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且塔板需要用耐腐蚀材料制作

2021-02-15 16:23 作者:优发国际app官网 点击:

 

  第四四章 4.1概述 塔式反应器基本类型 塔设备除了广泛应用于精馏、吸收、解吸和萃取等方面外,它也可以作为反应 器应用于气液相反应,例如,加氢、磺化、卤化、氧化等化学反应过程。 常见的塔式反应器按气液相接触形态可分为: 气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡塔反应器和板式反应器; 液体以液滴状分散在气相中的喷淋塔反应器; 液体以膜状运动与气相进行接触的填料塔反应器。 几种主要塔式反应器结构示意图如图4.1所示: (a)填料塔反应器 (b)板式塔反应器 (c)喷淋塔反应器 (d)鼓泡塔反应器 图4.1几种主要塔式反应器的结构示意图 二,塔式反应器的特点 1,填料塔 填料塔反应器主要用于气液相反应,由于液体沿填料表面下流,在填料表面形 成液膜而与气相接触进行反应,故液相主体量较少,适用于快速和瞬间反应过程, 能获得较大的液相转化率。例如,水吸收NO2生成硝酸、水吸收HCI生成盐酸、吸收 SO3生成硫酸等。 填料塔反应器具有结构简单、压降小、能适应各种腐蚀介质和不易造成溶液气 泡的优点。特别是在常压和低压下,当压降成为主要矛盾和反应溶剂易与起泡时采 用填料塔反应器是合适的。 缺点是:其一,液体在填料床层停留时间短,不能满足慢反应的要求,同时存 在壁流和液体分布不均等问题;其二,它较难从塔体中直接移去热量,当反应热较 高时,必须增加液体喷淋量带出热量。 填料塔中使用填料,对填料要求是:比表面大、空隙率高、耐腐蚀性强、强度 和润湿性能优良。常用的填料有拉西环、鲍尔环、矩鞍等,材质有陶瓷、不锈钢、 石墨和塑料。 2,板式塔 其液体是连续相而气体是分散相,借助于气体通过塔板分散成小气泡而与板上 液体相接触进行化学反应。板式塔反应器适用于快速和中速反应过程,具有逐板操 作的特点。由于采用多板,可将轴向返混降到最低,并可采用最小的液体流速进行 操作,从而获得极高的液相转化率。气液剧烈接触,气液相界面传质和传热系数大, 是强化传质过程的塔型。因此适用于传质过程控制的化学反应过程。板间可设置传 热构件,以移出和移入热量。 缺点是:反应器结构复杂,气相流动压降大,且塔板需要用耐腐蚀材料制作。 因此,板式塔大多用于加压操作过程。 3,喷雾塔 喷雾塔结构较为简单,液体以细小液滴的方式分散于气体之中,气体为连续相, 液体为分散相,具有相接触面积大和气相压降小等优点。是气膜控制的反应系统, 适于瞬间、界面和快速反应过程。也适用于生成固体产物的体系。但储液量低,液 相传质系数小,且雾滴在气流中浮动和有气流沟流存在,气液二相返混严重。 鼓泡塔反应器适用于液相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。例如:各种有机化合物的氧化反应、各种石蜡和芳烃的氯化反应、各种生物化学反应、 污水处理曝气氧化和氨水碳化生成固体碳酸氢铵等反应。 在实际使用中它具有以下优点: (1)气体以小的气泡形式均匀分布,连续不断地通过气液反应层,保证了气液 充分混合,反应良好。 (2)反应器结构简单,容易清理,操作稳定,投资和维修费用低。 (3)反应器具有极高的储液量和相际接触面积,传质和传热效率高。适用于缓 慢化学反应和高度放热的情况。 (4)在塔的内外都可以安装换热装置。 (5)和填料塔比较,鼓泡塔能处理悬浮液体。 鼓泡塔也有一些难以克服的缺点: (1)为了保证气体沿截面均匀分布,鼓泡塔的直径不宜过大,一般在2-3米以 (2)鼓泡塔内液相轴向返混很严重,在不太大的高径比情况下,可认为液相处于理想混合状态,因此较难在单一连续反应器中达到较高的液相转化率。 (3)鼓泡塔反应器在鼓泡时所耗压降较大。 四,塔式反应器选型 塔式反应器选型时一般应考虑以下因素: (一)、具备较高的生产能力 反应器形式应适合反应系统特性的要求,使之达到较高的宏观反应速率。在一 般情况下,当气液相反应过程的目的是用于生产化工产品时,应考虑选用填料塔; 如果 反应速率极快可以选用填料塔和喷淋塔;如果反应速率极快,同时热效应又很 大,可以考虑选用膜式塔;如果反应速率为快速或中速时,宜选用板式塔;对于要 (二)、有利于反应选择性的提高反应器的选型应有利于抑制副反应的发生。如平行反应中副反应较主反应为慢, 则可采用持液量较少的设备,以抑制液相主体进行缓慢的副反应;如副反应为连串 反应,则应采用液相返混较少的设备(如填料塔)进行反应,或采用半间歇(液体 间歇加入和取出)反应器。 (三)、有利于降低能量消耗 反应器的选型应考虑能量综合利用并尽可能降低能耗。若反应在高于室温下进 行,则应考虑反应热量的回收。如反应在加压条件下进行,则应考虑压力能量的综 合利用。