气液传质设备 11-2

1,第十一章 气液传质设备,§11-2 填 料 塔,填料塔是一种以连续方式进行气液传质的设备，具有结构简单，压降小，填料耐腐蚀等优点，特别适合处理易发泡的物料和真空操作的场合。尤其新型高效填料的开发，以及对填料流体力学、传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展。,一、填料塔与塔填料(一)结构与操作,塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。 填料:是传热和传质的场所。 塔内件：包括填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。,5,生产能力大,分离效率高,压力降小，持液量小,造价高,填料塔特点,易堵塞,侧线出料和进料困难,(二)填料特性及其数据,填料是填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所，表征填料特性的数据主要有： (1)比表面积a：单位体积填料层所具有的表面积(m2/m3)。大的 a 和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。 (2)空隙率：单位体积填料所具有的空隙体积(m3/m3)。代表的是气液两相流动的通道， = 0.450.95。 (3)填料因子：填料比表面积与空隙率三次方的比值(1/m)，a/3，表示填料的流体力学性能，值越小，流动阻力越小。有干填料因子与湿填料因子之分。,(4)堆积密度 p ：单位体积填料的质量(kg/m3)。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小填料的堆积密度，从而既可降低成本又可增加空隙率。 机械强度大，化学稳定性好以及价格低廉等也是优良填料应尽量兼有的性质。 注意：一些难以定量表达的因素(几何形状)对填料的流体力学和传质性能也有重要的影响。新型填料的开发一般是改进填料几何形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。,1.散装填料（颗粒填料）：在塔内可乱堆,也可以整砌。,(a)拉西环 (b)鲍尔环 (c)阶梯环 (d)金属环矩鞍,(e)弧鞍填料 (f)矩鞍填料,(二)塔填料类型：散装填料和规整填料,瓷质填料,金属填料,塑料填料,（1）拉西环,拉西环Rasching ring,1914年拉西环诞生,现已淘汰！,工业上常用的散装填料的名义直径有16、25、38、50、76mm 5种。 散装填料塔径与填料直径比不应小于10。,优点：易于制造，价格低廉。 缺点：堆积时填料间易形成线接触，故液体常存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高。,内十字环,内螺旋环,Cross-partition ring,Spiral ring,现已淘汰！,（1）拉西环,13,(2)弧鞍形(Berl saddle) 填料,弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道。,优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，填料性能优于拉西环。,缺点：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影响传质速率。,1931年弧鞍填料出现,14,矩鞍填料的两端为矩形，且填料两面大小不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，填料的均匀性得到改善。液体分布均匀，气液传质速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料。,(3)矩鞍形(Intalox saddle)填料,金属鞍环 Intalox saddle ring,金属鞍环填料综合了环形填料通量大及鞍形填料的液体再分布性能好的优点，其性能优于环形填料和鞍形填料。,鲍尔环 Pall ring,1948年西德BASF公司发明,改型鲍尔环,（4）鲍尔环,同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使环的内壁面得以充分利用。对比拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。,可由陶瓷、金属或塑料制成。,阶梯环 Cascade ring,高度仅为直径的一半；环的一端制成喇叭口，这种喇叭结构，使填料个体之间多呈点接触； 这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。,英国皇家传质公司于l972年开发,（5）阶梯环,扁环,OX环,其他填料,共軛环,华南理工大学化学工程研究所开发,其他填料,麦勒环 Mellaring,其他填料,塑料花环 rostte ring,多面空心球 Ball Packing,海尔环 Hillis ring,其他填料,一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。 使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。,优点：空隙大,生产能力大,压降小。流道规则,只要液体初始分布均匀,则在全塔中分布也均匀,因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。 缺点：造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。,2.规整填料,规整填料,金属孔板波纹填料,陶瓷孔板波纹填料,金属孔板波纹填料,Corrugated Metal Plates Packings 6400金属板波纹规整填料, 300脉冲规整填料,各种陶瓷规整填料,规整填料,70年代以来，规整填料的发展非常迅速,最大直径规整填料塔已达1420 m,27,(一)填料塔内的流体流动,二、填料塔的水力学性能与传质性能,填料层中的流动,气体在填料层内的流动相当与气体在颗粒层内的流动,载干填料层内，气体流量的增大，将使压降按1.82.0次方增长,上升气流对液流的曳力加大到足以阻止液体下流，于是液体充满填料层空隙，气体只能鼓泡上升。