《化工原理》第3章 塔设备2012定稿-填料塔

1、化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室一 填料塔的特点v填料塔不仅结构简单，而且具有阻力小和便于用耐腐蚀材填料塔不仅结构简单，而且具有阻力小和便于用耐腐蚀材料制造等优点料制造等优点v尤其适用于塔直径较小地情形及处理有腐蚀性的物料或要求尤其适用于塔直径较小地情形及处理有腐蚀性的物料或要求压强较小的真空蒸馏系统压强较小的真空蒸馏系统v对于大流量的情况，也可使用填料塔对于大流量的情况，也可使用填料塔化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室1比表面积比表面积2

2、空隙度空隙度3单位堆体积内的填料数目单位堆体积内的填料数目n4堆积密度堆积密度5干填料因子及填料因子干填料因子及填料因子6机械强度及化学稳定性机械强度及化学稳定性填料塔的主要内构件，其作用是增加气、液两相的接触面积，填料塔的主要内构件，其作用是增加气、液两相的接触面积，并提高液体的湍动程度以利于传质、传热的进行。并提高液体的湍动程度以利于传质、传热的进行。使气、液接触面积大、传质系数高，同时通量大而阻力小使气、液接触面积大、传质系数高，同时通量大而阻力小表征填料特性的主要参数表征填料特性的主要参数二 填料介绍及性能化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室填料分

3、类填料分类乱堆填料乱堆填料规整填料规整填料化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室拉西环拉西环使用最早的一种填料，外径与高度相等的圆环。一般直径在75mm以下采用乱堆方式；直径大于100mm的多采用整砌方式，以降低流体阻力。可用陶瓷、金属、塑料及石墨等材质制造。优点：形状简单，制造容易。缺点：存在着严重的沟流及壁流现象，塔径愈大，填料层愈高，则壁流现象愈严重，致使传质效率显著下降。化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室鲍尔环鲍尔环构造是在拉西环的侧壁上开出一排或两排长方形的窗孔。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高气液接触面积，且使

4、气体流动阻力降低，液体分布也较均匀。因此，鲍尔环比拉西环的传质效率高，操作弹性大,而气体压降明显降低，但价格较高。目前，鲍尔环以其优良的性能为工业上广泛采用。化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室阶梯环阶梯环阶梯环是在鲍尔环基础上加以改进而发展起来的一种新型填料。阶梯环与鲍尔环相似之处是环壁上也开有窗孔，但阶梯环的高度仅为直径的一半、环的一端制成喇叭口。 阶梯环填料以其气体通量大、流动阻力小、传质效率高等优点成为目前使用的环形填料中性能最为良好的一种。化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室鞍形填料鞍形填料包括弧鞍与矩鞍填料

5、，均属敞开型填料。特点：表面全部散开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，气体流动阻力小，制造也方便。化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室金属金属Intalox环环综合了鲍尔环、鞍形填料及阶梯环优点，具有低压降、高通量、液体分布性能好、传质效率高及操作弹性大等优点，且因为它采用极薄的金属板轧制，仍能保持住良好的机械强度。金属Intalox环在现代工业散装填料中占有明显的优势。INTALOX ULTRA化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室整砌结构的新型高效填料，结构紧凑，具有很大的比表面积，且因气体和液体均不

6、断重新分布，故传质效率高，又因填料的规整排列，使流动阻力减小。缺点：不适于处理粘度大，易聚合或有沉淀物的物料。此外，填料的装卸、清理也较困难，造价高。规整填料规整填料化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室表征填料特性的主要参数表征填料特性的主要参数（1）比表面积 a 定义：单位堆积体积所具有的表面积， m2/m3、1/m。 传质面积a化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（2）空隙率 定义：单位体积填料中所具有的空隙体积 ， m3/m3。生产能力阻力表征填料特性的主要参数表征填料特性的主要参数空隙率的大小与颗粒形状、粒度分

7、布、颗粒直径与床层直径的比值、床层的填充方式等因素有关。通过实验测得。一般非均匀、非球形颗粒的乱堆床层的空隙率大致在0.470.7之间。均匀的球体最松排列时的空隙率为0.48，最紧密排列时的空隙率为0.26。化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室大，水力学性能好。阻力小，达到液泛时值小Fu（3）干填料因子 a / 3与（湿）填料因子（湿）填料因子 喷淋条件下测得的 a/ 3 。当有液体喷淋时，填料的空隙率要减小，比表面积也会发生变化，因此湿填料因子需采用实验方法测定，简称填料因子。表征填料特性的主要参数表征填料特性的主要参数表示填料流体力学性能的一个参数：化

8、工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（4）堆积密度 P 单位体积填料所具有的质量， kg/m3。p气体短路壁流现象严重，填料尺寸大，填料尺寸小aa参阅：p181http:/www.random- 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室1 1、填料用材的选择、填料用材的选择塑料塑料陶瓷陶瓷金属金属设备操作温度较低，体系设备操作温度较低，体系对塑料无溶胀除浓硫酸、对塑料无溶胀除浓硫酸、浓硝酸等强酸外但塑料表浓硝酸等强酸外但塑料表面对水溶液的润湿性差。面对水溶液的润湿性差。一般用于腐蚀性介质，一般用于腐蚀性介质，尤其是高温时，但对尤其是高温时，但

