鲍尔环作用

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1、一、填料塔的结构特点【图片 3-10】填料塔的结构示意图图片 3-10 所示为填料塔的结构示意图，填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身 是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以 防被上升气流吹动。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。气体从塔底送入，经气体分布装 置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密 切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连 续相，液相为分散相。当液体

2、沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁 流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设 置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后， 送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。 填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直 接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。二、填

3、料的类型 填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。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，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散 装填料。【图片 3-11】几种典型的散装填料拉西环鲍尔环阶梯环弧鞍填料矩鞍填料金属环矩鞍填料球形填料(1) 拉西环填料拉西环填料于1914年由拉西(F. Rashching)发明，为外径与高度相等的圆环，如图片拉西环所示。 拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。(2) 鲍

4、尔环填料如图片鲍耳环所示，鲍尔环是对拉西环的改进，在拉西环的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，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环 壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。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。鲍尔环是一种应用较广的填料。(3) 阶梯环填料如图片阶梯环所示，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。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。 锥形翻边不仅增加了填料

5、的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的 空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的 综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。(4) 弧鞍填料弧鞍填料属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成，如图片弧鞍填料所示。弧 鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。 其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表面被重合，使传质效率降低。弧鞍填料强度较差，容破碎，工业生产中应 用不多。(5) 矩鞍填料如图片矩鞍填料所示，将弧

6、鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。 矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝 大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。(6) 金属环矩鞍填料如图片金属换环聚鞍填料所示，环矩鞍填料(国外称为I ntalox)是兼顾环形和鞍形结构特点 而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形 填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。(7) 球形填料球形填料一般采用塑料注塑而成，其结构有多种，如图片球形填料所示。球形填料的特

7、点是球体为 空心，可以允许气体、液体从其内部通过。由于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不易产生空穴和架桥，所 以气液分散性能好。球形填料一般只适用于某些特定的场合，工程上应用较少。除上述几种较典型的散装填料外，近年来不断有构型独特的新型填料开发出来，如共轭环填料、海尔环填料、纳特 环填料等。工业上常用的散装填料的特性数据可查有关手册。2规整填料 规整填料是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，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹 填料、脉冲填料等。【图片 3-12】几种典型的规整填料(1) 格栅填料格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早

8、的格栅填料 为如图片3-12 (a)所示的木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等， 其中以图片3-12 (b)所示的格里奇格栅填料最具代表性。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。(2) 波纹填料目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与 塔轴的倾角有 30和 45两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错 90排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。如图片3-12 (c)所示，金属丝网波纹填料是网波纹填

9、料的主要形式，它是由金属丝网制成的。金属丝网波纹填料 的压降低，分离效率很高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的 手段。尽管其造价高，但因其性能优良仍得到了广泛的应用。如图片3-12 (d)所示，金属板波纹填料是板波纹填料的一种主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多f5mm左 右的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的 液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的 场合。金属压延孔板波纹填料是另一种有代表性的板波纹填料。它与金属孔板波纹填料

10、的主要区别在于板片表面不是冲压 孔，而是刺孔，用辗轧方式在板片上辗出很密的孔径为0.40.5mm小刺孔。其分离能力类似于网波纹填料，但抗 堵能力比网波纹填料强，并且价格便宜，应用较为广泛。波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大(常用的有 125、 150、 250、 350、 500、 700 等几种)。波纹填料的缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。(3) 脉冲填料脉冲填料是由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成的一种规整填料，如图片3-12 (e)所 示。脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和

11、扩大，气液两相通过时产生强烈的湍 动。在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩 大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别 适用于大塔径的场合。工业上常用规整填料的特性参数可参阅有关手册。三、填料的性能评价1填料的几何特性 填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。(1) 比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a表示，其单位为m2/m3。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

12、面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。(2) 空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以e表示，其单位为m3/m3，或以表示。填料的空隙率越 大，气体通过的能力越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。(3) 填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/e 3,称为填料因子，以f表示，其单位为1/m。填料 因子分为干填料因子与湿填料因子，填料未被液体润湿时的 a/e3 称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料 被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a和e均发生相应的变化，此时的a/e 3称为湿填料因子，它表示填料 的流体力学性能，f值越小，表明流动阻力越小。2填料的

13、性能评价填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。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；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。采用 模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价，得出如表3-1 所示的结论。可看出，丝网波纹填料综合性能最好， 拉西环最差。表 3-19 种填料综合性能评价填料名称评估值语言值排序 丝网波纹填料0.86 很好 孔板波纹填料0.61相当好2金属 Intalox0.59相当好3金属鞍形环0.57相当好4金属阶梯环0.53一般好5金属鲍尔环0.51一般好6瓷 Intalox0.41较好7瓷鞍形环

14、0.38 略好8瓷拉西环0.36略好9三、填料塔的流体力学性能 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、填料表面的润湿及返混等。 1填料层的持液量填料层的持液量是指在一定操作条件下，在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。持 液量可分为静持液量Hs、动持液量Ho和总持液量Ht。静持液量是指当填料被充分润湿后，停止气液两相进料，并 经排液至无滴液流出时存留于填料层中的液体量，其取决于填料和流体的特性，与气液负荷无关。动持液量是指填 料塔停止气液两相进料时流出的液体量，它与填料、液体特性及气液负荷有关。总持液量是指在一定操作条件下存 留于填料层

15、中的液体总量。显然，总持液量为静持液量和动持液量之和，即(3-1) 填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。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，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。2填料层的压降 在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，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。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大； 在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降DP/Z与空塔气速u的 关系标绘在对数坐标纸上，

16、可得到如图3-13 所示的曲线簇。【图片3-13】填料层的AP/Zu关系在图片3-13中，直线0表示无液体喷淋(L=0)时，干填料的 P/Zu关系，称为干填料压降线。曲线1、2、3表 示不同液体喷淋量下，填料层的 P/Zu关系，称为填料操作压降线。从图中可看出，在一定的喷淋量下，压降随空塔气速的变化曲线大致可分为三段：当气速低于A点时，气体流动对 液膜的曳力很小，液体流动不受气流的影响，填料表面上覆盖的液膜厚度基本不变，因而填料层的持液量不变，该 区域称为恒持液量区。此时 P/Zu为一直线，位于干填料压降线的左侧，且基本上与干填料压降线平行。当气速 超过A点时，气体对液膜的曳力较大，对液膜流动产生阻滞作用，使液膜增厚