(3.1.15)--气液传质设备 第2次课 填料塔化工原理.pdf

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1、传质与分离工程气液传质设备气液传质设备2通过本节的学习，了解填料塔的结构；了解散堆填料的类型和特点；掌握填料塔的流体力学性能；通过了解填料的发展史，了解老一辈化工人艰苦奋斗的历程，培养学生的专业认同感、自豪感和甘于奉献的工匠精神。学习目的与学习目的与要求要求填料塔填料塔3目目录录 填料塔结构及填料填料塔结构及填料 填料塔的流体力学性能填料塔的流体力学性能 填料塔的附属结构填料塔的附属结构 高效规整填料塔与板式塔的比较高效规整填料塔与板式塔的比较第二节第二节填料塔填料塔第二节第二节 填料塔填料塔塔体塔体填料支承板填料支承板填料填料液体再分布器液体再分布器进气管进气管液体分布器液体分布器液体收集器

2、液体收集器一、填料塔结构及填料一、填料塔结构及填料1 1填料塔结构填料塔结构2 2、填料、填料填料特性填料特性填料因子空隙率比表面积填料因子空隙率比表面积在选择填料时，一般要求：在选择填料时，一般要求：比表面积及空隙率要大，比表面积及空隙率要大，填料的润湿性要好，填料的润湿性要好，气体通过能力大，阻力小，气体通过能力大，阻力小，液体滞留量小，液体滞留量小，单位体积填料的重量轻，单位体积填料的重量轻，造价低，并有足够的机械强度。造价低，并有足够的机械强度。个体填料个体填料 规整填料规整填料 类型：类型：一、填料塔结构及填料一、填料塔结构及填料（1 1）个体填料：）个体填料：拉西环拉西环Rasch

3、ingRasching ringring高度和外径相等；高度和外径相等；可用陶瓷和金属制造，可用陶瓷和金属制造，存在严重的壁偏流和沟流现象，存在严重的壁偏流和沟流现象，液体滞留量大，液体滞留量大，传质效率不高，传质效率不高，气体通过能力低，气体通过能力低，阻力大。阻力大。19141914年拉西环诞生年拉西环诞生 现已淘汰！现已淘汰！工业上常用的散装填料工业上常用的散装填料的名义直径有的名义直径有1616、2525、3838、5050、76mm 576mm 5种。种。散装填料塔径与填料直散装填料塔径与填料直径比不应小于径比不应小于1010。环形环形个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料

4、、填料（1 1）个体填料：）个体填料：环形环形内十字环内十字环内螺旋环内螺旋环Cross-partition ringSpiral ring现已淘汰！现已淘汰！个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料8/59（1 1）个体填料：）个体填料：环形环形其构造大大提高了其构造大大提高了环内空间与环内表环内空间与环内表面的利用率面的利用率，而且而且使气液流通顺畅使气液流通顺畅，有利于气液进入环有利于气液进入环内内。因此因此，鲍尔环比拉鲍尔环比拉西环传质效率高西环传质效率高、气体通过能力大气体通过能力大。鲍尔环鲍尔环Pall ringPall ring19481948年西德年西德BASFB

5、ASF公司发明公司发明改型鲍尔环改型鲍尔环个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料（1 1）个体填料：）个体填料：环形环形阶梯环阶梯环Cascade ringCascade ring高度仅为直径的一半；高度仅为直径的一半；环的一端制成喇叭口，这种喇叭结构，使填料个体之间呈环的一端制成喇叭口，这种喇叭结构，使填料个体之间呈多多点接触；点接触；与鲍尔环相比，其气体通量高，阻力小，传质效率大。与鲍尔环相比，其气体通量高，阻力小，传质效率大。英国皇家传质公司于英国皇家传质公司于19721972年开发年开发个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料（1 1）个体填料：）个体填料

6、：环形环形DCDC环环DC ringDC ring个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料（1 1）个体填料：）个体填料：环形环形扁扁环环OXOX环环个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料共軛环共軛环华南理工大学化学工程研究所开发华南理工大学化学工程研究所开发（1 1）个体填料：）个体填料：环形环形个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料麦勒环麦勒环MellaringMellaring（1 1）个体填料：）个体填料：环形环形个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料陶瓷弧鞍陶瓷弧鞍BerlBerl saddle saddle 属敞开型填料

