第3章 蒸馏和吸收塔设备 3.2 填料塔 3.2.1 填料塔的结构与特点 3.2.2 填料塔的类型与性能评价 3.2.3 填料塔的流体力学性能 3.2.4 填料塔的内件 3.2.5 填料塔的设计 1 一、填料塔的结构 填料塔为连 续接触式气液传 质设备,它主要 由圆柱形壳体、 液体分布器、填 料支承板、塔填 料、填料压板及 液体再分布装置 等部件构成。 液相 气相 分散相 连续相 填 料 塔 填料塔结构示意图 1-塔壳体 2-液体分布器 3-填料压板 4-填料 5-液体再分布 6-填料支承板 2 二、填料塔的特点 与板式塔相比,填料塔具有以下特点: ①生产能力大; ②分离效率高; ③压力降小,持液量小; ④操作弹性大; ⑤造价较高; ⑥易堵塞; ⑦侧线进料和出料较难。 3 一、填料的类型 1.散装填料 (1) 环形填料 增加填料比表面积 勒辛环 拉西环 十字隔 板环 螺旋环 鲍尔环 阶梯环 扁环 改变通量,改善气液流动状况 4 一、填料的类型 鲍尔环 拉西环 5 一、填料的类型 扁环 阶梯环 6 一、填料的类型 (2)鞍形填料与环鞍形填料 弧鞍填料 矩鞍填料 改进矩鞍填料 与环形填 料相结合 环矩鞍填料 7 一、填料的类型 矩鞍填料 弧鞍填料 8 一、填料的类型 金属环矩鞍填料 9 一、填料的类型 (3)球形填料与花环填料 1)球形填料 ①多面球填料; ②TRI球形填料。 2)花环填料 ①花环填料; ②共轭环填料; ③海尔环填料; ④纳特环填料。 10 通常用塑料注塑而成 一、填料的类型 多面球形填料 11 TRI 球形填料 一、填料的类型 海尔环填料 12 花环填料 13 一、填料的类型 ?纳特环填料是一种形似环型 与鞍型填料,这种填料才用 薄板冲压制成侧壁开孔的环 鞍型填料。在鞍的背部有一 个开着数个圆孔的凸缘加强 筋,在筋的两侧有两个与鞍 反向的半圆环,半圆环的直 径一个大,一个小。直径不 同,可避免填料堆积时套叠, 形成均匀开敞的填料层。 纳特环填料 14 共轭环填料 15 鞍环、扁环结构融为一体,由多个鞍环、扁环填料连体而成,与普通填料相比:通 量大,可提高10-30%;压碎降小,下降5-15%单元;传质高度低,可下降5-35%; 结构为无翻动结构,避免了汽液滞留。自分布性能优良,对汽液分布器要求远远低 于规整填料。 16 2.规整填料 17 一、填料的类型 木格栅填料 格里奇格栅填料 18 一、填料的类型 (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。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。 19 格栅填料 格栅填料层整体性好,空隙率高。它能防止汽液急流突然冲击而致的变 形与松动。又因构件可自由膨胀,故适用于石油减压,精馏及催化裂化 主精馏塔等易堵塞而温度又很高的场合。 20 一、填料的类型 (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。 21 优点: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)。 缺点: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。 网波纹填料和板波纹填料 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。 其造价高。 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。 22 丝网波纹 板波纹 一、填料的类型 金属孔板波纹填料 金属丝网波纹填料 23 一、填料的类型 陶瓷板波纹填料 塑料板波纹填料 24 二、填料的性能及其评价 1.填料的几何特性 (1)比表面积 单位体积填料层的表面积称为比表面积,以 ? 表示,其单位为 m2/m3。 分析 ? ? ~ 传质面积 ~ 传质效率 ~ 流动阻力 ~ 生产能力 25 二、填料的性能及其评价 (2)空隙率 单位体积填料层的空隙体积称为空隙率,以 ? 表示,其单位为 m3/m3,或以%表示。 