填料塔的设计与计算

2020/6/13
填料名称
丝网波纹填料
孔板波纹填料
金属Intalox 金属鞍形环 金属阶梯环 金属鲍尔环 瓷Intalox
瓷鞍形环 瓷拉西环
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评估值 0.86
0.61 0.59 0.57 0.53 0.51 0.41 0.38 0.36
语言值 很好
相当好 相当好 相当好 一般好 一般好 较好 略好 略好
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4、填料类型
（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，可分为：
拉西环 鲍尔环
阶梯环
弧鞍形
矩鞍形 金属环矩鞍形
球形
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（2）规整填料 【定义】按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料 。
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【填料层压降ΔP/Z与空塔气速u的关系曲线图】
【构成】将不同液体 喷淋量下的单位高度 填料层的压降ΔP/Z与 空塔气速u的关系标绘 在对数坐标纸上，所 得到的曲线簇。
空塔气速
【空塔气速】气体的体积流量除以塔截面积所得的 流速。
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（1）干填料压降线
在图中，直线0表 示无液体喷淋（L=0 ）时，干填料的
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6、填料的性能评价 【评价依据】填料性能的优劣通常根据效率、通量 及压降三要素衡量。 （1）效率要高。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； （2）通量（处理量）要大，压降要小。填料的空隙 率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。
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拉西环的改进——“截短”型拉西环 【改进原因】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 为有效的气液传质区，而且使气流阻力增大。填料 间的线接触会阻碍气、液流过。 【改进方法】 “截短” 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。
5、填料的特性 （1）比表面积a 【定义】塔内单位体积填料层具有的填料表面积， m2/m3。 【影响】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。填料的比表面积愈大，所提供的 气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性 能优劣的一个重要指标。
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【两点说明】 （1）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（有效 表面积）只占全部填料表面 积的（20～50）%。
塑料拉西环
【拉西环的性能特点】 （1）拉西环是最早使用的人造填料（此前的填料为 碎石、砖块、焦炭等），制造容易，曾得到极为广 泛的应用。 （2）大量的工业实践表明，拉西环由于高径比太大， 堆积时相邻之间容易形成线接触，填料层的均匀性 差。因此，拉西环填料层中的液体存在着严重的壁 流和沟流现象。 （3）目前，拉西环填料在工业上的应用日趋减少。
规整填料种类很多，据其几何结构，主要有： 格栅填料 波纹填料 脉冲填料
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①拉西环（Rasching ring）
拉西环 填料于 1914年由 拉西（F. Rashching ）发明。
【结构特点】外径与高度相等的圆环。
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金属拉西环
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线接触
【沟流和壁流现象】 【沟流】液体的偏流称为“沟流”（channeling）。 产生沟流的原因可从两方面考虑： （1）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。 （2）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。
填料的空隙率越大，气体通过的能力（处理能力 ）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。
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（3）填料因子
【定义】比表面积a与空隙率所组成的复合量a/3。 ①干填料因子 填料未被液体润湿时的a/3称为干填
料因子，它反映了填料的几何特性； ②湿填料因子 填料被液体润湿后，填料表面覆盖了
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④弧鞍与矩鞍（berl saddle and intolox saddle） 【弧鞍形填料】
1931年出 现的这类填 料称弧鞍形 填料，是因 形如马鞍而 得名。
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【结构特点】这种填料层中主要为弧形的液体通道 ，填料层内的空隙较环形填料（尤其较拉西环填料 ）更加连续，可使气体向上流动时主要沿弧形通道 流动。 【性能特点】空隙率大，压降和传质单元高度低， 泛点高、汽液接触充分、比重小、传质效率高、通 量大，效率高，负荷弹性性大，抗污性好等特点。
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1 填 料 塔 的 结 构
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填 料 吸 收 塔 远 景 图
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2、填料塔的操作 （1）填料塔的操作方式
①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； ②气体从塔底送入，经气体 分布装置分布后，与液体呈 逆流连续通过填料层的空隙 ； ③在填料表面上，气液两相 接触进行传质。
第五章
吸收
第五节 填料塔
一、填料塔的结构与填料性能 二、填料塔的流体力学性能 三、填料塔的附件
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一、填料塔的结构及填料性能
填料塔简介 （1）填料塔最初出现在十九世纪中叶，在1881年用 于蒸馏操作，二十世纪初被引入到炼油工业。 （2）填料塔是最常用的气液传质设备之一，它广泛 应用于蒸馏、吸收、解吸、汽提、萃取、化学交换 、洗涤和热交换等过程。
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【鲍尔环的性能特点】 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。 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。
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③阶梯环(cascade mini rings) 【结构特点】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。
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（2）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。 【结论】填料的比表面积并非有效的传质面积。
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（2） 空隙率ε 【定义】塔内单位体积填料层具有的空隙体积， m2/m3。 【影响】ε为一分数。ε值大则气体通过填料层的阻 力小，故ε值以高为宜。
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锥形翻边
陶 瓷 阶 梯 环
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【锥形翻边的作用】 （1）增加了填料的机械强度； （2）而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为 主，增加了填料间的空隙，可以促进液膜的表面更 新，有利于传质效率的提高。
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【性能特点】（1）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。 （2）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。
排序 1
2 3 4 5 6 7 8 9
二、填料层内气液两相的流体力学特性
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、液泛等。 1、填料层的持液量
在一定操作条件下，由于液膜与填料表面的摩擦 以及液膜与上升气体的摩擦，有部分液体停留在填 料表面及其缝隙中。 【定义】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。
一层液膜，空隙率变小，此时的a/ 3称为湿填料因
子，用φ表示。其单位为1/m。
湿填料因子反映了填料的流体力学性能，空隙率
越大ห้องสมุดไป่ตู้φ值越小，表明流动阻力越小。
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【填料因子的用途】 （1）填料因子反映某种填料所构成的填料层中流体 通道的特性； （2）填料因子是表示填料层阻力与液泛条件的重要 参数，为填料塔设计所必须； （3）一般说来，填料因子越大，越容易造成液泛； （4）可根据填料因子确定泛点气速空塔气速填 料塔的直径。
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【壁流】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 ，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。
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。 【沟流和壁流的影响】填料塔操作时存在着气、液 相在塔横截面上分布不均匀，其结果必减少气、液 接触机会，影响传质效果。
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【持液量的影响】 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，可以提供更大的气液相接触面积 ；
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。 【结论】持液量不宜太小，也不宜太大。
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2、填料层的压降 【产生原因】在操作过程中，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。 【影响因素】压降与液体喷淋量及气速有关： （1）一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大； （2）在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越 大。
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②鲍尔环(Pall ring) 1948年出现的鲍尔环
舌叶