除此之外,为了造成气、液两相分散接触,需要消耗一定的动力。 (四)、有利于反应温度的控制 气液相反应绝大部分是放热的,因而如何移热,防止温度过高是经常碰到的实 际问题。当反应热效应很大而又需要综合利用时,降膜塔反应器是比较合适的。除 外,板式塔和鼓泡塔反应器可借助于安置冷却盘管来移热。但在填料塔中,移热比较困难,通常只能提高液体喷淋量,以液体显热的形式移除。 (五)、能在较少液体流率下操作 为了得到较高的液相转化率,液体流率一般较低,此时可选用鼓泡塔和板式塔 反应器,但不宜选用填料塔、降膜塔反应器。例如,当喷淋密度低于3m/(m•h)时, 填料就不会全部润湿,降膜塔反应器也有类似情况。 尽管在每一种塔式反应器都不可能同时满足上述五个要求,但可根据反应本身 的特点及生产要求选用不同的反应器。鼓泡塔反应器和填料塔反应器均适用于气液 相反 应,鼓泡塔反应器在操作时液相是连续相,气相是分散相;而填料塔反应器在 正常操作时气相是连续相,液相是分散相。正因为如此,它们的特点具有互补性。 它塔式反应器相比,这两种反应器具有结构简单、操作简便等优点,因而在气液相塔式反应器中应用最广。 4.2 填料塔 一,填料塔反应器的结构 填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构 比较简单,如图4.3所示。填料塔的塔身是一直立式圆筒,底部装有填料支承板,填 料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上,在填料的上方安装填料压板,以限制填料 随上升气流的运动。 (一)塔体 塔体是塔设备的主要部件,大多数塔体是等直径、等壁厚的圆筒体,顶盖以椭 圆形封头为多。但随着装置大型化,不等直径、不等壁厚的塔体已逐渐增多。塔体 除满足工艺条件对它提出的强度和刚度要求外,还应考虑风力、地震、偏心载荷所 带来的影响,以及吊装、运输、检验、开停工等情况。 塔体的材质常采用的有:非金属材料(如高分子材料、陶瓷等),碳钢(复层、 衬里),不锈耐酸钢等。 (二)塔体支座 塔设备常采用裙式支座(见图4.4),它应当具有足够的强度和刚度,来承受塔 体操作重量、风力等引起的载荷。 人孔是安装和检修人员进出塔器的唯一通道。人孔的设置应便于人员进入任一层塔板。对直径大于Φ800mm的填料塔,人孔可设在每段填料层的上、下方,同时兼 作填料装卸孔用。设在框架内或室内的塔,人孔的位置可按具体情况考虑。 人孔在设置时,一般在气液进出口等需要经常维修和清理的部位要设置人孔, 另外在塔顶和塔釜,也各设置一个人孔。 塔径小于Φ800mm时,在塔顶设置法兰(塔径小于Φ450mm的塔,采用分段法兰 连接),不在塔体上开设人孔。 在设置操作平台的地方,人孔中心高度一般比操作平台高0.7-1m,最大不宜超 过1.2m,最小为600mm,人孔开在立面时,在塔釜内部应设置手柄(但人孔和底封头 切线米或手柄有碍内件时,可不设置)。 装有填料的塔,应设填料挡板,借以保护人孔,并能在不卸出填料的情况下更 换人孔垫片。 手孔是指手和手提灯能伸入的设备孔口,用于不便进入或不必进入设备即能清理、检查或修理的场合。 手孔又常用作小直径填料塔装卸填料之用,在每段填料层的上下方各设置一个 手孔,卸填料的手孔有时附带挡板,以免反应生成物积聚在手孔内。 (五)塔内件 填料塔的内件有填料、填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置和液体收 集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件,对保证填料塔的正常操作及优良的传 质性能十分重要。 当空塔气速较大,塔顶溅液现象严重,以及工艺过程不允许出塔气体夹带雾滴的情况下,设置除沫装置,从而减少液体的夹带损失,确保气体的纯 度,保证后续设备的正常操作。 常用的除沫装置有折板除沫器(见图4.5)丝网除沫器(见图4.6)以及旋流板 除沫器。此外还有链条型除沫器、多孔材料除沫器及玻璃纤维除沫器等。在分离要 求不严格的场合,还将干填料层作除沫器用。 常用的折板除沫器是角钢除沫器,它的压力降一般为50-100Pa。增加折流的次 数,能提高其对气液的分离效率。这种除沫器结构比较简单,但耗用金属多,造价 高,在大塔尤为明显,因而逐渐为丝网除沫器所取代。 丝网除沫器具有比表面大、重量轻、孔隙率大及使用方便等优点,尤其是它具 有除沫效率高、压降小的特点,从而成为一种广泛使用的除沫装置。 小型除沫器的丝网厚度根据工艺条件决定,一般为50-150mm,丝网应铺平,相 邻每层丝网之间的波纹方向应相错一个角度,上面用支撑板加以固定,丝网支撑栅 板的自由截面积应大于90%,安装时栅板应保持水平。 4.2 填料塔-几种常见填料 (2)填料 填料的种类很多,如图4.7所示。 (a)拉西环 (f)金属环矩鞍(g)多面球形 (h)TRI球形 (i)共轭环 (j)海尔环 (l)木格栅填料(m)格里奇格栅填料 (n)金属丝网波纹填料 (o)金属板波纹填料 (p)脉冲填料 填料的作用是为气、液两相提供充分的接触面,并为提高其湍动程度(主要是 气相)创造条件,以利于传质(包括传热)。它们应能使气、液接触面大、传质系数高, 同时通量大而阻力小,所以要求填料层空隙率高、比表面积大、表面湿润性能好, 并在结构上还要有利于两相密切接触,促进湍流。制造材料又要对所处理的物料有 耐腐蚀性,并具有一定的机械强度,使填料层底部不致因受压而碎裂、变形。 常用的塔填料可分为两大类:散装填料与规整填料。 (3)填料支撑装置 填料支撑装置的作用是支撑塔内填料层,对其要求是:第一, 应具有足够的强度和刚度,能支撑填料的重量、填料层的持液量及操作中的附加压 力等;第二,应具有大于填料层孔隙率的开孔率,以防止在此处首先发生液泛;第 三,结构合理,有利于气液二相的均匀分布,阻力小,便于拆装。 4.2 填料塔 常用的填料支撑装置有栅板型、孔管型和驼峰型。如图4.8所示。选择哪种支 撑装置,主要根据塔径、使用的填料种类和型号、塔体及填料的材质、气液流速而 4.2填料塔-填料压紧装置 (4)填料压紧装置 为保持操作中填料床层为一高度恒定的固定床,从而保 持均匀一致的空隙结构,使操作正常、稳定,在填料填装后于其上方安装填料压紧 装置。这样,可以防止在高压降、瞬时负荷波动等情况下填料床层发生松动和跳动。 填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类。图4.9列出了几种常用的填料 压紧装置,填料压板自由放置于填料层上端,靠自身重力将填料压紧,它适用于陶 瓷、石墨制的散装填料,因其易碎,当填料层发生破碎时,填料层孔隙率下降,此 时填料压板可随填料层一起下落,仍能紧紧压住填料而不会引起填料松动。床层限 制板用于金属散装填料、塑料散装填料及所有规整填料。因金属及塑料填料不易破 碎,且有弹性,在填装正确时不会使填料下沉。床层限制板要固定在塔壁上,为不 影响液体分布器的安装和使用,不能采用连续的塔圈固定,对于小塔可用螺丝固定 于塔壁,而大塔则用支耳固定。 4.2 填料塔-液体分布装置 (5)液体分布装置 为了实现填料内气液二相密切接触、高效传质,填料塔的传质过程要求塔内任 一截面上气液两相流体能均匀分布,特别是液体的初始分布至关重要,理想的液体 分布器应具备以下条件: 与填料相匹配的液体均匀分布点。填料比表面积越大,分离要求越精密,则液体分布器分布点密度也应越大。 操作弹性较大,适应性好。 为气体提供尽可能大的自由截面,实现气体的均匀分布,且阻力小。 结构合理,便于制造、安装、调整和检修。 液体分布装置的种类多样,有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。 喷头式分布器如图4.10(a)所示。液体由半球形喷头的小孔喷出,小孔直径为 3-10mm,同心圆排列,喷洒角小于80,喷洒直径1/5-1/3 D。这种分布器结构简单, 只适用于直径小于600mm的塔中。因小孔容易堵塞,一般应用较少。 盘式分布器有盘式筛孔型分布器、盘式溢流管式分布器等形式。如图4.10(b)、 (c)所示。液体加至分布盘上,经筛孔或溢流管流下。分布盘直径为塔径的0.6-0.8 倍,此种分布器用于D<800mm的塔中。 管式分布器由不同结构形式的开孔管制成。其突出的特点是结构简单,供气流 流过的自由截面大,阻力小。但小孔易堵塞、弹性一般较小,管式液体分布器多用 于中等以下液体负荷的填料塔中,在减压精馏及丝网波纹填料中,由于液体负荷较 小故常用之。管式分布器有排管式、环管式等不同形状,如图片4.10(d)、(e) 所示。 槽式液体分布器通常是由分流槽(又称主槽或一级槽)、分布槽(又称副槽或 二级槽)构成的。一级槽通过槽底开孔将液体初分为若干流股,分别加入其下方的 液体分布槽,分布槽的槽底(或槽壁)上设有孔道,将液体均匀分布于填料层上, 如图片4.10(f)所示。槽式分布器具有较大的操作弹性和较好的抗污性,特别适合 于气液负荷大及含有固体悬浮物、粘度大的分离场合。由于槽式分布器具有优良的 分布性能和抗污垢性能,应用范围非常广泛。 槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器,它将槽式及盘式分布器的优点 有机地结合一体,兼有集液、分液及分气三种作用,结构紧凑,操作弹性高达10:1, 气流分布均匀,阻力小,特别适用于易发生夹带、易堵塞的场合。槽盘式液体分布 器的结构如图4.10(g)所示。 (6)液体收集及再分布装置 当液体沿填料层向下流动时,有逐渐向塔壁集 中的趋势,使得塔壁附近的液流量逐渐增大,这种现象称为壁流。壁流效应造成气 液两相在填料层分布不均匀,从而使反应效率下降。