蒸馏和吸收塔设备-qiao.ppt

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1、化工原理,任课教师：乔梅英,Principles of Chemical Engineering,概述（Introduction）,高径比很大的设备成为塔器，是广泛采用的气液传质设备，用于蒸馏和吸收的塔器分别称为蒸馏塔和吸收塔。 气液传质设备的基本功能：形成气液两相充分接触的相界面，使质、热的传递快速有效地进行，接触混合与传质后的气、液两相能及时分开，互不夹带等。 原则：充分接触，适当湍流； 最大限度接近逆流，获得最大推动力。,气液传质设备的分类：气液传质设备的种类很多，按接触方式可分为连续（微分）接触式（填料塔）和逐级接触式（板式塔）两大类，在吸收和蒸馏操作中应用极广 。,填料塔,在圆柱形壳

2、体内装填一定高度的填料，液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出；气体则在压强差推动下穿过填料层的空隙，由塔的一端流向另一端。气液在填料表面接触进行质、热交换，两相的组成沿塔高连续变化。,散装填料 塑料鲍尔环填料,规整填料 塑料丝网波纹填料,在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若干层塔板，液体靠重力作用自上而下流经各层板后从塔底排出，各层塔板上保持有一定厚度的流动液层；气体则在压强差的推动下，自塔底向上依次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排出。气、液在塔内逐板接触进行质、热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃式变化。,板式塔,DJ 塔盘,新型塔板、填料,

3、填料塔和板式塔的主要对比,填料塔和板式塔都可用于吸收或蒸馏操作。,新型填料及规整填料塔竞争力较强。,塔型选择,塔径在0.60.7米以上的塔，过去一般优先选用板式塔。 随着低压降高效率轻材质填料的开发，大塔(30m)也开始采用各种新型填料作为传质构件，显示了明显的优越性。 塔型选择主要需考虑以下几个方面的基本性能指标：,(1) 生产能力 即为单位时间单位塔截面上的处理量； (2) 分离效率 对板式塔指每层塔板的分离程度；对填料塔指单位高度填料层所达到的分离程度； (3) 操作弹性 指在负荷波动时维持操作稳定且保持较高分离效率的能力，通常以最大气速负荷与最小气速负荷之比表示； (4) 压强降 指气

4、相通过每层塔板或单位高度填料的压强降； (5) 结构繁简及制造成本。,气相通道 溢流堰 降液管,.筛板塔的结构,板式塔,右图中： （a）泡罩塔； （b）筛板塔； （c）浮阀塔； （d）固定舌型塔 （e）浮动喷射塔。,4.塔板类型,板式塔,塔板类型,塔板是板式塔的基本构件，决定塔的性能。,溢流塔板 (错流式塔板)：塔板间有专供液体溢流的降液管 (溢流管)，横向流过塔板的流体与由下而上穿过塔板的气体呈错流或并流流动。板上液体的流径与液层的高度可通过适当安排降液管的位置及堰的高度给予控制，从而可获得较高的板效率，但降液管将占去塔板的传质有效面积，影响塔的生产能力。,溢流式塔板应用很广，按塔板的具体结

5、构形式可分为： 泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板、网孔塔板、舌形塔板等。,塔板类型,逆流塔板（穿流式塔板）： 塔板间没有降液管，气、液两相同时由塔板上的孔道或缝隙逆向穿流而过，板上液层高度靠气体速度维持。 优点：塔板结构简单，板上无液面差，板面充分利用，生产能力较大； 缺点：板效率及操作弹性不及溢流塔板。,与溢流式塔板相比，逆流式塔板应用范围小得多，常见的板型有筛孔式、栅板式、波纹板式等。,泡罩塔板（ Bubble-cap Tray ）,在工业上最早（1813年）应用的一种塔板，其主要元件由升气管和泡罩构成，泡罩安装在升气管顶部，泡罩底缘开有若干齿缝浸入在板上液层中，升气管顶部应高于泡罩齿缝的上沿

