2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 1/88
第四章 气液传质设备
4.1 板式塔
4.2 填料塔
4.3 填料塔与板式塔的比较
本章总结－联系图
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蒸馏和吸收虽原理不同，但从传质角度讲，有共同特点，
即气液两相要密切接触，接触后两相要及时分离。因此，
蒸馏和吸收可在相同的设备内进行，此设备即为气液传质
设备。
气液传质设备中，典型的是塔设备。
在塔设备内，液体靠重力作用自上而下流动，气相自下
而上流动，两者逆流接触。
从结构上分，塔设备分板式塔和填料塔。
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4.1 板式塔
4.1.1 板式塔的结构
4.1.2 塔板的类型及性能评价
4.1.3 板式塔的流体力学性能与操作特性
4.1.4 板式塔的设计
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4.1 板式塔
4.1.1 板式塔的结构
逐级接触式，内装塔板，气液传质在
板上液层空间内进行；两相的组成沿塔
高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相
为连续相，气相为分散相。
溢流堰,维持塔板上一定高度的液层，
以保证在塔板上气液两相有足够的接触
面积；
降液管,作为液体从上层塔板流至下
层塔板的通道。
板式塔特点：生产能力大，塔板效率
稳定，操作弹性大，造价低，检修、清
洗方便。
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板式塔的设计意图
1、在每块塔板上气液两相必须保
持密切而充分的接触，为传质过程提
供足够大而且不断更新的相际接触表
面，以减小传质阻力；
2、在塔内应尽量使气液两相呈逆
流流动，以提供较大的传质推动力。
板式塔,总体上气液呈逆流流动 ；
每块塔板上呈均匀错流 。
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4.1.2 塔板的类型及性能评价
4.1.2.1 塔板类型
塔板分为
?有降液管式塔板（也称溢流式塔板或错流式塔板）：气
液两相呈错流方式接触，其塔板效率高，具有较大的操作
弹性，使用广泛。
?无降液管式塔板（也称穿流式塔板或逆流式塔板）：气
液两相呈逆流接触，其板面利用率高，生产能力大，结构
简单，但效率较低，操作弹性小，应用较少。
本节只讨论有降液管式塔板。
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4.1.2 塔板的类型及性能评价
1,泡罩塔板
泡罩塔板是工业上应用最早的
塔板，其结构如图所示，它主要由升
气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管
的顶部，分圆形和条形两种，以前者
使用较广。泡罩有 Φ80,Φ100、
Φ150mm三种尺寸，可根据塔径的大
小选择。泡罩的下部周边开有很多齿
缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。
泡罩在塔板上为正三角形排列。
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操作时，液体横向流过塔板，靠溢
流堰保持板上有一定厚度的液层，齿
缝浸没于液层之中而形成液封。升气
管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以
防止液体从中漏下。上升气体通过齿
缝进入液层时，被分散成许多细小的
气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为
气液两相的传热和传质提供大量的界
面。
泡罩塔板的优点是操作弹性较大，
塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造
价高，板上液层厚，塔板压降大，生
产能力及板效率较低。泡罩塔板已逐
渐被筛板、浮阀塔板所取代，在新建
塔设备中已很少采用。
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2,筛孔塔板
筛孔塔板简称筛板，其结构
如图示。塔板上开有许多均匀
的小孔，孔径一般为 3～ 8mm。
筛孔在塔板上为正三角形排列。
塔板上设置溢流堰，使板上能
保持一定厚度的液层。
操作时，气体经筛孔分散成
小股气流，鼓泡通过液层，气
液间密切接触而进行传热和传
质。在正常的操作条件下，通
过筛孔上升的气流，应能阻止
液体经筛孔向下泄漏。
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筛板的优点是结构简单、造价低，板上液面落差小，气
体压降低，生产能力大，传质效率高。其缺点是筛孔易堵
塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。
应予指出，筛板塔的设计和操作精度要求较高，过去工
业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断
提高，可使筛板塔的操作非常精确，故应用日趋广泛。
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3,浮阀塔板
浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，应用广
泛。浮阀的类型很多，国内常用的有如图示的 F1型,V-4
型及 T型等。
浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，
每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个
阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转 90°,以限制阀片升起
的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个
略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，
阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防
止阀片与板面的粘结。
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操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方
