《化工原理》第3章 塔設(shè)備2012定稿-填料塔

(下冊)第3章（2）塔設(shè)備一填料塔的特點(diǎn)填料塔不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且具有阻力小和便于用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn)尤其適用于塔直徑較小地情形及處理有腐蝕性的物料或要求壓強(qiáng)較小的真空蒸餾系統(tǒng)對于大流量的情況，也可使用填料塔1．

比表面積2．

空隙度3．

單位堆體積內(nèi)的填料數(shù)目n4．

堆積密度5．

干填料因子及填料因子6．

機(jī)械強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性填料塔的主要內(nèi)構(gòu)件，其作用是增加氣、液兩相的接觸面積，并提高液體的湍動(dòng)程度以利于傳質(zhì)、傳熱的進(jìn)行。選擇填料的條件使氣、液接觸面積大、傳質(zhì)系數(shù)高，同時(shí)通量大而阻力小表征填料特性的主要參數(shù)二填料介紹及性能填料分類亂堆填料規(guī)整填料拉西環(huán)鮑爾環(huán)階梯環(huán)波紋整砌填料金屬絲網(wǎng)拉西環(huán)使用最早的一種填料，外徑與高度相等的圓環(huán)。一般直徑在75mm以下采用亂堆方式；直徑大于100mm的多采用整砌方式，以降低流體阻力?？捎锰沾?、金屬、塑料及石墨等材質(zhì)制造。優(yōu)點(diǎn)：形狀簡單，制造容易。缺點(diǎn)：存在著嚴(yán)重的溝流及壁流現(xiàn)象，塔徑愈大，填料層愈高，則壁流現(xiàn)象愈嚴(yán)重，致使傳質(zhì)效率顯著下降。鮑爾環(huán)構(gòu)造是在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出一排或兩排長方形的窗孔。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，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。階梯環(huán)階梯環(huán)是在鮑爾環(huán)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而發(fā)展起來的一種新型填料。階梯環(huán)與鮑爾環(huán)相似之處是環(huán)壁上也開有窗孔，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。鞍形填料包括弧鞍與矩鞍填料，均屬敞開型填料。特點(diǎn)：表面全部散開，不分內(nèi)外，液體在表面兩側(cè)均勻流動(dòng)，表面利用率高，氣體流動(dòng)阻力小，制造也方便。請看演示金屬Intalox環(huán)綜合了鮑爾環(huán)、鞍形填料及階梯環(huán)優(yōu)點(diǎn)，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Intalox環(huán)在現(xiàn)代工業(yè)散裝填料中占有明顯的優(yōu)勢。INTALOX?ULTRA?整砌結(jié)構(gòu)的新型高效填料，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很大的比表面積，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。缺點(diǎn)：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。規(guī)整填料請看演示表征填料特性的主要參數(shù)（1）比表面積a

定義：單位堆積體積所具有的表面積，

[m2/m3]、[1/m]。（2）空隙率ε

定義：單位體積填料中所具有的空隙體積，[m3/m3]。表征填料特性的主要參數(shù)空隙率的大小與顆粒形狀、粒度分布、顆粒直徑與床層直徑的比值、床層的填充方式等因素有關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)測得。一般非均勻、非球形顆粒的亂堆床層的空隙率大致在0.47～0.7之間。均勻的球體最松排列時(shí)的空隙率為0.48，最緊密排列時(shí)的空隙率為0.26。（3）干填料因子a/ε

3與（濕）填料因子（濕）填料因子——噴淋條件下測得的a/ε

3

。當(dāng)有液體噴淋時(shí)，填料的空隙率要減小，比表面積也會(huì)發(fā)生變化，因此濕填料因子φ需采用實(shí)驗(yàn)方法測定，φ簡稱填料因子。表征填料特性的主要參數(shù)表示填料流體力學(xué)性能的一個(gè)參數(shù)：（4）堆積密度ρP

單位體積填料所具有的質(zhì)量，[kg/m3]。氣體短路壁流現(xiàn)象嚴(yán)重參閱：p181/product/27-raschig-ring-12-5596//product/27-metal-cascade-ring-gmcmr-8017/表征填料特性的主要參數(shù)1、填料用材的選擇塑料陶瓷金屬設(shè)備操作溫度較低，體系對塑料無溶脹除濃硫酸、濃硝酸等強(qiáng)酸外但塑料表面對水溶液的潤濕性差。一般用于腐蝕性介質(zhì)，尤其是高溫時(shí)，但對HF和高溫下的H3PO4與堿不能使用耐高溫，但不耐腐蝕。不銹鋼可耐一般的酸堿腐蝕（含C1－的酸除外），但價(jià)格較昂貴三填料的選擇2、

填料類型的選擇取決于工藝要求，生產(chǎn)能力（氣量），容許壓降，物料特性亂堆填料規(guī)整填料氣、液分布較均勻大型塔和要求壓降低的塔注意裝卸清洗較為困難要求持液量較高的吸收體系金屬鞍環(huán)階梯環(huán)鮑爾環(huán)矩鞍填料性能好性能差填料尺寸（直徑、波峰高）大，則比表面小，通量（容許氣速）大，壓降低，但效率（每米填料的理論半數(shù)）也低，故多用于生產(chǎn)能力（處理氣量）大的塔。對于理論板數(shù)很多或塔高受廠房限制的場合，一般用小尺寸、高比表面填料。對于易結(jié)垢或易沉淀的物料通常用大尺寸的柵板（格柵）填料，并在較高氣速下操作。3、

