填料塔

填料塔陈维2016年4月14日填料塔一.填料塔的结构与特点二.填料的类型及性能评价.三.填料塔的流体力学性能四.填料塔的内件一.填料塔的结构与特点1.填料塔的结构填料层：提供气液接触的场所。液体分布器（分布盘）：均匀分布液体，以避免发生沟流现象。液体再分布器：避免壁流现象发生。支撑板：支撑填料层，使气体均匀分布。除沫器：防止塔顶气体出口处夹带液体。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时（超过6m），需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。2.填料塔的特点(与板式塔相比)优点：生产能力大。填料塔内件开孔率大，空隙率大，液泛点高。分离效率高。填料塔每米理论级远大于板式塔，尤其在减压及常压条件下。压降小。空隙率高，阻力小。持液量小。操作弹性大。缺点：填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。填料作用提供气液接触面积；强化气体湍动，降低气相传质阻力；更新液膜表面，降低液相传质阻力。二.填料的类型及性能评价1填料（packings）的类型1).分类按填料形状分：网体填料实体填料按填料的装填方式分：散装填料规整填料按材质分：金属填料塑料填料陶瓷填料石墨填料2).常用的几种填料①拉西环(Raschingring)：拉西环是工业上最早使用的一种填料，为外径与高度相等的圆环，通常由陶瓷或金属材料制成。拉西环环拉西环结构简单，制造容易，但堆积时相邻环间易形成线接触，填料层的均匀性差，因而存在严重的向壁偏流和沟流现象，致使传质效率低。而且流动阻力大，操作范围小。其改善方面有θ形、十字格形的拉西环。拉西环结构简单，制造容易，但堆积时相邻环间易形成线接触，填料层的均匀性差，因而存在严重的向壁偏流和沟流现象，致使传质效率低。而且流动阻力大，操作范围小。其改善方面有θ形、十字格形的拉西环。②鲍尔环(pallring)：鲍尔环是在拉西环的壁上开一层或两层长方形窗口，窗孔的母材两层交错地弯向环中心对接。这种结构使填料层内气、液分布性能大为改善，尤其是环的内表面得到充分利用。与同样尺寸的拉西环相比，鲍尔环的气液通量可提高50%，而压降仅为其一半，分离效果也得到提高。其改进为阶梯形鲍尔环，圆筒部分的一端制成喇叭口形状。这样填料间呈现点接触，床层均匀且空隙率大，与鲍尔环相比气体阻力减少25%，生产能力提高10%。③阶梯环：鲍尔环基础上改造得出的。环壁上开有窗孔，其高度为直径的一半。由于高径比的减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了阻力。喇叭口一边，不仅增加机械强度，而且使填料之间为点接触，有利于液膜的汇集与更新，提高了传质效率。目前所使用的环型填料中最为优良的一种。④弧鞍型(berlsaddle)：表面全部敞口，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流动呈弧形，气体阻力小。但两面对称有重叠现象，容易产生沟流。强度差，易破碎。应用较少。⑤矩鞍型(intoloxsaddle)：矩鞍形填料结构不对称，堆积时不重叠，均匀性更高。该填料气流阻力小，处理能力大，性能虽不如鲍尔环好，但构造简单，是一种性能优良的填料。⑥环矩鞍(Intalox)：兼具环型、鞍型填料的优点。敞开的侧壁有利于气体和液体通过，减少了填料层内滞液死区。填料层内流体孔道增多，使气液分布更加均匀，传质效率得以提高。一般采用金属材质，机械强度高。⑦球型：球体为空心，气体和液体从其内部经过。由于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不易产生空穴和架桥，故气液分散性能好。常采用塑料材质。一般用于特定场合，工程上应用较少。⑧格栅填料：以条状单元体经一定规则组合而成，其结构随条状单元体的形式和组合规则而变，具有多种结构形式。特点是比表面积较低，主要用于低压降、大负荷、防堵的场合。木格栅填料格里奇格栅填料⑨波纹填料：波纹填料是由许多层波纹薄片组成，各片高度相同但长短不等，搭配组合成圆盘状，填料波纹与水平方向成45°倾角，相邻两片反向重叠使其波纹互相垂直。圆盘填料块水平放入塔内，相邻两圆盘的波纹薄片方向互成90°角。金属丝网波纹填料金属孔板波纹填料波纹填料因波纹薄片的材料与形状不同分成板波纹填料可由陶瓷、塑料、金属、玻璃钢等材料制成。填料的空隙率大，阻力小，流体通量大、效率高，而且制造方便、价格低，正向通用化、大型化方向发展。⑩脉冲填料：是由带缩颈的中空棱柱形单体，按一定方式拼装而成的一种规则填料。脉冲填料组装后，会形成带锁颈的多孔棱形通道，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，在缩颈处，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。特点是处理量大，压降小。适用于真空精馏，大塔径场合。2填料的性能评价1.填料的几何特性（1）比表面积α：单位体积填料层具有的填料表面积，m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大，愈有利于传质。是评价填料性能优劣的重要指标。〖说明〗操作中有部分填料表面不被润湿，以致比表面积中只有某个分率的面积才是润湿面积。据资料介绍，填料真正润湿的表面积只占全部填料表面积的20～50%。有的部位填料表面虽然润湿，但液流不畅，液体有某种程度的停滞现象。这种停滞的液体与气体接触时间长，气液趋于平衡态，在塔内几乎不构成有效传质区。