填料塔吸收塔課件

填料塔吸收塔課件第一頁，共七十頁，2022年，8月28日填料塔一.填料塔的結(jié)構(gòu)與特點二.填料的類型及性能評價.三.填料塔的流體力學(xué)性能四.填料塔的內(nèi)件第二頁，共七十頁，2022年，8月28日一.填料塔的結(jié)構(gòu)與特點

1.填料塔的結(jié)構(gòu)填料層：提供氣液接觸的場所。液體分布器：均勻分布液體，以避免發(fā)生溝流現(xiàn)象。液體再分布器：避免壁流現(xiàn)象發(fā)生。支撐板：支撐填料層，使氣體均勻分布。除沫器：防止塔頂氣體出口處夾帶液體。第三頁，共七十頁，2022年，8月28日第四頁，共七十頁，2022年，8月28日氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。第五頁，共七十頁，2022年，8月28日當液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當填料層較高時，需要進行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。第六頁，共七十頁，2022年，8月28日2.填料塔的特點(與板式塔相比)優(yōu)點：生產(chǎn)能力大。填料塔內(nèi)件開孔率大，空隙率大，液泛點高。分離效率高。填料塔每米理論級遠大于板式塔，尤其在減壓及常壓條件下。壓降小?？障堵矢?，阻力小。持液量小。操作彈性大。

第七頁，共七十頁，2022年，8月28日缺點：填料造價高；當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側(cè)線進料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等。第八頁，共七十頁，2022年，8月28日填料作用提供氣液接觸面積；強化氣體湍動，降低氣相傳質(zhì)阻力；更新液膜表面，降低液相傳質(zhì)阻力。第九頁，共七十頁，2022年，8月28日二.填料的類型及性能評價1填料（packings）的類型1).分類按填料形狀分：網(wǎng)體填料實體填料按填料的裝填方式分：散裝填料規(guī)整填料第十頁，共七十頁，2022年，8月28日按材質(zhì)分：金屬填料塑料填料陶瓷填料石墨填料第十一頁，共七十頁，2022年，8月28日2).常用的幾種填料①拉西環(huán)(Raschingring)：拉西環(huán)是工業(yè)上最早使用的一種填料，為外徑與高度相等的圓環(huán)，通常由陶瓷或金屬材料制成。拉西環(huán)環(huán)第十二頁，共七十頁，2022年，8月28日拉西環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但堆積時相鄰環(huán)間易形成線接觸，填料層的均勻性差，因而存在嚴重的向壁偏流和溝流現(xiàn)象，致使傳質(zhì)效率低。而且流動阻力大，操作范圍小。其改善方面有θ形、十字格形的拉西環(huán)。

第十三頁，共七十頁，2022年，8月28日拉西環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但堆積時相鄰環(huán)間易形成線接觸，填料層的均勻性差，因而存在嚴重的向壁偏流和溝流現(xiàn)象，致使傳質(zhì)效率低。而且流動阻力大，操作范圍小。其改善方面有θ形、十字格形的拉西環(huán)。

第十四頁，共七十頁，2022年，8月28日②鮑爾環(huán)(pallring)：鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的壁上開一層或兩層長方形窗口，窗孔的母材兩層交錯地彎向環(huán)中心對接。這種結(jié)構(gòu)使填料層內(nèi)氣、液分布性能大為改善，尤其是環(huán)的內(nèi)表面得到充分利用。第十五頁，共七十頁，2022年，8月28日與同樣尺寸的拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣液通量可提高50%，而壓降僅為其一半，分離效果也得到提高。其改進為階梯形鮑爾環(huán)，圓筒部分的一端制成喇叭口形狀。這樣填料間呈現(xiàn)點接觸，床層均勻且空隙率大，與鮑爾環(huán)相比氣體阻力減少25%，生產(chǎn)能力提高10%。

第十六頁，共七十頁，2022年，8月28日③階梯環(huán)：鮑爾環(huán)基礎(chǔ)上改造得出的。環(huán)壁上開有窗孔，其高度為直徑的一半。由于高徑比的減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了阻力。第十七頁，共七十頁，2022年，8月28日喇叭口一邊，不僅增加機械強度，而且使填料之間為點接觸，有利于液膜的匯集與更新，提高了傳質(zhì)效率。目前所使用的環(huán)型填料中最為優(yōu)良的一種。第十八頁，共七十頁，2022年，8月28日④弧鞍型(berlsaddle)