填料尺寸的選擇填料的尺寸填料外徑徑比=塔徑推薦散裝填料尺寸1、塔徑≤300mm時(shí)，選用20~25mm的填料。2、300≤塔徑≤900mm時(shí)，選用25~38mm的填料。3、塔徑＞900mm時(shí)，選用50~80mm的填料。3、

填料尺寸的選擇四填料塔的結(jié)構(gòu)主要塔內(nèi)附屬結(jié)構(gòu)簡介（1）液體分布器作用：使液體能夠均勻地分布在填料層上。類型：多孔型、溢流型。(a)蓮蓬頭式(b)溢流管式請看演示（2）氣體分布器作用：使氣體能夠均勻分布。形式：小塔氣體分布器大塔氣體分布器（3）液體再分布器請看演示液體再分布器為改善向壁偏流效應(yīng)造成的液體分布不均，可在填料層內(nèi)部每隔一定高度設(shè)置一液體分布器。（4）除沫裝置作用：回收氣體夾帶的液沫和霧滴。折流板式除沫器旋轉(zhuǎn)板式除沫器（5）填料支承板作用：支撐填料及其所持液體。(a)柵板(b)升氣管式一.填料塔的流動(dòng)性能參數(shù)

1．空塔氣速u(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)五填料塔性能

3．空塔氣速——淋灑密度——壓力降關(guān)系

(1)

壓力降是塔設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，氣體通過填料層的阻力大小直接決定了塔的動(dòng)力消耗。

3．空塔氣速——淋灑密度——壓力降關(guān)系

(1)

壓力降是塔設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，氣體通過填料層的阻力大小直接決定了塔的動(dòng)力消耗。

阻力損失是否更大當(dāng)L=0時(shí)，即無液體噴淋（又稱干填料線）時(shí)，Δp/z與u成直線關(guān)系。3．空塔氣速——淋灑密度——壓力降關(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)。

恒持液區(qū)；載點(diǎn)；載液區(qū)；液泛點(diǎn)；液泛區(qū)。說明：通常情況，填料塔應(yīng)在載液區(qū)操作。

L=0①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)，達(dá)到泛點(diǎn)時(shí)的空塔氣速稱為液泛氣速或泛點(diǎn)氣速。3．空塔氣速——淋灑密度——壓力降關(guān)系請看液泛演示（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)：

1.壓力降計(jì)算方法：

1）現(xiàn)場測定；2）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算；

2）查專門曲線（例各種具體類型填料的經(jīng)驗(yàn)值曲線）；

3）通過關(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)圖計(jì)算?？捎蒃ckert關(guān)聯(lián)圖（P185）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)線相對應(yīng)的縱座標(biāo)中包含空塔泛點(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。?？颂赝ㄓ藐P(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。2．液泛氣速uF

泛點(diǎn)氣速的計(jì)算：100.011.00.10.060.040.020.20.40.6234680.0010.010.10.080.060.020.040.80.0061.00.0020.0080.0040.60.40.24050200015020030040050010001001500

Eckert泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖整砌拉西環(huán)泛點(diǎn)線散堆填料泛點(diǎn)線Δp/Δz經(jīng)驗(yàn)公式確定泛點(diǎn)氣速。2．液泛氣速uF

（二）填料塔的水力學(xué)性能文獻(xiàn)可參閱：杭氧：/法液空：/alhz/18.htm（三）填料塔的傳質(zhì)性能

y

1

2yi

xi

x——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元高度，m（1）傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式氣膜傳質(zhì)系數(shù)：液膜傳質(zhì)系數(shù)：填料濕潤表面積：恩田（Onda）關(guān)聯(lián)式：（三）填料塔的傳質(zhì)性能

（2）修正的恩田關(guān)聯(lián)式氣膜傳質(zhì)系數(shù)：液膜傳質(zhì)系數(shù)：（三）填料塔的傳質(zhì)性能

文獻(xiàn)可參閱：（1）塔徑計(jì)算通常取操作空塔氣速根據(jù)氣體處理量qVGs與空塔氣速u,按下式計(jì)算塔徑：設(shè)計(jì)內(nèi)容：塔填料的選擇、塔徑的計(jì)算、填料層高度的計(jì)算、液體分布器和液體再分布器的設(shè)計(jì)、氣體分布裝置的設(shè)計(jì)、填料支撐裝置的設(shè)計(jì)等。六填料塔工藝設(shè)計(jì)簡介

（2）填料層高度計(jì)算計(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)(2)等板高度法（H.E.T.P法）普通實(shí)體填料的等板高度大都在400mm以上，例如25mm拉西環(huán)HETP為0.5m，25mm的鮑爾環(huán)HETP為0．4～0.45m；網(wǎng)體填料有很大比表面積和空隙率，其等板高度在100mm下，如CY型波紋絲網(wǎng)。等板高度=f（填料的類型與尺寸，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。說明：經(jīng)過一定高度的填料層后應(yīng)設(shè)置液體收集裝置，并進(jìn)行液體的再分布，以保證氣液兩相處于良好的分布狀態(tài)。設(shè)計(jì)步驟：（1）針對物系及分離要求，選擇適宜填料；（2）確定塔徑（考慮噴淋密度）；（3）計(jì)算塔高（考慮分段高