《塔设备学习报告1解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《塔设备学习报告1解析（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、721 填料塔简介填料塔最初出现在十九世纪中叶，在1881年用于精馏操作。填料塔的塔体横截面有圆形，矩形及多边形等，但绝大部分是圆形。塔壳材料可以是碳钢，不锈钢，聚氯乙烯，玻璃钢和砖等。塔内放置着填料（packings）。填料种类很多。用于制造填料的材料有碳钢、不锈钢、陶瓷、聚丙烯、增强聚丙烯等。由于填料与塔体取材面广，故易于解决物料腐蚀问题。填料在填料塔操作中起着重要作用。液体润湿填料表面便增大了气液接触面积，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。以气液两相的流动情况作对比，气相湍动较好，而液相呈膜状流下，湍动甚差。可幸液体在流过一个填料的表面后，经填料与填料间的接触点流
2、至下一个填料的表面。在接触点处液体经历了混合与再铺展，使液相传质显著增强。其机理解释如下：见图7-1,当液相通过在填料间的接触点处混合均匀后,浓度为c0，在刚流至下一个填料的表面时，只有在气液界面处因气液平衡，液相浓度跃增为ci以外，其余液相浓度仍保持为c0，如图中0时浓度分布曲线所示。随着液体沿该填料表面向下流动，设气液界面处液相浓度ci不变，由于组分扩散，液相浓度逐渐变化，如1、2、3等时刻的浓度分布曲线所示。因传质速率随液相浓度差（cic）的减小而减小，所以，传质速率是随着液体沿该填料向下流动而逐渐降低的。当液体流至该填料与下一个填料的接触点进行混合时，液体似受到一次强制性的扰动，气液界
3、面处的组分迅速传递到液相内部,便又一次实现液相浓度的均匀一致。第二次液相的均匀浓度明显地要高于前次的液相均匀浓度。这就说明填料对液相传质的重要促进作用。 填料塔的发展史中最主要的是填料的发展史。早期以碎石为填料，碎石比表面积小，空隙率低，堆积密度大，造成塔体很重，逐渐暴露出其缺点。自二十世纪初至廿世纪中叶，曾兴起了对填料开发、研制的热潮。 图7-1 填料表面液层与浓度随时间及与界面距离的变化 在这时期，先后出现了拉西环、Stedman金属纱网规则填料、弧鞍形填料、鲍尔环及矩鞍形填料等。这些新型填料的出现，使填料塔的操作性能得到显著改进。填料塔操作时存在着气、液相在塔横截面上分布不均匀的问题，即
4、气、液产生偏流，其结果必减少气、液接触机会，影响传质效果。液体的偏流称为“沟流”（channeling）。产生沟流的原因可从两方面考虑，一方面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。另一方面是因为每个填料与相邻填料都有若干个接触点，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。另一影响液流分布均匀性的现象是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，有向四周流开的可能。虽对一个填料来看，液体流向有倾向性，但对填料层整体来说，若不受其它因素影响
5、，液流方向可认为是随机的。但在紧靠塔壁处情况则不同。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。于是，近塔壁填料处液体往塔壁流动，便导致填料层中液体向塔壁流动。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。而气体流过填料层时，本来就有优先流过空隙大、阻力小的区域的趋势，液流分布不匀则更加剧这种趋势。实践说明，随着填料塔塔径的增大，塔内气液分布不匀现象更趋严重。这称为填料塔的“放大效应”，或称“放大问题”。长久以来，填料塔“放大问题”一直是限制填料塔向大型化方向发展的障碍。解决填料塔“放大效应”的常见措施有：改进塔顶液体原始喷淋的均匀性，多