向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷
而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通
过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，
开度增大，使气速不致过大。
浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操
作弹性大，塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度
的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生
阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。
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三种塔板的比较,
1,生产能力,筛板 >浮阀 >泡罩；
2,压降,泡罩 >浮阀 >筛板；
3,操作弹性,浮阀 >泡罩 >筛板；
4,造价,泡罩 >浮阀 >筛板；
5,板效率,浮阀、筛板相当 >泡罩 。
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4,喷射型塔板
上述几种塔板，气体是以鼓泡或泡沫状态和液体接触，
当气体垂直向上穿过液层时，使分散形成的液滴或泡沫具
有一定向上的初速度。若气速过高，会造成较为严重的液
沫夹带，使塔板效率下降，因而生产能力受到一定的限制。
为克服这一缺点，近年来开发出喷射型塔板，大致有以下
几种类型。
（ 1）舌型塔板
舌型塔板的结构如图所示，在塔板上冲出许多舌孔，方
向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，
有 18°, 20°, 25° 三种（一般为 20° ），舌片尺寸有
50× 50mm和 25× 25mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板
的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管，降液管截
面积要比一般塔板设计得大些。
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操作时，上升的气流沿舌片喷出，
其喷出速度可达 20～ 30m/s。当液体流
过每排舌孔时，即被喷出的气流强烈
扰动而形成液沫，被斜向喷射到液层
上方，喷射的液流冲至降液管上方的
塔壁后流入降液管中，流到下一层塔
板。
舌型塔板的优点是：生产能力大，
塔板压降低，传质效率较高；缺点是：
操作弹性较小，气体喷射作用易使降
液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，
从而降低塔板效率。
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（ 2）浮舌塔板
如图所示，与舌型塔板相比，浮舌塔板的结构特点是其
舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌
型塔板的特点，具有处理能力大、压降低、操作弹性大等
优点，特别适宜于热敏性物系的减压分离过程。
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（ 3）斜孔塔板
斜孔塔板的结构如图所示。在板上开
有斜孔，孔口向上与板面成一定角度。
斜孔的开口方向与液流方向垂直，同一
排孔的孔口方向一致，相邻两排开孔方
向相反，使相邻两排孔的气体向相反的
方向喷出。这样，气流不会对喷，既可
得到水平方向较大的气速，又阻止了液
沫夹带，使板面上液层低而均匀，气体
和液体不断分散和聚集，其表面不断更
新，气液接触良好，传质效率提高。
斜孔塔板克服了筛孔塔板、浮阀塔板
和舌型塔板的某些缺点。斜孔塔板的生
产能力比浮阀塔板大 30%左右，效率与
之相当，且结构简单，加工制造方便，
是一种性能优良的塔板。
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4.1.2.2 塔板的性能评价
1.生产能力大，即单位塔截面积上气体和液体的通量大；
2.分离效率高，即完成一定的分离任务所需的板数少；
3.阻力小，压降低，即气体通过单板的压降低，能耗低，
对于精馏系统可降低釜温，尤其适用于热敏性物系的分离；
4.操作弹性大，即当操作的气液流量发生波动时仍能维持
板效率的稳定；
5.满足工业对生产设备的一般要求，即结构简单、造价低、
安装维修方便等。
常见塔板的性能比较见 P237表 4-2。
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4.1.3 板式塔的流体力学性能与操作特性
4.1.3.1 板式塔的流体力学性能
1,塔板上气液两相的接触状态
塔板上气液两相的接触状态是决定板上两相流体力学及
传质和传热规律的重要因素。当液体流量一定时，随着气
速的增加，可以出现三种典型的接触状态。
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（ 1）鼓泡接触状态
当气速较低时，气体以鼓泡形
式通过液层。由于气泡的数量不多，
形成的气液混合物基本上以液体为主，
气液两相接触的表面积不大，传质效
率很低。
特点：
?液体为连续相，气体为分散相；
?传质在气泡表面进行；
?湍动程度低，传质阻力大。
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（ 2）泡沫接触状态
当气速继续增加，气泡数量急剧增加，
气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液
体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，
形成一些直径较小，扰动十分剧烈的动
态泡沫，在板上只能看到较薄的一层液
体。由于泡沫接触状态的表面积大，并
不断更新，为两相传热与传质提供了良
好的条件，是一种较好的接触状态。
特点：
?液体为连续相，气体为分散相；
?传质在不断更新的液膜表面进行；
?湍动程度高，接触面积大，传质阻力
小。
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（ 3）喷射接触状态
当气速继续增加，由于气体动能很
大，把板上的液体向上喷成大小不等
的液滴，直径较大的液滴受重力作用
又落回到板上，直径较小的液滴被气