为此,当填料层较高时,需要 进行分段,中间设置再分布装置,液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器 两部分,上层填料流下的液体经液体收集器收集后送到液体再分布器,经重新分布 后喷淋到下层填料的上方。 最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器,如图4.11(a)所示,截锥式再分布 器结构简单,安装方便,但它只起到将壁流向中心汇集的作用,无液体再分布的功 能,一般用于直径小于0.6m的塔中。 在通常情况下,一般将液体收集器及液体分布器同时使用,构成液体收集及再 分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集,然后送至液体分布器 进行液体再分布。常用的液体收集器为斜板式液体收集器,如图4.11(b)所示。 4.2 填料塔-填料的类型和性能评价 二,填料的类型和性能评价 填料是填料塔的核心构件,它提供了气液两相接触传质的界面,是决定填料塔 性能的主要因素。 (一)填料的类型 填料的种类很多,根据装填方式的不同,可分为散装填料和规整填料两大类。 1,散装填料 散装填料是一粒粒具有一定几何形状和尺村的颗粒体,一般以 散装方式堆在塔内,又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同可分 为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料。常用的构造材料包括陶瓷、金属、 玻璃、石墨等。现介绍几种较为典型的散装填料。 (1)拉西环填料 拉西环(Rashing Ring)填料是1914年发现的,是使用最早的一种填料,为高度 与直径相等的圆环,常用的直径为25~75mm(亦有小至6mm,大至150mm的,但少用), 陶瓷环壁厚2.5~9.5mm,金属环壁厚 0.8~1.6mm。填料多乱堆在塔内,直径大的亦 可整砌,以降低阻力及减少液体流向塔壁的趋势。在拉西环内部空间的直径位置上 加一隔板,即成为列辛环;环内加螺旋形隔板则成为螺旋环。隔板有提高填料能力 与增大表面的作用。 由于拉西环在填装时容易产生架桥、空穴等现象,液体不易流入圆环的内部, 所以极易产生液体的偏流、沟流和壁流,气液分布较差,传质效率低,又由于填料 层持液量大,气体通过填料层折返的路径长,气体通过填料层的阻力大、通量小。 故近年来使用较少。 (b)弧鞍填料 弧鞍又称贝尔鞍(Berl saddle),是出现较早的鞍形填料,形如马鞍,大小自25mm 至50mm的较常用。弧鞍填料的特点是表面不分内外全部敞开,液体在表面两侧均匀 流动,表面利用率高,流道呈弧形,流动阻力小。它的另一特点是堆放在塔内时, 对塔壁侧压力比环形填料小。其缺点是由于两侧表面构形相同,堆放时填料容易叠 合,因而减少暴露的表面,不能被液体润湿,使传质效率降低。最近已渐为构形改 善了的矩鞍填料所代替。弧鞍填料多用陶瓷制造。 (c)矩鞍(Intalox saddle) 为克服弧鞍填料容易套叠的缺点,将弧鞍填料两端的弧形改为矩形,且两面大 小不等,即成为矩鞍填料。 矩鞍填料堆积时不会叠合,液体分布较均匀,且较耐压力,构形简单。一般采 用陶瓷材料制成,其性能优于拉西环。目前国内大多数应用瓷质拉西环的场合均以 被瓷质矩鞍填料所取代。 (d)鲍尔环(Pall ring) 鲍尔环的构造,相当于在拉西环的壁面上开一排或两排正方形或长方形孔,开 孔时只断开四条边中的三条边,另一边保留,向环内弯曲,形成内伸的舌叶,,这 些舌片在环内几乎对接起来。填料的空隙率与比表面并未因而增加。但由于环壁开 孔,大大提高了环内空间及环内表面的利用率,气体流动阻力降低,液体分布比较 均匀。因此,鲍 尔环比拉西环气体通量增大50&以上,传质效率增加30%左右。鲍尔 环填料以其优良性能得到广泛应用。 (e)阶梯环(Cascade miniring) 是在鲍尔环基础上加以改造而得出的一种新型填料,阶梯环与鲍尔环相似之处 是环壁上也开有窗孔。但其高度是鲍尔环的二分之一,由于高径比减少,使得气体 绕填料外壁的平均路径大为缩短,减少了气体通过填料层的阻力。阶梯环填料的一 端增加了一个翻边,不仅增加了填料的机械强度,而且使填料之间由线接触为主, 变成以点接触为主,这样不但增加了填料间的空隙,同时成为液体沿填料表面流动 的汇集分散点,可以促进液膜的表面更新,有利于传质效率的提高。阶梯环成为目 前使用的环形填料中最为优良的一种, (f)金属环矩鞍填料(Metal Intalox saddle) (g)球形填料 是散装填料的另一种形式,一般采用塑料材质注塑而成,其结构有多种。有许 多板片构成的多面球形填料;也有许多枝条的格栅组成的球形填料。它们的特点是 球体为空心,可以允许气体、液体从其内部通过。