氣液傳質設備2025年12月23日1/88蒸餾和吸收雖原理不同，但從傳質角度講，有共同特點，即氣液兩相要密切接觸，接觸后兩相要及時分離。因此，蒸餾和吸收可在相同的設備內(nèi)進行，此設備即為氣液傳質設備。氣液傳質設備中，典型的是塔設備。在塔設備內(nèi)，液體靠重力作用自上而下流動，氣相自下而上流動，兩者逆流接觸。從結構上分，塔設備分板式塔和填料塔。2025年12月23日2/881

板式塔1.1

板式塔的結構1.2

塔板的類型及性能評價1.3

板式塔的流體力學性能與操作特性1.4

板式塔的設計2025年12月23日3/881板式塔1.1板式塔的結構逐級接觸式，內(nèi)裝塔板，氣液傳質在板上液層空間內(nèi)進行；兩相的組成沿塔高呈階梯式變化，在正常操作下，液相為連續(xù)相，氣相為分散相。溢流堰：維持塔板上一定高度的液層，以保證在塔板上氣液兩相有足夠的接觸面積；降液管：作為液體從上層塔板流至下層塔板的通道。板式塔特點：生產(chǎn)能力大，塔板效率穩(wěn)定，操作彈性大，造價低，檢修、清洗方便。2025年12月23日4/88板式塔的設計意圖1、在每塊塔板上氣液兩相必須保持密切而充分的接觸，為傳質過程提供足夠大而且不斷更新的相際接觸表面，以減小傳質阻力；2、在塔內(nèi)應盡量使氣液兩相呈逆流流動，以提供較大的傳質推動力。板式塔：總體上氣液呈逆流流動；

每塊塔板上呈均勻錯流。2025年12月23日5/881.2

塔板的類型及性能評價1.2.1

塔板類型塔板分為有降液管式塔板（也稱溢流式塔板或錯流式塔板）：氣液兩相呈錯流方式接觸，其塔板效率高，具有較大的操作彈性，使用廣泛。無降液管式塔板（也稱穿流式塔板或逆流式塔板）：氣液兩相呈逆流接觸，其板面利用率高，生產(chǎn)能力大，結構簡單，但效率較低，操作彈性小，應用較少。本節(jié)只討論有降液管式塔板。

2025年12月23日6/881.2

塔板的類型及性能評價1.泡罩塔板泡罩塔板是工業(yè)上應用最早的塔板，其結構如圖所示，它主要由升氣管及泡罩構成。泡罩安裝在升氣管的頂部，分圓形和條形兩種，以前者使用較廣。泡罩有Φ80、Φ100、Φ150mm三種尺寸，可根據(jù)塔徑的大小選擇。泡罩的下部周邊開有很多齒縫，齒縫一般為三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上為正三角形排列。2025年12月23日7/882025年12月23日8/88操作時，液體橫向流過塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液層，齒縫浸沒于液層之中而形成液封。升氣管的頂部應高于泡罩齒縫的上沿，以防止液體從中漏下。上升氣體通過齒縫進入液層時，被分散成許多細小的氣泡或流股，在板上形成鼓泡層，為氣液兩相的傳熱和傳質提供大量的界面。泡罩塔板的優(yōu)點是操作彈性較大，塔板不易堵塞；缺點是結構復雜、造價高，板上液層厚，塔板壓降大，生產(chǎn)能力及板效率較低。泡罩塔板已逐漸被篩板、浮閥塔板所取代，在新建塔設備中已很少采用。2025年12月23日9/882.篩孔塔板篩孔塔板簡稱篩板，其結構如圖示。塔板上開有許多均勻的小孔，孔徑一般為3～8mm。篩孔在塔板上為正三角形排列。塔板上設置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液層。操作時，氣體經(jīng)篩孔分散成小股氣流，鼓泡通過液層，氣液間密切接觸而進行傳熱和傳質。在正常的操作條件下，通過篩孔上升的氣流，應能阻止液體經(jīng)篩孔向下泄漏。2025年12月23日10/88篩板的優(yōu)點是結構簡單、造價低，板上液面落差小，氣體壓降低，生產(chǎn)能力大，傳質效率高。其缺點是篩孔易堵塞，不宜處理易結焦、粘度大的物料。應予指出，篩板塔的設計和操作精度要求較高，過去工業(yè)上應用較為謹慎。近年來，由于設計和控制水平的不斷提高，可使篩板塔的操作非常精確，故應用日趨廣泛。2025年12月23日11/883.浮閥塔板浮閥塔板具有泡罩塔板和篩孔塔板的優(yōu)點，應用廣泛。浮閥的類型很多，國內(nèi)常用的有如圖示的F1型、V-4型及T型等。浮閥塔板的結構特點是在塔板上開有若干個閥孔，每個閥孔裝有一個可上下浮動的閥片，閥片本身連有幾個閥腿，插入閥孔后將閥腿底腳撥轉90°，以限制閥片升起的最大高度，并防止閥片被氣體吹走。閥片周邊沖出幾個略向下彎的定距片，當氣速很低時，由于定距片的作用，閥片與塔板呈點接觸而坐落在閥孔上，在一定程度上可防止閥片與板面的粘結。2025年12月23日12/882025年12月23日13/88操作時，由閥孔上升的氣流經(jīng)閥片與塔板間隙沿水平方向進入液層，增加了氣液接觸時間，浮閥開度隨氣體負荷而變，在低氣量時，開度較小，氣體仍能以足夠的氣速通過縫隙，避免過多的漏液；在高氣量時，閥片自動浮起，開度增大，使氣速不致過大。浮閥塔板的優(yōu)點是結構簡單、造價低，生產(chǎn)能力大，操作彈性大，塔板效率較高。其缺點是處理易結焦、高粘度的物料時，閥片易與塔板粘結；在操作過程中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。2025年12月23日14/88三種塔板的比較:1.生產(chǎn)能力：篩板>浮閥>泡罩；2.壓降：泡罩>浮閥>篩板；3.操作彈性：浮閥>泡罩>篩板；