：表面全部敞口，不分內(nèi)外，液體在表面兩側(cè)均勻流動，表面利用率高，流動呈弧形，氣體阻力小。但兩面對稱有重疊現(xiàn)象，容易產(chǎn)生溝流。強度差，易破碎。應(yīng)用較少。第十九頁，共七十頁，2022年，8月28日⑤矩鞍型(intoloxsaddle)：矩鞍形填料結(jié)構(gòu)不對稱，堆積時不重疊，均勻性更高。該填料氣流阻力小，處理能力大，性能雖不如鮑爾環(huán)好，但構(gòu)造簡單，是一種性能優(yōu)良的填料。

第二十頁，共七十頁，2022年，8月28日⑥環(huán)矩鞍(Intalox)：兼具環(huán)型、鞍型填料的優(yōu)點。敞開的側(cè)壁有利于氣體和液體通過，減少了填料層內(nèi)滯液死區(qū)。填料層內(nèi)流體孔道增多，使氣液分布更加均勻，傳質(zhì)效率得以提高。一般采用金屬材質(zhì)，機械強度高。第二十一頁，共七十頁，2022年，8月28日⑦球型：球體為空心，氣體和液體從其內(nèi)部經(jīng)過。由于球體結(jié)構(gòu)的對稱性，填料裝填密度均勻，不易產(chǎn)生空穴和架橋，故氣液分散性能好。常采用塑料材質(zhì)。一般用于特定場合，工程上應(yīng)用較少。第二十二頁，共七十頁，2022年，8月28日⑧格柵填料：以條狀單元體經(jīng)一定規(guī)則組合而成，其結(jié)構(gòu)隨條狀單元體的形式和組合規(guī)則而變，具有多種結(jié)構(gòu)形式。特點是比表面積較低，主要用于低壓降、大負荷、防堵的場合。木格柵填料格里奇格柵填料第二十三頁，共七十頁，2022年，8月28日⑨波紋填料：波紋填料是由許多層波紋薄片組成，各片高度相同但長短不等，搭配組合成圓盤狀，填料波紋與水平方向成45°傾角，相鄰兩片反向重疊使其波紋互相垂直。圓盤填料塊水平放入塔內(nèi)，相鄰兩圓盤的波紋薄片方向互成90°角。金屬絲網(wǎng)波紋填料金屬孔板波紋填料第二十四頁，共七十頁，2022年，8月28日波紋填料因波紋薄片的材料與形狀不同分成板波紋填料和網(wǎng)波紋填料。板波紋填料可由陶瓷、塑料、金屬、玻璃鋼等材料制成。填料的空隙率大，阻力小，流體通量大、效率高，而且制造方便、價格低，正向通用化、大型化方向發(fā)展。

第二十五頁，共七十頁，2022年，8月28日⑩脈沖填料：是由帶縮頸的中空棱柱形單體，按一定方式拼裝而成的一種規(guī)則填料。脈沖填料組裝后，會形成帶鎖頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收縮和擴大，氣液兩相通過時產(chǎn)生強烈的湍動，在縮頸處，氣速最高，湍動劇烈，從而強化傳質(zhì)，在擴大段，氣速減到最小，實現(xiàn)兩相的分離。第二十六頁，共七十頁，2022年，8月28日流道收縮、擴大的交替重復(fù)，實現(xiàn)了“脈沖”傳質(zhì)過程。特點是處理量大，壓降小。適用于真空精餾，大塔徑場合。第二十七頁，共七十頁，2022年，8月28日2填料的性能評價1.填料的幾何特性（1）比表面積α：單位體積填料層具有的填料表面積，m2/m3。填料的比表面積愈大，所提供的氣液傳質(zhì)面積愈大，愈有利于傳質(zhì)。是評價填料性能優(yōu)劣的重要指標。第二十八頁，共七十頁，2022年，8月28日〖說明〗操作中有部分填料表面不被潤濕，以致比表面積中只有某個分率的面積才是潤濕面積。據(jù)資料介紹，填料真正潤濕的表面積只占全部填料表面積的20～50%。有的部位填料表面雖然潤濕，但液流不暢，液體有某種程度的停滯現(xiàn)象。這種停滯的液體與氣體接觸時間長，氣液趨于平衡態(tài)，在塔內(nèi)幾乎不構(gòu)成有效傳質(zhì)區(qū)。為此，須把比表面積與有效的傳質(zhì)比表面積加以區(qū)分。第二十九頁，共七十頁，2022年，8月28日（2）空隙率ε：單位體積填料層具有的空隙體積，m3/m3。值大則氣體通過填料層的阻力小，故ε值以高為宜。重要指標。對于亂堆填料，當塔徑與填料尺寸之比大于8時，因每個填料在塔內(nèi)的方位是隨機的，填料層的均勻性較好，這時填料層可視為各向同性，填料層的空隙率就是填料層內(nèi)任一橫截面的空隙截面分率。第三十頁，共七十頁，2022年，8月28日（3）填料因子φ：比表面積與空隙率三次方的比值，α/ε3稱為干填料因子，1/m，它反映特定結(jié)構(gòu)和尺寸填料的綜合流體力學(xué)性能。當填料被液體潤濕后，a與ε均發(fā)生相應(yīng)的變化，此時的α/ε3稱為濕填料因子，表示實際操作時填料的流體力學(xué)特性，其值由實驗測定。填料因子值小表示流動阻力小，液泛速度可以提高。：第三十一頁，共七十頁，2022年，8月28日（4）堆積密度ρp：單位體積填料的質(zhì)量，以表示，kg/m3。在機械強度允許的條件下，填料壁要盡量薄以減小堆積密度，這樣既增大了空隙率又降低成本。

