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填料塔的原理及結構,一看就懂!

填料塔(Packing Column)是塔設備的一種。塔內填充適當高度的填料,以增加兩種流體間的接觸表面。例如應用于氣體吸收時(shí),液體由塔的上部通過(guò)分布器進(jìn)入,沿填料表面下降。氣體則由塔的下部通過(guò)填料孔隙逆流而上,與液體密切接觸而相互作用。結構較簡(jiǎn)單,檢修較方便。廣泛應用于氣體吸收、蒸餾、萃取等操作。



1

填料塔的結構


◆填料層:提供氣液接觸的場(chǎng)所。

◆液體分布器:均勻分布液體,以避免發(fā)生溝流現象。

◆液體再分布器:避免壁流現象發(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。


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,與液體呈逆流連續通過(guò)填料層的空隙,在填料表面上,氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。


填料塔屬于連續接觸式氣液傳質(zhì)設備,兩相組成沿塔高連續變化,在正常操作狀態(tài)下,氣相為連續相,液相為分散相。


2

填料塔的附件


填料塔的附件有填料支撐裝置、液體分布裝置、液體再分布器、除沫裝置、填料壓緊裝置這五種。


⑴填料支撐裝置


主要用途是支撐塔內的填料,同時(shí)又能保證氣液兩相順利通過(guò)。若設計不當,填料塔的液泛可能首先在填料支撐裝置上發(fā)生。



對填料支撐裝置的要求:


◆對于普通填料,支撐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。


⑵液體分布裝置


液體在填料塔內均勻分布,可以增大填料的潤濕表面積。以提高分離效率,因此液體的初始分布十分重要。



常用的液體分布裝置有:蓮蓬式、盤(pán)式、齒槽式及多孔環(huán)管式分布器等。



液體分布器的性能主要由分布器的布液點(diǎn)密度(即單位面積上的布液點(diǎn)數),各布液點(diǎn)均勻性,各布液點(diǎn)上液相組成的均勻性決定,設計液體分布器主要是決定這些參數的結構尺寸。


對液體分布器的選型和設計,一般要求:液體分布要均勻;自由截面率要大;操作彈性大;不易堵塞,不易引起霧沫夾帶及起泡等;可用多種材料制作,且操作安裝方便,容易調整水平。


⑶液體再分裝置


液體再分裝置作用是減小壁流現象。


壁流現象:在亂堆填料層內存在的液體逐漸流向塔壁的現象。

在填料層內每隔一定高度設置液體再分布裝置。



常用的液體再分裝置有:椎體形、槽形、升氣管形等。



在通常情況下,一般將液體收集器與液體分布器同時(shí)使用,構成液體收集及再分布裝置。液體收集器的作用是將上層填料流下的液體收集,然后送至液體分布器進(jìn)行液體再分布。


⑷除沫裝置


當塔內操作氣速較大或液沫夾帶現象嚴重時(shí),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。



由于氣體在塔頂離開(kāi)填料塔時(shí),帶有大量的液沫和霧滴,為回收這部分液相,經(jīng)常需要在頂設置除沫器。


常用的除沫器有以下幾種:


?折流板式除沫器,它是一種利用慣性使液滴得以分離的裝置,一般在小塔中使用。


?旋流板式除沫器,由幾塊固定的旋流板片組成,氣體通過(guò)時(shí),產(chǎn)生旋轉運動(dòng),造成一個(gè)離心力場(chǎng),液滴在離心力作用下,向塔壁運動(dòng)實(shí)現了氣液分離。適用于大塔徑凈化要求高的場(chǎng)合。


?絲網(wǎng)除沫器,它由金屬絲卷成高度為100-150的盤(pán)狀使用。安裝方式多種多樣,氣體通過(guò)除霧沫器的壓強降約為120-250Kp,絲網(wǎng)除沫器的直徑由氣體通過(guò)絲網(wǎng)的最大氣速決定。


⑸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、穩定,防止在高壓降、瞬時(shí)負荷波動(dòng)等情況下,填料層發(fā)生松動(dòng)或跳動(dòng)。


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(zhì)的散裝填料。它的作用是在高氣速(高壓降)和負荷突然波動(dòng)時(shí),阻止填料產(chǎn)生相對運動(dòng),從而避免填料松動(dòng)、破損。


由于填料易碎,當碎屑淤積在床層填料的空隙間,使填料層的空隙率下降時(shí),填料壓板可隨填料層一起下落,緊緊壓住填料而不會(huì )形成填料的松動(dòng)、降低填料塔的生產(chǎn)能力及分離效率。


床層限制板:固定在填料上端。




3

填料塔的操作方式


填料塔的操作是從物料平衡、熱量平衡、相平衡及填料塔性能等幾個(gè)方面考慮,通過(guò)控制系統建立并調節塔的操作條件,使填料塔滿(mǎn)足分離要求。


⑴填料塔的操作方式:


液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上,并沿填料表面流下;氣體從塔底送入,經(jīng)氣體分布裝置分布后,與液體呈逆流連續通過(guò)填料層的空隙;在填料表面上,氣液兩相接觸進(jìn)行傳質(zhì)。


⑵填料塔的操作特點(diǎn):


填料塔屬于微分接觸式氣液傳質(zhì)設備,兩相組成沿塔高連續變化;在正常操作狀態(tài)下,氣相為連續相,液相為分散相。



4

氣液兩相的流體力學(xué)特性


填料塔的流體力學(xué)性能主要包括填料層的持液量、填料層的壓降、液泛等。 


⑴填料層的持液量


在一定操作條件下,由于液膜與填料表面的摩擦以及液膜與上升氣體的摩擦,有部分液體停留在填料表面及其縫隙中。



?定義:?jiǎn)挝惑w積填料層內所積存的液體體積,以(m3液體)/(m3填料)表示。


?持液量的影響:一般來(lái)說(shuō),適當的持液量對填料塔操作的穩定性和傳質(zhì)是有益的,可以提供更大的氣液相接觸面積;但持液量過(guò)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。


?結論:持液量不宜太小,也不宜太大。


⑵填料層的壓降


?產(chǎn)生原因:在操作過(guò)程中,從塔頂噴淋下來(lái)的液體,依靠重力在填料表面成膜狀向下流動(dòng),上升氣體與下降液膜的摩擦阻力形成了填料層的壓降。



?影響因素:壓降與液體噴淋量及氣速有關(guān):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。