6、，以防止液体从中漏下。,液体横向通过塔板经溢流堰流入降液管，气体沿升气管上升折流经泡罩齿缝分散进入液层，形成两相混合的鼓泡区。 优点：操作稳定，升气管使泡罩塔板低气速下也不致产生严重的漏液现象，故弹性大。 缺点：结构复杂，造价高，塔板压降大，生产强度低。,筛孔塔板（ Sieve Tray ）,筛孔塔板简称筛板。塔板上开有许多均匀的小孔，孔径 一 般为38mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。 筛孔塔板即筛板出现也较早（1830年），是结构最简单的一种板型。但由于早期对其性能认识不足，为易漏液、操作弹性小、难以稳定操作等问题所困，使用受到极大限制。 筛板

7、的优点:是结构简单、造价低，板上液面落差小，气体压降低，生产能力大，传质效率高。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。,浮阀塔板（ Valve Tray）,浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，应用广泛。浮阀的类型很多，国内常用的F1型、V-4型及T型等 浮阀塔板的结构特点: 是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。 浮阀塔板的优

8、点: 是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。,浮阀塔板（ Valve Tray）,F1型浮阀结构简单，易于制造，应用最普遍，为定型产品。阀片带有三条腿，插入阀孔后将各腿底脚外翻 90，用以限制操作时阀片在板上升起的最大高度；阀片周边有三块略向下弯的定距片，以保证阀片的最小开启高度。 F1型浮阀分轻阀和重阀。轻阀塔板漏液稍严重，除真空操作时选用外，一般均采用重阀。,舌形塔板,一种斜喷射型塔板。结构简单，在塔板上冲出若干按一定排列的舌形孔，舌片向上张角 以

9、20左右为宜。,优点：气流由舌片喷出并带动液体沿同方向流动。气液并流避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。 气流方向近于水平。相同的液气比下，舌形塔板的液沫夹带量较小，故可达较高的生产能力。 缺点：张角固定，在气量较小时，经舌孔喷射的气速低，塔板漏液严重，操作弹性小。 液体在同一方向上加速，有可能使液体在板上的停留时间太短、液层太薄，板效率降低。,在舌形塔板上发展的斜孔塔板，斜孔的开口方向与液流垂直且相邻两排开孔方向相反，既保留了气体水平喷出、气液高度湍动的优点，又避免了液体连续加速，可维持板上均匀的低液面，从而既能获得大的生产能力，又能达到好的传质效果。,斜孔塔板,浮舌塔板,为

10、使舌形塔板适应低负荷生产，提高操作弹性，研制出了可变气道截面（类似于浮阀塔板）的浮舌塔板。,网孔塔板,网孔塔板由冲有倾斜开孔的薄板制成，具有舌形塔板的特点。这种塔板上装有倾斜的挡沫板，其作用是避免液体被直接吹过塔板，并提供气液分离和气液接触的表面。 网孔塔板具有生产能力大，压降低，加工制造容易的特点。,垂直筛板（Vertical Sieve Tray ）,在塔板上开按一定排列的若干大孔(直径100200mm)，孔上设置侧壁开有许多筛孔的泡罩，泡罩底边留有间隙供液体进入罩内。,气流将由泡罩底隙进入罩内的液体拉成液膜形成两相上升流动，经泡罩侧壁筛孔喷出后两相分离，即气体上升液体落回塔板。液体从塔板

11、入口流至降液管将多次经历上述过程。 与普通筛板相比，垂直筛板为气液两相提供了很大的不断更新的相际接触表面，强化了传质过程；且气液由水平方向喷出，液滴在垂直方向的初速度为零，降低了液沫夹带量，因此垂直筛板可获得较高的塔板效率和较大的生产能力。,3.2.2 板式塔的流体力学性能,塔板上气液两相的接触状态是决定板上两相流流体力学、传质和传热规律的重要因素。当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现四种不同的接触状态：,1.气液接触状态,鼓泡接触状态 蜂窝接触状态 泡沫接触状态 喷射接触状态,（1）鼓泡接触状态,鼓泡接触状态,气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本