第三十二頁，共七十頁，2022年，8月28日（5）個數(shù)n：單位體積填料層具有的填料個數(shù)。根據(jù)計算出的塔徑與填料層高度，再根據(jù)所選填料的n值，即可確定塔內(nèi)需要的填料數(shù)量。一般要求塔徑與填料尺寸之比D/d<8（此比值在8～15之間為宜），以便氣、液分布均勻。若D/d>8，在近塔壁處填料層空隙率比填料層中心部位的空隙率明顯偏高，會影響氣液的均勻分布。若D/d值過大，即填料尺寸偏小，氣流阻力增大。第三十三頁，共七十頁，2022年，8月28日2.填料的性能評價填料性能的優(yōu)劣常根據(jù)效率、通量及壓降三要素衡量。相同條件下，比表面積愈大，氣液分布愈均勻，表面的潤濕性能愈優(yōu)良，傳質(zhì)效率愈高；空隙率愈大，則通量愈大，壓降也愈低。常用填料綜合性能評價見P269表4-5。第三十四頁，共七十頁，2022年，8月28日三.填料塔的流體力學(xué)性能包括填料層的持液量、填料層的壓降、液泛、填料表面的潤濕及返混等。1.填料層的持液量指在一定操作條件下，在單位體積填料層內(nèi)所積存的液體體積，以(m3液體)/(m3填料)表示。第三十五頁，共七十頁，2022年，8月28日持液量分為靜持液量Hs、動持液量Ho和總持液量Ht。靜持液量是指當填料被充分潤濕后，停止氣液兩相進料，并經(jīng)排液至無滴液流出時存留于填料層中的液體量，其取決于填料和流體的特性，與氣液負荷無關(guān)。第三十六頁，共七十頁，2022年，8月28日動持液量是指填料塔停止氣液兩相進料時流出的液體量，它與填料、液體特性及氣液負荷有關(guān)?？偝忠毫渴侵冈谝欢ú僮鳁l件下存留于填料層中的液體總量。顯然，總持液量為靜持液量和動持液量之和，即第三十七頁，共七十頁，2022年，8月28日填料層的持液量可由實驗測出，也可由經(jīng)驗公式計算。一般來說，適當?shù)某忠毫繉μ盍纤僮鞯姆€(wěn)定性和傳質(zhì)是有益的，但持液量過大，將減少填料層的空隙和氣相流通截面，使壓降增大，處理能力下降。第三十八頁，共七十頁，2022年，8月28日

