蒸餾及吸收-塔設(shè)備

蒸餾及吸收設(shè)備——塔討論實(shí)現(xiàn)精餾和吸收過(guò)程的主要設(shè)備——塔設(shè)備

作為別離過(guò)程，吸收和精餾基于不同的物理化學(xué)原理，但均同屬于氣液傳質(zhì)過(guò)程，因此有著很多的共同性，本章統(tǒng)一介紹氣液傳質(zhì)設(shè)備。氣液傳質(zhì)設(shè)備雖然種類(lèi)繁多，但根本上可以分成兩大類(lèi)：逐級(jí)接觸式和微分接觸式。本章以板式塔為逐級(jí)接觸式的代表；而以填料塔為微分接觸式的代表，分別予以介紹。塔設(shè)備指高＞＞直徑的圓筒型設(shè)備。1第一節(jié)板式塔一、根本結(jié)構(gòu)〔以篩板塔為例〕板式塔稱為逐級(jí)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。在一個(gè)圓筒形的殼體內(nèi)裝有假設(shè)干塊按一定間距放置的水平塔板，塔板上開(kāi)有很多篩孔，液體靠重力作用由上層塔板經(jīng)降液管流至下層塔板，最后由塔底流出；氣體靠壓強(qiáng)差推動(dòng)，逐板由下向上穿過(guò)篩孔及板上液層而流向塔頂。氣體通過(guò)每層板上液層時(shí)，形成氣泡與液沫，泡沫可為兩相接觸提供足夠大的相際接觸面，有利于相間傳質(zhì)，氣液組成沿塔高逐漸增大。請(qǐng)看演示1請(qǐng)看演示221.泡罩塔每層塔板上開(kāi)有假設(shè)干個(gè)孔，升氣管上覆以泡罩，上升氣體通過(guò)泡罩進(jìn)入液層時(shí)，被分散成許多細(xì)小的氣泡，為氣液兩相提供了大量的傳質(zhì)界面。優(yōu)點(diǎn)：泡罩塔操作穩(wěn)定，操作彈性大。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價(jià)高，阻力也大，氣液通過(guò)量較低，板效率較低?，F(xiàn)已逐漸被其他塔型所替代。請(qǐng)看圖片請(qǐng)看演示32.篩板塔

塔板上開(kāi)有許多均布的篩孔，孔徑一般為3～8mm。操作時(shí)，上升氣流通過(guò)篩孔分散成細(xì)小的流股，在板上液層中鼓泡而出，氣液間密切接觸而進(jìn)行傳質(zhì)。在通常的操作氣速下，通過(guò)篩孔上升的氣流，應(yīng)能阻止液體經(jīng)篩孔向下泄漏。

優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，氣體壓降小，板上液層落差也較小，篩孔板很快被普遍應(yīng)用,生產(chǎn)能力及效率均較泡罩塔高。

缺點(diǎn):是操作彈性小，篩孔小時(shí)容易堵塞，但已有大孔應(yīng)用。請(qǐng)看圖片43.浮閥塔塔板上開(kāi)有假設(shè)干大孔〔標(biāo)準(zhǔn)孔徑為39mm〕，每個(gè)孔上裝有一個(gè)可以上下浮動(dòng)的閥片，閥片本身有三條“腿〞，插入閥孔后將各股底腳板轉(zhuǎn)90°，用以限制操作時(shí)閥片在板上升起的最大高度,閥片周邊又沖出三塊略向下彎的定距片，當(dāng)氣速很低時(shí)，靠這個(gè)定距片使閥片與塔板呈點(diǎn)接觸而坐落在閥孔上。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力提高，操作彈性大，氣液流動(dòng)阻力比泡罩塔小，但比篩孔板大。塔板效率較高。缺點(diǎn)：浮閥裝卸清洗較困難，造價(jià)高。浮閥塔在工業(yè)上應(yīng)用十分普遍。56浮閥在塔板上的布置情況如以下圖所示7上述泡罩、篩板及浮閥塔板都屬于氣相為分散相的板型，即氣體在鼓泡或泡沫狀態(tài)下進(jìn)行氣液接觸。但為防止嚴(yán)重的霧沫夾帶，生產(chǎn)能力受到限制。而近年來(lái)開(kāi)展起來(lái)的噴射型塔板克服了這個(gè)弱點(diǎn)。噴射型塔板上，氣體噴出的方向與液體流動(dòng)的方向一致，充分利用氣體的動(dòng)能來(lái)促進(jìn)兩相的接觸。因氣體不再通過(guò)較深的液層而鼓泡，所以塔板壓降降低，霧沫夾帶量減小，不僅提高了傳質(zhì)效果，而且提高了生產(chǎn)能力。

