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制氮装置(制氮系统)的填料塔
 
 
填料塔是常用的气液传质设备之一。填料塔具有结构简单, 压降小, 装置灵活、便于用
耐腐蚀材料制造等特点。空塔速度小, 用于大直径塔时,传质效率低, 重量太, 造价高以及
清理检修麻烦且填料损耗丈
目前,小型空分设备上空气精馏塔采用填料塔,由于填料塔压降小,采用规则填料的空
气精馏塔有所发展。
典型的填料塔结构如图5— 1所示 它由塔体、喷淋装置,填料,再分配器、支承板等
部件组成。
填料塔内液体自塔顶往下流,沿填料呈膜状流动,气体由塔底上升,通过填料时与液膜
接触,进行传质和传热。由于气液两相接触仅限于润湿的填料表面,为了提高传质效率,就
耍术有大的填料表面。

, 填料塔的一般特性
i. 塔内液体的分布
喷淋到填料表面上的液体要均匀, 并且要太于最小喷淋密度,以保证填料表面全被润湿,
否则填料传质单元高度要纠正。应该注意,不同材质和尺寸的填料,最小喷淋密度是不同的,
容易润湿的填料表面则小。
液体沿填料层下流时,一般情况下,液体经过相当于4个塔径的路程之后,就趋向措着
塔壁流动, 即“壁流现象 。而气体从塔的中间部分通过,气液接触恶化,小直径塔尤为显著。
因此每隔一定距离必须设置液体再分配装置,以使液体在填料截面上重新均匀分布。
乱堆填料层内还有 沟流现象 ,这也是填料塔的致命弱点。
I 塔径与填料直径之比例应足够
囤5— 1 填料塔
I.莲蓬头
2.分配锥
3.填料
4.塔体
5.卸料孔
6.棚板
7.支持圈
8.出料装置
9.支座
大,否则气体与液体在填料截面上
就不能均匀分布。对于拉西环填料,
塔径最好大于拉西环直径的2 O倍。
囤5— 2 填料塔流体
力学特性
2.填料塔的流体力学特性
填料塔操作时,在不同的液体喷淋量时,压降与气流速度的关系如图5—2所示
当千塔时(工 =O)其关系为一直线,,4pccw“ 。当有液体喷淋时,所得关系为一折线,
AB段(或 B )仍为直线, P。。 。,超过B点(或B )直线斜率显著上升,表明塔内持液量不断
增加。填料塔操作时,在填料空隙中和填料表面上所积贮的液体量,称为持液量。到达C点
(或C )时,压降直线上升,表示塔内已发生液泛现象,液体不能向下流动,对于一般乱堆填
料, 当每米高的填料层压降达到1981~2452 Pa(200~250 Ii"11"i'1 H:O)左右时,即产生液泛。
点(或B )称为 载点 ,C点(或C )称为 泛点”。
一般填料塔的设计是在泛点以下操作,如图5—3所示。如果要求压降很稳定,则宜在载
点以下。
3.填料层的操作特性
填料层操作特性曲线如图5—4所示,纵座标 HETP 为等板高度II1。相当于一层理论板
分离程度所需婀滇料高摩称为等板高度。由此可定出填科塔的操作范疆。
t }c鲁,{
图5—3 泛点速度计算图 图5—4 填料层的操作特性
填料的操作特性分为三个区域。 区,在很低气速和压降时,传质主要靠扩散过程,
区,当气液速度增加,填料层中持液量逐渐增加,液体流动出现湍流,填料间出现泡沫,
促进了传质:当气液之间阻力接近液体下浇的重力时,压降大大增加,填料表面保持报大的
液体量 填料问充满泡沫,进入乳化状态,气液均处在极度惴动下工作,两相接触面积和时
间大大增加,传质效率极高,对于一般的填料塔乳化状态只能在很小的气速范围内出现}C
区,在很高的气速或压降时,液体的返混逐步明显,从而降低分离效率,直至液泛。
气液两相在不同气速下的接触示意图,
如图5—5所示.
气体
图5—5 气液两相接触示意图
1.赦体滴状一膜状流动情况下的膜状状态,
2.膜状束流时的中间状态J 3.液体膜状柬
流和液体嚣;}流时的状态,4.乳亿状态
气蕾.【 , ]
图5—6 不同填料的HETP乖气速的关系
(填料名义足寸均为1时)
术l熏译文图. 1对:2.54Cm, 1观=0.3048m.
不同填料的操作特性曲线如图5—6所示。由图可知,l时金属鲍尔环,在气速为0.15~
1.8mts(O.5~6英尺,秒)范围内,都能保持一个大体恒定的等板高度,操作弹性大,其次为
鞍形填料, 而拉西环很敏感。
:, 埂科譬的主要结构参散
1.填 料
填料是填料塔的奎要构件,填料种类繁多。可分为实体壤料和网体填料两太类.实体填
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l 9 9 2年第l期 冷技术 ·47·
柏 固
圈5—7 几种典型填料
另一种分类法是将填料分为乱堆填料和整砌填料。整砌填料。规定 了填料层串气液接触
的·途径 ,克服了壁流现象和沟流现象,可获得良好的填料表面效率, 已成为填料塔的发展
方向之一o
波纹板填料是一种整砌填料,如图5—8所示。金属波纹板常用厚度0.2~l mm,陶瓷波
纹板常用厚度l~2mm。波峰高度一般为3~5 mm。波峰距一般为蜂高的两倍。波纹板的波
纹倾角为45。,单片选台时,相邻两片按波纹倾角反向叠靠,也有在两片金属波纹板中夹一
平板,重叠排射成圆盘截面或方形截面。盘高度日常用50ram,盘与盘之间诸单片成90 方
向旋转排列,有助予液体再分布。等板高度为200~300mm。
直接相叠 荤夹有平板 ~ — :: 旦— —
波纹填料有薄板和金属丝网型两种。
表5一l,表5—2,表5—3列出了几种填料的特性数据。
表5一l 一些填料的特性数据
公称尺寸 外桎×高×厚度 比表面积 空琼率 十 敛 堆氟量度
填 科 (d) (d×//"x ) ) (e) ( ) (yP)
m0,mt m0/m m ’3 kg/m a
10×10x1.5 440 0.7 720000 7d0
瓷拉酉环(乱堆) 25×25x2,5 190 0.78 49000 505
40x40x 4.5 126 0.75 12700 577
lB×15×O 日 239 0.928 143000 216
金属俺尔环 38x 38xO.8 129 0.945 13000 365
50x 50x1 112.3 0 949 65O0 395
1
16 25x12×2.2 378 0.71 269900 6B6
窀崔赣形(乱堆) 25 tOx20×3 200 0.竹2 58230 5‘|
35 eOx 3O×4 131 0.804 19e80 502
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·48· 涤冷技术 l gB2年第l期
表5卅鞍型网的特性数据
尺 寸, l 网 耳 l 丝 径 1 比表面积 1 空窿卑 1 十 数 l 械量度
(gw) f (0) l ( ) l (n) (
mm J 目 mm m /m3 1'1。/mz m kg/'mz
5 f 100 J O.11 l 16O0 l O.95 l 18500000 l 380
la l e0 l 0.152 f 1100 『 D.96 l 486000o l 3l0
13 I 5O l 0.193 82O O.96 『 1850000 『 300
* 鞍型网甩正方形丝日(其边长时为甚称托寸)压耐而成。
表6—3 波纹板填料特性数据
陶瓷赦靛