造價：泡罩>浮閥>篩板；5.板效率：浮閥、篩板相當>泡罩。2025年12月23日15/88

噴射型塔板上述幾種塔板，氣體是以鼓泡或泡沫狀態(tài)和液體接觸，當氣體垂直向上穿過液層時，使分散形成的液滴或泡沫具有一定向上的初速度。若氣速過高，會造成較為嚴重的液沫夾帶，使塔板效率下降，因而生產(chǎn)能力受到一定的限制。為克服這一缺點，近年來開發(fā)出噴射型塔板，大致有以下幾種類型。（1）舌型塔板舌型塔板的結構如圖所示，在塔板上沖出許多舌孔，方向朝塔板液體流出口一側張開。舌片與板面成一定的角度，有18°、20°、25°三種（一般為20°），舌片尺寸有50×50mm和25×25mm兩種。舌孔按正三角形排列，塔板的液體流出口一側不設溢流堰，只保留降液管，降液管截面積要比一般塔板設計得大些。2025年12月23日16/88操作時，上升的氣流沿舌片噴出，其噴出速度可達20～30m/s。當液體流過每排舌孔時，即被噴出的氣流強烈擾動而形成液沫，被斜向噴射到液層上方，噴射的液流沖至降液管上方的塔壁后流入降液管中，流到下一層塔板。舌型塔板的優(yōu)點是：生產(chǎn)能力大，塔板壓降低，傳質效率較高；缺點是：操作彈性較小，氣體噴射作用易使降液管中的液體夾帶氣泡流到下層塔板，從而降低塔板效率。2025年12月23日17/88（2）浮舌塔板如圖所示，與舌型塔板相比，浮舌塔板的結構特點是其舌片可上下浮動。因此，浮舌塔板兼有浮閥塔板和固定舌型塔板的特點，具有處理能力大、壓降低、操作彈性大等優(yōu)點，特別適宜于熱敏性物系的減壓分離過程。2025年12月23日18/88（3）斜孔塔板斜孔塔板的結構如圖所示。在板上開有斜孔，孔口向上與板面成一定角度。斜孔的開口方向與液流方向垂直，同一排孔的孔口方向一致，相鄰兩排開孔方向相反，使相鄰兩排孔的氣體向相反的方向噴出。這樣，氣流不會對噴，既可得到水平方向較大的氣速，又阻止了液沫夾帶，使板面上液層低而均勻，氣體和液體不斷分散和聚集，其表面不斷更新，氣液接觸良好，傳質效率提高。斜孔塔板克服了篩孔塔板、浮閥塔板和舌型塔板的某些缺點。斜孔塔板的生產(chǎn)能力比浮閥塔板大30%左右，效率與之相當，且結構簡單，加工制造方便，是一種性能優(yōu)良的塔板。2025年12月23日19/881.2.2

塔板的性能評價1.生產(chǎn)能力大，即單位塔截面積上氣體和液體的通量大；2.分離效率高，即完成一定的分離任務所需的板數(shù)少；3.阻力小，壓降低，即氣體通過單板的壓降低，能耗低，對于精餾系統(tǒng)可降低釜溫，尤其適用于熱敏性物系的分離；操作彈性大，即當操作的氣液流量發(fā)生波動時仍能維持板效率的穩(wěn)定；5.滿足工業(yè)對生產(chǎn)設備的一般要求，即結構簡單、造價低、安裝維修方便等。常見塔板的性能比較見P237表4-2。2025年12月23日20/881.3