1.舌形塔板舌形塔板是噴射型塔板的一種，其結(jié)構(gòu)如以下圖所示。塔板上沖出許多舌形孔，舌片與板成一定角度，向塔板的溢流出口側(cè)張開(kāi)，舌孔按正三角形排列。8塔板的液流出口處不設(shè)溢流堰，只保存降液管，上升氣流穿過(guò)舌孔后，以較高的速度〔20～30m／s〕沿舌片的張角向斜上方噴出。液體流過(guò)每排舌孔時(shí)，即為噴出的氣流強(qiáng)烈擾動(dòng)而形成泡沫體，噴射的液流沖至降液管上方的塔壁后流入降液管中。優(yōu)點(diǎn)：舌形塔板生產(chǎn)能力大,具有較高的塔板效率．塔板壓強(qiáng)降?。秉c(diǎn)：操作彈性小，被氣體噴射的液流在通過(guò)降液管時(shí)，會(huì)夾帶氣泡到下塔板，氣相夾帶現(xiàn)象嚴(yán)重。9

2．浮動(dòng)噴射塔板浮動(dòng)噴射塔板是兼有浮閥塔板的可變氣道截面及舌形塔板的并流噴射特點(diǎn)的新型塔板，這種塔板由一系列平行的浮動(dòng)板組成，同樣，上升氣流那么沿塔板間的縫隙噴出，噴出方向與液流方向一致。優(yōu)點(diǎn)：可保持很高氣流噴射速度，操作彈性大，壓強(qiáng)降小，液面落差小。缺點(diǎn)：有漏液及吹干現(xiàn)象，影響傳質(zhì)效果，使板效率降低，塔板結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。103．浮舌塔板浮舌塔板是綜合浮閥和固定舌形塔板的優(yōu)點(diǎn)而提出的又一種新型塔板。僅將固定舌形板的舌片改成浮動(dòng)舌片。

特點(diǎn)：操作彈性大，負(fù)荷變動(dòng)范圍甚至可超過(guò)浮閥塔；壓強(qiáng)降小，特別適宜于減壓蒸餾；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便；效率也較高，介于浮動(dòng)塔板與固定舌形塔板之間。請(qǐng)看演示11

層出不窮的新型塔板結(jié)構(gòu)各具特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)不同的工藝及生產(chǎn)需要來(lái)選擇塔型。不是任何情況下都追求高的塔板效率，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)難別離物系的高純度別離希望得到高的板效率，而處理量大又易別離的物系，往往追求高的生產(chǎn)能力，假設(shè)真空精餾那么需要較低的壓強(qiáng)降?？偨Y(jié)：塔板評(píng)價(jià)指標(biāo)〔1〕生產(chǎn)能力大〔即氣液相負(fù)荷高〕；〔2〕塔板效率要高〔往往與生產(chǎn)能力沖突〕；〔3〕操作彈性大〔最大負(fù)荷/最小負(fù)荷=大〕；〔4〕壓降低〔尤其是對(duì)于真空精餾〕；〔5〕價(jià)格低廉，易于制造。12二、氣液流道根本形式下面介紹塔板上幾種主要構(gòu)造：1.塔板上的氣體通道塔板上均勻地開(kāi)有一定數(shù)量的供氣體自下而上流動(dòng)的通道，例如下圖的浮閥，上升的氣體經(jīng)浮閥孔上升并分散后穿過(guò)板上的液層，造成兩相間的密切接觸，從而進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱。2.溢流堰為保證氣液兩相在板上有足夠的接觸時(shí)間，塔板上必須存有一定的液體。為此，在塔板的出口端設(shè)有溢流堰，使塔板上保持一定的液層高度〔或稱持液量〕。常見(jiàn)的溢流堰上緣是平直的。13