9、对HFHF和高温下的和高温下的H H3 3POPO4 4与碱不与碱不能使用能使用耐高温，但不耐腐蚀。不锈钢可耐高温，但不耐腐蚀。不锈钢可耐一般的酸碱腐蚀（含耐一般的酸碱腐蚀（含C1C1的酸的酸除外），但价格较昂贵除外），但价格较昂贵三 填料的选择化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室2、填料类型的选择填料类型的选择取决于工艺要求，生产能力（气量），容许压降，物料特性取决于工艺要求，生产能力（气量），容许压降，物料特性乱堆填料乱堆填料规整填料规整填料气、液分布较均匀气、液分布较均匀大型塔和要求压降低的塔大型塔和要求压降低的塔注意装卸清洗较为困难注意装卸清洗较为

10、困难要求持液量较高的吸收体系要求持液量较高的吸收体系金属鞍环金属鞍环阶梯环阶梯环鲍尔环鲍尔环矩鞍填料矩鞍填料化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室v 填料尺寸（直径、波峰高）大，则比表面小，通量（容许气速）大，填料尺寸（直径、波峰高）大，则比表面小，通量（容许气速）大，压降低，但效率（每米填料的理论半数）也低，故多用于生产能力（处理压降低，但效率（每米填料的理论半数）也低，故多用于生产能力（处理气量）大的塔。气量）大的塔。v 对于理论板数很多或塔高受厂房限制的场合，一般用小尺寸、高比表对于理论板数很多或塔高受厂房限制的场合，一般用小尺寸、高比表面填料。面填料

11、。v 对于易结垢或易沉淀的物料通常用大尺寸的栅板（格栅）填料，并在对于易结垢或易沉淀的物料通常用大尺寸的栅板（格栅）填料，并在较高气速下操作。较高气速下操作。3、填料尺寸的选择填料尺寸的选择化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室填料的尺寸填料的尺寸填料外径填料外径径比径比=塔径塔径推荐散装填料尺寸推荐散装填料尺寸1、塔径、塔径300mm时，选用时，选用2025mm的填料。的填料。2、300塔径塔径900mm时，选用时，选用2538mm的填料。的填料。3、塔径、塔径900mm时，选用时，选用5080mm的填料。的填料。3、填料尺寸的选择填料尺寸的选择化工原理化

12、工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室液体捕沫器填料压板塔壳填料填料支承板液体再分布器填料压板填料支承板气体气体液体四 填料塔的结构化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室主要塔内附属结构简介主要塔内附属结构简介（1）液体分布器液体分布器作用：作用：使液体能够均匀地分布在填料层上。类型：类型：多孔型、溢流型。(a)莲蓬头式(b)溢流管式化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（2）气体分布器）气体分布器作用：作用：使气体能够均匀分布。形式：形式：小塔气体分布器大塔气体分布器化工原理化工原理 食品与生物

13、工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（3）液体再分布器）液体再分布器液体再分布器为改善向壁偏流效应造成的液体分布不均，可在填料层内部每隔一定高度设置一液体分布器。化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（4）除沫装置）除沫装置作用：作用：回收气体夹带的液沫和雾滴。折流板式除沫器旋转板式除沫器化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（5）填料支承板）填料支承板作用：作用：支撑填料及其所持液体。(a)栅板(b)升气管式化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室一. 填料塔的流动性能参数 1

14、空塔气速u (m/s) u =气体体积流量（m3/s）/塔截面积（m2） 2气体在填料空隙间的实际线速度u0 (m/s)五 填料塔性能32033m /s /m/ m/m uu气体体积流量（）塔截面积（）填料层空隙体积（）填料层体积（）空空床床气气速速（表表观观速速度度） u u L le de u 流体在固定床内流动的简化模型 真真实实速速度度1p 化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室3空塔气速淋洒密度压力降关系 (1) 压力降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层的阻力大小直接决定了塔的动力消耗。22udlwf 化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研

15、室食品与生物工程学院化原教研室3空塔气速淋洒密度压力降关系 (1) 压力降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层的阻力大小直接决定了塔的动力消耗。阻力损失是否更大阻力损失是否更大当L=0时，即无液体喷淋（又称干填料线）时，p/z与u成直线关系。化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室3空塔气速淋洒密度压力降关系 2）当有液体喷淋时，曲线都有两个转折点： 第一个折点 载点； 第二个折点泛点。 载点和泛点将p/z与u关系曲线分成三段，即恒持液量区，载液区和液泛区。 恒持液区；恒持液区；载点；载点；载液区；载液区；液泛点；液泛点；液泛区液泛区。说明：说明：通常情况，填