12、上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。,（1）鼓泡接触状态,（1）鼓泡接触状态,鼓泡接触状态,气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。,（2）蜂窝状接触状态,（2）蜂窝状接触状态,蜂窝状接触状态,随着气速增加，气泡数量不断增加。当气泡形成速度大于气泡浮升速度时气泡在液层中累积。气泡间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡。由于气泡不易破裂，表面得不到更新，所以此种状态不利于传热和传质。,（3）泡沫接触状态,泡沫接触状态,当气速继续增加，气泡数量急剧增加，气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液体大部分

13、以液膜的形式存在于气泡之间，形成一些直径较小，扰动十分剧烈动态泡沫，由于泡沫接触状态表面积大，并不断更新，是一种较好的接触状态。,（4）喷射接触状态,喷射接触状态,当气速继续增加，把板上液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用落回到塔板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。液滴回到塔板上又被分散，这种液滴反复形成和聚集，使传质面积增加，表面不断更新，是一种较好的接触状态。,如上所述，泡沫接触状态和喷射状态均是优良的塔板接触状态。因喷射接触状态的气速高于泡沫接触状态，故喷射接触状态有较大的生产能力，但喷射状态液沫夹带较多，若控制不好，会破坏传质过程，所以多数塔均控制在泡沫接触状

14、态下工作。,2.漏夜,。 在正常操作的塔板上，液体横向流过塔板，然后经降液管流下。当气体通过塔板的速度较小时，气体通过升气孔道的动压不足以止板上液体经孔道流下时，便会出现漏液现象。漏液的发生导致气液的两相在塔板上的接触时间减少，塔板效率下降，严重时会使塔板不能积液而无法正常操作。通常，为保证塔的正常操作，漏液量应不大于液体流量的10%。漏液量达到10%的气体速度称为漏液速度，它是板式塔操作气速的下限。 造成漏液的主要原因是气速太小和板面上液面落差所引起的气流分布不均匀。在塔板液体入口处，液层较厚，往往出现漏液，为此常在塔板液体入口处留出一条不开孔的区域，称为安定区。,3.雾沫夹带,气相穿过板上

15、液层时，无论是喷射型还是泡沫型操作，都会产生数量甚多、大小不一的液滴，这些液滴中的一部分被上升气流挟带至上层塔板，这种现象称为雾沫夹带。浓度较低的下层板上的液体被气流带到上层塔板，使塔板的提浓作用变差，对传质是一不利因素。 液滴的生成虽然可增大气液两相的接触面积，有利于传质和传热，但过量的雾沫夹带常造成液相在塔板间的返混，进而导致板效率严重下降。为维持正常操作，需将液沫夹带限制在一定范围，一般允许的液沫夹带量为0.1kg（液）/ kg（气）。 影响雾沫夹带量的因素很多，最主要的是空塔气速和塔板间距。空塔气速减小及塔板间距增大，可使雾沫夹带量减小。,气体通过塔板需克服一定的阻力塔板压降。,塔板

16、阻力,板上各部件所造成的局部阻力。,板上充气液层的静压力形成的阻力。,液体表面张力形成的阻力。,塔板压降=干板压降+充气液层压降+表面张力压降,干板阻力,充气液层阻力,表面张力阻力,4. 塔板压降,分析,气液接 触时间,塔板效率,塔釜温度 气体阻力,塔板压降,塔板压降,能量消耗,对热敏性物系的分离，应采用较低的塔板压降。,塔内如果气、液两相中之一的流量增大，是降液管内液体不能顺利下流，管内液体必然积累，当管内液体增高到越过溢流堰顶部，于是两版间液体相连，该层塔板产生积液，并依次上升，这种现象称为液泛淹塔。此时，塔板压降上升，全塔操作破坏，操作时候应避免液泛发生。,5.液泛,当塔板上液体流量很大