7、属敞开型填料，敞开型填料敞开型填料的特点是：的特点是：表面全部敞开表面全部敞开，不分内外不分内外，因而表面利用率高因而表面利用率高，不易积不易积液液，气体流动阻力小气体流动阻力小，制造制造也方便也方便。弧鞍形填料是两面对称结构弧鞍形填料是两面对称结构，在塔内堆积时容易造成填料在塔内堆积时容易造成填料相互重叠相互重叠，从而产生沟流从而产生沟流，目前已较少使用目前已较少使用。19311931年弧鞍填料出现年弧鞍填料出现鞍形鞍形（1 1）个体填料：）个体填料：个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料矩鞍矩鞍IntaloxIntalox saddle ringsaddle ring属敞开

8、型填料属敞开型填料。矩鞍形填料结构不对称矩鞍形填料结构不对称，堆积堆积时不会重叠时不会重叠，填料均匀性大为填料均匀性大为提高提高。矩鞍形填料传质性能比拉西环矩鞍形填料传质性能比拉西环好好，但比鲍尔环差但比鲍尔环差，但在制造但在制造上比鲍尔环方便上比鲍尔环方便。矩鞍形填料的缺点是矩鞍形填料的缺点是，因开放因开放式结构使其强度差式结构使其强度差，特别是瓷特别是瓷质填料质填料，易破碎易破碎。19501950年出现年出现鞍形鞍形（1 1）个体填料：）个体填料：个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料金属鞍环填料综合了环金属鞍环填料综合了环形填料通量大及鞍形填形填料通量大及鞍形填料的液体再

9、分布性能好料的液体再分布性能好的优点的优点，其性能优于环其性能优于环形填料和鞍形填料形填料和鞍形填料。鞍环形鞍环形（1 1）个体填料：）个体填料：个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料塑料花环塑料花环rostterostte ringring多面空心球多面空心球Ball PackingBall Packing海尔环海尔环Hillis ringHillis ring球形球形（1 1）个体填料：）个体填料：个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料18/59（2 2）规整填料）规整填料-以整砌的方式装填在塔内以整砌的方式装填在塔内20世纪70年代以来，规整填料的发展非常

10、迅速最大直径规整填料最大直径规整填料塔已达塔已达141420 m20 m个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料（2 2）规整填料）规整填料规整填料的比表面积规整填料的比表面积大致有大致有125125、250250、350350、450450、500500、700m700m2 2m m3 36 6种。种。比表面积大，则压降比表面积大，则压降高、效率也高。选择高、效率也高。选择时通过技术经济指标时通过技术经济指标加以权衡。加以权衡。个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料（2 2）规整填料）规整填料波纹填料（金属、陶瓷）波纹填料（金属、陶瓷）格栅填料格栅填料金属孔板波

11、纹填料金属孔板波纹填料陶瓷孔板波纹填料陶瓷孔板波纹填料金属孔板波纹填料金属孔板波纹填料个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料格栅填料（格利希填料）格栅填料（格利希填料）GlitschGlitsch Grid PackingGrid Packing美国美国GlitschGlitsch公司开发公司开发（2 2）规整填料）规整填料波纹填料（金属、陶瓷）波纹填料（金属、陶瓷）格栅填料格栅填料个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料 传质效率高传质效率高 压降低压降低 处理量大处理量大 持液量小持液量小 放大效应不明显放大效应不明显 操作弹性大操作弹性大 使大塔径的填料塔工

12、业化成为可能使大塔径的填料塔工业化成为可能。与散装填料相比，与散装填料相比，规整填料规整填料具有以下优点：具有以下优点：（2 2）规整填料）规整填料波纹填料（金属、陶瓷）波纹填料（金属、陶瓷）格栅填料格栅填料个体填料个体填料 规整填料规整填料 2 2、填料、填料填料的发展，大致可划分为四个阶段：填料的发展，大致可划分为四个阶段：初始阶段初始阶段-以焦炭、卵石、瓦砾、铁屑等作为填料；以焦炭、卵石、瓦砾、铁屑等作为填料；19141914年年拉西环拉西环诞生和随后诞生和随后19311931年年弧鞍填料弧鞍填料出现，标志着出现，标志着对填料的研究进入了科学轨道。这个时期在塔填料的理论对填料的研究进入了