6、设喷淋点，在填料层中设置液体再分布器及控制塔径与填料尺寸的比值等。此外，人们对于填料形状对减小沟流的作用已给予了足够的重视。新型高效填料的采用使气液分布情况得到改善。由于采用多种有效措施，目前填料塔的放大问题已得到一定程度的解决。塔径超过10m的填料塔当前已并不鲜见。 722 填料的种类与特性1) 填料的种类常见填料的形状可分为四种类型。短管形填料：最早采用的拉西环是高度与外径之比为1的短管。该填料易于制造，强度好，取材面广，但流体力学及传质性能都不够理想。 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
7、区，而且使气流阻力增大。填料间的线接触会阻碍气、液流过。为改进其性能，可采用“截短”型拉西环，即高径比为0.5的短管。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。1948年出现的鲍尔环是对拉西环作出重大改进的一种填料。该填料是在拉西环的基础上，在填料壁面开两层矩形孔。开矩形孔的部份只切开三条边，留下一边仍与填料壁相连，并把切开的部份推到填料圈内侧。于是，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。 图7-2 填料 鲍尔环自问世以来，至今一直被广泛采用。在鲍尔环基础上，又发展了一种叫“阶梯环”的填料，其结构与鲍尔环相近，但是截短型，
8、在环的一侧底端做成喇叭口形状，以增加填料间点接触的机会。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，是短管形填料中较好的一种。在短管形填料中，亦有仍采用拉西环形状但引人某些改进的。如1949年出现的压延孔环，在金属薄板上先冲出一些孔（孔的密集度为160孔/cm2）,将薄板卷成半圆筒形。冲孔时保留尖刺，并使尖刺均在外侧，以改善液体润湿情况。又如1949年出现的网环（dixon），用金属丝网代替实体材料。由于丝网对液体有毛细管作用，能把液体铺展开，所以网体填料传质性能甚佳。但网体填料的强度差。短管形填料一般是乱堆填料，只有2英寸以上的大填料才可能是整砌填料
9、。鞍形填料：鞍形填料不同于短管形填料，其特点是不分内、外表面，整个填料表面由各种曲面组成，填料在塔内任意方位均可使流体舒畅流过。1931年出现的这类填料称弧鞍形填料，是因形如马鞍而得名。这种填料与拉西环相比，填料表面利用率高，阻力小，但因形状设计尚有缺陷，相邻填料有重叠倾向，填料层均匀性较差，且填料易碎，故使用不广。另一种改进型填料是1950年出现的矩鞍形填料，其形状仍像马鞍，但做得较厚实，形状比弧鞍形填料简单，且注意到两个鞍形填料不论以何种方式接触都不会叠合。矩鞍形填料亦是当前应用较多的一种填料。这种形状的填料也有网体的。鞍形填料都是乱堆填料。短管形与鞍形填料的结合型填料：现在已开发的这类填
10、料有环矩鞍与共轭环等，其中共轭环是1992年我国自行开发、试验成功的。开发这类填料的出发点是想使之具有短管形与鞍形两大类填料的优点。试验表明，共轭环的阻力比阶梯环低（4050）%，比鲍尔环低（5055）%，其传质单元高度比阶梯环的约低15%，比鲍尔环的约低30%，可见，新的结合型填料的优点是明显的。波纹整砌填料：这是我国开发成功并于1971年发表的填料类型。该填料的基本件是冲压出45度斜波纹槽的薄板。薄板高度通常为4060mm。若干板片平行组合，但相邻薄板的波纹反向。当塔截面为圆形，则波形板片的组合体为圆柱形。上下相邻的填料组合体，其薄板方向互呈90度交错。波纹填料的材料有碳钢、不锈钢、铝、陶
