《化工原理》(下)第三章 塔设备第二次课

二、塔填料的分类
堆积方式：散堆， 堆积方式：散堆，整砌 基材： 实体： 基材： 实体： 网状： 网状： 1、散堆填料: 散堆填料: 散堆填料是一个个具有一定几何形状和尺寸 颗粒体， 散堆填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体， 一定几何形状和尺寸的 一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗 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。材料通常为陶瓷、金属、塑料、玻璃、 粒填料。材料通常为陶瓷、金属、塑料、玻璃、石墨 等。 按基本构形：环形填料、鞍形填料和球形填料三个 基本构形：环形填料、 系列 陶瓷、金属、塑料 陶瓷、金属、 金属丝
一、气体通过填料层的ຫໍສະໝຸດ 压强降压强降的大小决定了填料塔 压强降的大小决定了填料塔 的动力消耗， 的动力消耗，是设计过程的 重要参数。 重要参数。 常将不同喷淋量(包括LS=0) 常将不同喷淋量(包括LS=0) 随气速变化的Δp Δp分别 下，随气速变化的Δp分别 画在同一个坐标上
恒定喷淋量下： 恒定喷淋量下： 气速较低，填料表面液膜厚∝ ①气速较低，填料表面液膜厚∝(液固间摩擦力 和LS)，与u几乎无关；但比无喷淋量时阻力要大。 几乎无关；但比无喷淋量时阻力要大。 气速增至一定值后，气液间阻力不容忽视， ②气速增至一定值后，气液间阻力不容忽视，液 膜加厚→出现拦液现象，载液线斜率>2 >2； 膜加厚→出现拦液现象，载液线斜率>2；但载点 难测。 难测。 再增大气速至液体不能顺利下流， ③再增大气速至液体不能顺利下流，此时填料层 中的持液量增加迅速， 中的持液量增加迅速，往往可以看到填料层的某 个高度上出现“积液层” 个高度上出现“积液层”。 若此时不增加气速，积液层仍在扩大， 若此时不增加气速，积液层仍在扩大，则会达到 液泛” 此段斜率可以>10 >10。 “液泛”。此段斜率可以>10。 寻找u液泛,min 达液泛时速记录。 寻找u液泛,min：达液泛时速记录。
第二节
填料塔
3.2.1 填料塔的结构特点
填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传 质设备。 质设备。 优点：生产能力大，分离效率高，压降小， 优点：生产能力大，分离效率高，压降小，持液量 操作弹性大。 小，操作弹性大。 缺点：填料造价高； 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； 润湿填料表面；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。 的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。
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 填料种类的选择要考虑分离工艺的要求， 方面： 方面： 传质效率要高。一般而言， (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。 装填料。 通量要大。在保证具有较高传质效率的前提下， (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。 具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。 填料层的压降要低。 (3) 填料层的压降要低。 填料抗污堵性能强，拆装、检修方便。 (4) 填料抗污堵性能强，拆装、检修方便。
填料塔设计时，空塔气速一般取_______气速的60%-80%， 填料塔设计时，空塔气速一般取_______气速的60%-80%，理 _______气速的60% 若填料层高度较高，为了有效地湿润填料， 由_______ 。若填料层高度较高，为了有效地湿润填料，塔 内应设置_______装置。 一般而言， _______装置 内应设置_______装置。 一般而言，填料塔的压降 _______ 板式塔压降。（＞，＝，＜＝ 板式塔压降。（＞，＝，＜＝ ) 鲍尔环比拉西环优越之处有（说出三点来） 鲍尔环比拉西环优越之处有（说出三点来）---------------------------------------------------------------------。 ----。 当填料塔操作气速达到泛点气速时----------------------当填料塔操作气速达到泛点气速时----------------------------------充满全塔空隙并在塔顶形成-----------，因而 ------------充满全塔空隙并在塔顶形成-----------， 充满全塔空隙并在塔顶形成-----------------------急剧升高 急剧升高。 -------------急剧升高。
规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。 规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。 规整填料根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、 规整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。 脉冲填料等。
波纹填料
格栅型填料
规 整 波 纹 填 料 塔 示 意 图
塔填料的发展趋势
参考答案
填料的润湿表面 气相 液相 液体分布 液体 液泛 压降 ＜ 空隙率 液泛 以免操作中因波动引起液泛 液体再分布 气体通量大；压降小； 气体通量大；压降小；传质效率高 液体；积液层； 液体；积液层；压降
二、液 泛