由于球体结构的对称性,填料填 装密度均匀,不易产生空穴和架桥,所以气液分散性能好。球形填料一般只适用于 某些特定场合,工程应用较少。 规整填料 规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排列、整齐堆砌的填料。该填料的特点 是规定了气液流径,改善了填料层内气液分布状况,可以在很低的压降下,提供更 多的比表面积,使得处理能力和传质性能均得到较大程度的提高。 规整填料种类很多,按几何结构大致可分为格栅填料、波纹填料和脉冲填料。 20世纪60年代以后开发出来的丝网波纹填料和板波纹填料,是目前使用比较广 泛的规整填料。现将它们的构形和特点分述如下: (a)格栅填料 是以条状单元经一定规则组合而成,其结构随条状单元体的形式 和组合规则而变,因而具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为木格栅填 料,如下图所示。 目前应用比较普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料和蜂窝格栅填料。其中 格里奇格栅填料最具代表性,如下图 格栅填料的比表面积较小,因此主要用于要求低压降、大负荷及防堵等场合。 (b)波纹填料 是一种通用型规整填料,目前工业上应用的规整填料绝大部分属于此类。波纹 填料是由许多波纹簿板组成的圆盘状填料。波纹填料的优点是结构紧湊,具有大的 比表面积。相邻两盘填料相互垂直,使上升气流不断改变方向,下降的液体也不断 重新分布,故传质效率也高。波纹填料的缺点是不适用于处理粘度大、易聚合或有 悬浮物的物料,此外,填料装卸、清理比较困难,造价也比较高。 波纹填料按材质结构可分为网波纹填料和板波纹填料两类。 金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式,它是由金属网制成的,如图所示: 将金属丝网切成宽 50~100mm的矩形条,并压出波纹,波纹与长边的斜角为 30,45或60,网条上打出小孔以利气体穿过。然后将若干网条并排成较塔内 截面略小的一圆盘,盘高与条宽相等,许多盘在塔内叠成所需的高度。若塔径大, 则将一盘分成几份,安装时再并合。一盘之内,左右相邻两盘的网条又互成90交 因丝网细密,故其孔隙率较高,填料层压降低。由于丝网独具的毛细作用,使表面具有很好的润湿性能,所以尽管其造价高,因其性能优良仍得到了广泛的应用。 板波纹填料 为了克服丝网波纹填料价格高及安装要求高的缺点,将丝网条改为板条,填料 的构形相同,构造材料除金属外,还可用塑料。 金属板波纹填料是板波纹填料的一种形式,如图所示 该填料的波纹板上钻有许多5mm左右的小孔,可起到加强横向混合的作用。波纹 板上轧成细小的纹,可起到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。 板波填料的传质性能虽低于丝网波纹填料,但仍属高效填料之列。这类填料的 商品名有麦勒派克(Mellapak)、弗里西派克(Flexipac)等 (c)脉冲填料 脉冲填料的特点是处理量大,压降小,是真空精馏的理想填料。因其优良的液 体分布性能使放大效应减少,故特别适用于大塔径的场合。 (二)填料的性能评价 1,填料的几何特性 填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等,是评价填料性 能的基本参数。 (1)比表面积 单位体积填料的填料表面积称为比表面积,以a表示,其单位为m2/m3。填料的 比表面积愈大,所提供的气液传质面积愈大。因此,比表面积是评价填料性能优劣 的一个重要指标。 (2)空隙率 单位体积填料中的空隙体积称为空隙率,以e 表示,其单位为m3/m3,或以%表 示。填料的空隙率越大,气体通过的能力越大且压降低。因此,空隙率是评价填料 性能优劣的又一重要指标 (3)填料因子 填料的比表面积与空隙率三次方的比值,即a/e 3,称为填料因子,以f表示, 其单位为1/m。填料因子分为干填料因子与湿填料因子,填料未被液体润湿时的a/e3 称为干填料因子,它反映填料的几何特性;填料被液体润湿后,填料表面覆盖了一 称为湿填料因子,它表示填料的流体力学性能,f值越小,表明流动阻力越小。 2.填料的性能评价 填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下, 填料的比表面积越大,气液分布越均匀,表面的润湿性能越好,则传质效率越高; 填料的空隙率越大,结构越开敞,则通量越大,压降亦越低。采用模糊数学方法对 九种常用填料的性能进行了评价,得出如表所示的结论。可看出,丝网波纹填料综 合性能最好,拉西环最差。 三,填料的选择 填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺 的要求,又要使设备投资和操作费用最低。 