化工原理第五章(填料塔)

能优劣的一个重要指标。
2013-7-14
【两点说明】 （1）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（有效 表面积）只占全部填料表面 积的（20～50）%。
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（2）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
该填料自某些接触点得到液体，又从某些接触点流
走液体。液体来去之间总优先“走近路”。可见， 即使填料表面全部润湿，仍存在液流不均匀问题。
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【壁流】液体有朝塔壁汇集的趋向，即存在“塔壁 效应”。液体自一个填料流至下一个填料的过程中 ，液体通过填料与塔壁的接触点流至塔壁后，即顺 塔壁流下，基本上不再返回填料层中。 液体流过一段填料层后，填料层中心部位液流量 明显减小，甚至出现干填料区。 【沟流和壁流的影响】填料塔操作时存在着气、液 相在塔横截面上分布不均匀，其结果必减少气、液 接触机会，影响传质效果。
单元。
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陶 瓷 波 纹 填 料
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塑 料 波 纹 填 料
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波 纹 填 料 实 物 图
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【波纹填料的性能特点】
（1）由于波纹填料独特的结构，其表面的倾斜曲折
通道可形成极薄的液膜及气流；
（2）能促进气、液流的湍动程度，但又不阻挡气、
液流；
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空塔气速
（2）填料操作压降线
【构成】在不同液体喷淋
量下，填料层的△P/Z～u 关系，称为填料操作压降 线。 【特点】在一定的喷淋量
下， △P/Z随空塔气速的
变化曲线大致可分为三段 （三个区域）。
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空塔气速
液体喷淋量 L3＞L2＞L1
【现象】两个拐点；三个区域。
喷淋量下的单位高度
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，所 得到的曲线簇。
空塔气速
【空塔气速】气体的体积流量除以塔截面积所得的
流速。
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（1）干填料压降线 在图中，直线0表 示无液体喷淋（L=0 ）时，干填料的
△P/Z～u关系，称为
干填料压降线。 【特点】 △P/Z～u 为线性关系。
（3）极大的增大了气液两相的传质速率。
【波纹填料的材料】碳钢、不锈钢、铝、陶瓷、玻
璃钢及纸浸树脂等。
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【波纹填料的优点】波纹填料与板式塔、散堆填料 相比，具有以下优异的性能： （1）流通量大。新塔设计可缩小直径，老塔改造可 大幅度增加处理量； （2）分离效率高，较散堆填料有大得多的比表面积；
主，增加了填料间的空隙，可以促进液膜的表面更
新，有利于传质效率的提高。
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【性能特点】（1）由于高径比减少，使得气体绕填 料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料
层的阻力。
（2）阶梯环的性能略优于鲍尔环，与鲍尔环相比，
生产能力可提高10%，气体阻力可降低5%左右，是
越大，φ值越小，表明流动阻力越小。
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【填料因子的用途】 （1）填料因子反映某种填料所构成的填料层中流体 通道的特性； （2）填料因子是表示填料层阻力与液泛条件的重要 参数，为填料塔设计所必须； （3）一般说来，填料因子越大，越容易造成液泛； （4）可根据填料因子确定泛点气速空塔气速填 料塔的直径。
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拉西环的改进——“截短”型拉西环 【改进原因】当拉西环在塔内是直立状时，填料内
、外表面都是气、液传质表面，且气流阻力小，但
当其横卧或呈倾斜状时填料部分内表面不仅不能成
为有效的气液传质区，而且使气流阻力增大。填料
间的线接触会阻碍气、液流过。
【改进方法】 “截短” 拉西环，即高径比为0.5的短
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（3）填料因子 【定义】比表面积a与空隙率所组成的复合量a/3。 ①干填料因子 填料未被液体润湿时的a/3称为干填 料因子，它反映了填料的几何特性； ②湿填料因子 填料被液体润湿后，填料表面覆盖了 一层液膜，空隙率变小，此时的a/ 3称为湿填料因 子，用φ表示。其单位为1/m。 湿填料因子反映了填料的流体力学性能，空隙率
、洗涤和热交换等过程。
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1 填 料 塔 的 结 构
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填 料 吸 收 塔 远 景 图
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2、填料塔的操作
（1）填料塔的操作方式
①液体从塔顶经液体分布器 喷淋到填料上，并沿填料表
面流下；
②气体从塔底送入，经气体 分布装置分布后，与液体呈 逆流连续通过填料层的空隙 ； ③在填料表面上，气液两相 接触进行传质。
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。
【结论】填料的比表面积并非有效的传质面积。
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（2） 空隙率ε 【定义】塔内单位体积填料层具有的空隙体积， m2/m3。 【影响】ε为一分数。ε值大则气体通过填料层的阻 力小，故ε值以高为宜。 填料的空隙率越大，气体通过的能力（处理能力 ）越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优 劣的又一重要指标。
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（2）规整填料 【定义】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，据其几何结构，主要有：
格栅填料 波纹填料
脉冲填料
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①拉西环（Rasching ring）
【结构特点】外径与高度相等的圆环。
拉西环
填料于
1914年由
拉西（F.