体带走，形成液沫夹带。特点：
?气体为连续相，液体为分散相；
?传质在不断更新的液滴表面进行；
?因液滴不断形成和聚集，因此传质
面积大大增加。
如上所述，泡沫接触状态和喷射状态均是优良的塔板接
触状态。因喷射接触状态的气速高于泡沫接触状态，故喷射
接触状态有较大的生产能力，但喷射状态液沫夹带较多，若
控制不好，会破坏传质过程，所以多数塔均控制在泡沫接触
状态下工作。
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2.气体通过塔板的压降
气体通过塔板的压降（塔板的总压降） Δpp包括：
?塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力）
?板上充气液层的静压力
?液体的表面张力。
塔板压降是影响板式塔操作特性的重要因素。
塔板压降增大，一方面塔板上气液两相的接触时间随之
延长，板效率升高，完成同样的分离任务所需实际塔板数
减少，设备费降低；另一方面，塔釜温度随之升高，能耗
增加，操作费增大,若分离热敏性物系时易造成物料的分
解或结焦。因此，进行塔板设计时，应综合考虑，在保证
较高效率的前提下，力求减小塔板压降，以降低能耗和改
善塔的操作。
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影响塔板压降 Δpp的因素：
气量 ↑→ Δpp ↑
液量 ↑→ Δpp ↑
开孔率 ↑→u0 ↓ → Δpp ↓
孔径 ↓→ Δpp ↑
板上清液层高度 ↑→ Δpp ↑
液体表面张力 ↑→ Δpp ↑
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3.塔板上的液面落差
产生原因,液体在塔板上横向流
动时要克服流动阻力（摩擦阻力、
形体阻力）。
不良后果,液面落差会导致气流
分布不均，从而造成漏液现象，使
板效率下降。
影响因素,塔结构复杂、塔径 ↑、
流量 ↑→液面落差 ↑
有溢流塔板
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 28/88
4.1.3.2 板式塔的操作特性
1.气液两相非理想流动状态
（ 1）气相、液相同主流方向相反的流动。表现在：
?液沫夹带,指部分液滴随上升的气流一切返回到上层塔
板，即液体的方向流动。产生原因：气体速度大过，造成
液体弹溅，使小液滴被气流带到上层塔板，大液滴弹溅到
上层塔板。
产生原因,气速 ↑,板间距 HT↓
不良后果：
?降低板效率
?将不挥发性物质逐板送至塔顶造成产品污染
?严重时造成液泛
?气泡夹带,液体在降液管中停留时间过短，气泡来不及
解脱，而被液体卷入下层塔板。
产生原因,降液管太小，停留时间短
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（ 2）气相、液相不均匀流动
液体：流动速度不均匀，中间快，两边慢。
气体,液面落差和液层波动，引起气体分布不均匀。液
层厚，阻力大，汽速小；
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2.塔板上的异常操作现象
（ 1）漏液
当气体通过塔板的速度较小时，气体通过升气孔道的动
压不足以阻止板上液体经孔道流下时，便会出现漏液现象。
不良后果,降低板效率，严重时使板上不能积液 。
产生原因,气速过小，或气体分布严重不均、液体分布
严重不均 。
改进措施,在塔板液体入口处留出一条不开孔的区域，
称为安定区，使漏液量不大于液体流量的 10%。
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（ 2）液泛
塔板正常操作时，在板上维持一定厚度的液层，以和气
体进行接触传质。如果由于某种原因，导致 液体充满塔板
之间的空间，使塔的正常操作受到破坏，这种现象称为液
泛。 液泛时的气速称为泛点气速，正常操作气速应控制在
泛点气速之下。
不良后果,塔压力降急剧增大、板效率急剧减小
产生原因：
?气体流量过大，产生了过量的液沫夹带；
?液体负荷过大，降液管的截面积不够。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 32/88
当塔板上液体流量很大，上升气体的速度很高时，液体
被气体夹带到上一层塔板上的量剧增，使塔板间充满气液
混合物，最终使整个塔内都充满液体，这种由于液沫夹带
量过大引起的液泛称为 夹带液泛 。
当降液管内液体不能顺利向下流动时，管内液体必然积
累，致使管内液位增高而越过溢流堰顶部，两板间液体相
连，塔板产生积液，并依次上升，最终导致塔内充满液体，
这种由于降液管内充满液体而引起的液泛称为 降液管液泛 。
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3,塔板的负荷性能图
影响板式塔操作状况和分离
效果的主要因素为物料性质、塔
板性质及气液负荷。对一定的塔
板结构，处理固定的物系时，其
操作状况便随气液负荷而变。要
维持塔板正常操作，必须将塔内
的气、液负荷波动控制在一定范
围内。
以气相负荷 V为纵标，以液相
负荷 L为横标，标绘在直角坐标
系中得负荷性能图。
它对检验塔的设计是否合理，
了解塔的操作状况及改进塔板操
作弹性具有一定的指导意义。
?线 1为 漏液线,可根据
漏液点气速确定，若气液
负荷位于此线下方，表明
漏液已使塔板效率大幅度
下降；
?线 2为 液沫夹带线,通常
以 Kg液 /Kg干空气为依据
确定，气液负荷位于该线
上方，表示液沫夹带过量，
已不宜采用；
?线 3为 液相负荷下限线,
液量小于该下限，板上液
体流动严重不均匀而导致
板效率急剧下降；
线 4为 液相负荷上限线,
若液量超过此上限，液体
在降液管内停留时间过短，
液流中的气泡夹带现象大
量发生，以致出现溢流液
泛。
?线 5为溢流液泛线，可根
据溢流液泛的产生条件确
定，若气液负荷位于此线
上方，塔内将出现溢流液
泛；
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〖 说明 〗
? 操作弹性：上、下限操作极限的气体
流量之比称为塔板的操作弹性，操作弹
性越大的塔越好，一般要求大于 2～ 3。
? 板型不同，负荷性能图中所包括的边
界线也有所不同。
? 同一板型但设计不同，线的相对位置
也会不同。
? 过原点，斜率为 V/L的直线称操作线
? 设计时，应使操作点尽量位于操作区
的中央，若操作点紧靠某一条边界线，
则负荷稍有变动，塔的正常操作即被破
坏。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 35/88
4.1.4 板式塔的设计
设计内容,
板型：筛板、浮阀等
板上液流型式：单流、双流等
板间距 HT
塔径 D
板上结构：开孔情况、溢流装置结构