填料种类的选择:填料种类的选择要考虑分离工艺的要求,通常考虑以下几个方面: (1)传质效率要高 一般而言,规整填料的传质效率高于散装填料 (2)通量要大 在保证具有较高传质效率的前提下,应选择具有较高泛点气速或 气相动能因子的填料 (4)填料抗污堵性能强,拆装、检修方便2.填料规格的选择 填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。 (1)散装填料规格的选择 工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、 DN50、DN76等几种规格。同类填料,尺寸越小,分离效率越高,但阻力增加,通量 减少,填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中,又会产生液体分 布不良及严重的壁流,使塔的分离效率降低。因此,对塔径与填料尺寸的比值要有 一规定,一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。 (2)规整填料规格的选择 工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多, 国内习惯用比表面积表示,主要有125、150、250、350、500、700等几种规格,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。选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备 投资、操作费用等方面综合考虑,使所选填料既能满足技术要求,又具有经济合理 应予指出,一座填料塔可以选用同种类型,同一规格的填料,也可选用同种类型不同规格的填料;可以选用同种类型的填料,也可以选用不同类型的填料;有的 塔段可选用规整填料,而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握,根据技术 经济统一的原则来选择填料的规格。 填料材质的选择填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。 (1)陶瓷填料 陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性及耐热性,陶瓷填料价格便宜,具 有很好的表面润湿性能,质脆、易碎是其最大缺点。在气体吸收、气体洗涤、液体 萃取等过程中应用较为普遍。 (2)金属填料 金属填料可用多种材质制成,选择时主要考虑腐蚀问题。碳钢填 料造价低,且具有良好的表面润湿性能,对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使 用;不锈钢填料耐腐蚀性强,一般能耐除Cl– 以外常见物系的腐蚀,但其造价较高, 且表面润湿性能较差,在某些特殊场合(如极低喷淋密度下的减压精馏过程),需 对其表面进行处理,才能取得良好的使用效果;钛材、特种合金钢等材质制成的填 料造价很高,一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。 一般来说,金属填料可制成薄壁结构,它的通量大、气体阻力小,且具有很高 的抗冲击性能,能在高温、高压、高冲击强度下使用,应用范围最为广泛。 (3)塑料填料 塑料填料的材质主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙 烯(PVC)等,国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好,可耐一般 的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好,可长期在100 C以下使用。 塑料填料质轻、价廉,具有良好的韧性,耐冲击、不易碎,可以制成薄壁结构。 它的通量大、压降低,多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。塑料填料的缺点 是表面润湿性能差,但可通过适当的表面处理来改善其表面润湿性能。 四,填料塔反应器的流体力学特性 正常操作时,流体从塔顶加入,经液体分布器喷淋到填料上,并沿填料表面流 下,气体从塔底送入,经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布器)分布后, 与液体呈逆流连续通过填料层孔隙,在填料表面气液两相密切接触进行反应。 填料塔中,液体在填料表面呈液膜状向下流动,液相主体量较少,液体在反应 器内停留时间短,因此填料塔气液相反应器适用于瞬间快速、所需接触界面大的反 应。气液两相在填料塔内的流动状况直接影响填料塔反应器的应用,因此有必要了 解气液两相在填料层内的流动状况。 