分析 ? ? ~ 流动阻力 ~ 塔压降 ~ 生产能力 ~ 流动阻力 ~ 传质效率 26 二、填料的性能及其评价 (3)填料因子 填料的比表面积与空隙率三次方的比值称为填 料因子,以? 表示,其单位为1/m。 ? ?? 3 ? 干填料 因子 分析 ? ? ? ~ 流动阻力 27 生产能力 传质效率 二、填料的性能及其评价 在操作状态下 湿填料 因子 L ~ ? ? ~ 压降填料因子 湿填料因子 ?P 泛点填料因子 ?F ?P ?F △p 操作气速 u △pF 泛点气速 uF 28 二、填料的性能及其评价 2.填料的性能评价 填料的性能评价指标: ①生产能力大; ②传质效率高; ③填料层压降低; ④操作弹性大; ⑤造价低。 29 二、填料的性能及其评价 9 种填料综合性能评价 ———————————————————————— ———————————————————————— 丝网波纹填料 孔板波纹填料 金属Intalox填料 金属鞍形环填料 金属阶梯环填料 金属鲍尔环填料 瓷Intalox填料 瓷鞍形环填料 瓷拉西环填料 0.86 0.61 0.59 0.57 0.53 0.51 0.41 0.38 0.36 很好 相当好 相当好 相当好 一般好 一般好 较好 略好 略好 1 2 3 4 5 6 7 8 9 填料名称 评估值 评 价 排序 ———————————————————————— 30 练 习 题 目 思考题 1.填料有哪些主要类型? 2.填料的几何特性包括哪些参数? 作业题: 无 31 第3章 蒸馏和吸收塔设备 3.2 填料塔 3.2.3 填料塔的流体力学性能 32 一、填料层的持液量 填料层的持液量是指在一定操作的条件下,在 单位体积填料层内所积存的液体体积。 总持液量 Ht 持液量 动持液量 Hc 静持液量 Hs Ht=Hc+ Hs 分析 m (液体)/ m (填料) 填料层 压降 33 3 3 Ht ~? ~ 生产能力 传质效率 二、气体通过填料层的压降 填料层的压降形成 液膜与上升气体的摩擦 分析 ?p u 一定, L L 一定, u ~ ?p ~ ?p 填料塔的流体力学性能 ?p / Z ~ uc 单位高度 填料层压 降 34 液泛 区 载液 区 泛点 载点 恒持 液量 区 填料层的△p/z - u关系 35 三、液 泛 在泛点气速下,持液量的增多使液相由分散相 变为连续相,而气相则由连续相变为分散相,此时 气体呈气泡形式通过液层,气流出现脉动,液体被 带出塔顶,塔的操作极不稳定,甚至被破坏,此种 情况称为液泛。 液泛时的空塔气速 泛点气速 uF 36 三、液 分析 填料特性 影响液泛 的因素 泛 ? ρL 流体物性 μL ρV 液气比 wL/wV 37 ~ uF ~ uF ~ uF ~ uF ~ uF 四、液体喷淋密度和填料表面的润湿 1.液体喷淋密度 单位塔截面积上单位时间内喷淋的液体体积 ——液体喷淋密度。 Lh U? Ω m3/(m2· h) 式中: Lh —— 液体体积流量,m3/h; Ω ——填料塔的截面积,m2。 38 四、液体喷淋密度和填料表面的润湿 2.最小液体喷淋密度 为保证填料层的充分润湿,必须保证液体喷淋 密度大于某一极限值 ——最小液体喷淋密度。 U min ? ( LW )min ? 最小喷淋密 度计算式 式中:Umin ——最小液体喷淋密度,m3/(m2· h); Lmin—— 最小润湿速率,m3/(m· h)。 经验值 39 第3章 蒸馏和吸收塔设备 3.2 填料塔 3.2.4 填料塔的内件 40 一、填料支承装置 填料支承装置的作用是支承塔内的填料。 栅板型 √ 填料支承 装置类型 孔管型 驼峰型 41 二、填料压紧装置 填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下 填料床层发生松动和跳动。 栅板型√ 填料压紧 装置类型 网板型 42 三、液体分布装置 液体分布装置作用是将进塔液体均匀分布,以 喷洒在填料层的上方。 喷头式 盘式 液体分布 装置类型 管式√ 槽式√ 槽盘式 √ 43 三、液体分布装置 喷头式液体分布器 44 三、液体分布装置 盘式液体分布器 45 管式液体分布器 46 三、液体分布装置 槽式液体分布器 47 三、液体分布装置 槽盘式液体分布器 48 四、液体收集及再分布装置 液体沿填料层向下流动时,有偏向塔壁流动的 现象——壁流。