气液两相在填料塔内逆流接触

知识点编号：ZYKC20112902020903填料〖新课导入〗工业生产中，用于吸收的设备一般采用填料塔，其结构见视频1。塔身是一个直立式圆筒，塔内填充了一定高度的填料。下部有填料支撑装置用来支撑填料，填料以乱堆或整砌的方式放在支撑板上，上部装有填料压板。塔顶液体入口装有液体喷淋装置，以保证液体能均匀地喷淋到填料表面。当填料层高度较高时，由于液体的沟流与壁流现象，使得液体不能均匀分布，为了避免此种情况的发生，塔内的填料要分层安装，并在层与层之间设置液体再分布器。另外，为了保证出塔气体中尽量少的夹带液沫，要在塔顶设有除沫器。吸收操作时，液体吸收剂自塔顶喷淋而下，沿填料表面流下并润湿填料表面，然后由塔底流出，气体由塔底进入，自下而上地经过润湿的填料表面并从塔顶排出。气液两相在填料塔内逆流接触，实现吸收质由气相向液相的转移。填料塔一、填料概述〖新课展开〗填料泛指被填充于其他物体中的物料。在化学工程中，填料指装于填充塔内的惰性固体物料。例如鲍尔环和拉西环等，其作用是增大气-液的接触面，使其相互强烈混合。问题1填料塔内填料有何作用？回答------提供气液两相接触的传质表面，促使气液两相分散，并使液膜不断更新。二、填料的种类1．散装填料散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散装填料。〖新课展开〗二、填料的种类1．散装填料（1）拉西环拉西环是工业上应用最早，使用最广泛的填料。常用的拉西环是高径比相等的空心圆柱，如图1所示。其壁厚在强度允许的范围内应尽量薄些，以提高空隙率。填料在塔内有两种充填方式：乱堆和整砌。乱堆时填料装卸方便，但气体阻力大，一般直径在50mm以下的填料都采用乱堆方式，而直径较大的填料一般采用整砌方式。另外，为适应不同介质的要求，常用的拉西环有陶瓷制作的、塑料制作的、还有用石墨等材质制作的。图1拉西环拉西环的缺点在于液体的沟流和壁流现象较为严重，操作弹性小，气体阻力大；其优点是结构简单，制造容易，造价低，故广泛应用于工业生产中。〖新课展开〗二、填料的种类1．散装填料（2）鲍尔环鲍尔环是针对拉西环存在的缺点加以改进而发展起来的，它是在普通的拉西环壁上开有两排长方形窗口，且上下两层窗孔的位置是错开的，窗孔部分的环壁形成叶片，向环中心弯入，并在中心处搭接，如图2、图3所示，由此使得鲍尔环的内壁面得以充分利用，气液相阻力大为降低。与拉西环相比，鲍尔环的优点是气体阻力小，压降低，液体分布较均匀，操作弹性较大，因此，操作及控制比较简单，传质效果好。图2鲍尔环图3改型鲍尔环〖新课展开〗二、填料的种类1．散装填料（3）阶梯环阶梯环是对鲍尔环进行改进的产物，如图4、图5所示，结构与鲍尔环类似，只是高度通常为直径的一半，并将圆筒的一端作成向外翻卷的喇叭口形状，喇叭口的高度约为环高的1/5。该填料的比表面积和空隙率都比较大，与鲍尔环相比，其流体阻力小，传质效率高，阶梯环是目前环形填料中性能较为优良的一种填料。图4塑料阶梯填料图5金属阶梯填料〖新课展开〗二、填料的种类1．散装填料（4）弧鞍与矩鞍填料鞍形填料是一种敞开形填料，包括弧鞍与矩鞍，其形状如图6、图7所示。矩鞍填料是由弧鞍填料改进而成，因此，相对于弧鞍填料，它具有较好的稳定性，其填充密度及流体分布都比较均匀。不仅效率较高，而且具有较大的空隙率，阻力较小，并且流体流道通顺，不易被固体悬浮物堵塞。图7矩鞍填料图6弧鞍填料〖新课展开〗二、填料的种类1．散装填料（5）球形填料一般采用塑料注塑而成，其结构如图8所示。球形填料的特点是球体为空心，可以允许气体、液体从其内部通过。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，所以气液分散性能好。球形填料一般只适用于某些特定的场合，工程上应用较少。图8球形填料问题2下列环形填料中性能最好的是（）A．拉西环B．鲍尔环C．阶梯环D．矩鞍填料C〖新课展开〗二、填料的种类2．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。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、实体波纹填料、脉冲填料等。（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，如图9。工业止应用最早的格栅填料为木格栅填料。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，其中以格里奇格栅填料最具代表性。