1,液体的成膜 液体能否在填料铺展成膜与填料的润湿性有关,填料表面越容易被液体所润湿, 即液体在填料表面上的铺展能力越强,则液体越容易在填料表面成膜,因此对不同 的液体选择适当的填料材质和表面性质,将使液体在填料表面具有较大的铺展能力, 可使用较少的液体获得较大的润湿表面。如填料的材质选用不当,液体将不成膜而 成细流下降,使气液传质表面大为减少。 2,填料塔内液膜表面的更新 在填料塔内液膜所流经的填料表面是许多填料堆积而成的,形状极不规则。这 种不规则的填料表面有助于液膜的湍动,特别是当液体自一个填料通过接触点流至 下一个填料时,原来在液膜内层的液体可能转而处于表层,而原来处于表层的液体 可能转入内层,由此产生表面更新现象。这种表面更新现象有力地加快液相内部的 物质传递,是填料塔内气液传质中的有利因素。 但是,也应该看到,在乱堆填料层中可能存在某些液流所不及的死角。这些死 角虽然湿润的,但液体基本上处于静止状态,对两相传质贡献不大。 3,填料塔内的液体分布 液体在乱堆填料层内流动所经历的路径是随机的,当液体集中在某点进入填料 层并沿填料流下,液体将呈锥形逐渐散开。这表明乱堆填料具有一定的分散液体的 能力,因此,乱堆填料对液体予分布没有过于苛刻的要求。 另一方面,在填料表面流动的液体会部分地汇集形成沟流,使部分填料表面未 能润湿,综合上述两方面的因素,液体在流经足够高的一段填料之后,将形成一个 发展了的液体分布,称为填料的特征分布。它是有填料的特性决定的。规整填料的 特性分布优于散装填料。在同一填料塔中,喷液量越大,特征分布越均匀。 液体在填料塔中流下时,由于以下原因造成较大尺度上的分布不均匀,在设计 时应采取适当的改进措施。 初始分布不均匀性 对于小塔,液体在乱堆填料层中虽有一定的自分布能力, 但若液体初始分布不良,总体上填料的润湿表面积减少。对于大塔,初始分布不良 很难利用填料的自分布能力达到全塔截面液体的分布均匀。因此在设计时要选择好 液体分布器。 填料层内液流的不均匀性 沿填料流下的液流可能向内、也可能向外流向塔壁,导致较多液体沿塔壁流下 形成壁流,减少了填料层的润湿率,这种现象称为填料层内液流的不均匀性。尤其 当填料较大时(塔径与填料之比D/d<8),壁流现象显著。工业大型填料塔以取D/d >30为宜。此外,由于塔体倾斜、填充不均匀及局部填料破损等均会造成填料层内 液体分布不均匀,液流不均匀性是大型填料塔传质性能下降的主要原因。 在填料塔中流动的液体占有一定的体积,填料层的持液量是指在一定操作条件下,在单位体积填料层内所积存的液体体积,以(m3液体)/(m3填料)表示。持液量可 分为静持液量Hs、动持液量Ho和总持液量Ht。 静持液量是指当填料被充分润湿后, 停止气液两相进料,并经排液至无滴液流出时存留于填料层中的液体量,其取决于 填料和流体的特性,与气液负荷无关。动持液量是指填料塔停止气液两相进料时流 出的液体量,它与填料、液体特性及气液负荷有关。总持液量是指在一定操作条件 下存留于填料层中的液体总量。显然,总持液 填料层的持液量可由实验测出,也可由经验公式计算。持液量与填料表面的液膜厚度有关,液体喷淋量大,液膜增厚,持液量也加大。 在一般填料塔操作的气速范围内,由于气体上升对液膜流下造成的的阻力可以忽略, 气体流量对液膜厚度及持液量的影响不大。 一般来说,适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质传质是有益的,但持液 量过大,将减少填料层的空隙和气相流通截面,使压降增大,处理能力下降。 在逆流操作的填料塔中,从塔顶喷淋下来的液体,依靠重力在填料表面成膜状向下流动,液膜与填料表面的摩擦及液膜与上升气体的摩擦构成了液膜流动的阻力, 形成了填料层的压降。显然,填料层压降与液体喷淋量及气速有关,在一定的气速 下,液体喷淋量越大,压降越大;在一定的液体喷淋量下,气速越大,压降也越大。 将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降P/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐标 纸上,可得到如下图4.12所示的曲线簇。 若气速继续增大,到达图中B点时,由于液体不能顺利向下流动,使填料层的持 液量不断增大,填料层内几乎充满液体。气速增加很小便会引起压降的剧增,此现 象称为液泛,开始发生液泛现象时的气速称为泛点气速,以uF表示,曲线上的点B, 称为泛点。从载点到泛点的区域称为载液区,泛点以上的区域称为液泛区。 应予指出,在同样的气液负荷下,不同填料的P/Z~u关系曲线有所差异,但 其基本形状相近。对于某些填料,载点与泛点并不明显,故上述三个区域间无截然 的界限。 