,气液两相流动的交互影响和载点,填料塔的液泛,28,L=0，即干填料时，气体在填料层呈湍流，pu1.8.0,A点称为载点”,B点称为泛点,正常操作的空速应在载点气速之上，在泛点气速的0.8倍之下,(二)填料塔的水力学性能,气液流速与气体通过填料层压降的关系,载液区,高液量,低液量,(二)填料塔的水力学性能,泛点是填料塔操作的极限，难以进行准确的理论计算,迄今仍然只能由各种经验关联式或关联图进行估算,应用最广的是埃克特 (Eckert) 压降通用关联图。,利用此图可根据选定的空塔气速求压降，或根据规定的压降求算相应的空塔气速。,图11-27 Eckert 压降通用关联图,1.泛点和压降,2.持液量,填料的持液量：操作时单位体积填料在表面和空隙中所积存的液体体积量，由静持液量和动持液量组成。 静持液量：指填料层静止接受喷淋液体并经过规定的滴液时间后，仍然停留在填料层中的液体量。 动持液量：指一定喷淋条件下持于填料层中的液体总量与静持液量之差。 持液量对填料的压降、气液通量以及分离效率均有影响。 理想的操作：大传质表面，较小持液量。,3.润湿面积和有效面积,填料塔操作中填料表面难以全部润湿，故比润湿面积常小于比表面积。 润湿面积的大小取决于液体的性质与喷淋密度，还与填料的类型、规格和装填方法等有关。 注意：润湿的表面并非都是有效的传质面积。,9-95,(三)填料塔的传质性能,表征填料塔传质性能的参数 ：传质单元高度或理论板当量高度。,（1）传质系数关联式,填料湿润表面积：,恩田（Onda）关联式：,修正的恩田关联式:,气膜传质系数：,液膜传质系数：,（2）工业塔的理论板当量高度,P153表11-6,(四)填料塔工艺设计简介,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。,设计步骤： （1）针对物系及分离要求，选择 适宜填料； （2）确定塔径（考虑喷淋密度）； （3）计算塔高（考虑分段高度）； （4）塔内件设计。,1.塔径的计算,式中：Vs 操作条件下气体体积流量，m3/s； u 操作条件下的空塔气速，m/s。 一般取 u = (0.50.8) uf 。,对一定气体负荷，塔径计算关键在于空塔泛点气速的求取。当缺乏实测数据时，泛点气速 uf 可用埃克特(Eckert)压降关联图估算。一般填料塔的操作气速大致在 0.21.0 m/s。 按上式算出的塔径，应按压力容器公称直径进行圆整。,2.验算液体喷淋密度 填料塔的液体最小喷淋密度与填料的比表面积 a 有关，其关系为：,式中：Lmin 最小喷淋密度，m3/(m2s)； (Lw)min 最小润湿速率，m3/(ms)。,最小润湿速率：在塔横截面上，单位长度的填料周边上润湿填 料所需最少液体的体积流量。 直径75mm 的环形填料，(Lw)min= 0.12 m3/(mh)。 实际喷淋密度应大于最小喷淋密度。若不能满足此条件，可采用增大回流比或液体再循环等方法加大塔内液体流量，或适当提高气速，减小塔径等。,2.验算液体喷淋密度,拉西环：D/d2030 鲍尔环： D/d1015 阶梯环： D/d8 鞍形填料： D/d815,为保证填料润湿均匀，减小壁流现象的影响，需对塔径D与散装填料直径d之比进行校核。,1.填料支承装置,附属结构的选型、设计、安装是否正确合理，对填料塔的操作和传质分离效果都会有直接影响，应给予足够的重视。,作用：用以支承填料及塔内持液质量的部件。 要求：(1)足够的机械强度以承受设计载荷量。 (2)足够的自由面积以确保气、液两相顺利通过。 总开孔面积应尽可能不小于填料层的自由截面 积。一般开孔率在 70% 以上。 种类：栅板式、升气管式和气体喷射式等类型。,（五）填料塔的附属结构,升气管式：具有气、液两相分流而行,开孔面积大的特点, 气体由升气管侧面的狭缝进入填料层。,栅板式 ：优点是结构简单,造价低;缺点是栅板间的开孔 容易被散装填料挡住，使有效开孔面积减小。,2.液体分布装置,作用：将液体均匀分布于填料层顶部。液体初始分布质量将直接影响到液体在整个填料层的分布，从而影响填料塔的分离效率和操作弹性，因此液体分布器是填料塔的一个极为重要的内部构件。,(1)莲蓬头分布器 喷头的下部为半球形多孔板， 喷头直径为塔径的1/31/5，一 般用于直径在0.6m以下的塔中。 它的主要缺点是喷洒孔易堵塞， 且气量较大时液沫夹带量大。,(2)多孔管式分布器 优点：结构简单、造价低、易于支承。自由面积较大 (一般在70%以上)，气体阻力小，适用于液体流量很大的场合。其操作弹性在 2:12.5:1 之间。 缺点：也存在小孔易堵塞的问题，故被喷淋的液体不能有固体颗粒或悬浮物。,环形,梯形,优点：抗堵、抗腐蚀能力强，操作可靠，可处理含固体的物料，操作弹性和处理量较大，操作弹性可达到 4:1。 缺点：分布质量极易受液面的波动和分布器水平度的影响，故通常必须装有水平调节装置。,(3)槽式溢流分布器 液体从通常为V字形的溢流口中溢出。一般适用于直径大于 1.0 m 的填料塔中。,优点：具有较多的喷淋点数，分布质量比较高，且操作弹性可高达 4:1。 缺点：结构较复杂，造价较高，对安装水平度要求高。气体通过阻力较大，一般适用于气体负荷不太大的场合。,(4)盘式孔流分布器 气、液流道分离，液体自盘底的喷淋孔流下，盘中维持有一定高度的液位，气体则从盘中设置的圆管中上升。,3.液体再分布装置,为避免液体在填料层中发生壁流现象而使液体分布不均，在填料层中每隔一定距离设液体再分布装置。 偏流效应越严重，设置液体再分布器的填料间隔应越小，如拉西环每段填料高度一般约为塔径的 3 倍，而鲍尔环和鞍形填料可为塔径的 510 倍；但最高不宜超过6m；再分布器的形式：有盘式、槽式及截锥式等。,盘式液体再分布器,截锥式再分布器,4.液体出口装置,液体出口装置应保证塔内气体的液封，防止夹带气体，且能保证液体顺利流出，常用的有U形管密封装置。,5.气体进口装置,为防止液体进入气体管路中，并使气体分布均匀，应在塔内装设气体紧扣装置。,对于直径小于3000塔，可采用单管底部双排孔分布器。不仅气体分布均匀、阻力小，而且结构简单、造价低。,超过3000塔可采用多排管式或升气管式气体分布器。还可以采用双效气体分布器，既提供良好的气体分布，又具有较高