天津海立內(nèi)部講義Ⅰ——填料塔 天津海立內(nèi)部講義Ⅰ——填料塔 18填料塔一、填料塔的構(gòu)造特點【圖片3-10】填料塔的構(gòu)造示意圖圖片3-10填料上，并沿填料外表流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置〔小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置填料，液相為分散相。當(dāng)液體沿填料層向下流淌時，有漸漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁四周的液流量漸漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，噴淋到下層填料上。填料塔具有生產(chǎn)力氣大，分別效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點。填料塔也有一些缺乏之處，如填料造價高；當(dāng)液體負(fù)荷較小時不能有效地潤濕填料外表，適合等。二、填料的類型填料的種類很多，依據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料。散裝填料散裝填料是一個個具有確定幾何外形和尺寸的顆粒體，一般以隨機的方式積存在塔內(nèi)，又填料及球形填料等?，F(xiàn)介紹幾種較為典型的散裝填料?！緢D片3-11】幾種典型的散裝填料拉西環(huán)矩鞍填料

鮑爾環(huán)金屬環(huán)矩鞍填料

階梯環(huán)球形填料

弧鞍填料拉西環(huán)填料拉西環(huán)填料于1914年由拉西〔F.Rashching〕制造布較差，傳質(zhì)效率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已較少應(yīng)用。鮑爾環(huán)填料如圖片鮑耳環(huán)所示，鮑爾環(huán)是對拉西環(huán)的改進，及環(huán)內(nèi)外表的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣體通量可增加5030%左右。鮑爾環(huán)是一種應(yīng)用較廣的填料。階梯環(huán)填料如圖片階梯環(huán)所示，階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進，與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)徑大為縮短，削減了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度，而且使填料流淌的集合分散點，可以促進液膜的外表更，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種?；“疤盍匣“疤盍蠈侔靶翁盍系囊环N，其外形如同馬鞍，一般承受瓷質(zhì)材料制成，如圖片弧鞍填料所示?；“疤盍系奶攸c是外表全部放開，不分內(nèi)外，液體在外表兩側(cè)均勻流淌，外表利用率高，流道呈弧形，流淌阻力小。其缺點是易發(fā)生套疊，致使一局部填料外表被重合，使傳質(zhì)效率降低?；“疤盍蠌姸容^差，容裂開，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用不多。改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料積存時不會套疊，液體分布較均勻。均已被瓷矩鞍填料所取代。金屬環(huán)矩鞍填料如圖片金屬換環(huán)聚鞍填料所示，環(huán)矩鞍填料〔國外稱為Intalox〕和階梯環(huán)，在散裝填料中應(yīng)用較多。