塔设备学习报告1.doc

§7．2．1 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τ0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τ1、τ2、τ3等时刻的浓度分布曲线所示。因传质速率随液相浓度差（ci—c）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，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。 §7．2．2 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。 ①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