2011.10第七节：填料塔解析

2019/10/2第八章气体吸收一：填料塔二：填料塔的流体力学性能与操作特性三：填料塔的内件第七节填料塔2019/10/28.7.1填料塔溶剂填料塔气体液体分布装置气体分布装置填料在填料塔中，气液两相连续接触，两相的组成沿塔高连续变化，在正常操作下，气相为连续相，液相为分散相。2019/10/22019/10/22019/10/2一、填料类型按装填方式分乱堆填料（散装）整砌填料（规整）如：波纹板、波纹网如：拉西环、鲍尔环、鞍形、θ网环按基材分实体填料网体填料鞍形填料如弧鞍、矩鞍环形填料如拉西环、鲍尔环板形如栅板、波纹板如鞍形网、θ网、波纹网2019/10/21、散装填料（1）拉西环1914年由拉西发明，为高径比相等的空心圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。在拉西环基础上衍生了θ环、十字环等，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。2019/10/2（2）鲍尔环在拉西环基础上改进的，环壁开窗，切开的舌页内弯，在中心搭桥。大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。2019/10/2（3）阶梯环在鲍尔环基础上改进的，高度为直径的1/2，有阶梯，为点接触。生产能力比鲍尔环提高约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。有塑料和金属材质。2019/10/2（4）弧鞍和矩鞍形填料优点：液体在其表面流动均匀、表面利用率高、流动阻力小。缺点：面接触，易套叠。矩鞍填料两端为矩形，且填料两面大小不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点。2019/10/2（5）金属鞍环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。金属矩鞍环2019/10/2（6）网体填料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。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，多用于实验室中难分离物系的分离。2019/10/2多面空心球聚丙烯材质注射成形悬浮球填料由聚丙烯材料注塑成形，微生物挂膜快、生物膜易脱落，抗酸碱、耐老化、不受水流影响，使用寿命长，产品耐生物降解，剩余污泥极少，安装方便。（7）球形填料2019/10/22、规整填料规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。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。2019/10/2（1）格栅填料格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。木格栅格里奇格栅2019/10/2（2）波纹填料规整填料一般由波纹状的金属丝网或多孔板（分金属孔板波纹填料和金属压延孔板波纹填料）重叠而成。2019/10/2金属孔板波纹填料：波纹板片上冲压有许多Φ5mm左右的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。此填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。2019/10/2金属压延孔板波纹填料：它与金属孔板波纹填料的主要区别在于板片表面不是冲压孔，而是刺孔，用辗轧方式在板片上辗出很密的孔径为0.4～0.5mm小刺孔。其分离能力类似于网波纹填料，但抗堵能力比网波纹填料强，并且价格便宜，应用较为广泛。（3）脉冲填料：由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成。脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动。2019/10/2在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。特点：处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。2019/10/2二、填料的性能评价1、填料的几何特性（2）空隙率单位体积填料层的空隙体积，以ε表示；单位为m3/m3，或者以百分数表示。填料层的空隙率越大，气液通过能力越大，气体流动阻力越小。单位体积填料层的填料表面积，以表示；单位：m2/m3。同一种填料，尺寸愈小，比表面积愈大,所提供的气液传质面积越大。ta（1）填料的比表面积ta2019/10/2湿填料因子：填料被液体润湿后的；反映填料的流体力学特性。Ф值越小，流动阻力越小。填料塔计算采用润湿条件下的湿填料因子。2、填料的性能评价——模糊评价（见下页表）（3）填料因子Φ表示填料的流体力学性能，以φ表示，单位是1/m。ta3ε干填料因子：填料未被润湿时的；反映填料的几何特性。ta3εta3ε2019/10/2填料名称评估值语言值排序丝网波纹填料0.86很好1孔板波纹填料0.61相当好2金属intalox0.59相当好3金属鞍形环0.57相当好4金属阶梯环0.53一般好5金属鲍尔环0.51一般好6瓷intalox0.41较好7瓷鞍形环0.38略好8瓷拉西环0.36略好99种填料综合性能评价2019/10/2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最低。1.填料种类的选择：填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：(1)传质效率要高一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料；(2)通量要大在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料；(3)填料层的压降要低(4)填料抗污堵性能强，拆装、检修方便。