波峰照】
15mm I
厚 l
1.25m m l
1100
900
750
2.填料支承板
它有多孔板和栅板两种,如图5—9所示。
(a)船板 (b)升气瞥式
圈5-9 填料的支承板
支承扳上流体通过的自由截面应大于填料的
空隙率,装上填料后支承扳自由截面将堵去一部分。支承板阻力过大,容易液泛。
支承板常用栅板,栅板直径小于500 mill制成整块的,太于500 mm 制成分块的。栅板
条之间距离宜为填料外径的O.6~0.8倍左右,直径较大的塔中,也可用较大的闻距,上面先
放一层尺寸较大的十字隔板式瓷环。
3. 液相喷淋装置
液相喷淋装置影响到液体分布的好坏,_从而影响填料表面的有效利用率。常用的喷淋装
置有管式、莲逢式和盘式,如图5一l0所示。
管式喷淋器。在管底部钻2~4排榀~6 mm的小孔,孔的总截面积大致与进液管面积相
等。多孔直管式适用于直径600 mrtri以下的塔,多孔盘营式适用于直径1.2m以下的塔。.
莲蓬式喷洒器。莲蓬头直径d为塔径的1/3-1/5,球面半径为(O.5~1.0)d,喷洒角
≤80。,小孔直径do=3~l0 mm 液体的分布情况与压头有关。一般用于直径 6O0 mm 以
下的塔。
盘式分布器。液体加到分布盘上,盘上开有筛孔,孔径巾3~l0 illln#或溢流管,管径
≥l5mm。液体分布淋洒在整个塔截面上 分布盘的直径为靖径的(o 6~o.8)倍。遁甩千
直诬8OD锄I;l上的塔,
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滥流管式 9苛孔式
(c)盎 式
图5—1O 喷淋装置
图5一l1 截锥式再分配嚣
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图5—12 30 m。/h制氧机下塔
1.上孔扳2.筒3.集流环
4.填料环5.下孔板
4. 液相再分配装置
液体沿填料层下流时往往有逐渐靠塔壁方向集中的趋势,使总的传质效率太为降低, 因
此每隔一定距离,必须设置:液相再分配装置。不同的填料再分配的距离z。是不同的,对于
拉西环,Z。为塔径的(2.5~3)倍。
常用的再分配装置如图5—11所示。
a型适用于直径0.6N0.8m以下的塔,截锥体与塔壁的夹角 一般为35~45。,截锥下口
直径D-约为(O。7~O.8)塔径,截锥上下仍能放满填料,不占空间。
b型适用于直径0.6m 以上的塔,可分段卸出填料,截锥上加设升气管式支承板,截锥
下隔一段距离装填料。
三,用于空气精馏的璃科墙
图5—12为30m。/h制氧机上的下塔。上,下多孔板之间充满拉西环,紫铜拉西环的尺
寸为10×10×O.2 mlTl,液体空气从中部进入,进行精馏。
塔的直径为200~250mm 时。10×10×0.2ram.~铜质拉西环填料的等板高度为250~300
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. 国产带回热式气体制冷机的小型空分设备中,空气精馏采用填料塔,填料为鞍型网。直
径75ram 塔设备中空气精馏对. 6 mill鞍型网的等扳高度为38 mill。对于直径。150 Mm的塔
设备,6锄鞍型网等板高度为,50~100 Mm,10 Mm 鞍型网等板高度为75~100 mm,13
Mm 鞍型网等板高度为75~115姗。等板高度随气速的增加而增大。一块等板高度的阻力,
约127.5~392.3 Pa(13~40 mmH=O)。