3.降液管每塊塔板上通常設(shè)有一個(gè)液體流動(dòng)通道——降液管。板式塔在正常工作時(shí)，液體從上層塔板的降液管流下，橫向流過(guò)開(kāi)有篩孔或浮閥的塔板，翻越溢流堰，進(jìn)入該層塔板的降液管，流向下層塔板。降液管一般為弓形，偶爾也有圓形。降液管下端必須保證液封，使液體能從降液管底部流出而氣體不能竄入降液管。為此，降液管下緣的縫隙高度h0＜溢流堰高h(yuǎn)W。14三、板式塔的流體力學(xué)特性塔的操作能否正常進(jìn)行，與塔內(nèi)氣液兩相的流體力學(xué)狀況有關(guān)。板式塔的流體力學(xué)性能包括：塔板壓降、液泛、霧沫夾帶、漏液及液面落差等?！惨弧乘迳系臍庖毫鲃?dòng)狀態(tài)1．氣液接觸狀態(tài)〔1〕鼓泡接觸狀態(tài)當(dāng)操作氣速很低時(shí)，氣流斷裂成少數(shù)氣泡在板上液層中上升，板上存在有大量清液層，相際接觸面積為氣泡外表。由于氣泡數(shù)量較少，氣泡外表的湍動(dòng)程度也較低，所以鼓泡接觸狀態(tài)的傳質(zhì)阻力較大,效率較低。此時(shí)，氣相為分散相而液相為連續(xù)相。15〔2〕泡沫接觸狀態(tài)隨著氣速增大，氣泡數(shù)量急劇增加，此時(shí)，塔板上液體大局部是以液膜形式存在于氣泡之間，兩相傳質(zhì)外表是面積很大的液膜，它高度湍動(dòng)且不斷合并與破裂，為兩相傳質(zhì)創(chuàng)造良好的流體力學(xué)條件，因此傳質(zhì)阻力變小，傳質(zhì)效率有所提高。此時(shí)，氣相仍為分散相而液相仍為連續(xù)相?！?〕噴射接觸狀態(tài)隨著氣速繼續(xù)增大，氣體射流穿過(guò)液層，將板上的液體破碎成大小不等的液滴而被反復(fù)拋起，兩相傳質(zhì)外表是眾多液滴的外外表。傳質(zhì)阻力很小，傳質(zhì)效率有所提高但容易造成過(guò)量的霧沫夾帶。此時(shí)，液體為分散相而氣體為連續(xù)相，這是噴射接觸狀態(tài)與泡沫接觸狀態(tài)的根本區(qū)別。由泡沫狀態(tài)轉(zhuǎn)為噴射狀態(tài)的臨界點(diǎn)稱為轉(zhuǎn)相點(diǎn)。16工業(yè)上的操作多以控制在泡沫狀態(tài)或噴射接觸狀態(tài)，其特征分別是有不斷更新的液膜外表和液滴外表。2.不均勻流動(dòng)：包括氣體和液體兩相的不均勻流動(dòng)。對(duì)于很大的塔盤(pán)來(lái)說(shuō)：①液膜流過(guò)塔盤(pán)時(shí)很可能造成不均勻流動(dòng)；②因盤(pán)上液位落差導(dǎo)致氣相流動(dòng)不均勻〔可采用出口安定區(qū)不開(kāi)孔方法〕。以上兩種情況均可能導(dǎo)致氣液接觸不充分。17〔二〕、塔板壓降

上升的氣流通過(guò)塔板時(shí)需要克服以下幾種阻力：塔板本身的干板阻力〔即板上各部件所造成的局部阻力〕、板上充氣液層的靜壓強(qiáng)和液體的外表張力。氣體通過(guò)塔板時(shí)克服這三局部阻力就形成了該板的總壓強(qiáng)降。

ΔP=ΔP干板+ΔP液層靜壓+ΔP液層外表張力〔三〕、液泛假設(shè)氣液兩相中之一的流量增大，使降液管內(nèi)液體不能順利下流，管內(nèi)液體必然積累，當(dāng)管內(nèi)液體增高到越過(guò)溢流堰頂部，于是兩板間液體相連，該層塔板產(chǎn)生積液，并依次上升，這種現(xiàn)象稱為液泛，亦稱淹塔，常見(jiàn)的包括降液管液泛和夾帶液泛。此時(shí)，塔板壓降急劇上升，全塔操作被完全破壞，所以操作時(shí)應(yīng)防止液泛現(xiàn)象的發(fā)生。