球形填料球形填料一般承受塑料注塑而成，其構(gòu)造有多種，如圖片球形填料所示。般只適用于某些特定的場合，工程上應(yīng)用較少。除上述幾種較典型散裝填料的特性數(shù)據(jù)可查有關(guān)手冊。規(guī)整填料規(guī)整填料是按確定的幾何構(gòu)形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，依據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波浪填料、脈沖填料等。【圖片3-12】幾種典型的規(guī)整填料上應(yīng)用最早的格柵填料為如圖片3-12〔a〕所示的木格柵填料。目前應(yīng)用較為普遍的有格里奇格柵填料、網(wǎng)孔格柵填料、蜂窩格柵填料等，其中以圖片3-12〔b〕所示的格里奇格柵填料最具代表性。格柵填料的比外表積較低，主要用于要求壓降小、負(fù)荷大及防堵等場合。波浪填料目前工業(yè)上應(yīng)用的規(guī)整填料絕大局部為波浪填料，它是由很多波浪薄板組成的圓盤狀填料，波浪與塔軸的傾角有30°和45°兩種，組裝時相鄰兩波浪板反向靠疊。各盤90°排列。波浪填料按構(gòu)造可分為網(wǎng)波浪填料和板波浪填料兩大類，其材質(zhì)又有金屬、塑料和陶瓷等之分。如圖片3-12〔c〕所示，金屬絲網(wǎng)波浪填料是網(wǎng)波浪填料的主要形式，它是由金屬絲網(wǎng)制成物系、熱敏性物系的精餾供給了有效的手段。盡管其造價高，但因其性能優(yōu)良仍得到了廣泛的應(yīng)用。如圖片3-12〔d〕所示，金屬板波浪填料是板波浪填料的一種主要形式。該填料的波浪板片上沖壓有很多f5mm左右的小孔，可起到粗安排板片上的液體、加強橫向混合的作用。波浪板片上軋成細(xì)小溝紋，可起到細(xì)安排板片上的液體、增加外表潤濕性能的作用。金屬孔板波浪填料強度高，耐腐蝕性強，特別適用于大直徑塔及氣液負(fù)荷較大的場合。金屬壓延孔板波浪填料是另一種有代表性的板波浪填料。它與金屬孔板波浪填料的主要區(qū)分在于板片外表不是沖壓孔，而是刺孔，用輾軋方式在板片上輾出很密的孔徑為0.4～0.5mm小泛。波浪填料的優(yōu)點是構(gòu)造緊湊，阻力小，傳質(zhì)效率高，處理力氣大，比外表積大〔常用的有125、150、250、350、500、700等幾種〕。波浪填料的缺點是不適于處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料，且裝卸、清理困難，造價高。料，如圖片3-12〔e〕所示。脈沖填料組裝后，會形成帶縮頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收擴大段，氣速減到最小，實現(xiàn)兩相的分別。流道收縮、擴大的交替重復(fù)，實現(xiàn)了“脈沖”傳質(zhì)過程。脈沖填料的特點是處理量大，壓降小，是真空精餾的抱負(fù)填料。因其優(yōu)良的液體分布性能使放大效應(yīng)削減，故特別適用于大塔徑的場合。工業(yè)上常用規(guī)整填料的特性參數(shù)可參閱有關(guān)手冊。三、填料的性能評價填料的幾何特性填料的幾何特性數(shù)據(jù)主要包括比外表積、空隙率、填料因子等，是評價填料性能的根本參數(shù)。比外表積單位體積填料的填料外表積稱為比外表積，以a表示，其單位為m2/m3。填料的比外表積愈大，所供給的氣液傳質(zhì)面積愈大。因此，比外表積是評價填料性能優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)?？障堵蕟挝惑w積填料中的空隙體積稱為空隙率，以e表示，其單位為m3/m3，或以%又一重要指標(biāo)。