板式塔的流體力學性能與操作特性1.3.1

板式塔的流體力學性能1.塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)塔板上氣液兩相的接觸狀態(tài)是決定板上兩相流流體力學及傳質和傳熱規(guī)律的重要因素。如圖所示，當液體流量一定時，隨著氣速的增加，可以出現(xiàn)三種典型的接觸狀態(tài)。2025年12月23日21/88（1）鼓泡接觸狀態(tài)當氣速較低時，氣體以鼓泡形式通過液層。由于氣泡的數(shù)量不多，形成的氣液混合物基本上以液體為主，氣液兩相接觸的表面積不大，傳質效率很低。特點：液體為連續(xù)相，氣體為分散相；傳質在氣泡表面進行；湍動程度低，傳質阻力大。2025年12月23日22/88（2）泡沫接觸狀態(tài)當氣速繼續(xù)增加，氣泡數(shù)量急劇增加，氣泡不斷發(fā)生碰撞和破裂，此時板上液體大部分以液膜的形式存在于氣泡之間，形成一些直徑較小，擾動十分劇烈的動態(tài)泡沫，在板上只能看到較薄的一層液體。由于泡沫接觸狀態(tài)的表面積大，并不斷更新，為兩相傳熱與傳質提供了良好的條件，是一種較好的接觸狀態(tài)。特點：液體為連續(xù)相，氣體為分散相；傳質在不斷更新的液膜表面進行；湍動程度高，接觸面積大，傳質阻力小。2025年12月23日23/88（3）噴射接觸狀態(tài)當氣速繼續(xù)增加，由于氣體動能很大，把板上的液體向上噴成大小不等的液滴，直徑較大的液滴受重力作用又落回到板上，直徑較小的液滴被氣體帶走，形成液沫夾帶。特點：氣體為連續(xù)相，液體為分散相；傳質在不斷更新的液滴表面進行；因液滴不斷形成和聚集，因此傳質面積大大增加。如上所述，泡沫接觸狀態(tài)和噴射狀態(tài)均是優(yōu)良的塔板接觸狀態(tài)。因噴射接觸狀態(tài)的氣速高于泡沫接觸狀態(tài)，故噴射接觸狀態(tài)有較大的生產(chǎn)能力，但噴射狀態(tài)液沫夾帶較多，若控制不好，會破壞傳質過程，所以多數(shù)塔均控制在泡沫接觸狀態(tài)下工作。2025年12月23日24/882.氣體通過塔板的壓降氣體通過塔板的壓降（塔板的總壓降）Δpp包括：塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力）板上充氣液層的靜壓力液體的表面張力。塔板壓降是影響板式塔操作特性的重要因素。塔板壓降增大，一方面塔板上氣液兩相的接觸時間隨之延長，板效率升高，完成同樣的分離任務所需實際塔板數(shù)減少，設備費降低；另一方面，塔釜溫度隨之升高，能耗增加，操作費增大，若分離熱敏性物系時易造成物料的分解或結焦。因此，進行塔板設計時，應綜合考慮，在保證較高效率的前提下，力求減小塔板壓降，以降低能耗和改善塔的操作。2025年12月23日25/88影響塔板壓降Δpp的因素：氣量↑→Δpp↑液量↑→Δpp↑開孔率↑→u0↓→Δpp↓孔徑↓→Δpp↑板上清液層高度↑→Δpp↑液體表面張力↑→Δpp↑2025年12月23日26/883.塔板上的液面落差產(chǎn)生原因：液體在塔板上橫向流動時要克服流動阻力（摩擦阻力、形體阻力）。不良后果：液面落差會導致氣流分布不均，從而造成漏液現(xiàn)象，使板效率下降。影響因素：塔結構復雜、塔徑↑、流量↑→液面落差↑2025年12月23日27/881.3.2

板式塔的操作特性1.氣液兩相非理想流動狀態(tài)（1）氣相、液相同主流方向相反的流動。表現(xiàn)在：液沫夾帶：指部分液滴隨上升的氣流一切返回到上層塔板，即液體的方向流動。產(chǎn)生原因：氣體速度大過，造成液體彈濺，使小液滴被氣流帶到上層塔板，大液滴彈濺到上層塔板。產(chǎn)生原因：氣速↑，板間距HT↓不良后果：（1）降低板效、（2）將不揮發(fā)性物質逐板送至塔頂造成產(chǎn)品污染，（3）嚴重時造成液泛。氣泡夾帶：液體在降液管中停留時間過短，氣泡來不及解脫，而被液體卷入下層塔板。產(chǎn)生原因：降液管太小，停留時間短2025年12月23日28/88（2）氣相、液相不均勻流動液體：流動速度不均勻，中間塊，兩邊慢。氣體：液面落差和液層波動，引起氣體分布不均勻。液層厚，阻力大，汽速??；2025年12月23日29/882.塔板上的異常操作現(xiàn)象