13、科学轨道。这个时期在塔填料的理论研究方面有了许多进展。研究方面有了许多进展。19481948年年鲍尔环鲍尔环的问世，作为第三阶段的起点。几乎所有的问世，作为第三阶段的起点。几乎所有的散装填料都是从拉西环和弧鞍这两个雏形中演变而来。的散装填料都是从拉西环和弧鞍这两个雏形中演变而来。7070年代开始，各种高效年代开始，各种高效规整规整和散装填料的开发和应用，和散装填料的开发和应用，特别是特别是板波纹填料板波纹填料的开发和应用，填料塔的大型化，填料的开发和应用，填料塔的大型化，填料塔进入一个鼎盛时代。塔进入一个鼎盛时代。近近2020年来，主要是在塔内件方面有所进展。年来，主要是在塔内件方面有所进展。

14、3 3、填料、填料的发展史的发展史填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。最低。4 4、填料的选择、填料的选择填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：方面：(1)(1)传质效率要高传质效率要高。一般而言，规整填料的传质效率高于散。一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料。装填料。(2)(2)通量要大通量要大。在保证具有较高传质效率的前提下，应选择。在保证具有较高

15、传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。(3)(3)填料层的压降要低填料层的压降要低。(4)(4)填料抗污堵性能强填料抗污堵性能强，拆装、检修方便。，拆装、检修方便。填料种类的选择填料种类的选择从塔顶向下流动的液膜与填料表面的摩擦和与上升气体间从塔顶向下流动的液膜与填料表面的摩擦和与上升气体间的摩擦构成了液膜流动阻力。的摩擦构成了液膜流动阻力。液液(/(/气气)流量流量 液膜厚度液膜厚度 液膜厚度直接影响气体通过填料层的液膜厚度直接影响气体通过填料层的pp、u u液泛及塔内液液泛及塔内液体的持液量等流体力学性能。体的持液量等流体力学性

16、能。流体力学性能流体力学性能包括：包括：气体压降、液泛气速、持液气体压降、液泛气速、持液量及液量及液/气两相流体分布气两相流体分布等。等。二、填料塔的流体力学性能二、填料塔的流体力学性能 p，kPa 干塔 u,m/s 填料层的填料层的 pu 关系关系（空塔气速）（空塔气速）（双对数坐标系）（双对数坐标系）大大 填料表面 填料表面 适宜操作应在载点气速和泛点气速之间适宜操作应在载点气速和泛点气速之间Fuu)8.06.0(=1 1、气体通过填料层的压力降、气体通过填料层的压力降恒持液量区恒持液量区持液量持液量L L-喷淋量喷淋量液泛区液泛区泛点泛点载液区载液区载点载点恒定喷淋量下：恒定喷淋量下：气

17、速较低，填料表面液膜厚气速较低，填料表面液膜厚(液固间摩擦力和液固间摩擦力和L LS S)，与与u u几乎无关；但比无喷淋量时阻力要大。几乎无关；但比无喷淋量时阻力要大。气速增至一定值后，气液间阻力不容忽视，液膜加厚气速增至一定值后，气液间阻力不容忽视，液膜加厚出现拦液现象，载液线斜率出现拦液现象，载液线斜率22；但载点难测。；但载点难测。再增大气速至液体不能顺利下流，此时填料层中的持再增大气速至液体不能顺利下流，此时填料层中的持液量增加迅速，往往可以看到填料层的某个高度上出现液量增加迅速，往往可以看到填料层的某个高度上出现“积液层积液层”。若此时不增加气速，积液层仍在扩大，则会达到若此时不增

18、加气速，积液层仍在扩大，则会达到“液泛液泛”。此段斜率可以。此段斜率可以1010。寻找寻找u u液泛液泛,min,min：达液泛时速记录。：达液泛时速记录。二、填料塔的流体力学性能二、填料塔的流体力学性能2 2、液泛、液泛埃埃克克特特（EckertEckert）通通用用关关联联图图泛点线泛点线三、填料塔的附属结构三、填料塔的附属结构填料支承板填料支承板液体分布器液体分布器液体再分布器液体再分布器对传质性能影响也很大对传质性能影响也很大作用：作用：支承塔内的填料。支承塔内的填料。液体分布器和再分布器液体分布器和再分布器多孔环管式多孔环管式莲蓬头式莲蓬头式溢流管式溢流管式液体沿填料层向下流动时，有