18〔四〕、漏液對(duì)板面上方有通氣孔的塔板，如篩孔、浮閥等，當(dāng)上升氣速較低時(shí)，液體易經(jīng)孔道流而造成漏液現(xiàn)象，必然影響氣液在塔板上的充分接觸，使塔板效率下降，嚴(yán)重的漏液會(huì)使塔板不能積液而無(wú)法操作。為保證塔的正常操作，漏液量應(yīng)不大于液體流量的10%?！参濉骋好媛洳町?dāng)液體橫向流過(guò)板面時(shí)，為克服板面的摩擦阻力和板上部件〔如泡罩、浮閥〕的局部阻力；或當(dāng)塔徑或液體流量很大時(shí)。那么在板面上容易形成液面落差。液層厚度的不均勻性將引起氣流的不均勻分布，從而造成漏液，使塔板效率嚴(yán)重降低。對(duì)于大塔徑的情況可采用雙溢流、階梯流等溢流型式來(lái)減少液面落差。19〔六〕適宜的氣液流量操作范圍——塔板負(fù)荷性能圖1.霧沫夾帶線當(dāng)氣相負(fù)荷超過(guò)此線時(shí)，霧沫夾帶量將過(guò)大，使板效率嚴(yán)重下降，塔板適宜操作區(qū)應(yīng)在霧沫夾帶線以下。2.液泛線塔板的適宜操作區(qū)應(yīng)在此線以下，否那么將會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象，使塔不能正常操作。3.液相負(fù)荷上限線該線又稱降液管超負(fù)荷線，液體流量超過(guò)此線，說(shuō)明液體流量過(guò)大，液體在降液管內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短，進(jìn)入降液管中的氣泡來(lái)不及與液相別離而被帶入下層塔板，造成氣相返混，降低塔板效率．4.漏液線該線即為氣相負(fù)荷下限線，氣相負(fù)荷低于此線將發(fā)生嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象，氣液不能充分接觸，使板效率下降。5.液相負(fù)荷下限線液相負(fù)荷低于此線使塔板上液流不能均勻分布，導(dǎo)致板效率下降。

20由以上五條線圍起的區(qū)域是塔的正常操作區(qū)，塔板上氣液的正常流動(dòng)如以下圖所示。21四、塔板效率塔板效率反映了實(shí)際塔板上氣液兩相間傳質(zhì)的完善程度。板式塔的效率有幾種不同的表示法，如總板效率、單板效率及點(diǎn)效率等?！惨弧承时硎痉?.全塔效率〔又稱總板效率〕ET總板效率又稱全塔效率，是指到達(dá)指定別離效果所需理論板數(shù)與實(shí)際板數(shù)的比值，即ET=NT/NP式中NT——塔內(nèi)所需理論板數(shù)，NP——塔內(nèi)實(shí)際板數(shù)。該式將影響傳質(zhì)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)因素全部歸結(jié)到總板效率內(nèi)。板式塔內(nèi)各層塔板的傳質(zhì)效率并不相同，總板效率簡(jiǎn)單地反映了整個(gè)塔內(nèi)的平均傳質(zhì)效果。222.單板效率〔默弗里板效率〕單板效率又稱為默弗里〔MurPhree〕板效率，是指氣相或液相經(jīng)過(guò)一層塔板前后的實(shí)際組成變化與經(jīng)過(guò)該層塔板前后的理論組成變化的比值。第n層塔板的效率有如下兩種表達(dá)方式：〔1〕按氣相組成變化表示的單板效率為：EMV=〔yn-yn+1〕/〔yn*-yn+1〕