填料因子填料的比外表積與空隙率三次方的比值，即a/e3，稱為填料因子，以f表示，其單位為1/m/3稱為干填料因和e均發(fā)生相應(yīng)的變化，此時的a/e3 稱為濕填料因子，它表示填料的流體力學(xué)性能，f值越小，說明流淌阻力越小。填料的性能評價填料性能的優(yōu)劣通常依據(jù)效率、通量及壓降三要素衡量。在一樣的操作條件下，填料的比外表積越大，氣液分布越均勻，外表的潤濕性能越好，則傳質(zhì)效率越高；填料的空隙率越大，結(jié)3-13-19填料名稱評估值語言值排序絲網(wǎng)波浪填料0.86很好1孔板波浪填料0.61相當(dāng)好2金屬Intalox0.59相當(dāng)好3金屬鞍形環(huán)0.57相當(dāng)好4金屬階梯環(huán)0.53一般好5金屬鮑爾環(huán)0.51一般好6Intalox0.41較好7瓷鞍形環(huán)0.38略好8瓷拉西環(huán)0.36略好9三、填料塔的流體力學(xué)性能填料塔的流體力學(xué)性能主要包括填料層的持液量、填料層的壓降、液泛、填料外表的潤濕及返混等。填料層的持液量填料層的持液量是指在確定操作條件下，在單位體積填料層內(nèi)所積存的液體體積，以(m3液體)/(m3HHH。靜持液量是指當(dāng)填s o t料被充分潤濕后，停頓氣液兩相進料，并經(jīng)排液至無滴液流出時存留于填料層中的液體量，其取量，它與填料、液體特性及氣液負(fù)荷有關(guān)。總持液量是指在確定操作條件下存留于填料層中的液體總量。明顯，總持液量為靜持液量和動持液量之和，即〔3-1〕填料層的持液量可由試驗測出，也可由閱歷公式計算。一般來說，適當(dāng)?shù)某忠毫繉μ盍纤僮鞯姆€(wěn)定性和傳質(zhì)是有益的，但持液量過大，將削減填料層的空隙和氣相流通截面，使壓降增大，處理力氣下降。填料層的壓降在逆流操作的填料塔中，從塔頂噴淋下來的液體，依靠重力在填料外表成膜狀向下流淌，確定的氣速下，液體噴淋量越大，壓降越大；在確定的液體噴淋量下，氣速越大，壓降也越大。將不同液體噴淋量下的單位填料層的壓降DP/Z與空塔氣速u的關(guān)系標(biāo)繪在對數(shù)坐標(biāo)紙上，可得3-13【圖片3-13】填料層的△P/Z～u關(guān)系在圖片3-13中，直線0表示無液體噴淋〔L=0〕時，干填料的△P/Z～u關(guān)系，稱為干填料壓降線。曲線1、2、3表示不同液體噴淋量下，填料層的△P/Z～u關(guān)系，稱為填料操作壓降線。從圖中可看出，在確定的噴淋量下，壓降隨空塔氣速的變化曲線大致可分為三段：當(dāng)氣速低于A點時，氣體流淌對液膜的曳力很小，液體流淌不受氣流的影響，填料外表上掩蓋的液膜厚度根本不變，因而填料層的持液量不變，該區(qū)域稱為恒持液量區(qū)。此時△P/Z～u為始終線，位于干填料壓降線的左側(cè)，且根本上與干填料壓降線平行。當(dāng)氣速超過A點時，氣體對液膜的曳力較為攔液。開頭發(fā)生攔液現(xiàn)象時的空塔氣速稱為載點氣速，曲線上的轉(zhuǎn)折點A，稱為載點。假設(shè)氣速連續(xù)增大，到達(dá)圖中B幾乎布滿液體。氣速增加很小便會引起壓降的劇增，此現(xiàn)象稱為液泛，開頭發(fā)生液泛現(xiàn)象時的氣速稱為泛點氣速，以uF表示，曲線上的點B，稱為泛點。從載點到泛點的區(qū)域稱為載液區(qū)，泛點以上的區(qū)域稱為液泛區(qū)。應(yīng)予指出，在同樣的氣液負(fù)荷下，不同填料的△P/Z～u關(guān)系曲線有所差異，但其根本外形相近。對于某些填料，載點與泛點并不明顯，故上述三個區(qū)域間無截然的界限。液泛的液氣比等。填料特性的影響集中表達(dá)在填料因子上。填料因子F值越小，越不易發(fā)生液泛現(xiàn)象。流體物性的影響表達(dá)在氣體密度r、液體的密度r和粘度m