（1）漏液當氣體通過塔板的速度較小時，氣體通過升氣孔道的動壓不足以阻止板上液體經(jīng)孔道流下時，便會出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。不良后果：降低板效率，嚴重時使板上不能積液。產(chǎn)生原因：氣速過小，或氣體分布嚴重不均、液體分布嚴重不均。改進措施：在塔板液體入口處留出一條不開孔的區(qū)域，稱為安定區(qū)，使漏液量不大于液體流量的10%。2025年12月23日30/88（2）液泛塔板正常操作時，在板上維持一定厚度的液層，以和氣體進行接觸傳質。如果由于某種原因，導致液體充滿塔板之間的空間，使塔的正常操作受到破壞，這種現(xiàn)象稱為液泛。液泛時的氣速稱為泛點氣速，正常操作氣速應控制在泛點氣速之下。不良后果：塔壓力降急劇增大、板效急劇減小、是不正常操作現(xiàn)象之一產(chǎn)生原因：氣體流量過大，產(chǎn)生了過量的液沫夾帶；液體負荷過大，降液管的截面積不夠。2025年12月23日31/88當塔板上液體流量很大，上升氣體的速度很高時，液體被氣體夾帶到上一層塔板上的量劇增，使塔板間充滿氣液混合物，最終使整個塔內(nèi)都充滿液體，這種由于液沫夾帶量過大引起的液泛稱為夾帶液泛。當降液管內(nèi)液體不能順利向下流動時，管內(nèi)液體必然積累，致使管內(nèi)液位增高而越過溢流堰頂部，兩板間液體相連，塔板產(chǎn)生積液，并依次上升，最終導致塔內(nèi)充滿液體，這種由于降液管內(nèi)充滿液體而引起的液泛稱為降液管液泛。2025年12月23日32/883.塔板的負荷性能圖影響板式塔操作狀況和分離效果的主要因素為物料性質、塔板性質及氣液負荷。對一定的塔板結構，處理固定的物系時，其操作狀況便隨氣液負荷而變。要維持塔板正常操作，必須將塔內(nèi)的氣、液負荷波動控制在一定范圍內(nèi)。以氣相負荷V為縱標，以液相負荷L為橫標，標繪在直角坐標系中得負荷性能圖。它對檢驗塔的設計是否合理，了解塔的操作狀況及改進塔板操作彈性具有一定的指導意義。線1為漏液線，可根據(jù)漏液點氣速確定，若氣液負荷位于此線下方，表明漏液已使塔板效率大幅度下降；線2為液沫夾帶線，通常以Kg液/Kg干空氣為依據(jù)確定，氣液負荷位于該線上方，表示液沫夾帶過量，已不宜采用；線4為液相負荷下限線，液量小于該下限，板上液體流動嚴重不均勻而導致板效率急劇下降；線4為液相負荷上限線，若液量超過此上限，液體在降液管內(nèi)停留時間過短，液流中的氣泡夾帶現(xiàn)象大量發(fā)生，以致出現(xiàn)溢流液泛。線5為溢流液泛線，可根據(jù)溢流液泛的產(chǎn)生條件確定，若氣液負荷位于此線上方，塔內(nèi)將出現(xiàn)溢流液泛；2025年12月23日33/88〖說明〗操作彈性：上、下限操作極限的氣體流量之比稱為塔板的操作彈性，操作彈性越大的塔越好，一般要求大于2～3。板型不同，負荷性能圖中所包括的邊界線也有所不同。同一板型但設計不同，線的相對位置也會不同。過原點，斜率為V/L的直線稱操作線設計時，應使操作點盡量位于操作區(qū)的中央，若操作點緊靠某一條邊界線，則負荷稍有變動，塔的正常操作即被破壞。2025年12月23日34/881.4

板式塔的設計設計內(nèi)容：

板型：篩板、浮閥等板上液流型式：單流、雙流等板間距HT

塔徑D

板上結構：開孔情況、溢流裝置結構設計方法：若流體力學性能不好，則調(diào)整相應結構參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗選定一些結構參數(shù)設計其他參數(shù)校核各項流體力學性能根據(jù)經(jīng)驗選定一些結構參數(shù)2025年12月23日35/882

填料塔2.1

填料塔的結構與特點2.2

填料的類型及性能評價2.3

填料塔的流體力學性能2.4

填料塔的內(nèi)件2.5

填料塔的設計2025年12月23日36/882.1

填料塔的結構與特點

1.填料塔的結構填料層：提供氣液接觸的場所。液體分布器：均勻分布液體，以避免發(fā)生溝流現(xiàn)象。液體再分布器：避免壁流現(xiàn)象發(fā)生。支撐板：支撐填料層，使氣體均勻分布。除沫器：防止塔頂氣體出口處夾帶液體。2025年12月23日37/88氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質設備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。當液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質效率下降。因此，當填料層較高時，需要進行分段，中間設置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。2025年12月23日38/882.填料塔的特點(與板式塔相比)優(yōu)點：生產(chǎn)能力大。填料塔內(nèi)件開孔率大，空隙率大，液泛點高。分離效率高。填料塔每米理論級遠大于板式塔，尤其在減壓及常壓條件下。壓降小。空隙率高，阻力小。持液量小。操作彈性大。缺點：填料造價高；當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側線進料和出料等復雜精餾不太適合等。

2025年12月23日39/882.2

填料的類型及性能評價2.2.1

填料（packings）的類型1.分類按填料形狀分：實體填料網(wǎng)體填料按填料的裝填方式分：散裝填料規(guī)整填料按材質分：金屬填料塑料填料陶瓷填料石墨填料填料作用提供氣液接觸面積；強化氣體湍動，降低氣相傳質阻力；更新液膜表面，降低液相傳質阻力。2025年12月23日40/882.常用的幾種填料①拉西環(huán)(Raschingring)：拉西環(huán)是工業(yè)上最早使用的一種填料，為外徑與高度相等的圓環(huán)，通常由陶瓷或金屬材料制成。拉西環(huán)結構簡單，制造容易，但堆積時相鄰環(huán)間易形成線接觸，填料層的均勻性差，因而存在嚴重的向壁偏流和溝流現(xiàn)象，致使傳質效率低。而且流動阻力大，操作范圍小。其改善方面有θ形、十字格形的拉西環(huán)。