三、填料的选择2019/10/22．填料规格的选择填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。（1）散装填料2019/10/2（2）规整填料规格的选择工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格，同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显增加。选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又具有经济合理性.2019/10/2应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。3.填料材质的选择填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。(1)陶瓷填料陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性及耐热性，价格便宜，具有很好的表面润湿性能，质脆、易碎是其最大缺点。在气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程中应用较为普遍。2019/10/2(2)金属填料金属填料可用多种材质制成，选择时主要考虑腐蚀问题。碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除Cl–以外常见物系的腐蚀，但其造价较高，且表面润湿性能较差，在某些特殊场合（如极低喷淋密度下的减压精馏过程），需对其表面进行处理，才能取得良好的使用效果；钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价很高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。2019/10/2一般来说，金属填料可制成薄壁结构，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，应用范围最为广泛。(3)塑料填料塑料填料的材质主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC）等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100°C以下使用。塑料填料质轻、价廉，具有良好的韧性，耐冲击、不易碎，可以制成薄壁结构。它的通量大、压降低，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。塑料填料的缺点是表面润湿性能差，但可通过适当的表面处理来改善。2019/10/28.7.2填料塔的流体力学性能与操作特性填料塔的流体力学性能包括持液量和压降。1、填料的持液量Ht：在一定操作条件下，单位体积填料在表面和空隙中所积存的液体体积量。包括静持液量和动持液量。以m3液体/m3填料表示，有时也用百分数表示。动持液量Ho：停止气液两相进料后从填料中排放出来的液体。与填料、液体特性及气液相流量（负荷）有关。一、填料塔的流体力学性能2019/10/2静持液量Hs：停止气、液两相进料，并经排液至无液滴流出时仍保留在填料层内的那部分液体。取决于填料和流体的特性，与气液流量无关。总持液量tosHHH2、压降产生压降的原因：液膜与上升气体的摩擦以及液膜与填料表面的摩擦构成了流动阻力，形成了压降。显然，填料层压降与液体喷淋量及气速有关，气速一定，液体喷淋量越大，压降越大；液体喷淋量一定，气速越大，压降也越大。Ht可由实验测定，也可由经验公式计算。一般来说，适当的Ht对塔的稳定性和传质是有益的，但Ht过大，将减少空隙率和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。2019/10/2将不同液体喷淋量下单位高度填料层的压降△p/Z与空塔气速u的关系标绘在双对数坐标纸上。填料层的关系pzu(干塔)321LLLk=1.8∼2.02k10k(近竖直）2019/10/2上升气体对液膜的曳力很小，液体流动不受气流的影响，液膜厚度基本不变，持液量恒定—恒持液量区。由图可见，在一定喷淋量下，压降随空塔气速的变化大致分为三个区域：①气速低于A点时，②气速超过A点时，曳力增大，液膜增厚，Ht增大，出现拦液现象，开始发生拦液现象时的对应气速称为载点气速，A为载点。③气速增大到B点，液体不能顺利流下，Ht很大，填料层内几乎充满液体，此时气速稍微增加，便会引起压降的剧增—液泛，开始发生液泛的气速为泛点气速（uF)，B点称为泛点，A—B为载液区，B点以上为液泛区。2019/10/2二、填料塔的操作特性1、填料内的气液分布：包括初始分布和动态分布。动态分布：一定操作条件下，气液两相在填料层内依靠自身性质与流动状态所进行的随机分布。和操作条件、填料的种类、规格、充填方式及塔径和垂直度等有关。初始分布：进塔的气液两相通过分布装置进行的强制分布。取决于分布装置的设计。研究表明，气液两相的初始分布比动态分布更为重要.填料塔中，气液两相分布要均匀，以保证传质推动力及传质效率不变。2019/10/22、液体喷淋密度与填料表面的润湿（1）液体喷淋密度：单位时间单位塔截面上喷淋的液体体积m3/(m2·h)，以U表示3600UL(2)填料表面的润湿：润湿状况取决于喷淋密度及填料表面的润湿性能。为保证填料充分润湿，喷淋密度必须大于某一极限值，即最小喷淋密度Umin。填料的润湿速率LW：在塔的横截面上，单位长度的填料周边的液体体积流量m3/(m·s).min()WtULa2019/10/2最小润湿速率（LW）min：保证填料充分润湿，润湿速率的最小值。minmin()/WtLUa对于一般填料（LW）=0.08m3/(m·h)；对于直径大于75mm的散装填料和板距大于50mm的栅板填料（LW）min＝0.12m