上。氣體密度越小，液體的密V L L度越大、粘度越小，則泛點氣速越大。操作的液氣比愈大，則在確定氣速下液體噴淋量愈大，填料層的持液量增加而空隙率減小，故泛點氣速愈小。液體噴淋密度和填料外表的潤濕填料塔中氣液兩相間的傳質(zhì)主要是在填料外表流淌的液膜上進展的。要形成液膜，填料表濕性能。液體噴淋密度是指單位塔截面積上，單位時間內(nèi)噴淋的液體體積，以U表示，單位為m3/〔m2·h〕。為保證填料層的充分潤濕，必需保證液體噴淋密度大于某一極限值，該極限值稱為最小噴淋密度，以Umin

表示。最小噴淋密度通常承受下式計算，即

(3-2)U──最小噴淋密度，m3/〔m2·h〕；W

minm3/〔m·h〕；minam2/m3。最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經(jīng)驗公式計算，也可承受閱歷值。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(L)W

為min0.08m3/〔m·h〕；對于直徑大于75mm的散裝填料，取(L)W

min

=0.12m3/〔m·h〕。填料外表潤濕性能與填料的材質(zhì)有關(guān)，就常用的陶瓷、金屬、塑料三種材質(zhì)而言，以陶瓷填料的潤濕性能最好，塑料填料的潤濕性能最差。實際操作時承受的液體噴淋密度應(yīng)大于最小噴淋密度。假設(shè)噴淋密度過小，可承受增大回流補償；對于金屬、塑料材質(zhì)的填料，可承受外表處理方法，改善其外表的潤濕性能。返混在填料塔內(nèi)，氣液兩相的逆流并不呈抱負(fù)的活塞流狀態(tài)，而是存在著不同程度的返混。造淋密度過大時所造成的氣體局部向下運動；塔內(nèi)氣液的湍流脈動使氣液微團停留時間不全都等。料層高度，因返混的影響需適當(dāng)加高，以保證預(yù)期的分別效果。四、填料的選擇填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備投資和操作費用最低。填料種類的選擇填料種類的選擇要考慮分別工藝的要求，通?？紤]以下幾個方面：傳質(zhì)效率要高一般而言，規(guī)整填料的傳質(zhì)效率高于散裝填料。的填料。填料層的壓降要低。填料抗污堵性能強，拆裝、檢修便利。填料規(guī)格的選擇填料規(guī)格是指填料的公稱尺寸或比外表積。散裝填料規(guī)格的選擇工業(yè)塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分別效率越高，但阻力增加，通量削減，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)峻的壁流，使塔的分別效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定，一般塔徑與填料公稱直徑的比值D/d應(yīng)大于8。規(guī)整填料規(guī)格的選擇工業(yè)上常用規(guī)整填料的型號和規(guī)格的表示方法很多，國內(nèi)習(xí)慣用比外表積表示，主要有125、150、250、350、500、700等幾種規(guī)格，同種類型的規(guī)整填料，其比外表通要求，又具有經(jīng)濟合理性。應(yīng)予指出，一座填料塔可以選用同種類型，同一規(guī)格的填料，也可選用同種類型不同規(guī)格有的塔段可選用散裝填料。設(shè)計時應(yīng)機敏把握，依據(jù)技術(shù)經(jīng)濟統(tǒng)一的原則來選擇填料的規(guī)格。填料材質(zhì)的選擇填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。陶瓷填料陶瓷填料具有很好的耐腐蝕性及耐熱性，陶瓷填料價格廉價，具有很好的外表遍。一般能耐除Cl–〔如極低噴淋密度下的減壓精餾過程〕，需對其外表進展處理，才能取得良好的使用效果；鈦材、特種合金鋼等材質(zhì)制成的填料造價很高，一般只在某些腐蝕性極強的物系下使用。一般來說，金屬填料可制成薄壁構(gòu)造，它的通量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強度下使用，應(yīng)用范圍最為廣泛。塑料填料塑料填料的材質(zhì)主要包括聚丙烯〔PP〕、聚乙烯〔PE〕及聚氯乙烯〔PVC〕等，100°C塑料填料質(zhì)輕、價廉，具有良好的韌性，耐沖擊、不易碎，可以制成薄壁構(gòu)造。它的通量大、壓降低，多用于吸取、解吸、萃取、除塵等裝置中。塑料填料的缺點是外表潤濕性能差，但可通過適當(dāng)?shù)耐獗硖幚韥砀纳破渫獗頋櫇裥阅?。五、填料塔的?nèi)件填料塔的內(nèi)件主要有填料支承裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理地選擇和設(shè)計塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能格外重要。填料支承裝置【圖片3-14】填料支承裝置填料支承裝置的作用是支承塔內(nèi)的填料，常用的填料支承裝置有如圖片3-14所示的柵板型、孔管型、駝峰型等。支承裝置的選擇，主要的依據(jù)是塔徑、填料種類及型號、塔體及填料的材質(zhì)、氣液流率等。填料壓緊裝置【圖片3-15】填料壓緊裝置填料上方安裝壓緊裝置可防止在氣流的作用下填料床層發(fā)生松動和跳動。填料壓緊裝置分為填料壓板和床層限制板兩大類，每類又有不同的型式，圖片3-15中列出了幾種常用的填料壓規(guī)整填料。床層限制板要固定在塔壁上，為不影響液體分布器的安裝和使用，不能承受連續(xù)的塔圈固定，對于小塔可用螺釘固定于塔壁，而大塔則用支耳固定。液體分布裝置【圖片3-16】液體分布器液體分布裝置的種類多樣，有噴頭式、盤式、管式、槽式及槽盤式等。噴頭式分布器如圖4-16〔a〕所示。液體由半球形噴頭的小孔噴出，小孔直徑為3～10mm，≤80°，直徑為(1/3~1/5)D。這種分布器構(gòu)造簡潔，只適用于直徑小于600mm盤式分布器有盤式篩孔型分布器、盤式溢流管式分布器等形式。如圖3-16〔b〕、〔c〕所示。液體加至分布盤上，經(jīng)篩孔或溢流管流下。分布盤直徑為塔徑的0.6～0.8倍，此種分布器D<800mm管式分布器由不同構(gòu)造形式的開孔管制成。其突出的特點是構(gòu)造簡潔，供氣體流過的自由截面大，阻力小。但小孔易堵塞，彈性一般較小。管式液體分布器使用格外廣泛