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1、填料塔介绍填料塔介绍1目目 录录填料塔的结构和填料特性2填料塔的结构填料塔的结构3填料按装填方式大体分为散装填料（乱堆填料或颗粒填料）和规整填料两种。拉西环填料：1914年由拉西（F. Rashching）发明，是外径与高度相等的圆环。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。 4陶瓷拉西环陶瓷拉西环5海胆型拉西环海胆型拉西环67铁氟龙（聚四氟乙烯）拉西环铁氟龙（聚四氟乙烯）拉西环8石墨拉西环石墨拉西环9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
2、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。 10金属鲍尔环金属鲍尔环11陶瓷鲍尔环陶瓷鲍尔环12塑料鲍尔环塑料鲍尔环13铁氟龙鲍尔环铁氟龙鲍尔环14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，
3、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。 15塑料阶梯环塑料阶梯环16金属阶梯环金属阶梯环17陶瓷阶梯环陶瓷阶梯环18弧鞍环,又称贝尔鞍环，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。弧鞍环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。弧鞍环强度较差，容破碎，工业生产中应用不多。 19陶瓷弧鞍环陶瓷弧鞍环20塑料弧鞍环塑料弧鞍环21矩鞍环是将弧鞍环两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍环
4、。矩鞍环堆积时不会套叠，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，均已被瓷矩鞍环所取代。 22陶瓷矩鞍环陶瓷矩鞍环2324金属环矩鞍填料，又称英特洛克斯（国外称为Intalox），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。 25金属英特洛克斯填料金属英特洛克斯填料26球形填料一般采用塑料注塑而成，其结构有多种。球形填料的特点是球体为空心，可以允许气体、液体从其内部通过。由于球体结
5、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。 27悬浮球形填料悬浮球形填料28空心球形填料空心球形填料29多面球填料多面球填料30椭球形填料椭球形填料31？32共轭环揉合了环形和鞍形填料的优点，采用共轭曲线肋片结构，两端外卷边及合适的长径比。填料间或填料与塔壁间均为点接触，不会产生叠套，孔隙均匀，阻力小，乱堆时取定向排列，故有规整填料的特点，有较好的流体力学和传质性能。33金属共轭环金属共轭环34塑料共轭环塑料共轭环35海尔环 (Haier ring), 又名皇冠型拉西环 聚丙烯海尔环的独特造型，使它不仅具有通量大，
6、压降低，耐腐蚀及抗撞击性能好等到优点以外，还具有填料间不会嵌套，壁流效应小和气液分布均匀等优点。这种填料适用于气体吸收、冷却及气体净化等过程。 36海尔环海尔环37纳特环（Nutter Ring) 形似于环与鞍之间，采用薄板冲压制成侧壁开孔的环鞍形，在鞍的背部有一个开有数个圆孔的凸缘加强筋，在筋的两侧有二个与鞍反向的半圆环，半圆环的直径一个大，一个小，在鞍的二个侧面各有一个翻边。鞍背的加强筋及两侧的翻边，不仅增加了填料的刚性，而且可以使用较薄的材料制成，减轻填料的重量。又由于二个反向半径的直径不同，可避免填料堆积时的套叠，形成均匀开敞的填料层，有利于填料层内液体的横向扩散及液膜的表面更新，可以
7、使填料层具有较高的表面利用率，有利于填料层的传质和传热。 纳特环填料具有压降低、通量大、效率高等优点。由于填料强度对重量比值的增大，填料装填高度最高可允许15m。38纳特环纳特环39纳特环纳特环40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 。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。工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料。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。 41木格栅填料木格
8、栅填料42格里奇格栅格里奇格栅43网孔格栅网孔格栅44蜂窝格栅蜂窝格栅45波纹填料是目前工业上应用最多的规整填料。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。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。46不锈钢波纹填料不锈钢波纹填料4