〔2〕按液相組成變化表示的單板效率為：EML=〔xn-1-xn〕/〔xn-1-xn*〕

式中yn*___與xn成平衡的氣相組成，xn*___與yn成平衡的液相組成。一般說(shuō)來(lái)，同一層塔板的Emv與Eml數(shù)值并不相同．

3.點(diǎn)效率指塔板上各點(diǎn)的局部效率，點(diǎn)效率中的y為離開(kāi)塔板某點(diǎn)的氣相組成，y*為與塔板上某點(diǎn)液體組成x相平衡的氣相組成；而單板效率中的y是離開(kāi)塔板氣相的平均組成，y*為與離開(kāi)塔板液體平均組成相平衡的氣相組成。只有當(dāng)板上液體完全混合時(shí)，點(diǎn)效率與板效率才具有相同的數(shù)值。

23〔二〕、板效率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

目前，被認(rèn)為較能反映實(shí)際情況的是美國(guó)化工學(xué)會(huì)提出的一套預(yù)測(cè)板效率的計(jì)算方法,〔簡(jiǎn)稱A．I．Ch．E法〕。該方法不僅考慮了較多的影響因素，而且能反映塔徑放大對(duì)效率的影響，對(duì)于過(guò)程開(kāi)發(fā)很有意義。但是，這套計(jì)算方法程序頗為繁復(fù)，此處不作具體介紹。另一類(lèi)是簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法,該法歸納了試驗(yàn)數(shù)據(jù)及工業(yè)數(shù)據(jù)，得出總板效率與少數(shù)主要影響因素的關(guān)系。其中，奧康奈爾方法目前被認(rèn)為是較好的簡(jiǎn)易方法。

24252627282930第二節(jié)填料塔填料塔為連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。如下圖，在圓筒形塔體內(nèi)部，分段裝有假設(shè)干段填料。填料堆積于支撐裝置上，液體由塔頂入口管進(jìn)入分布器，均勻噴淋在填料外表上并在重力作用下向下流動(dòng)，氣體在壓強(qiáng)差的推動(dòng)下，由支承板下方氣體入口管進(jìn)入塔內(nèi)，通過(guò)填料間的空隙由塔的頂部排出。填料塔內(nèi)氣液兩相呈逆流流動(dòng)，氣體和液體在填料外表上進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化。請(qǐng)看演示31填料塔不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且阻力小，便于用耐腐蝕材料制造。適用范圍：1〕直徑較小的塔；2〕處理有腐蝕性物料；3〕處理熱敏性物料的真空蒸餾。同樣,填料塔也會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象,如下圖,應(yīng)絕對(duì)防止.32一、填料常用填料大致分為兩大類(lèi)：

〔一〕個(gè)體填料：

例如：拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、鞍形環(huán)等。1.拉西環(huán)拉西環(huán)是使用最早的一種填料，為外徑與高度相等的圓環(huán)，如下圖。一般直徑在75mm以下的拉西環(huán)采用亂堆方式；直徑大于100mm的拉西環(huán)多采用整砌方式，以降低流體阻力。拉西環(huán)可用陶瓷、金屬、塑料及石墨等材質(zhì)制造。33

拉西環(huán)形狀簡(jiǎn)單，制造容易，對(duì)其流體力學(xué)和傳質(zhì)特性的研究較為充分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用中。但拉西環(huán)存在著嚴(yán)重的溝流及壁流現(xiàn)象，塔徑愈大，填料層愈高，那么壁流現(xiàn)象愈嚴(yán)重，致使傳質(zhì)效率顯著下降。2．鮑爾環(huán)鮑爾環(huán)的構(gòu)造是在拉西環(huán)的側(cè)壁上開(kāi)出一排或兩排長(zhǎng)方形的窗孔，被切開(kāi)的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)那么向環(huán)內(nèi)彎曲，且諸葉片的側(cè)邊在環(huán)中心已相搭，如下圖。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開(kāi)孔，大大提高氣液接觸面積，且使氣體流動(dòng)阻力降低，液體分布也較均勻。因此，鮑爾環(huán)比拉西環(huán)的傳質(zhì)效率高，操作彈性大,而氣體壓降明顯降低，但價(jià)格較高。目前，鮑爾環(huán)以其優(yōu)良的性能為工業(yè)上廣泛采用。請(qǐng)看演示343.階梯環(huán)階梯環(huán)是在鮑爾環(huán)根底上加以改進(jìn)而開(kāi)展起來(lái)的一種新型填料，如下圖。階梯環(huán)與鮑爾環(huán)相似之處是環(huán)壁上也開(kāi)有窗孔，但階梯環(huán)的高度僅為直徑的一半、環(huán)的一端制成喇叭口。階梯環(huán)填料以其氣體通量大、流動(dòng)阻力小、傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)成為目前使用的環(huán)形填料中性能最為良好的一種。354.鞍形填料包括弧鞍與矩鞍填料，均屬敞開(kāi)型填料，如下圖。敞開(kāi)形填料的特點(diǎn)是外表全部散開(kāi)，不分內(nèi)外，液體在外表兩側(cè)均勻流動(dòng)，外表利用率高，氣體流動(dòng)阻力小，制造也方便。365.金屬I(mǎi)ntalox環(huán)這類(lèi)填料綜合了鮑爾環(huán)、鞍形填料及階梯環(huán)三者的優(yōu)點(diǎn)與一身，具有低壓降、高通量、液體分布性能好、傳質(zhì)效率高及操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)，且因?yàn)樗捎脴O薄的金屬板軋制，仍能保持住良好的機(jī)械強(qiáng)度。金屬I(mǎi)ntalox環(huán)在現(xiàn)代工業(yè)散裝填料中占有明顯的優(yōu)勢(shì)，如下圖。37〔二〕規(guī)整填料