设计方法,
若流体力学性能不好，则调整相应结构参数
根据经验
选定一些
结构参数
设计其他
参数
校核各项
流体力学
性能
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 36/88
4.2 填料塔
4.2.1 填料塔的结构与特点
4.2.2 填料的类型及性能评价
4.2.3 填料塔的流体力学性能
4.2.4 填料塔的内件
4.2.5 填料塔的设计
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 37/88
4.2.1 填料塔的结构与特点
1,填料塔的结构
?填料层：提供气液接触的场所。
?液体分布器：均匀分布液体，
以避免发生沟流现象。
?液体再分布器：避免壁流现象
发生。
?支撑板：支撑填料层，使气体
均匀分布。
?除沫器：防止塔顶气体出口处
夹带液体 。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 38/88
气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设
气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的
空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料
塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变
化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。
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中分布不均，从而使传质效
率下降。因此，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上。
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2.填料塔的特点 (与板式塔相比 )
优点,
?生产能力大。填料塔内件开孔率大，空隙率大，液泛点
高。
?分离效率高。填料塔每米理论级远大于板式塔，尤其在
减压及常压条件下。
?压降小。空隙率高，阻力小。
?持液量小。
?操作弹性大。
缺点,填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿
填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容
易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 40/88
4.2.2 填料的类型及性能评价
4.2.2.1 填料 （ packings） 的类型
1.分类
?按填料形状分：
?实体填料
?网体填料
?按填料的装填方式分：
?散装填料
?规整填料
?按材质分：
?金属填料
?塑料填料
?陶瓷填料
?石墨填料
填料作用
?提供气液接触面积；
?强化气体湍动，降低
气相传质阻力；
?更新液膜表面，降低
液相传质阻力 。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 41/88
2.常用的几种填料
①拉西环 (Rasching ring), 拉西环是
工业上最早使用的一种填料，为外径
与高度相等的圆环，通常由陶瓷或金
属材料制成。拉西环结构简单，制造
容易，但堆积时相邻环间易形成线接
触，填料层的均匀性差，因而存在严
重的向壁偏流和沟流现象，致使传质
效率低。而且流动阻力大，操作范围
小。其改善方面有 θ 形、十字格形的
拉西环。
拉西环
?环
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 42/88
②鲍尔环 (pall ring),鲍尔环是在拉
西环的壁上开一层或两层长方形窗口，
窗孔的母材两层交错地弯向环中心对
接。这种结构使填料层内气、液分布
性能大为改善，尤其是环的内表面得
到充分利用。与同样尺寸的拉西环相
比，鲍尔环的气液通量可提高 50%，
而压降仅为其一半，分离效果也得到
提高。其改进为阶梯形鲍尔环
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 43/88
③阶梯环,鲍尔环基础上改造得出
的。环壁上开有窗孔，其高度为直径
的一半,圆筒部分的一端制成喇叭口
形状。 由于高径比的减少，使得气体
绕填料外壁的平均路径大为缩短，减
少了阻力。喇叭口一边，不仅增加机
械强度，而且使填料之间为点接触，
有利于液膜的汇集与更新，提高了传
质效率。
特点是床层均匀且空隙率大，与鲍
尔环相比气体阻力减少 25%，生产能
力提高 10%。为 目前所使用的环型填
料中最为优良的一种。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 44/88
④ 弧鞍型 (berl saddle),表面全
部敞口，不分内外，液体在表面
两侧均匀流动，表面利用率高，
流动呈弧形，气体阻力小。但两
面对称有重叠现象，容易产生沟
流。 强度差，易破碎。应用较少。
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⑤ 矩鞍型 (intolox saddle)：
矩鞍形填料结构不对称，堆积
时不重叠，均匀性更高。该填
料气流阻力小，处理能力大，
性能虽不如鲍尔环好，但构造
简单，是一种性能优良的填料。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 46/88
⑥环矩鞍 (Intalox),兼具
环型、鞍型填料的优点。敞
开的侧壁有利于气体和液体
通过，减少了填料层内滞液
死区。填料层内流体孔道增
多，使气液分布更加均匀，
传质效率得以提高。
一般采用金属材质，机械
强度高。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 47/88
⑦球型,球体为空心，气体和液体从其内部经过。由
于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不易产生空
穴和架桥，故气液分散性能好。
常采用塑料材质。一般用于特定场合，工程上应用较
少。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 48/88
⑧格栅填料,以条状单
元体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，具有
多种结构形式。特点是比
表面积较低，主要用于低
压降、大负荷、防堵的场
合。
木格栅填料