Rashching
）发明。
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二、填料层内气液两相的流体力学特性
填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、 填料层的压降、液泛等。 1、填料层的持液量 在一定操作条件下，由于液膜与填料表面的摩擦
以及液膜与上升气体的摩擦，有部分液体停留在填
料表面及其缝隙中。
【定义】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。
短管形填料中较好的一种。
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④弧鞍与矩鞍（berl saddle and intolox saddle）
【弧鞍形填料】
1931年出
现的这类填
料称弧鞍形
填料，是因
形如马鞍而
得名。
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【结构特点】这种填料层中主要为弧形的液体通道
，填料层内的空隙较环形填料（尤其较拉西环填料
第五节 填料塔
第五章
一、填料塔的结构与填料性能 二、填料塔的流体力学性能 三、填料塔的附件
吸 收
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一、填料塔的结构及填料性能
填料塔简介 （1）填料塔最初出现在十九世纪中叶，在1881年用
于蒸馏操作，二十世纪初被引入到炼油工业。
（2）填料塔是最常用的气液传质设备之一，它广泛
应用于蒸馏、吸收、解吸、汽提、萃取、化学交换
③阶梯环(cascade mini rings) 【结构特点】阶梯环是对鲍尔环的改进，与鲍尔环
相比，阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个
锥形翻边。
锥形翻边
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陶 瓷 阶 梯 环
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【锥形翻边的作用】 （1）增加了填料的机械强度；
（2）而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为
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Y2
①填料塔属于微
分接触式气液传
（ 2 ） 填 料 塔 的 操 作 特 点
X2
质设备，两相组
成沿塔高连续变 化； ②在正常操作状 态下，气相为连
Y1 X1
续相，液相为分 散相。
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3、填料的作用 填料在填料塔操作中起着重要作用。主要为： （1）液体润湿填料表面便增大了气液接触面积； （2）延长了气液两相接触的时间； （3）填料层的多孔性不仅促使气流均匀分布，而且 促进了气相的湍动。增大了传质过程的总传质系数
流和沟流现象。 （3）目前，拉西环填料在工业上的应用日趋减少。
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线接触
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【沟流和壁流现象】 【沟流】液体的偏流称为“沟流”（channeling）。
产生沟流的原因可从两方面考虑：
（1）因操作时液体并不能全部润湿填料表面，于是
，液体只沿润湿表面流下，形成沟流。
（2）因为每个填料与相邻填料都有若干个接触点，
窗孔
金 属 鲍 尔 环
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陶 瓷 鲍 尔 环
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【鲍尔环的性能特点】 不论填料在塔内置于什 么方位，流体均可通过填 料，从而使填料内、外壁 面均成为有效传质区域。 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。
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（3）压降低，可节约大量能源；
（4）操作弹性大，持液量小，放大效应不明显；
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5、填料的特性 （1）比表面积a 【定义】塔内单位体积填料层具有的填料表面积，
m2/m3。
【影响】填料比表面积的大小是气液传质比表面积
大小的基础条件。填料的比表面积愈大，所提供的
气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性
形填料简单；
（3）两个鞍形填料不论以何种方式接触都不会叠合
。
（4）矩鞍形填料是当前应用较多的一种填料。
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矩 鞍 形 填 料
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⑤波纹填料 波纹整砌填料是我国开发成功并于1971年应用的 填料类型。 【结构特点】由许 多具有相同几何形 状的填料单元体— —波纹片相互平行、 叠加组成的圆柱状
）更加连续，可使气体向上流动时主要沿弧形通道
流动。
【性能特点】空隙率大，压降和传质单元高度低，
泛点高、汽液接触充分、比重小、传质效率高、通
量大，效率高，负荷弹性性大，抗污性好等特点。
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【矩鞍形填料】 （1） 1950年出现的矩鞍形填料是改进型填料； （2）其形状仍像马鞍，但做得较厚实，形状比弧鞍
。 【制造填料的材料】碳钢、不锈钢、陶瓷、高分子
材料（如塑料）等。
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4、填料类型 （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，可分为：
拉西环 矩鞍形 鲍尔环 金属环矩鞍形 阶梯环 球形 弧鞍形
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金属拉西环
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塑料拉西环
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【拉西环的性能特点】 （1）拉西环是最早使用的人造填料（此前的填料为
碎石、砖块、焦炭等），制造容易，曾得到极为广
泛的应用。
（2）大量的工业实践表明，拉西环由于高径比太大，
堆积时相邻之间容易形成线接触，填料层的均匀性
差。因此，拉西环填料层中的液体存在着严重的壁
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。 【影响因素】压降与液体喷淋量及气速有关：
（1）一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；
（2）在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越
大。
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【填料层压降ΔP/Z与空塔气速u的关系曲线图】
【构成】将不同液体
管。这种填料保留了原来拉西环的优点，性能稍优 于拉西环，但应用并不普遍。
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②鲍尔环(Pall ring) 1948年出现的鲍尔环
舌叶
是对拉西环作出重大改
进的一种填料。 【结构特点】在侧壁上开
出两排长方形的窗孔，
被切开的环壁的一侧仍与
壁面相连，另一侧向环内
弯曲，形成内伸的舌叶。
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6、填料的性能评价 【评价依据】填料性能的优劣通常根据效率、通量 及压降三要素衡量。 （1）效率要高。在相同的操作条件下，填料的比表 面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好 ，则传质效率越高； （2）通量（处理量）要大，压降要小。填料的空隙 率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。
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填料名称
丝网波纹填料 孔板波纹填料
评估值 0.86 0.61 0.59 0.57 0.53 0.51 0.41 0.38 0.36
语言值 很好 相当好 相当好 相当好 一般好 一般好 较好 略好 略好
排序 1 2 3 4 5 6 7 8 9
金属Intalox 金属鞍形环 金属阶梯环 金属鲍尔环 瓷Intalox 瓷鞍形环 瓷拉西环
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【持液量的影响】 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，可以提供更大的气液相接触面积 ； 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。
【结论】持液量不Baidu Nhomakorabea太小，也不宜太大。
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2、填料层的压降 【产生原因】在操作过程中，从塔顶喷淋下来的液