填料塔流体力学性能-化工单元过程与操作

在逆流操作的填料塔内，液体从塔顶喷淋下来，依靠重力在填料表面作膜状流动，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。因此，液膜的膜厚取决于液体和气体的流量。液体流量越大，液膜越厚;当液体流量一定时，上升气体的流量越大，液膜也越厚。液膜的厚度直接影响到气体通过填料层的压力降、液泛气速及塔内持液量等流体力学性能。

( 一) 气体通过填料层的压力降

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; 一定的液体喷淋量下气速越大，压降也越大。不同液体喷淋量下的单位填料层的压降Δp/Z 与空塔气速u 的关系标绘在双对数坐标纸上，可得到如图3 -15 所示的曲线。

图3 -15 中，直线L0 表示无液体喷淋( L =0) 时干填料的Δp 与u 关系，称为干填料压降线。曲线L1、L2、L3 表示不同液体喷淋量下填料层的Δp 与u 的关系( 喷淋量L1＜L2 ＜L3) 。从图中可看出，在一定的喷淋量下，压降随空塔气速的变化曲线大致可分为三段: 当气速低于A 点时，气体流动对液膜的曳力很小，液体流动不受气流的影响，填料表面上覆盖的液膜厚度基本不变，因而填料层的持液量不变，该区域称为恒持液量区。此时在对数坐标图上Δp 与u 近似为一直线，且基本上与干填料压降线平行。当气速超过A 点时，气体对液膜的曳力较大，对液膜流动产生阻滞作用，使液膜增厚，填料层的持液量随气速的增加而增大，此现象称拦液。开始发生拦液现象时的空塔气速称为载点气速，曲线上的转折点A，称为载点。若气速继续增大，到达图中B 点时，由于液体不能顺利流下，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空塔气速称为泛点气速，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。通常认为泛点气速是填料塔正常操作气速的上限。

影响泛点气速的因素很多，其中包括填料的特性，流体的物理性质以及液气比等。泛点气速计算方法很多，目前最广泛的是埃克特提出的通用关联图。

图3-15　填料层的Δp/Z—u 示意图

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( 二) 液泛(www.xing528.com)

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。填料因子的Φ 值在某种程度上能反映填料流体力学性能的优劣。实践表明，Φ 值越小，液泛速度越高，即越不易发生液泛。

流体物性的影响体现在气体密度ρv、液体的密度ρl 和黏度μl 上。因液体靠重力流下，液体的密度越大，则泛点气速越大;气体密度越大，液体黏度越大，相同气速下对液体的阻力也越大，故均使泛点气速下降。

操作的液气比越大，则在一定气速下液体喷淋量越大，填料层的持液量增加而空隙率减小，故泛点气速越小。

( 三) 持液量

因填料与其空隙中所持的液体是堆积在填料支承板上的，故在进行填料支承板强度计算时，要考虑填料本身的重量与持液量。持液量小则气体流动阻力小，到达载点以后，持液量随气速的增加而增加。

持液量是由静持液量与动持液量两部分组成的。静持液量指填料层停止接受喷淋液体并经过规定的滴液时间后，仍然滞留在填料层中的液体量，其大小决定于填料的类型、尺寸及液体的性质。动持液量指一定喷淋条件下持于填料层中的液体总量与静持液量之差，表示可以从填料上滴下的那部分液体，即指操作时流动于填料表面的液体量，其大小不但与填料的类型、尺寸及液体的性质有关，而且与喷淋密度有关。持液量一般用经验公式或曲线图估算。