拉西環(huán)環(huán)2025年12月23日41/88②鮑爾環(huán)(pallring)：鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的壁上開一層或兩層長方形窗口，窗孔的母材兩層交錯地彎向環(huán)中心對接。這種結構使填料層內(nèi)氣、液分布性能大為改善，尤其是環(huán)的內(nèi)表面得到充分利用。與同樣尺寸的拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣液通量可提高50%，而壓降僅為其一半，分離效果也得到提高。其改進為階梯形鮑爾環(huán)，圓筒部分的一端制成喇叭口形狀。這樣填料間呈現(xiàn)點接觸，床層均勻且空隙率大，與鮑爾環(huán)相比氣體阻力減少25%，生產(chǎn)能力提高10%。

2025年12月23日42/88③階梯環(huán)：鮑爾環(huán)基礎上改造得出的。環(huán)壁上開有窗孔，其高度為直徑的一半。由于高徑比的減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了阻力。喇叭口一邊，不僅增加機械強度，而且使填料之間為點接觸，有利于液膜的匯集與更新，提高了傳質效率。目前所使用的環(huán)型填料中最為優(yōu)良的一種。2025年12月23日43/88④弧鞍型(berlsaddle)

：表面全部敞口，不分內(nèi)外，液體在表面兩側均勻流動，表面利用率高，流動呈弧形，氣體阻力小。但兩面對稱有重疊現(xiàn)象，容易產(chǎn)生溝流。強度差，易破碎。應用較少。2025年12月23日44/88⑤矩鞍型(intoloxsaddle)：矩鞍形填料結構不對稱，堆積時不重疊，均勻性更高。該填料氣流阻力小，處理能力大，性能雖不如鮑爾環(huán)好，但構造簡單，是一種性能優(yōu)良的填料。

2025年12月23日45/88⑥環(huán)矩鞍(Intalox)：兼具環(huán)型、鞍型填料的優(yōu)點。敞開的側壁有利于氣體和液體通過，減少了填料層內(nèi)滯液死區(qū)。填料層內(nèi)流體孔道增多，使氣液分布更加均勻，傳質效率得以提高。一般采用金屬材質，機械強度高。2025年12月23日46/88⑦球型：球體為空心，氣體和液體從其內(nèi)部經(jīng)過。由于球體結構的對稱性，填料裝填密度均勻，不易產(chǎn)生空穴和架橋，故氣液分散性能好。常采用塑料材質。一般用于特定場合，工程上應用較少。2025年12月23日47/88⑧格柵填料：以條狀單元體經(jīng)一定規(guī)則組合而成，其結構隨條狀單元體的形式和組合規(guī)則而變，具有多種結構形式。特點是比表面積較低，主要用于低壓降、大負荷、防堵的場合。木格柵填料格里奇格柵填料2025年12月23日48/88⑨波紋填料：波紋填料是由許多層波紋薄片組成，各片高度相同但長短不等，搭配組合成圓盤狀，填料波紋與水平方向成45°傾角，相鄰兩片反向重疊使其波紋互相垂直。圓盤填料塊水平放入塔內(nèi)，相鄰兩圓盤的波紋薄片方向互成90°角。波紋填料因波紋薄片的材料與形狀不同分成板波紋填料和網(wǎng)波紋填料。板波紋填料可由陶瓷、塑料、金屬、玻璃鋼等材料制成。填料的空隙率大，阻力小，流體通量大、效率高，而且制造方便、價格低，正向通用化、大型化方向發(fā)展。

金屬絲網(wǎng)波紋填料金屬孔板波紋填料2025年12月23日49/88⑩脈沖填料：是由帶縮頸的中空棱柱形單體，按一定方式拼裝而成的一種規(guī)則填料。脈沖填料組裝后，會形成帶鎖頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收縮和擴大，氣液兩相通過時產(chǎn)生強烈的湍動，在縮頸處，氣速最高，湍動劇烈，從而強化傳質，在擴大段，氣速減到最小，實現(xiàn)兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重復，實現(xiàn)了“脈沖”傳質過程。特點是處理量大，壓降小。適用于真空精餾，大塔徑場合。2025年12月23日50/882.2.2

填料的性能評價1.填料的幾何特性（1）比表面積α：單位體積填料層具有的填料表面積，m2/m3。填料的比表面積愈大，所提供的氣液傳質面積愈大，愈有利于傳質。是評價填料性能優(yōu)劣的重要指標。〖說明〗操作中有部分填料表面不被潤濕，以致比表面積中只有某個分率的面積才是潤濕面積。據(jù)資料介紹，填料真正潤濕的表面積只占全部填料表面積的20～50%。有的部位填料表面雖然潤濕，但液流不暢，液體有某種程度的停滯現(xiàn)象。這種停滯的液體與氣體接觸時間長，氣液趨于平衡態(tài)，在塔內(nèi)幾乎不構成有效傳質區(qū)。為此，須把比表面積與有效的傳質比表面積加以區(qū)分。2025年12月23日51/88（2）空隙率ε：單位體積填料層具有的空隙體積，m3/m3。值大則氣體通過填料層的阻力小，故ε值以高為宜。重要指標。對于亂堆填料，當塔徑與填料尺寸之比大于8時，因每個填料在塔內(nèi)的方位是隨機的，填料層的均勻性較好，這時填料層可視為各向同性，填料層的空隙率就是填料層內(nèi)任一橫截面的空隙截面分率。（3）填料因子φ：比表面積與空隙率三次方的比值，α/ε3稱為干填料因子，1/m，它反映特定結構和尺寸填料的綜合流體力學性能。當填料被液體潤濕后，a與ε均發(fā)生相應的變化，此時的α/ε3稱為濕填料因子，表示實際操作時填料的流體力學特性，其值由實驗測定。填料因子值小表示流動阻力小，液泛速度可以提高。