16、料塔应在载液区操作。 L=0化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室恒持液量区恒持液量区有液体喷淋且气速较低时，气体的真实速度比空塔气速提高，压强降也有液体喷淋且气速较低时，气体的真实速度比空塔气速提高，压强降也较大，此区域的较大，此区域的p/zu线在干填料线的左侧，且二线相互平行。线在干填料线的左侧，且二线相互平行。载液区载液区随着气速的增大，上升气流与下降液体间的摩擦力开始阻碍液体下流，随着气速的增大，上升气流与下降液体间的摩擦力开始阻碍液体下流，使填料层的持液量随气速的增加而增加，此种现象称为拦液现象，开始发使填料层的持液量随气速的增加而增加，此种现象称

17、为拦液现象，开始发生拦液现象时的空塔气速称为载点。生拦液现象时的空塔气速称为载点。液泛区液泛区如果气速继续增大，由于液体不能顺利下流，而使填料层内持液量不断如果气速继续增大，由于液体不能顺利下流，而使填料层内持液量不断增多，以致几乎充满了填料层中的空隙，此时压强降急剧升高，增多，以致几乎充满了填料层中的空隙，此时压强降急剧升高，p/zu线的斜率可达线的斜率可达10以上。压强降曲线近于垂直上升的转折点称为泛点，达到以上。压强降曲线近于垂直上升的转折点称为泛点，达到泛点时的空塔气速称为液泛气速或泛点气速。泛点时的空塔气速称为液泛气速或泛点气速。3空塔气速淋洒密度压力降关系化工原理化工原理 食品与生

18、物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（二）填料塔的水力学性能填料层的压力降、液泛气速、持液量等水力学性能，是填料塔设计与操作中的重要参数：1. 压力降计算方法：1）现场测定；2）经验公式计算；2）查专门曲线（例各种具体类型填料的经验值曲线）；3）通过关联图估计（例Eckert通用关联图）。 目前工程设计中广泛采用Eckert通用关联图计算。化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室可由可由Eckert关联图（关联图（P185）上的泛点线确定泛点气速。）上的泛点线确定泛点气速。(1)图中最上方的三条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点图中最上方的三

19、条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线，与泛点线相对应的纵座标中包含空塔泛点气速线，与泛点线相对应的纵座标中包含空塔泛点气速umax。(2)图中左下方线为乱堆填料层的等压强降线，在设计中可根据规定图中左下方线为乱堆填料层的等压强降线，在设计中可根据规定的压强降，求其相应的空塔气速，反之，根据选定的空塔气速求压的压强降，求其相应的空塔气速，反之，根据选定的空塔气速求压强降。强降。埃克特通用关联图适用于各种乱堆填料，如拉西环、鲍尔环、弧埃克特通用关联图适用于各种乱堆填料，如拉西环、鲍尔环、弧鞍、矩鞍等，但需确知填料的鞍、矩鞍等，但需确知填料的值。值。2液泛气速uF化工原理化工原理 食品与生物

20、工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室泛点气速的计算：泛点气速的计算：100.011.00.10.060.040.0234680.0010.010. 10.080.060.020.040. 80.0061.00.0020.0080.0040. 60. 40. 24050200015020030040050010001001500 Eckert 泛点关联图整砌拉西环泛点线散堆填料泛点线p/z化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室经验公式确定泛点气速。经验公式确定泛点气速。2液泛气速uF化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食

21、品与生物工程学院化原教研室（二）填料塔的水力学性能文献可参阅：杭氧：http:/ 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（三）填料塔的传质性能 11yyxkKkmy 12yi xi x 111yxxkkKmOGyVHK a气相总传质单元高度，m化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（1 1）传质系数关联式）传质系数关联式4 . 03/15 . 03/2)()()(0051. 0pLLLLLLwLLadgDaWk气膜传质系数：0 . 2317 . 0)()()(pGGGGGGGadRTaDDaWCk液膜传质系数：75. 02 . 0205.

22、0221 . 0)()()()(45. 1exp1cLLLLLLwaWgaWaWaa 填料湿润表面积： 恩田（Onda）关联式：（三）填料塔的传质性能 化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（2 2）修正的恩田关联式）修正的恩田关联式4 . 03/15 . 03/2)()(0095. 0LLLLLLwLLgDaWk气膜传质系数：1 . 1317 . 0)()()(237. 0RTaDDaWkGGGGGGG液膜传质系数：化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（三）填料塔的传质性能 文献可参阅：化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室（1）塔径计算）塔径计算通常取操作空塔气速fuu)8 . 05 . 0(根据气体处理量qVGs与空塔气速u, 按下式计算塔径：uqDVGs4设计内容：设计内容：塔填料的选择、塔径的计算、填料层高度的计算、液体分布器和液体再分布器的设计、气体分布装置的设计、填料支撑装置的设计等。六 填料塔工艺设计简介化工原理化工原理 食品与生物工程学院化原教研室食品与生物工程学院化原教研室