例如：柵板、θ網(wǎng)環(huán)、波紋填料等波紋填料是一種整砌結(jié)構(gòu)的新型高效填料，如下圖。由于結(jié)構(gòu)緊湊，具有很大的比外表積，且因氣體和液體均不斷重新分布，故傳質(zhì)效率高，又因填料的規(guī)整排列，使流動(dòng)阻力減小。波紋填料的缺點(diǎn)是不適于處理粘度大，易聚合或有沉淀物的物料。此外，填料的裝卸、清理也較困難，造價(jià)高。

38波紋填料有實(shí)體與網(wǎng)體兩種。實(shí)體稱波紋板，可由陶瓷、塑料、金屬材料制造，根據(jù)工藝要求及物料的腐蝕性來(lái)選擇適當(dāng)?shù)牟牧?；波紋絲網(wǎng)填料的波紋片是由金屬絲網(wǎng)制成的，故屬于網(wǎng)體填料。近年來(lái)，又出現(xiàn)了金屬孔板波紋填料和金屬壓延孔板波紋填料?！踩程盍系倪x材常見(jiàn)的有：陶瓷〔例淄博陶瓷廠〕、金屬、塑料、玻璃、石墨等。無(wú)論是個(gè)體填料還是規(guī)整填料均可用以上材料制造。(四〕填料的裝填方式分為亂堆和整砌兩種。

請(qǐng)看演示1請(qǐng)看演示239二、填料特性

表示填料性能的參數(shù)有以下幾項(xiàng)：1．比外表積σ(m2/m3)指單位體積填料層提供的填料外表積，即σ=填料層外表積〔m2〕/填料層體積〔m3〕。

填料的比外表積愈大，所能提供的氣液傳質(zhì)面積愈大；而對(duì)于同一種類(lèi)的填料，尺寸愈小，那么比外表積愈大，即越有利于傳質(zhì)別離。402．空隙率ε單位體積填料層的空隙體積稱為空隙率，即ε=填料層空隙體積〔m3〕/填料層體積〔m3〕

填料的空隙率大，氣液通過(guò)能力大且氣體流動(dòng)阻力小。3．填料因子φ填料因子表示填料的流體力學(xué)性能，φ=σ／ε3可分兩種：(1〕干填料因子：指無(wú)液體噴淋時(shí)φ的大小。(2)濕填料因子：當(dāng)填料被噴淋的液體潤(rùn)濕后，填料外表覆蓋了一層液膜，σ與ε均發(fā)生相應(yīng)的變化，此時(shí)φ稱為濕填料因子，代表實(shí)際操作時(shí)填料的流體力學(xué)特性，故進(jìn)行填料塔計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用液體噴淋條件下實(shí)測(cè)的濕填料因子。φ值小，說(shuō)明流動(dòng)阻力小，液泛速度可以提高。41三、填料塔的水力學(xué)性能與傳質(zhì)性能〔一〕填料塔的流動(dòng)性能參數(shù)1．空塔氣速u(mài)(m/s)u=氣體體積流量〔m3/s〕/塔截面積〔m2〕2．氣體在填料空隙間的實(shí)際線速度u0(m/s)

