鞍，但做得较厚实厚实，形状比弧鞍形填料简单；（3）两个鞍形填料不论以何种方式接触都不会叠合不会叠合。（4）矩鞍形填料是当前矩鞍形填料是当前应用较多应用较多的一种填料的一种填料。【矩鞍形填料矩鞍形填料】2022-8-11矩鞍形填料矩鞍形填料2022-8-11波纹填料波纹填料 波纹整砌填料是我国开发成功并于1971年年应用的填料类型。【结构特点结构特点】由许多具有相同几何形状的填料单元体填料单元体波纹片波纹片相互平行、
12、叠加组成的圆柱状单元。2022-8-11陶瓷波纹填料陶瓷波纹填料2022-8-11塑料波纹填料塑料波纹填料2022-8-11波纹填料实物图波纹填料实物图2022-8-11【波纹填料的性能特点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极大的增大了气液两相的传质速率。【波纹填料的材料波纹填料的材料】碳钢、不锈钢、铝、陶瓷、玻璃钢及纸浸树脂等。2022-8-11（1）流通量大流通量大。新塔设计可缩小直径，老塔改造可大幅度增加处理量；（2）
13、分离效率高分离效率高，较散堆填料有大得多的比表面积；（3）压降低压降低，可节约大量能源；（4）操作弹性大操作弹性大，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：2022-8-115、填料的特、填料的特性性【定义定义】塔内单位体积填料层具有的填料表面积单位体积填料层具有的填料表面积，m2/m3。【影响影响】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比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标能优劣的一个重要指标。（1）比表面积）比表面积a2022-8-1
14、1【两点说明两点说明】（1）操作中有部分填料表面不被润湿，以致比表面积比表面积中只有某个分率的面积才是中只有某个分率的面积才是润湿面积润湿面积。据资料介绍资料介绍，填料真正润湿的表面积（有效有效表面积表面积）只占全部填料表面积的（2050）%。2022-8-11（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，气液趋于平衡态气液趋于平衡态，在塔内几乎不构成有效传质区。【结论结论】填料的比表面积并非有效的传质面积有效的传质面积。2022-8-11【定义定义】塔内单位体积填料层具有的空隙体积单位体积填料层具有的空隙体积，m2/m3。【影响
15、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评价填料性能优劣劣的又一重要指标。（2）空隙率空隙率2022-8-11（3）填料因子）填料因子【定义定义】比表面积a与空隙率 所组成的复合量a/3。干填料因子干填料因子 填料未被液体润湿时的a/3称为干填干填料因子料因子，它反映了填料的几何特性填料的几何特性；湿填料因子湿填料因子 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称为湿填料因湿填料因子，用子，用表示表示。其单位为1/m。湿填料因子湿填料因子反映了填料的流体力学性能，空
16、隙率 越大，值越小，表明流动阻力越小。2022-8-11（1）填料因子反映某种填料所构成的填料层中流体流体通道的特性通道的特性；（2）填料因子是表示填料层阻力与液泛条件的重要填料因子是表示填料层阻力与液泛条件的重要参数参数，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确定泛点气速空塔气速空塔气速填填料塔的直径料塔的直径。【填料因子的用途填料因子的用途】2022-8-116、填料的性能评价、填料的性能评价【评价依据评价依据】填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素三要素衡量。（1）效率要高效率要高。在相同的操作
17、条件下，填料的比表比表面积越大面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好润湿性能越好，则传质效率越高；（2）通量（处理量）要大，压降要小通量（处理量）要大，压降要小。填料的空隙空隙率越大率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。2022-8-11填料名称填料名称评估值评估值语言值语言值排序排序丝网波纹填料丝网波纹填料0.86很好1孔板波纹填料孔板波纹填料0.61相当好2金属金属Intalox0.59相当好3金属鞍形环金属鞍形环0.57相当好4金属阶梯环金属阶梯环0.53一般好5金属鲍尔环金属鲍尔环0.51 一般好6瓷瓷Intalox0.41 较好 7瓷鞍形环瓷鞍形环0.38略好8瓷拉西环瓷
18、拉西环0.36略好92022-8-11二、填料层内气液两相的流体力学特性二、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、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。【定义定义】单位体积填料层内所积存的液体体积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。2022-8-11 一般来说，适当的持液量适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益有益的，可以提供更大的气液相接触面积；但持液量过大持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流