格里奇格栅填料
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 49/88
⑨波纹填料,波纹填料是由许多
层波纹薄片组成，各片高度相同但
长短不等，搭配组合成圆盘状，填
料波纹与水平方向成 45°倾角，相
邻两片反向重叠使其波纹互相垂直。
圆盘填料块水平放入塔内，相邻两
圆盘的波纹薄片方向互成 90°角。
波纹填料因波纹薄片的材料与形状
不同分成板波纹填料和网波纹填料。
板波纹填料可由陶瓷、塑料、金
属、玻璃钢等材料制成。填料的空
隙率大，阻力小，流体通量大、效
率高，而且制造方便、价格低，正
向通用化、大型化方向发展。
金属丝网波纹填料
金属孔板波纹填料
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 50/88
⑩脉冲填料,是由带缩颈的中空
棱柱形单体，按一定方式拼装而成
的一种规则填料。脉冲填料组装后，
会形成带锁颈的多孔棱形通道，其
纵面流道交替收缩和扩大，气液两
相通过时产生强烈的湍动，在缩颈
处，气速最高，湍动剧烈，从而强
化传质，在扩大段，气速减到最小，
实现两相的分离。流道收缩、扩大
的交替重复，实现了“脉冲”传质
过程。
特点是处理量大，压降小。适用
于真空精馏，大塔径场合。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 51/88
4.2.2.2 填料的性能评价
1,填料的几何特性
（ 1）比表面积 α,单位体积填料层具有的填料表面积，
m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大，
愈有利于传质 。是评价填料性能优劣的 重要指标 。
〖说明〗
?操作中有部分填料表面不被润湿，以致比表面积中只有
某个分率的面积才是润湿面积。据资料介绍，填料真正润
湿的表面积只占全部填料表面积的 20～ 50%。
?有的部位填料表面虽然润湿，但液流不畅，液体有某种
程度的停滞现象。这种停滞的液体与气体接触时间长，气
液趋于平衡态，在塔内几乎不构成有效传质区。为此，须
把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 52/88
（ 2） 空隙率 ε,单位体积填料层具有的空隙体积,m3/m3。
值大则气体通过填料层的阻力小，故 ε值以高为宜。 重要指
标。
对于乱堆填料，当塔径与填料尺寸之比大于 8时，因每个
填料在塔内的方位是随机的，填料层的均匀性较好，这时
填料层可视为各向同性，填料层的空隙率就是填料层内任
一横截面的空隙截面分率。
（ 3）填料因子 φ,比表面积与空隙率三次方的比值，
α /ε 3称为干填料因子,1/m,它反映特定结构和尺寸填料
的综合流体力学性能。当填料被液体润湿后,a与 ε 均发生
相应的变化，此时的 α/ε 3称为湿填料因子，表示实际操作
时填料的流体力学特性，其值由实验测定。
填料因子值小表示流动阻力小，液泛速度可以提高。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 53/88
（ 4） 堆积密度 ρ p,单位体积填料的质量, kg/m3。 在机
械强度允许的条件下, 填料壁要尽量薄以减小堆积密度,
这样既增大了空隙率又降低成本 。
（ 5）个数 n,单位体积填料层具有的填料个数。根据计
算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料的 n值，即可确
定塔内需要的填料数量。一般要求塔径与填料尺寸之比
D/d<8（ 此比值在 8～ 15之间为宜），以便气、液分布均匀。
若 D/d>8,在近塔壁处填料层空隙率比填料层中心部位的空
隙率明显偏高，会影响气液的均匀分布。若 D/d值过大，即
填料尺寸偏小，气流阻力增大。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 54/88
2.填料的性能评价
填料性能的优劣常根据 效率、通量及压降 三要素衡量。
相同条件下，比表面积愈大，气液分布愈均匀，表面的
润湿性能愈优良，传质效率愈高；
空隙率愈大，则通量愈大，压降也愈低。
常用填料综合性能评价见 P269表 4-5。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 55/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能
包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面
的润湿及返混等。
1,填料层的持液量
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。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 56/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
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
量为静持液量和动持液量之和，即
填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。
一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是
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。
st HHH ?? 0
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 57/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
2,填料层的压降
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,上
升气体与下降液膜的摩擦阻力形
成了填料层的压降 。 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；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 ΔP/Z与空塔气速 u的关系标
绘在对数坐标纸上，可得到如图
示的线群。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 58/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
在图中，直线 0表示无液
体喷淋（ L=0）时，干填料
△ P/Z～ u关系，称为干填料压降
线，直线，斜率为 1.8～ 2.0。曲