壁流导致填料层内气液分布不均, 使传质效率下降。为减小壁流现象,可间隔一定高 度在填料层内设置液体再分布装置。 液体收集及再 分布装置类型 截锥式 斜板式√ √ 槽盘式液体分布器 49 四、液体收集及再分布装置 截锥式液体收集及再分布器 50 四、液体收集及再分布装置 斜板式液体收集器 51 第3章 蒸馏和吸收塔设备 3.2 填料塔 3.2.5 填料塔的设计 52 一、填料的选择 1.填料类型的选择 填料类型的选择考虑因素: ①填料的传质效率要高; ②填料的通量要大; ③填料的压降要低; ④填料抗污堵性能强; ⑤填料便于拆装、检修。 53 一、填料的选择 2.填料规格的选择 (1)散装填料规格的选择 散装填料常用的规格(公称直径)有 DN16 DN25 DN38 DN50 DN76 填料规格 ~ 传质效率 ~ 填料层压降 填料 公称 直径 54 选择原则:D/d ≥ 8 塔 径 一、填料的选择 (2)规整填料规格的选择 规整填料常用的规格(比表面积)有 125 150 250 350 500 700 同种类型的规整填料,其比表面积越大,传 质效率越高,但阻力增加,通量减少,填料费用 也明显增加。故选用时,应从分离要求、通量要 求、场地条件、物料性质以及设备投资、操作费 用等方面综合考虑。 55 二、填料塔工艺尺寸的计算 1.塔径的计算 D? 4Vs πu 操作气速 u 计算: ①泛点气速法,用于散装填料塔计算; ②动能因子法,用于规整填料塔计算。 56 二、填料塔工艺尺寸的计算 (1)泛点气速法 液泛气速 uF 操作气速 u u ?100% 泛点率(安全系数) ? uF 散装填料 规整填料 u / uF ? 50% ~ 85% u / uF ? 60%~ 95% 57 二、填料塔工艺尺寸的计算 1)贝恩-霍根关联式 2 ? uF ? wL ? ? ?V ? ? ? ? ? ?V ? 0.2 ? lg ? ? 3 ? ? ? ? ? ?L ? ? A ? K ? ? ? wV ? ? ?L ? ? g ? ? ? ? ?L ? ? 1/4 1/8 式中:A、K ——关联式常数,由有关手册查出。 2)埃克特(Eckert)通用关联图 散装填料的泛点气速可用埃克特通用关联图计算。 58 横坐标 wL ? V 0.5 ( ) wV ? L 纵坐标 u 2?? ?V 0.5 ( ) ?L g ?L ? ?? ?L 埃克特通用关联图 59 H2O 二、填料塔工艺尺寸的计算 (2) 动能因子法 气相动能因子 F 操作气速 u F ? u ?V 气相动能因子 F的获得方法如下: ①查有关填料手册; ②由实验测定。 60 二、填料塔工艺尺寸的计算 2.填料层高度的计算 (1)传质单元高度法 Z ? H OG NOG (2)等板高度法 Z ? NT ? HETP 注意问题: ①填料层的分段; ②设计填料层高度 Z ? ? ?1.3 ~ 1.5? Z。 61 三、填料层压降的计算 1.散装填料压降的计算 计算方法:由埃克特通用关联图计算。 2.规整填料压降的计算 计算方法: ①由压降关联式计算; ②由实验曲线计算。 62 横坐标 wL ? V 0.5 ( ) wV ? L 纵坐标 u 2?? ?V 0.5 ( ) ?L g ?L ? ?? ?L 埃克特通用关联图 63 H2O 课外资料:国内常用的填料手册 [1] 李锡源,等. 新型工业塔填料应用手册─散装 填料部分. 西安: 化学工业部第六设计院,1989. [2] 刘乃鸿,等. 工业塔新型规整填料应用手册.天津: 天津大学出版社,1993. [3] 王树楹,等. 现代填料塔技术指南.北京:中国石 化出版社,1998. [4] 徐崇嗣,等. 塔填料产品及技术手册.北京:化学 工业出版社,1995. 64 练 习 题 目 思考题 1.何为填料塔的载点和泛点?何为恒持液量区、载 液区和液泛区? 2.填料塔的流体力学性能包括哪些方面? 3.最小液体喷淋密度表示何种意义? 4.泛点率(安全系数)表示何种意义? 作业题: 2、3 65 本 章 小 结 本章重点掌握内容 1.板式塔 ①板式塔的结构与塔板的主要类型; ②板式塔的流体力学性能; ③板式塔的操作特性。 2.填料塔 ①填料塔的结构与填料的主要类型; ②填料的几何特性; ③填料塔的流体力学性能。 66