9、7陶瓷波纹填料陶瓷波纹填料48不锈钢孔板波纹材料不锈钢孔板波纹材料49压延孔板波纹材料压延孔板波纹材料50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。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。51金属脉冲填料金属脉冲填料52带有斜向通道的脉冲填料带有斜向通道的
10、脉冲填料53带有斜向通道的脉冲填料带有斜向通道的脉冲填料54目目 录录填料塔的结构和填料特性填料的性能评价 55 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，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。56九种填料综合性能评价九种填料综合性能评价57目目 录录填料塔的结构和填料特性填料的性能评价 吸收过程传质模型581 双膜模型双膜模型由惠特曼（Whiteman）于1923年提出 。当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞膜，气相一侧的称为“气膜”
11、，液相一侧的称为“液膜”，溶质A经过两膜层的传质方式为分子扩散。 59双膜模型示意图双膜模型示意图601 双膜模型双膜模型由惠特曼（Whiteman）于1923年提出 。当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞膜，气相一侧的称为“气膜”，液相一侧的称为“液膜”，溶质A经过两膜层的传质方式为分子扩散。 在气液相界面处，气液两相处于平衡状态。 在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流体的强烈湍动，各处浓度均匀一致。 61双膜模型示意图双膜模型示意图621 双膜模型双膜模型由惠特曼（Whiteman）于1923年提出 。当气液两相相互接触时，在气液两相间存
12、在着稳定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞膜，气相一侧的称为“气膜”，液相一侧的称为“液膜”，溶质A经过两膜层的传质方式为分子扩散。 在气液相界面处，气液两相处于平衡状态。 在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流体的强烈湍动，各处浓度均匀一致。 双膜模型把复杂的相际传质过程归结为两种流体停滞膜层的分子扩散过程，依此模型，在相界面处及两相主体中均无传质阻力存在。这样，整个相际传质过程的阻力便全部集中在两个停滞膜层内。因此，双膜模型又称为双阻力模双阻力模型型。63双膜模型对流传质系数公式 64 根据双膜模型，对流传质系数与扩散系数的一次方成正比，即 。双膜模型为传质模型奠定了初步的基础，用
13、该模型描述具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质过程，与实际情况大体符合，按此模型所确定的传质速率关系，至今仍是传质设备设计的主要依据。但是，该模型对传质机理假定过于简单，因此对许多传质设备，特别是不存在固定相界面的传质设备，双膜模型并不能反映出传质的真实情况，譬如对填料塔这样具有较高传质效率的传质设备而言， 并不与 的一次方成正比。651 溶质渗透模型溶质渗透模型希格比(Higbie)于1935年提出,该模型为非稳态模型。该模型认为液面是由无数微小的流体单元所构成，当气液两相处于湍流状态相互接触时，液相主体中的某些流体单元运动至界面便停滞下来。在气液未接触前(0),流体单元中溶质的浓
14、度和液相主体的浓度相等(cA=cA0)。接触开始后(0),相界面处(z=0)立即达到与气相的平衡状态(cA=cAi)。 随着接触时间的延长,溶质 A通过不稳态扩散方式不断地向流体单元中渗透,时间越长,渗透越深。但由于流体单元在界面处暴露的时间是有限的，经过c时间后，旧的流体单元即被新的流体单元所置换而回到液相主体中去，故在流体单元深处(z=z)，仍保持原来的主体浓度(cA=cA0 )。流体单元不断进行交换，每批流体单元在界面暴露的时间都相同。 66溶质渗透模型示意图溶质渗透模型示意图67溶质渗透模型对流传质系数 溶质渗透模型的传质系数跟扩散系数的0.5次方成正比，已由施伍德等人在填料塔及短湿壁
15、塔中的实验数据所证实 。说明该模型比双膜模型更接近实际情况。但参数c难以求算。681 表面更新模型表面更新模型丹克沃茨(Danckwerts)于1951年提出,该模型对溶质渗透模型进行了研究与修正,又称为渗透表面更新模型。 假设流体在流动过程中表面不断更新，即不断有液体从主体转为界面而暴露于气相中。这种界面的不断更新使传质过程大大强化。原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处，现通过表面更新，深处的液体就有机会直接与气体接触从而接受溶质。丹克沃茨还假定，不论界面上液面单元暴露时间多长，被置换的概率是均等的，即更新频率与年龄无关。单位时间内表面被置换的分率称为表面更新率，用符号S表示 6