对于逆流填料反应塔,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, 液体被大量带出塔顶,塔的操作极不稳定,甚至会被破坏,此种情况称为淹塔或液 泛。影响液泛的因素很多,如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。 填料特性的影响集中体现在填料因子上。填料因子值越小,越不易发生液泛现 流体物性的影响体现在气体密度、液体的密度和粘度上。液体的密度越大,因液体靠重力流下,则泛点气速越大。气体密度越大,液体的粘度越大,相同气速下 对液体的阻力也越大,则泛点气速越小。 操作的液气比愈大,则在一定气速下液体喷淋量愈大,填料层的持液量增加而 空隙率减小,故泛点气速愈小。 7.液体喷淋密度和填料表面的润湿 填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液 膜,填料表面必须被液体充分润湿,而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋 密度及填料材质的表面润湿性能。 液体喷淋密度是指单位塔截面积上,单位时间内喷淋的液体体积,以U表示,单 位为m3/(m2h)。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,该极限值称为最小喷淋密度,以Umin表示。最小喷淋密度通常采用下式计算, Umin最小喷淋密度,m3/(m2h); (LW)min 最小润湿速率,m3/(mh); 填料的比表面积,m2/m3。最小润湿速率是指在塔的截面上,单位长度的填料周边的最小液体体积流量。 其值可由经验公式计算,也可采用经验值。对于直径不超过75mm的散装填料,可取 最小润湿速率(LW)min为0.08 m3/(mh);对于直径大于 75mm的散装填料,取(LW)min =0.12 m3/(mh)。 填料表面润湿性能与填料的材质有关,就常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而 言,以陶瓷填料的润湿性能最好,塑料填料的润湿性能最差。 实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小,可采 用增大回流比或采用液体再循环的方法加大液体流量,以保证填料表面的充分润湿; 也可采用减小塔径予以补偿;对于金属、塑料材质的填料,可采用表面处理方法, 改善其表面的润湿性能。 在填料塔内,气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态,而是存在着不同程度的返混。造成返混现象的原因很多,如:填料层内的气液分布不均;气体和液体在 填料层内的沟流;液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动;塔内气液的湍 流脉动使气液微团停留时间不一致等。填料塔内流体的返混使得传质平均推动力变 小,传质效率降低。因此,按理想的活塞流设计的填料层高度,因返混的影响需适 当加高,以保证预期的分离效果。 4.3 鼓泡塔反应器 鼓泡塔是一种常用的气液接触反应设备,各种有机化合物的氧化反应,如乙烯 氧化生成乙醛、乙醛氧化生成醋酸或醋酸酐、环己醇氧化生成己二酸、环己烷氧化 生成环己醇和环己酮、及石蜡和芳烃的氯化反应、C18-20烃氧化生成皂用脂肪酸、 对二甲苯氧化生成苯二甲酸、在硫酸水溶液中异丁酸水解生成异丁烯、氨水碳化生 成碳酸氢铵等反应都采用鼓泡塔。在鼓泡塔中,一般不要求对液相作剧烈搅拌,蒸 汽以气泡状吹过液体而造成的混合已足够。 鼓泡塔的优点是气相高度分散在液相中,因此有大的持液量和相际接触表面, 使传质和传热的效率较高,它适用于缓慢化学反应和强放热情况。同时反应器结构 简单、操作稳定、投资和维修费用低。 缺点是液相有较大返混现象,当高径比大时,气泡合并速度增加,使相际接触 面积减小。 一,鼓泡塔反应器的分类 工业所遇到的鼓泡塔反应器,按其结构可分为空心式、多段式、气体提升式和 液体喷射式。 空心式鼓泡塔 (见图3.1)在工业上有广泛的应用。这类反应器最适用于缓慢化学反应系统或 伴有大量热效应的反应系统。若热效应较大时,可在塔内或塔外装备热交换单元(见 图3.2)。 高反应效果(见图3.3)。当高粘性物系,例如生化工程的发酵、环境工程中活性污泥的处理、有机化工 中催化加氢(含固体催化剂)等情况,常用气体提升式鼓泡反应器(见图3.4)或液 体喷射式鼓泡反应器(见图3.5),此种利用气体提升和液体喷射形成有规则的循环 流动,可以强化反应器传质效果,并有利于固体催化剂的悬浮。此类又统称为环流 式鼓泡反应器。它具有径向气液流动速度均匀、轴向弥散系数较低,传热、传质系 数较大,液体循环速度可调节等优点。

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