2.填料層的壓降在逆流操作的填料塔中，從塔頂噴淋下來的液體，依靠重力在填料表面成膜狀向下流動，上升氣體與下降液膜的摩擦阻力形成了填料層的壓降。第三十九頁，共七十頁，2022年，8月28日填料層壓降與液體噴淋量及氣速有關(guān)，在一定的氣速下，液體噴淋量越大，壓降越大；在一定的液體噴淋量下，氣速越大，壓降也越大。將不同液體噴淋量下的單位填料層的壓降ΔP/Z與空塔氣速u的關(guān)系標繪在對數(shù)坐標紙上，可得到如圖示的線群。第四十頁，共七十頁，2022年，8月28日4.2.3填料塔的流體力學(xué)性能(續(xù))在圖中，直線0表示無液體噴淋（L=0）時，干填料△P/Z～u關(guān)系，稱為干填料壓降線，直線，斜率為1.8～2.0。載點泛點恒持液量區(qū)載液區(qū)液泛區(qū)第四十一頁，共七十頁，2022年，8月28日曲線1、2、3表示不同液體噴淋量下，填料層的△P/Z～u關(guān)系，稱為填料操作壓降線，折線，存在兩轉(zhuǎn)折點，下轉(zhuǎn)折點稱“載點”，上轉(zhuǎn)折點稱“泛點”。這兩個點將△P/Z～u線群分成三個區(qū)段，即恒持液量區(qū)、載液區(qū)和液泛區(qū)。第四十二頁，共七十頁，2022年，8月28日①恒持液量區(qū)氣速較低時，液體向下流動不受氣流的影響，填料表面上覆蓋的液膜厚度基本不變，因而填料層的持液量不變。在同一空塔氣速下，由于濕填料層內(nèi)所持液體量占據(jù)一定空間，故使氣體的真實速度較通過干填料層的速度高，因而壓降也大，此時△P/Z～u位于干填料壓降線的左側(cè)，且二者平行。載點泛點恒持液量區(qū)載液區(qū)液泛區(qū)第四十三頁，共七十頁，2022年，8月28日②載液區(qū)氣速增大，氣體對液膜流動產(chǎn)生阻滯作用，使液膜增厚，填料層的持液量隨氣速的增加而增大，此現(xiàn)象稱為攔液。開始發(fā)生攔液現(xiàn)象時的空塔氣速稱為載點氣速，超過載點后，曲線斜率大于2。第四十四頁，共七十頁，2022年，8月28日4.2.3填料塔的流體力學(xué)性能(續(xù))③液泛區(qū)氣速繼續(xù)增大，由于液體不能順利向下流動，使填料層的持液量不斷增大，填料層內(nèi)幾乎充滿液體。氣速增加很小便會引起壓降的劇增，此現(xiàn)象稱為液泛，開始發(fā)生液泛現(xiàn)象時的氣速稱為泛點氣速，以uF表示。此區(qū)域內(nèi)曲線斜率可達10以上。

載點泛點恒持液量區(qū)載液區(qū)液泛區(qū)第四十五頁，共七十頁，2022年，8月28日應(yīng)予指出，在同樣的氣液負荷下，不同填料的△P/Z～u關(guān)系曲線有所差異，但其基本形狀相近。對于某些填料，載點與泛點并不明顯，故上述三個區(qū)域間無截然的界限。第四十六頁，共七十頁，2022年，8月28日3.液泛在泛點氣速下，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，液體被大量帶出塔頂，塔的操作極不穩(wěn)定，甚至?xí)黄茐模朔N情況稱為淹塔或液泛。影響液泛的因素很多，如填料的特性、流體的物性及操作的液氣比等。第四十七頁，共七十頁，2022年，8月28日填料特性的影響集中體現(xiàn)在填料因子上。填料因子值越小，泛點氣速越大，即越不易發(fā)生液泛現(xiàn)象。流體物性的影響體現(xiàn)在氣體密度ρV、液體的密度ρL和粘度μL上。氣體密度越小，液體的密度越大、粘度越小，則泛點氣速越大。操作的液氣比愈大，則在一定氣速下液體噴淋量愈大，填料層的持液量增加而空隙率減小，故泛點氣速愈小。第四十八頁，共七十頁，2022年，8月28日4.液體噴淋密度和填料表面的潤濕填料塔中氣液兩相間的傳質(zhì)主要是在填料表面流動的液膜上進行的。要形成液膜，填料表面必須被液體充分潤濕，而填料表面的潤濕狀況取決于塔內(nèi)的液體噴淋密度及填料材質(zhì)的表面潤濕性能。式中Umin——最小噴淋密度，m3/（m2·h）；