压强降急剧增大，塔的操作明显波动，气流呈现脉动，液 压强降急剧增大，塔的操作明显波动，气流呈现脉动， 体发生激烈的"轴向返混" 致使塔的分离效率严重恶化。 体发生激烈的"轴向返混"，致使塔的分离效率严重恶化。 对于设计较为合理的塔，液泛多从塔顶部发生，出现明显 对于设计较为合理的塔，液泛多从塔顶部发生， 的积液，并伴有严重的飞沫现象。 的积液，并伴有严重的飞沫现象。 泛点一般由△ 关系线上的转折点来确定。 泛点一般由△p～u关系线上的转折点来确定。一般认为 液泛为填料塔正常操作的上限， 液泛为填料塔正常操作的上限，通常取操作空塔气速 u=(0.5～0.8)uf =(0.5 0.8) 影响液泛的主要因素：①填料的几何形状、σ、ε；②流 影响液泛的主要因素： 填料的几何形状、 体物性： 气液流量； 流动状况。 体物性：ρV、ρL、µL；③气液流量；④流动状况。
散堆填料：投资省，装卸方便， 散堆填料：投资省，装卸方便，对塔内件要求低 规整填料：结构复杂，投资大， 规整填料：结构复杂，投资大，效率高 综合性能 规整填料 > 散堆填料
填料的选择
填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。 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， 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。 最低。
环矩鞍、 环矩鞍、 组合环、 组合环、
（1）环形填料
1）拉西环填料
2）鲍尔环填料
3）阶梯环填料
4）三叶环填料
5）QH扁环 QH扁环
（2）鞍形填料
1）弧鞍填料
2）矩鞍填料
3）环矩鞍填料
（3）球形填料
共轭环 华南理工大学化工学院研制
双鞍环
Impac填料 Impac填料 RICTM填料
规整填料
散堆填料朝着分离效率高、通量大、压降低、 散堆填料朝着分离效率高、通量大、压降低、 堆积时趋向于规整排列的方向发展，环壁开孔、 堆积时趋向于规整排列的方向发展，环壁开孔、 环鞍结合、 环鞍结合、低高径比是散堆填料外形的发展趋 势。 规整填料的研究重点由几何结构的优化转为表 面结构的改进， 面结构的改进，成本合理的多层复合板网填料 前景诱人。 前景诱人。 性能优越、价格低廉的塑料、 性能优越、价格低廉的塑料、陶瓷和其它新型 材质的高效填料有广阔的发展前景。
3.2.2 填料
填料—填料塔的核心部件 填料 填料塔的核心部件 作用：提供塔内气－ 作用：提供塔内气－液两相接 触而进行传质和（ 触而进行传质和（或）传热的 表面 塔填料与塔内件一起决定填料 塔的性能 传质面积： 传质面积：被湿润的填料表面
1. 填料的几何特性 （1） 公称直径 dp
填料的表面积 2 3 at = m /m 填料层的体积 （2） 比表面积 at, 填料的空隙体积 （3） 空隙率 ， ε = 填料层体积
液体收集再分布装置
填空题
气液两相在填料塔内逆流接触时 __________ 是气液两相的主 要传质面积。 要传质面积。 填料塔是连续接触式气液传质设备，塔内______为分散相， ______为分散相 填料塔是连续接触式气液传质设备，塔内______为分散相， ______为连续相，为保证操作过程中两相的良好接触， ______为连续相，为保证操作过程中两相的良好接触，故填料 为连续相 吸收塔顶部要有良好的_______装置。 吸收塔顶部要有良好的_______装置。 _______装置 当填料塔操作气速达到泛点气速时__________充满全塔空隙， 当填料塔操作气速达到泛点气速时__________充满全塔空隙， __________充满全塔空隙 此现象称为 __________，此情况下_______急剧升高 __________，此情况下_______ _______急剧升高 为了使通过填料塔的压降小，应选择___ 大的填料。 为了使通过填料塔的压降小，应选择___ 大的填料。
塔填料附件
a.填料支承结构 a.填料支承结构 作用： 作用： 支承塔内的填料。 支承塔内的填料。
b．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。 层发生松动和跳动。
c. 液体分布器
莲蓬头式
溢流管式
多孔环管式
d. 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， 液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，这种现象称 壁流。壁流将导致填料层内气液分布不均 气液分布不均， 传质效率下降。 为壁流。壁流将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 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。
在每一系列中，基于减少压强降、增大比表面积、增加气、 液扰动和改善表面润湿性能的要求，形成了各自的发展序列。 散堆填料
环、鞍型填料
球形填料
环形填料
鞍型填料
环鞍结合型填料
、 球 TRI球、Top－ － Pak、 、 MellaringVSP
拉西环、鲍尔环、 拉西环、鲍尔环、阶梯 弧鞍 共軛环、 扁环 矩鞍、 环、共軛环、QH扁环 矩鞍、
填料塔的流体力学性能
从塔顶向下流动的液膜与填料表面的摩擦和与 上升气体间的摩擦构成了液膜流动阻力。 上升气体间的摩擦构成了液膜流动阻力。 液(/气)流量↑ →液膜厚度↑→ε↓ (/气 流量↑ →液膜厚度↑→ε↓ 液膜厚度↑→ 液膜厚度直接影响气体通过填料层的Δp Δp、 液膜厚度直接影响气体通过填料层的Δp、u液 泛及塔内液体的持液量等流体力学性能。 泛及塔内液体的持液量等流体力学性能。 流体力学性能包括：气体压降、液泛气速、 流体力学性能包括：气体压降、液泛气速、持液 包括 量及液/气两相流体分布等 量及液/气两相流体分布等。
一、塔填料
ε
与填料结构以及装填方式有关 （4） 堆积密度：ρ 堆积密度：
p
ε 大， ∆p ↓ , 通量大
=
重量 填料体积
（5） 填料因子 Φ ：填料的比表面积与空隙率三次 方的比值。它表示填料的流体力学性能，其值越小， 方的比值。它表示填料的流体力学性能，其值越小， 表明流动阻力越小。 表明流动阻力越小。