17、，上升气体的速度很高时，液体被气体 夹带到上一层塔板上的量剧增，使塔板间充满气液混合物，最终 使整个塔内都充满液体，这种由于液沫夹带量过大引起的液泛称 为夹带液泛。 当降液管内液体不能顺利向下流动时，管内液体必然积累，致 使管内液位增高而越过溢流堰顶部，两板间液体相连，塔板产生 积液，并依次上升，最终导致塔内充满液体，这种由于降液管内 充满液体而引起的液泛称为降液管液泛。 液泛的形成与气液两相的流量相关。对一定的液体流量，气速 过大会形成液泛；反之，对一定的气体流量，液量过大也可能发生 液泛。液泛时的气速称为泛点气速，正常操作气速应控制在泛点气 速之下。,液泛是气液两相作逆向流动时的操作极限；

18、 因此，在板式塔操作中要避免发生液泛现象； 影响液泛的因素：除气、液流量和物性外，塔板 结构，特别是板间距也是重要参数； 采用较大的板间距可提高液泛速度。,当液体横向流过塔板时，为克服板上的摩擦阻力和板上部件（如泡罩、浮阀等）的局部阻力，需要一定的液位差，则在板上形成由液体进入板面到离开板面的液面落差。,塔板上的液面 落差示意图,液面 落差,6. 液面落差,分析,气液分布均匀程度,塔板效率,与塔板的 结构有关,泡罩塔板,大,浮阀塔板,中,筛孔塔板,小,与塔径、液体流量有关,塔径,流量,负荷性能图,0,4,1,5,3,2,正常操作范围,Ls (m3/h),Vs (m3/h),1雾沫夹带线(气相负

19、荷上限线) .,2.液泛线,3.液相负荷上限线,5.液相负荷下限线,4.漏液线(气相负荷下限线),对一定分离物系，当设计选定塔板类型后，其操作状况和分离效果便只与气液负荷有关。要维持塔板正常操作和塔板效率的基本稳定，必须将塔内的气液负荷限制在一定的范围内，该范围即为塔板的负荷性能。,负荷性能图,1,3,1雾沫夹带线(气相负荷上限线) . 沫夹带量 0.1kg液/kg气,2.液泛线,夹带气速 umax,为防止液泛，降液管内的液层高度应不超过某一数值。,降液管内 液层高度,安全 系数,塔板 间距,溢流堰高度,液体在降液管停留时间 5 s,最大液流量 Lmax,3.液相负荷上限线,液流量过高，液体通

20、过降液管内的停留时间较短，气泡来不及与液体分离气泡夹带。,4.漏液线(气相负荷下限线),漏液量 10液流量,漏液气速 umin,5.液相负荷下限线,液流量过低，板上液层不均匀，气体停留时间短，传质效率低。,堰上液层高度 0.006 m,操作弹性,塔板的操作弹性：上、下操作极限点的气体流量之比。 对一定结构尺寸的塔板，采用不同气液比时控制塔的操作弹性与生产能力的因素均可能不同。,塔板的设计点应落在负荷性能图的适中位置，使塔具有相当的抗负荷波动的能力，保证塔的良好稳定操作。,OP 线（高气液比）： 上限 a（过量液沫夹带） 下限 a（低液层）,OP,OP,OP,a,a,b,b,c,c,OP 线（较

21、高气液比）： 上限 b（溢流液泛） 下限 b（漏液）,OP 线（低气液比）： 上限 c（气泡夹带） 下限 c（漏液）,操作弹性,右图表明，因降液管流通面积偏小，使液体负荷成为塔板操作的主要控制因素。,液沫夹带线 2 和溢流液泛线 5 将上移，甚至使线 5 落到正常操作范围之外。,物系一定，负荷性能图取决于塔板的结构尺寸。而负荷性能图的形状在一定程度上也反映了塔板结构尺寸的相对情况。,减小降液管面积，液相上限流量 Ls 下降(线 4 将左移)；,塔板的负荷性能图可清楚地表示塔板的允许的气、液相负荷范围及塔板操作弹性的大小，对塔板的改造和设计以及塔的操作均有一定的指导意义。,OP,a,a,4,2,