线 1,2,3表示不同液体喷淋量
下，填料层的△ P/Z～ u关系，称
为填料操作压降线，折线，存在
两转折点，下转折点称“载点”，
上转折点称“泛点”。这两个点
将△ P/Z～ u线群分成三个区段，
即恒持液量区、载液区和液泛区。
载点
泛点
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 59/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
①恒持液量区
气速较低时，液体向下流动不受气流的影
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。在同一空塔气速
下，由于湿填料层内所持液体量占据一定空
间，故使气体的真实速度较通过干填料层的
速度高，因而压降也大，此时△ P/Z～ u位于
干填料压降线的左侧，且二者平行。
②载液区
气速增大，气体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，此现象称为拦液。开始发生拦液现
象时的空塔气速称为载点气速，超过载点后，
曲线斜率大于 2。
载点
泛点
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 60/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
③液泛区
气速继续增大，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。此
区域内曲线斜率可达 10以上。
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。
载点
泛点
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 61/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
3,液泛
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，泛点气速越大，即越不易发生液泛现象。
?流体物性的影响体现在气体密度 ρV、液体的密度 ρL和粘度
μL上。气体密度越小，液体的密度越大、粘度越小，则泛
点气速越大。
?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。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 62/88
4,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/(m2·h)。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。
式中 Umin —— 最小喷淋密度,m3/(m2·h)；
(LW)min —— 最小润湿速率,m3/(m·h)；
α —— 填料的比表面积,m2/m3。
aLU w m i nm i n )(?
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 63/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
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/(m·h)；对于直径
大于 75mm的散装填料，取 (LW)min =0.12 m3/(m·h)。
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 。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 64/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
5．返混
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。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 65/88
4.2.4 填料塔的内件
1.填料支承装置：主要用途是 支承塔内的填料,同时又能保证气液两
相顺利通过。若设计不当，填料塔的液泛可能首先在填料支承装置上发
生。
对填料支承装置的要求：
对于普通填料，支承装置的自由截面积应不低于全塔面积的 50%，并
且要大于填料层的自由截面积；
具有足够的机械强度、刚度；
结构要合理，利于气液两相均匀分布，阻力小，便于拆装。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 66/88
2.填料压紧装置
安装在填料层上端。作用是 保持填料层为一高度固定的床层，从而
保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定,防止在高压降、瞬时
负荷波动等情况下，填料层发生松动或跳动。
分为：
填料压板。自由放置于填料上端，靠自身重量将填料压紧。适用于
陶瓷、石墨材质的散装填料。
床层限制板。固定在填料上端。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 67/88
3.液体分布装置
填料塔操作要求液体沿同一塔截面均匀分布。 为使液流分布均匀，
液体在塔顶的初始分布须均匀 。经验表明，对塔径为 0.75m以上的塔，
每平方米塔横截面上应有 40～ 50个喷淋点；对塔径在 0.75m以下的塔，
喷淋点密度集至少应为 160个 /m2塔截面。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 68/88
4.液体收集及再分布装置
作用是 减小壁流现象 。
壁流现象,在乱堆填料层内存在的液体逐渐流向塔壁的现象。
在填料层内每隔一定高度设置液体再分布装置 。
对拉西环填料，再分布器的距离约为塔径的 2.5～ 3倍，对鲍尔环及
鞍形等较好填料约为塔径的 5～ 10倍，但通常不应超过 6m。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 69/88
5.除沫装置
当塔内操作气速较大或液沫夹带现象严重时，可在液体
分布器的上方设置除沫装置，主要用途是 除去出口气流中
的液滴 。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 70/88
4.2.5 填料塔的设计
填料塔的设计计算主要包括塔径和塔高的计算, 是在物
料衡算, 热量衡算以及吸收剂种类和用量确定的基础上进
行 。
1.