：2025年12月23日52/88（4）堆積密度ρp：單位體積填料的質量，以表示，kg/m3。在機械強度允許的條件下，填料壁要盡量薄以減小堆積密度，這樣既增大了空隙率又降低成本。

（5）個數(shù)n：單位體積填料層具有的填料個數(shù)。根據(jù)計算出的塔徑與填料層高度，再根據(jù)所選填料的n值，即可確定塔內(nèi)需要的填料數(shù)量。一般要求塔徑與填料尺寸之比D/d<8（此比值在8～15之間為宜），以便氣、液分布均勻。若D/d>8

，在近塔壁處填料層空隙率比填料層中心部位的空隙率明顯偏高，會影響氣液的均勻分布。若D/d值過大，即填料尺寸偏小，氣流阻力增大。2025年12月23日53/882.填料的性能評價填料性能的優(yōu)劣常根據(jù)效率、通量及壓降三要素衡量。相同條件下，比表面積愈大，氣液分布愈均勻，表面的潤濕性能愈優(yōu)良，傳質效率愈高；空隙率愈大，則通量愈大，壓降也愈低。常用填料綜合性能評價見P269表4-5。2025年12月23日54/882.3

填料塔的流體力學性能包括填料層的持液量、填料層的壓降、液泛、填料表面的潤濕及返混等。1.填料層的持液量指在一定操作條件下，在單位體積填料層內(nèi)所積存的液體體積，以(m3液體)/(m3填料)表示。持液量分為靜持液量Hs、動持液量Ho和總持液量Ht。靜持液量是指當填料被充分潤濕后，停止氣液兩相進料，并經(jīng)排液至無滴液流出時存留于填料層中的液體量，其取決于填料和流體的特性，與氣液負荷無關。2025年12月23日55/882.3

填料塔的流體力學性能(續(xù))動持液量是指填料塔停止氣液兩相進料時流出的液體量，它與填料、液體特性及氣液負荷有關?？偝忠毫渴侵冈谝欢ú僮鳁l件下存留于填料層中的液體總量。顯然，總持液量為靜持液量和動持液量之和，即填料層的持液量可由實驗測出，也可由經(jīng)驗公式計算。一般來說，適當?shù)某忠毫繉μ盍纤僮鞯姆€(wěn)定性和傳質是有益的，但持液量過大，將減少填料層的空隙和氣相流通截面，使壓降增大，處理能力下降。2025年12月23日56/882.3

填料塔的流體力學性能(續(xù))2.填料層的壓降在逆流操作的填料塔中，從塔頂噴淋下來的液體，依靠重力在填料表面成膜狀向下流動，上升氣體與下降液膜的摩擦阻力形成了填料層的壓降。填料層壓降與液體噴淋量及氣速有關，在一定的氣速下，液體噴淋量越大，壓降越大；在一定的液體噴淋量下，氣速越大，壓降也越大。將不同液體噴淋量下的單位填料層的壓降ΔP/Z與空塔氣速u的關系標繪在對數(shù)坐標紙上，可得到如圖示的線群。2025年12月23日57/882.3

填料塔的流體力學性能(續(xù))在圖中，直線0表示無液體噴淋（L=0）時，干填料△P/Z～u關系，稱為干填料壓降線，直線，斜率為1.8～2.0。曲線1、2、3表示不同液體噴淋量下，填料層的△P/Z～u關系，稱為填料操作壓降線，折線，存在兩轉折點，下轉折點稱“載點”，上轉折點稱“泛點”。這兩個點將△P/Z～u線群分成三個區(qū)段，即恒持液量區(qū)、載液區(qū)和液泛區(qū)。

載點泛點恒持液量區(qū)載液區(qū)液泛區(qū)2025年12月23日58/882.3

填料塔的流體力學性能(續(xù))①恒持液量區(qū)氣速較低時，液體向下流動不受氣流的影響，填料表面上覆蓋的液膜厚度基本不變，因而填料層的持液量不變。在同一空塔氣速下，由于濕填料層內(nèi)所持液體量占據(jù)一定空間，故使氣體的真實速度較通過干填料層的速度高，因而壓降也大，此時△P/Z～u位于干填料壓降線的左側，且二者平行。②載液區(qū)氣速增大，氣體對液膜流動產(chǎn)生阻滯作用，使液膜增厚，填料層的持液量隨氣速的增加而增大，此現(xiàn)象稱為攔液。開始發(fā)生攔液現(xiàn)象時的空塔氣速稱為載點氣速，超過載點后，曲線斜率大于2。載點泛點恒持液量區(qū)載液區(qū)液泛區(qū)2025年12月23日59/882.3