22、5,3.3.1 填料塔的结构与特点,1.填料塔的结构,填料塔为连续接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、液体分布器、填料支承板、塔填料、填料压板及液体再分布装置等部件构成。,填 料 塔,液相,分散相,气相,连续相,1-塔壳体； 2-液体分布器； 3-填料压板； 4-填料； 5-液体再分布器； 6-填料支承板,填料塔结构示意图,与板式塔相比，填料塔具有以下特点：,生产能力大,侧线进料和出料较难,压力降小，持液量小,操作弹性大,分离效率高,造价较高,易堵塞,填料塔（Packed Tower）,塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。 填料：大致可分为散装填料

23、和规整填料两大类，是传热和传质的场所。 塔内件：包括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。 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)比表面积,传质面积,传质效率,流动阻力,生产能力,分析,1.填料的几何特性,(1)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。,填料塔的核心，是气液两相接触进行

24、质、热传递的场所。 填料的流体力学和传质性能与填料的材质、大小和几何形状紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：,填料（Tower packing）,a,a,(2)空隙率,单位体积填料层的空隙体积称为空隙率，以 表示，其单位为 m3/m3，或以%表示。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。 = 0.450.95。,流动阻力,塔压降,生产能力,传质效率,流动阻力,分析,(3)填料因子,分析,传质效率,流动阻力,生产能力,干填料因子,填料的比表面积与空隙率三次方的比值称为填料因子，以 表示，其单位为1/m。值越小，流动阻力越小。有干填料因子与湿填料因子之分

25、。,a,填料（Tower packing）,(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。,常用的填料（Typical tower packing）,常用的填料可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料在塔内可乱堆，也可以整砌。,填料塔的传质效率主要取决于填料的形状。单位

26、体积填料，提供的汽液传质面积大，就是好的填料。这里仅列出拉西环、鲍尔环、阶梯环、距鞍环、丝网规整填料等五种。,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。,拉西环（Raschig ring）填料,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。,鲍尔环（Pall ring）填料,在环的侧壁上开一层或两层长方形小

27、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。,同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但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。 比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。,这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。,阶梯环填料（Stair ring）,阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，

28、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。,阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。,弧鞍形(Berl saddle)矩鞍形(Intalox saddle)填料,一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质型填料 (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，填料的均匀性得到改善。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

29、的一种瓷质填料。,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。,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。,与实体填料对应的另一类填料为网体填料。 有多种形式，如金属丝网制成的网环和鞍型网等。,网体填料（Wire gauze packings）,规整填料,规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。

30、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。,规整填料,Corrugated Metal Plates Packings 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,2.填料的性能评价,填料的性能评价指标,生产能力大,传质效率高,填料层压降低,操作弹性大,造价低,9 种填料综合性能评价 填料名称 评估值 评 价 排序

31、丝网波纹填料 0.86 很好 1 孔板波纹填料 0.61 相当好 2 金属Intalox填料 0.59 相当好 3 金属鞍形环填料 0.57 相当好 4 金属阶梯环填料 0.53 一般好 5 金属鲍尔环填料 0.51 一般好 6 瓷Intalox填料 0.41 较好 7 瓷鞍形环填料 0.38 略好 8 瓷拉西环填料 0.36 略好 9 ,二、填料的性能及其评价,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。,填料的流体力学性能,一、填料塔的流体力学性能,持液量,总持液量 Ht,动持液量 Ho,静持液量 Hs,1.

