78填料塔

返回北京化工大学化工原理电子课件110.2填料塔10.2.1填料塔的结构及填料特性一、填料塔结构7653421液体气体8塔体：圆筒形，金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。填料：散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。塔内件：填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。返回北京化工大学化工原理电子课件2二、填料的作用与性能操作原理：液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。1、作用：提供传质面积；促使分散、湍动、液膜更新。流体力学和传质性能与填料材质、大小和几何形状紧密相关，材质一定，表征填料特性数据主要有：2、填料特性返回北京化工大学化工原理电子课件3比表面积a：单位体积填料层所具有的表面积(m2/m3)。被液体润湿的填料表面就是气液两相的接触面。大的a和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。对同种填料，填料尺寸越小，a越大，但气体流动的阻力也要增加。空隙率：单位体积填料所具有的空隙体积(m3/m3)。代表的是气液两相流动的通道，大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。=0.45~0.95。填料因子：填料比表面积与空隙率三次方的比值(1/m)，a/3，表示填料的流体力学性能，值越小，流动阻力越小。有干填料因子与湿填料因子之分。返回北京化工大学化工原理电子课件4堆积密度p：单位体积填料的质量(kg/m3)。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小填料的堆积密度，从而既可降低成本又可增加空隙率。机械强度大，化学稳定性好以及价格低廉等也是优良填料应尽量兼有的性质。注意：一些难以定量表达的因素(几何形状)对填料的流体力学和传质性能也有重要的影响。新型填料的开发一般是改进填料几何形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。返回北京化工大学化工原理电子课件5三、常用填料环形（拉西环、鲍尔环、阶梯环）鞍形（矩鞍形、弧鞍形）波纹形（板波纹、网状波纹）形状堆放：整砌、乱堆材料：陶瓷、金属、塑料返回北京化工大学化工原理电子课件6拉西环（Raschigring）填料拉西环优点：易于制造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用。缺点：高径比大，堆积时填料间易形成线接触，故液体常存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高。最早使用的一种填料，为高径比相等的陶瓷和金属等制成的空心圆环。在拉西环基础上衍生了θ环、十字环及螺旋环等，其基本改进是在拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积。环返回北京化工大学化工原理电子课件7鲍尔环（Pallring）填料在环的侧壁上开一层或两层长方形小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。上下两层长方形小孔位置交错。鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使环的内壁面得以充分利用。具有较大生产能力和较低压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。鲍尔环返回北京化工大学化工原理电子课件8阶梯环在鲍尔环基础上其生产能力提高约10%，压降降低25%，因填料间呈多点接触，床层均匀，避免了沟流现象。阶梯环填料（Stairring）环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错45°的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。返回北京化工大学化工原理电子课件9弧鞍形(Berlsaddle)矩鞍形(Intaloxsaddle)填料表面全部展开具有马鞍形状瓷质型填料(马鞍填料)。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道，优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，填料性能优于拉西环。矩鞍填料的两端为矩形，且填料两面大小不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，填料均匀性得到改善。液体分布均匀，气液传质速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多一种瓷质填料。缺点：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影响传质速率。鞍形环返回北京化工大学化工原理电子课件10优点：网丝细密，空隙很高，比表面积很大。由于毛细管作用，填料表面润湿性能很好。故网体填料气体阻力小，传质速率高。缺点：造价很高，故多用于实验室中难分离物系的分离。