16、9表面更新模型传质系数 表面更新模型比溶质渗透模型前进了一步，首先是没有规定固定不变的停留时间，另外渗透模型中的模型参数c难以测定，而表面更新模型参数 S可通过一定的方法测得，它与流体动力学条件及系统的几何形状有关。 70目目 录录填料塔的结构和填料特性填料的性能评价 吸收过程传质模型低浓度气体吸收71低浓度气体吸收的特点进塔混合气中的溶质含量较低(小于5%-10%)。G、L为常量。吸收的溶质少，流经全塔的混合气体流率G和液体流率L变化不大。吸收过程等温。吸收量少，由溶解热引起的温升不显著。对低浓度气体吸收可以不做热量衡算。传质系数视为常量。气液两相在塔内的流率不变，全塔的流动状况相同，物性变
17、化小，因此传质系数可视为常数。以上特点也适用于虽然溶质含量高，但吸收量少的过程。721 物料衡算物料衡算吸收塔内两相气体含量的变化吸收塔内两相气体含量的变化气相液相两相732 吸收塔的操作线方程吸收塔的操作线方程操作线方程 吸收塔内任一横截面上，气液组成y与x之间的关系称为操作关系，描述该关系的方程即为操作线方程。在稳态条件下，对组分A做物料衡算得操作线方程 对逆流吸收塔逆流吸收塔示意图逆流吸收塔示意图742 吸收塔的操作线方程吸收塔的操作线方程操作线方程 吸收塔内任一横截面上，气液组成y与x之间的关系称为操作关系，描述该关系的方程即为操作线方程。在稳态条件下，对组分A做物料衡算得操作线方程
18、对逆流吸收塔逆流吸收塔的操作线和平衡线逆流吸收塔的操作线和平衡线逆流吸收塔示意图逆流吸收塔示意图762 吸收塔的操作线方程吸收塔的操作线方程操作线方程 吸收塔内任一横截面上，气液组成y与x之间的关系称为操作关系，描述该关系的方程即为操作线方程。在稳态条件下，对组分A做物料衡算得操作线方程 对顺流吸收塔顺流吸收塔示意图顺流吸收塔示意图772 吸收塔的操作线方程吸收塔的操作线方程操作线方程 吸收塔内任一横截面上，气液组成y与x之间的关系称为操作关系，描述该关系的方程即为操作线方程。在稳态条件下，对组分A做物料衡算得操作线方程 对顺流吸收塔 顺流吸收塔示意图顺流吸收塔示意图顺流吸收塔的操作线和平衡线
19、顺流吸收塔的操作线和平衡线793 吸收推动力吸收推动力操作线上任一点M与平衡线间的垂直距离即为塔内即为塔内某截面上以气相组成表示的吸收推动力(y-ye)。操作线上任一点M与平衡线间的水平距离即为塔内即为塔内某截面上以气相组成表示的吸收推动力(xe -x)。804 全塔传质速率方程全塔传质速率方程相际传质速率物料衡算方程得全塔传质速率方程（塔高计算方程）全塔传质速率方程（塔高计算方程）815 传质单元数和传质单元高度传质单元数和传质单元高度令 以y-ye为推动力的传质单元数，无量纲量。传质单元高度，单位为m。82同理以xe-x为推动力的传质单元数，无量纲量。传质单元高度，单位为m。836 传质单
20、元数的计算传质单元数的计算6.1 相平衡线为直线时相平衡线为直线时 1 对数平均推动力法对数平均推动力法(气相平均推动力）84(液相平均推动力)856 传质单元数的计算传质单元数的计算6.1 相平衡线为直线时相平衡线为直线时 1 对数平均数推动法对数平均数推动法 2 吸收因素法吸收因素法由相平衡关系、操作线方程及传质单元数公式可得解析因数吸收因素86利用吸收因子查传质单元数利用吸收因子查传质单元数876 传质单元数的计算传质单元数的计算6.1 相平衡线为直线时相平衡线为直线时 1 对数平均数推动法对数平均数推动法 2 吸收因素法吸收因素法6.2 相平衡线为非直线时相平衡线为非直线时 1 采用数
21、值积分法采用数值积分法 图解积分Simpson积分886 传质单元数的计算传质单元数的计算6.1 相平衡线为直线时相平衡线为直线时 1 对数平均数推动法对数平均数推动法 2 吸收因素法吸收因素法6.2 相平衡线为非直线时相平衡线为非直线时 1 采用数值积分法采用数值积分法 2 梯级图解法梯级图解法 梯级图解法求梯级图解法求NOG897 吸收剂用量的选择和最小液气比吸收剂用量的选择和最小液气比物料衡算式物料衡算式1)当y1、y2、x2已定时，液气比L/G增大，出口含量减小，过程平均推动力增大，传质单元数减小，所需塔高降低。但吸收液数量大而含量低，再生费用增加。因此存在最经济的液气比。 讨论讨论2)随着液气比L/G减小，操作线与平衡线相交，塔底的气、液两相含量达到平衡。此时吸收推动力为零，所需塔高将为无穷大，显然这是液气比的下限或x1的上限。这时的L/G为吸收设计的最小液气比。相应的吸收剂用量为最小吸收剂用量Lmin。 903) 当L/G减小到某一程度，塔底两相含量虽未达到平衡，但操作线已与平衡线相切，切点处的吸收推动力为零，为达到指定分离要求，塔高需无穷大。此时的最小液气比(L/G)min，应决定于图中A点所作的平衡线切线的斜率。4）经验公式：91