32、填料层的持液量 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。,HtHo Hs,分析,Ht,填料层 压降,传质效率,生产能力,动持液量：停止气液两相进料后从填料中排放出来的液体。与填料特性，物性及气液两相流量有关。 静持液量：液体排放完后仍保留在填料层内的那部分液体。与填料表面积，表面特征及润湿性有关。,填料层的压降形成,液膜与填料表面的摩擦,液膜与上升气体的摩擦,u 一定,L,L 一定,u,填料塔的流 体力学性能,分析,u,单位高度填料层压降,一、填料塔的流体力学性能,2.填料层的压降,填料层的P - u关系,液泛区,载液区,恒持液量区,泛点,载点,气

33、体通过干填料层的压降 p 与空塔气速 u 的关系在双对数坐标上为直线，斜率 1.82.0。 有一定持液量时，pu 将不再为简单的直线关系(喷淋密度为L1、L2曲线)，且存在两个较明显的转折点。 原因：喷淋液体在填料上形成液膜，占据部分空隙，减小了气体的流通截面，对相同空塔气速压降升高。,P点后，液沫夹带量，液相返混可导致填料效率，(HETP )。,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：,压降,气速较低时，气液相间相互影响小，在一定的液体喷淋密度下，填料持液量与气速无关，气体压降与气速的关系为直线且基本与 L=0 的

34、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。,压降与气速的关联图,压降对填料塔操作的可靠性和经济性有着决定性的影响。 选择填料和确定塔径时，不同系统应控制的压降范围不同。,压降：表面摩擦阻力+形体阻力，前者是气体在空隙中流动时在填料表面和气液界面上产生的粘性应力，后者是由于气体流道的突然增大或缩小，方向的改变等造成的动能损失。 影响因素：填料特性(几何形状、比表面积、 等)，流体物性(、 等)以及操作条件(气液流量、T 等)。 难以进行准确的理论计算，迄今仍然只能由各种经验关联式或关联图进行估算。,埃克特 (Eckert)

35、 压降通用关联图,横坐标：,GG ,GL 气体和液体的质量流速，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； WG ,WL 气体和液体的质量流量，kg/s； 湿填料因子(泛点填料因子)，1/m； Vs ,Ls 气体和液体的体积流量，m3/s； g 重力加速度 9.81m/s2； 液体密度校正系数(水与液相密度之比=/L) 。,纵坐标：,埃克特 (Eckert) 压降通用关联图,适用范围：乱堆填料(Random packings)，如拉西环、鲍尔环、矩鞍环等。 与泛点线相对应的空塔气速为空塔液泛气速。 利用此图可根据选定的

36、空塔气速求压降，或根据规定的压降求算相应的空塔气速。,最上方的三条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线。其余为乱堆填料的等压降线。,泛点气速,泛点：液泛开始发生，是填料塔的操作极限。 泛点气速：开始发生液泛时的气速，泛点的直接表达参数。,为防止液泛发生，最大操作气速应 95%泛点气速，设计点的气速通常取泛点气速的50%80%。故正确估算泛点气速对填料塔的设计和操作都十分重要。 填料的种类，物系的物性以及气、液相负荷等因素对泛点都有一定的影响。泛点气速的估算式通常仍是借助于实验数据所得的各种经验关联式或关联图。 对于散装填料，目前广泛采用埃克特(Eckert)压降和气速通用关联图中的泛点曲

37、线。 规整填料有类似的泛点实验关联图，可参考有关文献。 根据两相流动参数即可由埃克特(Eckert)关联图中的泛点线查纵坐标值，若填料因子已知，即可求得泛点气速。,填料塔塔径与塔高的计算,塔径,填料塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算,式中：Vs 操作条件下气体体积流量，m3/s； u 操作条件下的空塔气速，m/s。 一般取 u = (0.50.8) umax 。,对一定气体负荷，塔径计算关键在于空塔泛点气速的求取。当缺乏实测数据时，泛点气速 uf 可用埃克特(Eckert)压降关联图估算。一般填料塔的操作气速大致在 0.21.0 m/s。 按上式算出的塔径，应按压力容器公称直径进行圆整，如