金属英特洛克斯（Intalox）填料有环形与鞍形的结构特点，生产能力大、压降低、液体分布性能好、传质速率高及操作弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。金属丝网制成的网环和鞍型网等。网体填料（Wiregauzepackings）返回北京化工大学化工原理电子课件11规整填料由波纹状金属网丝或多孔板重叠而成。使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。优点：空隙大，生产能力大，压降小。流道规则，只要液体初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。缺点：造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。板波纹丝网波纹返回北京化工大学化工原理电子课件12CorrugatedMetalPlatesPackings6400金属板波纹规整填料300脉冲规整填料各种陶瓷规整填料返回北京化工大学化工原理电子课件1310.2.2填料塔的水力学特性填料塔效率主要取决于填充填料流体力学性能和传质性能。压降、液泛气速、持液量及气液分布对填料塔的设计和操作参数的确定至关重要。一、压降载液区CC’BB’AA’L=0L1L2lgulgp载点气速液泛气速有一定持液量，p~u不再为简单直线关系(喷淋密度为L1、L2曲线)，存在两个较明显转折点。干填料层压降p与空塔气速u关系在双对数坐标上直线，斜率1.8~2.0。返回北京化工大学化工原理电子课件14载点(B)后，持液量，气液相互作用，相界面积，湍动增强，传质过程，填料效率(HETP)；载液和液泛对传质的影响：气速较低，气液相互影响小，一定液体喷淋密度，填料持液量与气速无关，压降与气速关系直线且与L=0直线平行。填料塔的操作一般控制在偏离泛点一定距离的载液区内，这样，既可得到较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。C点后，u↑↑，塔内液泛，ΔP∼u斜率急剧增加,使填料塔不能正常操作。泛点气速：与泛点线相对应的空塔气速为空塔液泛气速。返回北京化工大学化工原理电子课件15二、泛点气速的计算GG,GL：气体和液体质量流速，kg/(m2.s)；u：空塔气速，m/s；V,L：气体和液体的密度，kg/m3；L：液体的粘度，mPa.s；：湿填料因子(泛点填料因子)，1/m；：液体密度校正系数(水与液相密度之比=/L)。5.0LVGLGG2.02LLVgu返回北京化工大学化工原理电子课件16三、持液量填料的持液量：操作时单位体积填料在表面和空隙中所积存的液体体积量。由静持液量和动持液量两部分组成。动持液量：停止气液两相进料后从填料中排放出来的液体。静持液量：液体排放完后仍保留在填料层内的那部分液体。持液量对填料的压降、气液通量以及分离效率均有影响。液体在填料层中的停留时间与持液量成正比，故热敏性物系分离不宜采用持液量大的填料。对间歇蒸馏不宜采用持液量大的填料。填料塔稳定操作时持液量越小，灵敏度越高。理想的操作：大传质表面，较小持液量。返回北京化工大学化工原理电子课件1710.2.3填料塔的附属结构1.填料支承板（Packingsupportplate）填料支承装置、液体分布及再分布装置、气体进口分布装置及出口除沫装置等。用以支承填料的部件。它应具有：(1)足够的机械强度以承受设计载荷量，支承板的设计载荷主要包括填料的重量和液泛状态下持液的重量。(2)足够的自由面积以确保气、液两相顺利通过。总开孔面积应尽可能不小于填料层的自由截面积。开孔率过小可导致液泛提前发生。一般开孔率在70%以上。常用的支承板有栅板、升气管式和气体喷射式等类型。返回北京化工大学化工原理电子课件18栅板升气管式气体喷射式返回北京化工大学化工原理电子课件192.液体分布器（Liquiddistributor）压力型多孔管式分布器：有环形和梯形两种。优点：结构简单、造价低、易于支承。自由面积较大(一般在70%以上)，气体阻力小，适用于气体流量很大的场合。其操作弹性在2:1~2.5:1之间。缺点：也存在小孔易堵塞的问题，故被喷淋的液体不能有固体颗粒或悬浮物。槽式溢流分布器二级槽式液体分布器压力型多孔管式分布器返回北京化工大学化工原理电子课件203.液体再分布器（Liquidredistributor）随液体流经的填料层厚度的增加，偏流程度增加，液体的大尺度不良分布就越严重。解决方法：每隔一定高度设置一液体再分布器。偏流效应越严重，设置液体再分布器的填料间隔应越小，如拉西环每段填料高度一般约为塔径的3倍，而鲍尔环和鞍形填料可分为塔径的5~10倍。再分布器的形式：有盘式、槽式及截锥式等。盘式液体再分布器截锥式再分布器返回北京化工大学化工原理电子课件214..气体分布器（Gasdistributor）对于直径小于3000塔，可采用单管底部双排孔分布器。不仅气体分布均匀、阻力小，而且结构简单、造价低。超过3000塔可采用多排管式或升气管式气体分布器。还可以采用双效气体分布器，既提供良好的气体分布，又具有较高的传质效率。返回北京化工大学化工原理电子课件225.除沫器（Demister）当塔内气速较高，液沫夹带较严重时，在塔顶气体出口处需设置除沫装置。返回北京化工大学化工原理电子课件2310.2.4板式塔与填料塔比较一、板式塔1、适用于塔径较大；2、所需传质单元数或理论板数较多；3、热量需从塔内移除；4、适于较小液量；5、适于处理有悬浮物的液体；6、板式塔便于侧线采出。返回北京化工大学化工原理电子课件24二、填料塔1、适用于处理有腐蚀性的物料；2、填料塔压力降较小，适用于真空蒸馏；3、适用于间歇蒸馏或热敏性物料的蒸馏；4、适用于处理易发泡的液体。