氣體體積流量〔m3/s〕/塔截面積〔m2〕

u0=u/ε=填料層空隙體積〔m3〕/填料層體積〔m3〕

=實(shí)際線氣速

423．空塔氣速——淋灑密度——壓力降關(guān)系〔即u~LW~-Δp〕(1)壓力降是塔設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，氣體通過(guò)填料層的阻力大小直接決定了塔的動(dòng)力消耗。

(2)持液量是指操作時(shí)單位體積填料層中持有的液體體積，即液體體積〔m3〕/填料層體積〔m3〕。

1〕當(dāng)L=0時(shí)，即無(wú)液體噴淋〔又稱干填料線〕時(shí)，Δp/z與u成直線關(guān)系。

2〕當(dāng)有液體噴淋時(shí)，曲線都有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：第一個(gè)折點(diǎn)——載點(diǎn)；第二個(gè)折點(diǎn)——泛點(diǎn)。

載點(diǎn)和泛點(diǎn)將Δp/z與u關(guān)系曲線分成三段，即恒持液量區(qū)，載液區(qū)和液泛區(qū)。43①恒持液量區(qū)有液體噴淋且氣速較低時(shí)，氣體的真實(shí)速度比空塔氣速提高，壓強(qiáng)降也較大，此區(qū)域的Δp/z—u線在干填料線的左側(cè)，且二線相互平行。②載液區(qū)

隨著氣速的增大，上升氣流與下降液體間的摩擦力開(kāi)始阻礙液體下流，使填料層的持液量隨氣速的增加而增加，此種現(xiàn)象稱為攔液現(xiàn)象，開(kāi)始發(fā)生攔液現(xiàn)象時(shí)的空塔氣速稱為載點(diǎn)。③液泛區(qū)

如果氣速繼續(xù)增大，由于液體不能順利下流，而使填料層內(nèi)持液量不斷增多，以致幾乎充滿了填料層中的空隙，此時(shí)壓強(qiáng)降急劇升高，Δp/z—u線的斜率可達(dá)10以上。壓強(qiáng)降曲線近于垂直上升的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為泛點(diǎn)，到達(dá)泛點(diǎn)時(shí)的空塔氣速稱為液泛氣速或泛點(diǎn)氣速。44〔二〕填料塔的水力學(xué)性能填料層的壓力降、液泛氣速、持液量等水力學(xué)性能，是填料塔設(shè)計(jì)與操作中的重要參數(shù),下面分別介紹：

1．壓力降-Δp

-Δp=f〔填料種類(lèi)、尺寸、流體特性、u、LW〕，計(jì)算方法：

1〕現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；

2〕查專(zhuān)門(mén)曲線〔例各種具體類(lèi)型填料的經(jīng)驗(yàn)值曲線〕；

3〕通過(guò)關(guān)聯(lián)圖估計(jì)〔例Eckert通用關(guān)聯(lián)圖〕。目前工程設(shè)計(jì)中廣泛采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖來(lái)計(jì)算。45

2．液泛氣速u(mài)F

可由Eckert關(guān)聯(lián)圖上的泛點(diǎn)線確定泛點(diǎn)氣速。(1)圖中最上方的三條線分別為弦柵、整砌拉西環(huán)及亂堆填料的泛點(diǎn)線，與泛點(diǎn)線相對(duì)應(yīng)的縱座標(biāo)中的空塔氣速應(yīng)為空塔泛點(diǎn)氣速Umax。(2)圖中左下方線為亂堆填料層的等壓強(qiáng)降線，在設(shè)計(jì)中可根據(jù)規(guī)定的壓強(qiáng)降，求其相應(yīng)的空塔氣速，反之，根據(jù)選定的空塔氣速求壓強(qiáng)降。埃克特通用關(guān)聯(lián)圖適用于各種亂堆填料，如拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、弧鞍、矩鞍等，但需確知填料的φ值。463．持液量持液量=f〔填料種類(lèi)、尺寸、流體特性、u、LW〕