选择填料的主要依据是比表面积要大，空隙率大，堆积
密度小，机械强度和稳定性好，以及价格便宜等。其大小
规格的选取一般为：
?D≤ 300mm时，选用 25mm填料；
?300≤ D≤ 900mm时，选用 38～ 50mm填料；
?D＞ 900mm时，选用 50mm以上填料。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 71/88
2.塔径的计算
? 根据所选填料, 气液两相流量和物性, 由埃克特通用关联图 (P280图
4-33)求取泛点气速 uF
? 选取空塔气速 u=(0.5～ 0.8)uF
? 计算塔径 D,并根据塔径标准进行圆整 。 一般塔径标准为 300,400、
500,600,800,1000,1200,1400…… 等 (单位 mm),选取适当的塔径 。
?
(1) 泛点率 。 计算实际空塔气速 u=4Vs/(πD2),并按照泛点率 =u/uF,核
算其是否在 50～ 80%范围之内,
(2)塔径与填料尺寸之比 。 一般要求应使 D/d=8～ 15。
(3)液体喷淋密度 。 为了保证液体喷淋量能完全润湿填料层截面, 通
常要求液体喷淋密度 U大于最小喷淋密度 Umin的 (2～ 5)倍以上 。
(4)每米填料层压降 △ p/Z。 P283公式 4-39&4-40,一般 △ p/Z应控制在
500Pa以内 。
u
VD s
?
4?
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 72/88
3.填料层有效高度的计算
(1)
Z=HOG ·NOG
(2)
Z=NT·HETP
等板高度 HETP的确定：
?实验测定
?取生产设备的经验数据
?采用经验公式进行计算，如 P282公式 4-36。
塔径 +0.1真空塔
塔 径小直径塔 (＜ 0.6m)
1.5～ 1.8吸收任务
0.9直径 50mm填料
0.66直径 38mm填料
0.46直径 25mm填料
HETP/m 填料类型 /应用
HETP经验值
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 73/88
4.3 填料塔与板式塔的比较
对于许多逆流气液接触过程，填料塔和板式塔都是可以
适用的，设计者必须根据具体情况进行选用。填料塔和板
式塔有许多不同点，了解这些不同点对于合理选用塔设备
是有帮助的。
①填料塔操作范围较小，特别是对于液体负荷变化更为
敏感。当液体负荷较小时，填料表面不 能很好地润湿，传
质就效果急剧下降；当液体负荷过大时，则容易产生液泛。
设计良好的板式塔，则具有大得多的操作范围。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 74/88
4.3 填料塔与板式塔的比较 (续 )
②填料塔不宜于处理易聚合或含有固体悬浮物的物料，
而某些类型的板式塔（如大孔径筛板、泡罩塔等）则可以
有效地处理这种物质。另外，板式塔的清洗亦比填料塔方
便。
③当气液接触过程中需要冷却以移除反应热或溶解热时，
填料塔因涉及液体均布问题而使结构复杂化。板式塔可方
便地在塔板上安装冷却盘管。同理，当有侧线出料时，填
料塔也不如板式塔方便。
④以前乱堆填料塔直径很少大于 0.5m，后来又认为不宜
超过 1.5m，根据近 10年来填料塔的发展状况，这一限制似
乎不再成立。板式塔直径一般不小于 0.6m。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 75/88
4.3 填料塔与板式塔的比较 (续 )
⑤关于板式塔的设计资料更容易得到而且更为可靠，因
此板式塔的设计比较准确，安全系数可取得更小。
⑥当塔径不很大时，填料塔因结构简单而造价便宜
⑦对于易起泡物系，填料塔更适合，因填料对泡沫有限
制和破碎的作用。
⑧对于腐蚀性物系，填料塔更适合，因可采用瓷质填料。
⑨对热敏性物系宜采用填料塔，因为填料塔内的滞液量
比板式塔少，物料在塔内的停留时间短。
⑩填料塔的压降比板式塔小，因而对真空操作更为适宜。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 76/88
因此
填料塔用于：
?塔径小；
?真空操作；
?易起泡；
?腐蚀性物系；
?热敏性物系
板式塔用于：
?液体操作范围变化大；
?物系易聚合、含有固粒；
?过程需冷却或侧线出料。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 77/88
本章总结－联系图
基本性能
强化（研究 ）
选型 操作
设计
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 78/88
基本性能
一、流体力学性能
1.操作状态 (见下表 )
气相气泡表面气泡少，液层厚，
清晰，气泡在液
层表面破裂
小鼓泡
接触
状态
说明分散相二相接触表面现象气速 u0状态
塔板上的操作状态
液相液滴外表面气体以射流穿过
液层，液体成小
滴，表面不断更
新
大喷射
接触
状态
正常操作
在泡沫和
喷射两种
状态进行
气相液膜表面液膜存在于 气泡
之间,泡沫高度
湍动，塔板表面
有少许清液
中泡沫
接触
状态
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 79/88
2,异常操作现象
泄漏,气速少,致使气体通过时的动能不足以阻止板上流体
下流,出现漏液的现象。
液泛,气速过大,板间压差增大,致使降液管内液体不能顺畅
地下流,管内液体漫至上层板 ;或由于降液管截面太小,不足以
使液体通过,降液管内液面升高至上层塔板。
雾沫夹带,板上液体被上升气体带入上层塔板,夹带量 ev>0.1
为过量夹带。
气泡夹带,液体溢流速度太快,使其所携带泡沫中的气体来
不及与液体分开而被夹带到下层塔板。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 80/88
1 0 0 0
8
5
0
000
L
v
F
uF,F
?