11、瓷、玻璃钢及纸浸树脂等。薄板厚度：金属板一般为0.51mm，陶瓷板为11.5mm，纸浸树脂及玻璃钢板则为0.10.2mm。这种填料为气、液相提供了一段段带分支的直通道，气流阻力小，允许操作气速较大（如空速可达2m/s），故处理能力大。由于相邻两薄板间波峰接触点多，接触点给液体提供了混合、再铺展的条件，故可促进液体的表面更新，也促进气体湍流程度的增加。此外，这种填料具有较高的比表面积（a值为300900m2/m3）.近年来不少工厂采用不锈钢丝网制作的波纹填料，既保留波纹整砌填料的优点，又改善布液的均匀性。这种填料属高效填料。 2）填料的特性填料特性有下列几方面：（1） 比表面积a塔内单位体积填料
12、层具有的填料表面积，m2/m3。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。须说明两点：第一，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只占全部填料表面积的（2050）%。第二，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。为此，须把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。但比表面积a仍不失为重要的参量。（2） 空隙率塔内单位体积填料层具有的空隙体积，m2/m3. 为一分数。值大则气体通过填料层的阻力小，故值以高为宜。对于乱堆填料
13、，当塔径D与填料尺寸d之比大于8时，因每个填料在塔内的方位是随机的，填料层的均匀性较好，这时填料层可视为各向同性，填料层的空隙率就是填料层内任一横截面的空隙截面分率。当气体以一定流量过填料层时，按塔横截面积计的气速u称为“空塔气速”（简称空速），而气体在填料层孔隙内流动的真正气速为u1 。二者关系为：u1=u/。（3）塔内单位体积具有的填料个数n根据计算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料的n值，即可确定塔内需要的填料数量。一般要求塔径与填料尺寸之比D/d8（此比值在815之间为宜），以便气、液分布均匀。若D/d8，在近塔壁处填料层空隙率比填料层中心部位的空隙率明显偏高，会影响气液的均匀分布。
14、若D/d值过大，即填料尺寸偏小，气流阻力增大。几种常用的短管形及鞍形填料的特性数据列于表7-1。共轭环的特性数据列于表7-2。表7-1 几种常用填料的特性数据7.2.3填料层内气液逆流的流体力学特性 1） 气液流速与气体通过填料层压降的关系填料在塔内乱堆，给气流构成了弯曲、分支及变截面的复杂几何形状的流道。这样的流道促使气流发生扰动，从而使气流在实际操作气速范围内均为湍流。在对填料塔内气、液流体力学特性作测定时，通常气速以空塔气速u表示，液体喷淋密度L的单位是m3/（hm2），气体流过一定高度填料层的压降为p。对一定高度的填料层，在不同喷淋密度下实验测得的“lgplgu”曲线如下图。当L=0，
15、即干填料时，因气体在填料层呈湍流，pu1.8.0，在“lgplgu”图中为一直线。当喷淋密度为L1，在气速较低时，气体向上流动对液体沿填料表面膜状流下的曳力很小，lgp与lgu的关系仍呈直线，且该直线与干填料时的直线平行，只是由于液膜有一定厚度使气体流道变小，故该条件下的“lgplgu”直线段要高于干填料条件下相应的直线，如图7-3中A1点以下线段。在A1点以上，气流对液膜流动产生影响，使液膜增厚，而液膜增厚又使气体通道变窄流速增大，故在“lgplgu”图上出 现p随u的增加而较快增长的线段，如图中A1B1线段。在此阶段，液流虽遇到阻碍，但液体仍可沿填料表面流下，未发生液体停滞或积液现象。在B1点，因液膜已足够厚，四周的液膜几乎封闭气体通道，此刻，塔内的部分区域发生“转相”，即液相变为连续相，气相成为分散相。若气速再稍增大，气体对液体的曳力迅速增加，“lgplgu”曲线呈现为垂直向上的直线。这时，因塔顶不断进液，塔内液体又不能畅流而下，塔内积液，液位不断上升，于是液体由气体出口泛滥出去，塔的正常操作便受到破坏。这种状况称为“液泛”（flooding）。一般把对应于液泛开始状况的空塔气速叫做液泛气速，简称“泛速”，图7-3中B1点对应的空速即为泛速。在图7-3中还画了喷淋