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。图9格栅填料〖新课展开〗二、填料的种类2．规整填料（2）实体波纹填料波纹填料包括丝网波纹填料和实体波纹填料两种。丝网波纹填料是用丝网制成一定形状的填料，如压延环、θ网环（如图10）、鞍形网、波纹板（如图11）等。丝网波纹填料的特点是网材薄，填料可以做得较小，比表面积和空隙率都较大，所以传质效率高，流体阻力小。实体波纹填料（如图12）是由多块波纹板（金属、塑料、陶瓷等）叠合而成，波纹板上的波纹作450倾斜，相邻的板互相交错成900以利于气液相均匀分布。该填料的优点是压降小，气体负荷大，比表面积大，传质效果好。〖新课展开〗二、填料的种类2．规整填料图10θ网环图12金属孔板波纹填料图11波纹板〖新课展开〗三、填料的材质填料的材质分为陶瓷、金属、塑料等三大类。其中陶瓷填料耐腐蚀性好，价格便宜，具有很好的表面润湿性能，它最大的缺点是易碎。填料在装入塔内之前要清洗干净，一般只需将填料与设备一起清洗即可，但塑料填料必须在塔外进行碱液清洗后才能使用，因为塑料填料在制作过程中，所用的溶剂及脱膜剂多为脂肪酸类物质，它们会使吸收过程中所用的吸收剂起泡。清洗方法是用温度90～100℃、浓度为5%的碳酸钾溶液清洗48小时，将碱液排掉，用软水再清洗8小时。按此过程重复2-3次即可满足生产要求。〖新课展开〗四、填料的选用填料作为填料塔的核心部分，它提供了气液两相接触传质的相界面，是决定填料塔性能的主要因素。为了使填料塔高效率地操作，可按以下原则选择填料：1．有较大的比表面积。单位体积填料层所具有的表面积称为比表面积。在吸收塔中，填料的表面只有被流动的液相所润湿，才可能构成有效的传质面积。填料的比表面积越大，所提供的气液传质面积越大，对吸收越有利。因此选择比表面积大的填料，此外还要求填料有良好的润湿性能及有利于液体均匀分布的形状。2．有较高的空隙率。单位体积填料层具有的空隙体积称为空隙率。当填料表面的空隙率较高时，气流阻力小，气体通过的能力大，气液两相接触的机会多，对吸收有利；同时，填料层质量轻，对支承板要求低，也是有利的。〖新课展开〗四、填料的选用3．具有适宜的填料尺寸和堆积密度。单位体积填料的数目为填料的堆积密度。单位体积堆积填料的数目与填料的尺寸大小有关。对同一填料而言，填料尺寸小，堆积的填料数目多，比表面积大，空隙率小，则气体流动阻力大；反之填料尺寸过大，在靠近塔壁处，由于填料与塔壁之间的空隙大，易造成气体由此短路通过或液体沿壁下流，使气液两相沿塔截面分布不均匀，为此，填料的尺寸不应大于塔径的1/10～1/8。4．要有足够大的机械强度。为使填料在堆砌过程及操作中不被压碎，要求填料具有足够的机械强度。5．对气液两相要有较好的化学稳定性。6．制造容易，价格便宜。〖新课展开〗五、填料的装填填料在塔内的堆积方式有乱堆（散装）和整砌两种。工业乱堆填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同种填料的尺寸越小，分离效率越高，但同时阻力增大，处理能力减小，填料费用增加。一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。若采用整砌的方式排列，将由人进入塔内进行排列至规定的高度；若采用乱堆的方式排列，则装填前应将塔内灌满水，然后从塔顶或人孔倒入填料。装瓷质填料时要轻拿轻放，防止破损。填料装至规定高度后，将水面上漂浮的杂物捞出，放净塔内的水，将填料表面弄平并放置填料压紧装置，封闭顶盖或人孔。〖课堂巩固〗练习1如何选择填料？〖课堂小结〗1.填料泛指被填充于其他物体中的物料。在化学工程中，填料指装于填充塔内的惰性固体物料。其作用是增大气-液的接触面，使其相互强烈混合；2.常见的散装填料有拉西环、鲍尔环、阶梯环、孤鞍、矩鞍和球体填料，常见的规整填料有格栅填料和实体波纹填料；3.填料的材质分为陶瓷、金属、塑料等三大类；4．填料的选用原则是（1）有较大的比表面积；（2）有较高的空隙率；（3）具有适宜的填料尺寸和堆积密度；（4）要有足够大的机械强度，此外还要求化学稳定性好，制造容易，价廉易得；5．填料的装填方法有乱堆（散装）和整砌两种。〖作业布置〗1.单项选择(1)下列不属填料特性的是。选择()A.比表面积B.空隙率C.堆积密度D.填料密度2.判断(1)乱堆填料装填前，应先在填料塔内注满水。()(2)同一填料，不管用什么方式堆放到塔中，其比表面积总是相同的。()再见