为此，须把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。（2）空隙率ε：单位体积填料层具有的空隙体积，m3/m3。值大则气体通过填料层的阻力小，故ε值以高为宜。重要指标。对于乱堆填料，当塔径与填料尺寸之比大于8时，因每个填料在塔内的方位是随机的，填料层的均匀性较好，这时填料层可视为各向同性，填料层的空隙率就是填料层内任一横截面的空隙截面分率。（3）填料因子φ：比表面积与空隙率三次方的比值，α/ε3称为干填料因子，1/m，它反映特定结构和尺寸填料的综合流体力学性能。当填料被液体润湿后，a与ε均发生相应的变化，此时的α/ε3称为湿填料因子，表示实际操作时填料的流体力学特性，其值由实验测定。填料因子值小表示流动阻力小，液泛速度可以提高。：（4）堆积密度ρp：单位体积填料的质量，以表示，kg/m3。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄以减小堆积密度，这样既增大了空隙率又降低成本。（5）个数n：单位体积填料层具有的填料个数。根据计算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料的n值，即可确定塔内需要的填料数量。一般要求塔径与填料尺寸之比D/d8（此比值在8～15之间为宜），以便气、液分布均匀。若D/d8，在近塔壁处填料层空隙率比填料层中心部位的空隙率明显偏高，会影响气液的均匀分布。若D/d值过大，即填料尺寸偏小，气流阻力增大。2.填料的性能评价填料性能的优劣常根据效率、通量及压降三要素衡量。相同条件下，比表面积愈大，气液分布愈均匀，表面的润湿性能愈优良，传质效率愈高；空隙率愈大，则通量愈大，压降也愈低。常用填料综合性能评价见P269表4-5。三.填料塔的流体力学性能包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。1.填料层的持液量指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以(m3液体)/(m3填料)表示。持液量分为静持液量Hs、动持液量Ho和总持液量Ht。静持液量是指当填料被充分润湿后，停止气液两相进料，并经排液至无滴液流出时存留于填料层中的液体量，其取决于填料和流体的特性，与气液负荷无关。动持液量是指填料塔停止气液两相进料时流出的液体量，它与填料、液体特性及气液负荷有关。总持液量是指在一定操作条件下存留于填料层中的液体总量。显然，总持液量为静持液量和动持液量之和，即stHHH0填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。2.填料层的压降在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降ΔP/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸上，可得到如图示的线群。4.2.3填料塔的流体力学性能(续)在图中，直线0表示无液体喷淋（L=0）时，干填料△P/Z～u关系，称为干填料压降线，直线，斜率为1.8～2.0。载点泛点曲线1、2、3表示不同液体喷淋量下，填料层的△P/Z～u关系，称为填料操作压降线，折线，存在两转折点，下转折点称“载点”，上转折点称“泛点”。这两个点将△P/Z～u线群分成三个区段，即恒持液量区、载液区和液泛区。①恒持液量区气速较低时，液体向下流动不受气流的影响，填料表面上覆盖的液膜厚度基本不变，因而填料层的持液量不变。在同一空塔气速下，由于湿填料层内所持液体量占据一定空间，故使气体的真实速度较通过干填料层的速度高，因而压降也大，此时△P/Z～u位于干填料压降线的左侧，且二者平行。载点泛点②载液区气速增大，气体对液膜流动产生阻滞作用，使液膜增厚，填料层的持液量随气速的增加而增大，此现象称为拦液。开始发生拦液现象时的空塔气速称为载点气速，超过载点后，曲线斜率大于2。4.2.3填料塔的流体力学性能(续)③液泛区气速继续增大，由于液体不能顺利向下流动，使填料层的持液量不断增大，填料层内几乎充满液体。气速增加很小便会引起压降的剧增，此现象称为液泛，开始发生液泛现象时的气速称为泛点气速，以uF表示。此区域内曲线斜率可达10以上。载点泛点应予指出，在同样的气液负荷下，不同填料的△P/Z～u关系曲线有所差异，但其基本形状相近。对于某些填料，载点与泛点并不明显，故上述三个区域间无截然的界限。3.液泛在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。填料特性的影响集中体现在填料因子上。填料因子值越小，泛点气速越大，即越不易发生液泛现象。流体物性的影响体现在气体密度ρV、液体的密度ρL和粘度μL上。气体密度越小，液体的密度越大、粘度越小，则泛点气速越大。操作的液气比愈大，则在一定气速下液体喷淋量愈大，填料层的持液量增加而空隙率减小，故泛点气速愈小。4.液体喷淋密度和填料表面的润湿填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。式中Umin——最小喷淋密度，m3/（m2·h）；(LW)min——最小润湿速率，m3/（m·h）；α——填料的比表面积，m2/m3。aLUwminmin)(液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/(m2·h)。为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最