19、液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，称为偏向塔壁流动的现象，称为壁壁流流。壁流导致填料层内。壁流导致填料层内气液分气液分布不均布不均，使，使传质效率下降传质效率下降。为。为减小壁流现象，可在填料层内减小壁流现象，可在填料层内设置设置液体再分布装置液体再分布装置。四、高效规整填料塔与板式塔的比较四、高效规整填料塔与板式塔的比较两者竞争能力各有两者竞争能力各有强弱。强弱。统计表明，与填料统计表明，与填料塔相比，石油化工企塔相比，石油化工企业塔设备中板式塔约业塔设备中板式塔约占占9090以上。易于放以上。易于放大而且在设计与操作大而且在设计与操作方面已具备了比较成方面已具备了比较成熟的经验

20、。熟的经验。高效规整填料塔具有：高效规整填料塔具有：（1 1）生产能力大）生产能力大一般板式塔的开孔率约在一般板式塔的开孔率约在8 8-1515之间，而填料塔的开孔率均在之间，而填料塔的开孔率均在5050以上，空隙率则在以上，空隙率则在7070-9797之间。之间。（2 2）分离效率高）分离效率高每米理论板数，板式塔最多不超过每米理论板数，板式塔最多不超过2 2级，而填料塔最多可达级，而填料塔最多可达1010级以上。级以上。（3 3）压降小）压降小由于填料塔空隙率高，其压降远远小于板式塔。由于填料塔空隙率高，其压降远远小于板式塔。一般情况下，板式塔压降高出填料塔一般情况下，板式塔压降高出填料塔

21、5 5倍左右。倍左右。目前常用的板式塔，其单板压降常在目前常用的板式塔，其单板压降常在0.30.3-0.5 kPa0.5 kPa之间，之间，如果一个具有如果一个具有5050块板的板式塔在真空操作下，全塔的块板的板式塔在真空操作下，全塔的压降有压降有1717-27kPa27kPa，同样一个相当于同样一个相当于5050块板的填料塔，它在正常操作下，块板的填料塔，它在正常操作下，其全塔压降只有其全塔压降只有3 3-13kPa13kPa。四、高效规整填料塔与板式塔的比较四、高效规整填料塔与板式塔的比较（4 4）操作弹性大）操作弹性大填料本身对负荷变化的适应性很大。填料本身对负荷变化的适应性很大。（5

22、5）持液量小）持液量小持液量可起到缓冲作用，使塔的操作平稳，不易引起持液量可起到缓冲作用，使塔的操作平稳，不易引起产品的迅速变化。产品的迅速变化。四、高效规整填料塔与板式塔的比较四、高效规整填料塔与板式塔的比较（6 6）缺点）缺点造价高；造价高；液量较小时不能有效润饰填料表面；液量较小时不能有效润饰填料表面；不能用于悬浮液或易聚合的物料；不能用于悬浮液或易聚合的物料；对需中间加热或多侧线出料等复杂精馏不太适用对需中间加热或多侧线出料等复杂精馏不太适用。四、高效规整填料塔与板式塔的比较四、高效规整填料塔与板式塔的比较35在逆流操作的吸收塔中在逆流操作的吸收塔中，用清水吸收氨空气混合用清水吸收氨空

23、气混合气中的氨气中的氨，混合气进塔时氨的浓度混合气进塔时氨的浓度Y Y1 1=0 0.0101（摩尔摩尔比比），吸收率吸收率9090，操作压力操作压力760760mmHg,mmHg,溶液为稀溶溶液为稀溶液液，系统平衡关系服从拉乌尔定律系统平衡关系服从拉乌尔定律，操作温度下操作温度下，氨在水溶液的饱和蒸汽压力为氨在水溶液的饱和蒸汽压力为684684mmHgmmHg，传质单元高传质单元高度为度为0 0.5 5米米。求：最小单位吸收剂用量求：最小单位吸收剂用量当吸收剂用量为最小用量的当吸收剂用量为最小用量的2 2倍时倍时，填料层的高度为填料层的高度为多少米多少米？填料塔习题示例填料塔习题示例361 1）系统服从拉乌尔定律系统服从拉乌尔定律Y=(PY=(P0 0/P)/P)x=x=0 0.9 9x xm=m=0 0.9 92 2）L/V=L/V=2 20 0.8181=1 1.6262S=mV/L=S=mV/L=0 0.9 9/1 1.6262=0 0.55655681.0)(1212*121min=mmYYYXXYYVL101121=YY62.3)1ln(1121=+=SYYSSNOGZ=HOGNOG1.81m