填料塔的流體力學性能(續(xù))③液泛區(qū)氣速繼續(xù)增大，由于液體不能順利向下流動，使填料層的持液量不斷增大，填料層內(nèi)幾乎充滿液體。氣速增加很小便會引起壓降的劇增，此現(xiàn)象稱為液泛，開始發(fā)生液泛現(xiàn)象時的氣速稱為泛點氣速，以uF表示。此區(qū)域內(nèi)曲線斜率可達10以上。應予指出，在同樣的氣液負荷下，不同填料的△P/Z～u關系曲線有所差異，但其基本形狀相近。對于某些填料，載點與泛點并不明顯，故上述三個區(qū)域間無截然的界限。載點泛點恒持液量區(qū)載液區(qū)液泛區(qū)2025年12月23日60/882.3

填料塔的流體力學性能(續(xù))3.液泛在泛點氣速下，持液量的增多使液相由分散相變?yōu)檫B續(xù)相，而氣相則由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?，此時氣體呈氣泡形式通過液層，氣流出現(xiàn)脈動，液體被大量帶出塔頂，塔的操作極不穩(wěn)定，甚至會被破壞，此種情況稱為淹塔或液泛。影響液泛的因素很多，如填料的特性、流體的物性及操作的液氣比等。填料特性的影響集中體現(xiàn)在填料因子上。填料因子值越小，泛點氣速越大，即越不易發(fā)生液泛現(xiàn)象。流體物性的影響體現(xiàn)在氣體密度ρV、液體的密度ρL和粘度μL上。氣體密度越小，液體的密度越大、粘度越小，則泛點氣速越大。操作的液氣比愈大，則在一定氣速下液體噴淋量愈大，填料層的持液量增加而空隙率減小，故泛點氣速愈小。2025年12月23日61/88

液體噴淋密度和填料表面的潤濕填料塔中氣液兩相間的傳質主要是在填料表面流動的液膜上進行的。要形成液膜，填料表面必須被液體充分潤濕，而填料表面的潤濕狀況取決于塔內(nèi)的液體噴淋密度及填料材質的表面潤濕性能。液體噴淋密度是指單位塔截面積上，單位時間內(nèi)噴淋的液體體積，以U表示，單位為m3/(m2·h)。為保證填料層的充分潤濕，必須保證液體噴淋密度大于某一極限值，該極限值稱為最小噴淋密度，以Umin表示。式中Umin——最小噴淋密度，m3/（m2·h）；(LW)min——最小潤濕速率，m3/（m·h）；α——填料的比表面積，m2/m3。2025年12月23日62/882.3

填料塔的流體力學性能(續(xù))最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經(jīng)驗公式計算，也可采用經(jīng)驗值。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(LW)min為0.08m3/（m·h）；對于直徑大于75mm的散裝填料，取(LW)min=0.12m3/（m·h）。填料表面潤濕性能與填料的材質有關，就常用的陶瓷、金屬、塑料三種材質而言，以陶瓷填料的潤濕性能最好，塑料填料的潤濕性能最差。實際操作時采用的液體噴淋密度應大于最小噴淋密度。若噴淋密度過小，可采用增大回流比或采用液體再循環(huán)的方法加大液體流量，以保證填料表面的充分潤濕；也可采用減小塔徑予以補償；對于金屬、塑料材質的填料，可采用表面處理方法，改善其表面的潤濕性能。2025年12月23日63/882.3

填料塔的流體力學性能(續(xù))5．返混在填料塔內(nèi)，氣液兩相的逆流并不呈理想的活塞流狀態(tài)，而是存在著不同程度的返混。造成返混現(xiàn)象的原因很多，如：填料層內(nèi)的氣液分布不均；氣體和液體在填料層內(nèi)的溝流；液體噴淋密度過大時所造成的氣體局部向下運動；塔內(nèi)氣液的湍流脈動使氣液微團停留時間不一致等。填料塔內(nèi)流體的返混使得傳質平均推動力變小，傳質效率降低。因此，按理想的活塞流設計的填料層高度，因返混的影響需適當加高，以保證預期的分離效果。2025年12月23日64/882.4

填料塔的內(nèi)件1.填料支承裝置：主要用途是支承塔內(nèi)的填料，同時又能保證氣液兩相順利通過。若設計不當，填料塔的液泛可能首先在填料支承裝置上發(fā)生。對填料支承裝置的要求：對于普通填料，支承裝置的自由截面積應不低于全塔面積的50%，并且要大于填料層的自由截面積；具有足夠的機械強度、剛度；結構要合理，利于氣液兩相均勻分布，阻力小，便于拆裝。