(1)總持液量=填料層內(nèi)液體量/填料層體積

停止噴淋后經(jīng)一規(guī)定時(shí)間后滯留于填料層中液體(2)靜持液量=填料層體積

(3)動(dòng)持液量=總持液量—靜持液量

4．潤(rùn)濕性能填料塔中氣液兩相間的傳質(zhì)主要是在填料外表流動(dòng)的液膜上進(jìn)行的，因此，傳質(zhì)效率就與填料的潤(rùn)濕性能密切相關(guān)。為使填料能獲得良好的潤(rùn)濕，應(yīng)使塔內(nèi)液體的噴淋量不低于最小噴淋密度。47最小噴淋密度與最小潤(rùn)濕速率之間可取如下關(guān)系：

Umin＝〔L〕min×σ式中：〔L〕min----最小潤(rùn)濕速率.對(duì)于直徑不超過(guò)75mm的拉西環(huán)及其它填料，可取最小潤(rùn)濕速率為0．08m3／〔m·h〕；對(duì)于直徑大于75mm的環(huán)形填料，應(yīng)取為0．012m3／〔m·h〕。實(shí)際操作時(shí)假設(shè)噴淋密度過(guò)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，以保證填料的潤(rùn)濕性能；也可采用減小塔徑，或適當(dāng)增加填料層高度予以補(bǔ)償。48四、填料塔的工藝計(jì)算1．塔徑D與填料尺寸：

一般取塔徑/填料外徑≥8，因假設(shè)該比值過(guò)小時(shí)，即填料的尺寸過(guò)大，那么壁流效應(yīng)十清楚顯，使液體分布不均勻。塔徑D的計(jì)算公式如下：

D=[〔4×Vs〕/〔π×u〕]1/2式中：u指填料塔的適宜空塔氣速，空塔氣速與泛點(diǎn)氣速之比稱為泛點(diǎn)率。對(duì)易起泡沫的物系，泛點(diǎn)率應(yīng)取50％或更低；對(duì)加壓操作的塔，減小塔徑有更多好處，故應(yīng)取較高的泛點(diǎn)率。

49大多數(shù)情況下的泛點(diǎn)率宜取為60～80％，一般填料塔的操作氣速大致為0.2～1.0m／s。根據(jù)上述方法算出的塔徑，也應(yīng)按壓力容器公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，如圓整為400、500、600…1000、1200、1400mm等。確定塔徑后，還應(yīng)檢驗(yàn)塔內(nèi)的噴淋密度是否大于最小噴淋密度。

2．填料層高度z填料塔有效高度主要指填料層的高度，計(jì)算填料層高度常采用以下兩種方法：

(1)傳質(zhì)單元數(shù)法：即填料層高=傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)

此法在吸收計(jì)算中已有詳細(xì)介紹。50(2)等板高度法〔法〕等板高度是指與一層理論板傳質(zhì)作用相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨?，也稱理論板當(dāng)量高度。顯然，等板高度愈小，說(shuō)明填料層的傳質(zhì)效率越高。不同類(lèi)型填料的等板高度值不同，普通實(shí)體填料的等板高度大都在400mm以上，例如25mm的拉西環(huán)HETP為0.5m，25mm的鮑爾環(huán)HETP為0．4～0.45m；網(wǎng)體填料具有很大的比外表積和空隙率，為高效填料，其等板高度在100mm以下，如CY型波紋絲網(wǎng)。等板高度=f〔填料的類(lèi)型與尺寸，系統(tǒng)物性，操作條件及設(shè)備尺寸〕，等板高度的計(jì)算一般采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式，常見(jiàn)的如默奇〔Murch〕法。51

五、填料塔附件填料塔的附件主要有填料支承裝置、氣液體分布裝置、液體再分布裝置和除沫裝置等。合理選擇和設(shè)計(jì)填料塔的附件，對(duì)于保證塔的正常操作及良好性能十分重要。

1．填料支承裝置支承裝置是用來(lái)支承塔內(nèi)填料及其所持有的液體重量，并使氣液順利通過(guò)的附件，故要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和自由截面積。常見(jiàn)的支承裝置有以下兩種。52〔1〕柵板式支承裝置它由豎立的扁鋼條組成，為防止填料從柵板條間空隙漏下，在裝填料時(shí)，先在