(LW)min——最小潤濕速率，m3/（m·h）；

α——填料的比表面積，m2/m3。第四十九頁，共七十頁，2022年，8月28日液體噴淋密度是指單位塔截面積上，單位時間內(nèi)噴淋的液體體積，以U表示，單位為m3/(m2·h)。為保證填料層的充分潤濕，必須保證液體噴淋密度大于某一極限值，該極限值稱為最小噴淋密度，以Umin表示。第五十頁，共七十頁，2022年，8月28日填料表面潤濕性能與填料的材質(zhì)有關(guān)，就常用的陶瓷、金屬、塑料三種材質(zhì)而言，以陶瓷填料的潤濕性能最好，塑料填料的潤濕性能最差。第五十一頁，共七十頁，2022年，8月28日實際操作時采用的液體噴淋密度應(yīng)大于最小噴淋密度。若噴淋密度過小，可采用增大回流比或采用液體再循環(huán)的方法加大液體流量，以保證填料表面的充分潤濕；也可采用減小塔徑予以補償；對于金屬、塑料材質(zhì)的填料，可采用表面處理方法，改善其表面的潤濕性能。第五十二頁，共七十頁，2022年，8月28日最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經(jīng)驗公式計算，也可采用經(jīng)驗值。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(LW)min為0.08m3/（m·h）；對于直徑大于75mm的散裝填料，取(LW)min=0.12m3/（m·h）。第五十三頁，共七十頁，2022年，8月28日5．返混在填料塔內(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)象的原因很多，如：填料層內(nèi)的氣液分布不均；氣體和液體在填料層內(nèi)的溝流；液體噴淋密度過大時所造成的氣體局部向下運動；塔內(nèi)氣液的湍流脈動使氣液微團停留時間不一致等。第五十四頁，共七十頁，2022年，8月28日填料塔內(nèi)流體的返混使得傳質(zhì)平均推動力變小，傳質(zhì)效率降低。因此，按理想的活塞流設(shè)計的填料層高度，因返混的影響需適當加高，以保證預(yù)期的分離效果。第五十五頁，共七十頁，2022年，8月28日四.填料塔的內(nèi)件1.填料支承裝置：主要用途是支承塔內(nèi)的填料，同時又能保證氣液兩相順利通過。若設(shè)計不當，填料塔的液泛可能首先在填料支承裝置上發(fā)生。第五十六頁，共七十頁，2022年，8月28日對填料支承裝置的要求：對于普通填料，支承裝置的自由截面積應(yīng)不低于全塔面積的50%，并且要大于填料層的自由截面積；具有足夠的機械強度、剛度；結(jié)構(gòu)要合理，利于氣液兩相均勻分布，阻力小，便于拆裝。

第五十七頁，共七十頁，2022年，8月28日第五十八頁，共七十頁，2022年，8月28日2.填料壓緊裝置安裝在填料層上端。作用是保持填料層為一高度固定的床層，從而保持均勻一致的空隙結(jié)構(gòu)，使操作正常、穩(wěn)定，防止在高壓降、瞬時負荷波動等情況下，填料層發(fā)生松動或跳動。分為：填料壓板。自由放置于填料上端，靠自身重量將填料壓緊。適用于陶瓷、石墨材質(zhì)的散裝填料。床層限制板。固定在填料上端。第五十九頁，共七十頁，2022年，8月28日3.液體分布裝置填料塔操作要求液體沿同一塔截面均勻分布。為使液流分布均勻，液體在塔頂?shù)某跏挤植柬毦鶆?。?jīng)驗表明，對塔徑為0.75m以上的塔，每平方米塔橫截面上應(yīng)有40～50個噴淋點；對塔徑在0.75m以下的塔，噴淋點密度集至少應(yīng)為160個/m2塔截面。第六十頁，共七十頁，2022年，8月28日4.液體收集及再分布裝置作用是減小壁流現(xiàn)象。壁流現(xiàn)象：在亂堆填料層內(nèi)存在的液體逐漸流向塔壁的現(xiàn)象。在填料層內(nèi)每隔一定高度設(shè)置液體再分布裝置。對拉西環(huán)填料，再分布器的距離約為塔徑的25～3倍，對鮑爾環(huán)及鞍形等較好填料約為塔徑的5～10倍，但通常不應(yīng)超過6m。

第六十一頁，共七十頁，2022年，8月28日5.除沫裝置當塔內(nèi)操作氣速較大或液沫夾帶現(xiàn)象嚴重時，可在液體分布器的上方設(shè)置除沫裝置，主要用途是除去出口氣流中的液滴。

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