38、圆整为600、800、1000、1200 mm 等。,2.液体喷淋密度与填料表面的润湿,单位塔截面积上单位时间内喷淋的液体体积液体喷淋密度。,m3/(m2h),液体体积流量，m3/s, 填料塔的截面积，m2,（1）液体喷淋密度,塔径,2.液体最小喷淋密度 验算液体喷淋密度，以确保填料能得到充分的润湿。填料塔的液体最小喷淋密度与填料的比表面积 a 有关，其关系为：,式中：Umin 最小喷淋密度，m3/(m2s)； (Lw)min 最小润湿速率，m3/(ms)。,最小润湿速率：在塔横截面上，单位长度的填料周边上润湿填料所需最少液体的体积流量。 直径75mm 的环形填料，(Lw)min= 0.12

39、m3/(mh)。 实际喷淋密度应大于最小喷淋密度。若不能满足此条件，可采用增大回流比或液体再循环等方法加大塔内液体流量，或适当提高气速，减小塔径等。,塔高,取决于所需的填料层高度及塔内附属构件所需的高度。 附属构件(如气液分布装置，除沫器及液体再分布器等)的高度要由所选的类型和计算的尺寸来确定。 填料层的高度通常采用传质单元法 (第9章吸收计算) 或等板高度法进行计算。 等板高度(HETP)：与一层理论塔板的分离效果相当的填料层高度。等板高度的大小，表明填料效率的高低。 等板高度一般由实验测定，或取生产设备的经验数据。 若完成分离任务所需的理论板数为 N，则填料层高度 Z 为,默奇 (Murc

40、h) 等板高度经验公式,GG 气体的空塔质量速度，kg/(m2h)； 相对挥发度； D 塔径，m； L 液体粘度，mPas； Z 填料层高度，m； L 液体的密度，kg/m3； c1, c2, c3 常数，取决于填料类型及尺寸。,适用范围： (1) 常压操作，操作气速为泛点气速的2585%； (2) 高回流比操作； (3) 值不大于3的碳氢化合物蒸馏系统； (4) 填料层高度为0.93.0m，塔径为0.50.75m，填料尺寸不大于塔径的1/8。,默奇 (Murch) 等板高度经验公式,默奇（Murch）等板高度经验公式中的常数,一、 填料支承装置,填料支承装置的作用是支承塔内的填料。,填料支承

41、 装置类型,栅板型,孔管型,驼峰型,填料压紧装置,填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。,填料压紧 装置类型,栅板型,网板型,液体分布装置,液体分布装置作用是将进塔液体均匀分布，以喷洒在填料层的上方。,液体分布 装置类型,喷头式,盘式,管式,槽式,槽盘式,喷头式液体分布器,盘式液体分布器,管式液体分布器,槽式液体分布器,槽盘式液体分布器,液体收集及再分布装置,液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象壁流。壁流导致填料层内气液分布不均，使传质效率下降。为减小壁流现象，可间隔一定高度在填料层内设置液体再分布装置。,液体收集及再分布装置类型,截锥式,斜板式,槽盘式液体分

42、布器,截锥式液体收集及再分布器,斜板式液体收集器,课外资料：国内常用的填料手册,1. 李锡源等. 新型工业塔填料应用手册散装填 料部分. 西安: 化学工业部第六设计院,1989. 2. 刘乃鸿等. 工业塔新型规整填料应用手册. 天 津: 天津大学出版社,1993. 3. 王树楹等. 现代填料塔技术指南.北京:中国石 化出版社,1998. 4. 徐崇嗣等. 塔填料产品及技术手册.北京:化学 工业出版社,1995.,练 习 题 目,思考题,1.填料塔的流体力学性能包括哪些方面，对填料 塔的传质过程有何影响？ 2.填料塔有哪些操作特性？ 3.最小液体喷淋密度表示何种意义？ 4.泛点率（安全系数）表示何种意义？,填料塔 填料的主要类型 填料的几何特性 填料塔的流体力学性能与操作特性,填料塔 填料的主要类型 填料的几何特性 填料塔的流体力学性能与操作特性,