2025年12月23日65/882.填料壓緊裝置安裝在填料層上端。作用是保持填料層為一高度固定的床層，從而保持均勻一致的空隙結構，使操作正常、穩(wěn)定，防止在高壓降、瞬時負荷波動等情況下，填料層發(fā)生松動或跳動。分為：填料壓板。自由放置于填料上端，靠自身重量將填料壓緊。適用于陶瓷、石墨材質的散裝填料。床層限制板。固定在填料上端。2025年12月23日66/883.液體分布裝置填料塔操作要求液體沿同一塔截面均勻分布。為使液流分布均勻，液體在塔頂?shù)某跏挤植柬毦鶆?。?jīng)驗表明，對塔徑為0.75m以上的塔，每平方米塔橫截面上應有40～50個噴淋點；對塔徑在0.75m以下的塔，噴淋點密度集至少應為160個/m2塔截面。2025年12月23日67/88液體收集及再分布裝置作用是減小壁流現(xiàn)象。壁流現(xiàn)象：在亂堆填料層內(nèi)存在的液體逐漸流向塔壁的現(xiàn)象。在填料層內(nèi)每隔一定高度設置液體再分布裝置。對拉西環(huán)填料，再分布器的距離約為塔徑的25～3倍，對鮑爾環(huán)及鞍形等較好填料約為塔徑的5～10倍，但通常不應超過6m。

2025年12月23日68/885.除沫裝置當塔內(nèi)操作氣速較大或液沫夾帶現(xiàn)象嚴重時，可在液體分布器的上方設置除沫裝置，主要用途是除去出口氣流中的液滴。

2025年12月23日69/882.5填料塔的設計填料塔的設計計算主要包括塔徑和塔高的計算，是在物料衡算、熱量衡算以及吸收劑種類和用量確定的基礎上進行。1.填料的選擇選擇填料的主要依據(jù)是比表面積要大，空隙率大，堆積密度小，機械強度和穩(wěn)定性好，以及價格便宜等。其大小規(guī)格的選取一般為：D≤300mm時，選用25mm填料；300≤D≤900mm時，選用38～50mm填料；D＞900mm時，選用50mm以上填料。

2025年12月23日70/882.塔徑的計算

根據(jù)所選填料，氣液兩相流量和物性，由?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖(P280圖4-33)求取泛點氣速uF；選取空塔氣速u=(0.5～0.8)uF；計算塔徑D，并根據(jù)塔徑標準進行圓整。一般塔徑標準為300、400、500、600、800、1000，1200，1400……等(單位mm)，選取適當?shù)乃健Ｐ：?1)泛點率。計算實際空塔氣速u=4Vs/(πD2)，并按照泛點率=u/uF，核算其是否在50～80%范圍之內(nèi)，否則需調(diào)整塔徑；(2)塔徑與填料尺寸之比。一般要求應使D/d＞8～15。(3)液體噴淋密度。為了保證液體噴淋量能完全潤濕填料層截面，通常要求液體噴淋密度U大于最小噴淋密度Umin的(2～5)倍以上。即：(4)每米填料層壓降△p/Z。P283公式4-39&4-40，一般△p/Z應控制在500Pa以內(nèi)。2025年12月23日71/883.填料層有效高度的計算

(1)傳質單元法Z=HOG

·NOG

(2)等板高度法Z=NT·HETP等板高度HETP的確定：實驗測定取生產(chǎn)設備的經(jīng)驗數(shù)據(jù)采用經(jīng)驗公式進行計算，如P282公式4-36。

塔徑+0.1真空塔塔

徑小直徑塔(＜0.6m)1.5～1.8吸收任務0.9直徑50mm填料0.66直徑38mm填料0.46直徑25mm填料HETP/m填料類型/應用

HETP經(jīng)驗值2025年12月23日72/883

填料塔與板式塔的比較對于許多逆流氣液接觸過程，填料塔和板式塔都是可以適用的，設計者必須根據(jù)具體情況進行選用。填料塔和板式塔有許多不同點，了解這些不同點對于合理選用塔設備是有幫助的。①填料塔操作范圍較小，特別是對于液體負荷變化更為敏感。當液體負荷較小時，填料表面不能很好地潤濕，傳質就效果急劇下降；當液體負荷過大時，則容易產(chǎn)生液泛。設計良好的板式塔，則具有大得多的操作范圍。2025年12月23日73/883

填料塔與板式塔的比較(續(xù))②填料塔不宜于處理易聚合或含有固體懸浮物的物料，而某些類型的板式塔（如大孔徑篩板、泡罩塔等）則可以有效地處理這種物質。另外，板式塔的清洗亦比填料塔方便。③當氣液接觸過程中需要冷卻以移除反應熱或溶解熱時，填料塔因涉及液體均不問題而使結構復雜化。板式塔可方便地在塔板上安裝冷卻盤管。同理，當有側線出料時，填料塔也不如板式塔方便。④以前亂堆填料塔直徑很少大于0.5m，后來又認為不宜超過1.5m，根據(jù)近10年來填料塔的發(fā)展狀況，這一限制似乎不再成立。板式塔直徑一般不小于0.6m。2025年12月23日74/883

填料塔與板式塔的比較(續(xù))⑤關于板式塔的設計資料更容易得到而且更為可靠，因此板式塔的設計比較準確，安全系數(shù)可取得更小。⑥當塔徑不很大時，填料塔因結構簡單而造價便宜⑦對于