19、通截面，使压降增大，处理能力下降。【结论结论】持液量不宜太小，也不宜太大持液量不宜太小，也不宜太大。【持液量的影响持液量的影响】2022-8-112、填料层的压降、填料层的压降【产生原因产生原因】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，上升气上升气体与下降液膜的体与下降液膜的摩擦阻力摩擦阻力形成了填料层的压降形成了填料层的压降。【影响因素影响因素】压降与液体喷淋量及气速有关与液体喷淋量及气速有关：（1）一定的气速一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；（2）在一定的液体喷淋量一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。2022-8-11【构成构成】将不同液体喷淋量下
20、的单位高度填料层的压降P/Z与空塔气速空塔气速u的关系标绘在对数坐标对数坐标纸上，所得到的曲线簇。【填料层压降填料层压降P/Z与空塔气速与空塔气速u的关系曲线图的关系曲线图】【空塔气速空塔气速】气体的体积流量除以塔截面积所得的流速。空塔气速空塔气速2022-8-11（1）干填料压降线）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/Zu关系，称为干填料压降线。【特点特点】P/Zu为线性关系。空塔气速空塔气速2022-8-11（2）填料操作压降线）填料操作压降线【构成构成】在不同液体喷淋量下，填料层的P/Zu关系，称为填料操作压降线。【特点特点】在一定的喷淋量下，P/Z随空塔
21、气速的变化曲线大致可分为三段曲线大致可分为三段（三个区域）（三个区域）。空塔气速空塔气速液体喷淋量液体喷淋量 L3L2L12022-8-11【特点特点】三个区域内三个区域内的的压降压降与与空塔气速空塔气速之之间的关系不同。间的关系不同。【现象现象】两个拐点；三个区域。两个拐点；三个区域。2022-8-11（3）恒持液量区）恒持液量区【原因原因】当气速低于载点载点时，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持液量不变。【特点特点】此时P/Zu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与干填料压降线平行。2022-
22、8-11（4）载液区）载液区 当气速超过载点气速超过载点时时，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持液量随气速的增加而增大而增大，此现象称为拦液拦液。开始发生拦液现象时的空塔气速称为载点气速载点气速，曲线上的转折点称为载点载点。载点气速载点气速【有关规律有关规律】载点气速随喷淋量增大而减小。2022-8-11（5）液泛区）液泛区 若气速继续增大，到达泛点泛点时，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泛点气速，
23、以uF表示，曲线上的拐点称为泛点泛点。【填料塔的正常操作范围填料塔的正常操作范围】从载点到泛点的载液区载液区，是填料塔的正常操作范围。泛点气速泛点气速2022-8-113、填料塔的液泛、填料塔的液泛【现象现象】在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散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淹塔或液泛。【危害危害】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。2022-8-11正常操作
24、时的填料塔正常操作时的填料塔【特点特点】气体为分散相，液体为连续相。2022-8-11填料塔的液泛现象填料塔的液泛现象2022-8-11三、填料塔的附件三、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。2022-8-111、填料支承装置、填料支承装置【作用作用】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。2022-8-11栅板式填料支撑装置栅板式填料支撑装置2022-8-
25、11梁（气体喷射）式填料支撑装置梁（气体喷射）式填料支撑装置2022-8-11升气管式填料支撑装置升气管式填料支撑装置2022-8-112、填料压紧装置、填料压紧装置【作用作用】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填料破碎或带走带走。【分类分类】填料压紧装置分为填料压板填料压板和床层限制板床层限制板两大类，每类又有不同的型式。填料压板自由放置于填料层上端自由放置于填料层上端，靠自身重量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）填料压板2022-8-11各种填料压板各种填料压板【特点特点】无需固定，产生的压强为1100Pa左右。202
26、2-8-11【使用对象使用对象】床层限制板用于用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。【使用方法使用方法】床层限制板要固定在塔壁上固定在塔壁上，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，对于小塔小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔大塔则用支耳固定。【特点特点】产生的压强为300Pa左右。（2）床层限制板）床层限制板2022-8-11床层限制板床层限制板2022-8-113、液体分布装置、液体分布装置【分类分类】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。【作用作用】使加入到塔内的吸收剂分布均匀。2022-8-11【应用应用】一般用于直径600mm以下的塔。莲蓬式喷洒器莲蓬式喷洒器2022-8-11盘式液体分布器盘式液体分布器【应用应用】分布盘直径为塔径的0.60.8倍，此种分布器用于D1200mm的大塔。2022-8-11【特点特点】两个拐两个拐点；三个区域。点；三个区域。