?
?
??
斜孔塔气相动能因子
浮阀塔气相动能因子
3.正常操作
(1)极限操作条件
6hhhhhH
)hH(H
owwdpd
wTd
??????
??
?
?塔板压降
汽液液沫夹带量,kgkg.e v 10?
S~L HA
s
Tf 53???：降液管内液体停留时间
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 81/88
1
*
1,:
?
?
?
???
nn
nnn
mv
P
T
T yy
yyE
N
NE 单板效率总板效率
1
*
1
'
*
1
1,,
?
?
?
?
?
??
?
??
nn
nn
nn
nn
yy
yyE
xx
xxE 点效率
二、传质性能
1.塔板效率
2.影响塔板效率的因素,
①物性 ;
②塔板型与结构
③ 操作条件
3.塔板效率估算,
①,AIChE 法
② Em~a,关联式 ; O’ Connell法
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 82/88
选型
塔型
板式塔
填料塔
评价标准
生产能力大
分离效率高
压降小
操作弹性好
结构简单可靠
附属装置
填料支承装置 （要有足够的自由截面）
液体分布装置
液体再分布装置 （防止液体喷淋不均匀）
填料压紧装置
除沫装置
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 83/88
操作
原则
在总体上呈逆流流动，保证汽液多次逆流接触
维持一定气液负荷，使每块板上汽液接触良好
现象
釜温下降 漏液 提高气速
判断 调节
顶温升高 过量夹带 降低气速
塔压剧增
Vs过大
阻力大
夹带液泛
物料起泡
Af
降液管底隙
小或堵塞
降低气速
提高气速
清洗降液管
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 84/88
强化（研究）
新型塔板
新型填料
林德筛板
S型泡罩
斜孔塔板
浮舌板
网孔板
短阶梯环填料
英特洛克斯填料
Mellapak填料
发展趋势
提高生产能力
简化结构降低成本
高效低阻
适应大型化需要
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 85/88
1、已知条件：
2、经验数据的选取原则：
① 使塔板上汽液流动合理，不发生异
常操作
② 依具体情况而定
ss LV,汽液负荷
???? ????,,,
LV物性
??? M,P,t操作参数
设计
一、板式塔设计
3、辅助设备计算：
冷凝器传热面：
再沸器加热面：
冷却介质量：
加热蒸气量：
若流体力学性能不好，则调整相应结构参数
根据经验选
定一些结构
参数
设计其他参
数
校核各项流
体力学性能
4、设计程序
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二、填料塔的设计
1.填料的选择
2.塔径的计算
3.填料层有效高度的计算
4.塔结构的计算或选型
5.校核
?(1) 泛点率 。
?(2)塔径与填料尺寸之比 。
?(3)液体喷淋密度 。
?(4)每米填料层压降 △ p/Z
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本章要求
了解：
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 88/88
THE END
Thanks
第四章 气液传质设备
4.1 板式塔
4.2 填料塔
4.3 填料塔与板式塔的比较
本章总结－联系图
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 2/88
蒸馏和吸收虽原理不同，但从传质角度讲，有共同特点，
即气液两相要密切接触，接触后两相要及时分离。因此，
蒸馏和吸收可在相同的设备内进行，此设备即为气液传质
设备。
气液传质设备中，典型的是塔设备。
在塔设备内，液体靠重力作用自上而下流动，气相自下
而上流动，两者逆流接触。
从结构上分，塔设备分板式塔和填料塔。
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4.1 板式塔
4.1.1 板式塔的结构
4.1.2 塔板的类型及性能评价
4.1.3 板式塔的流体力学性能与操作特性
4.1.4 板式塔的设计
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4.1 板式塔
4.1.1 板式塔的结构
逐级接触式，内装塔板，气液传质在
板上液层空间内进行；两相的组成沿塔
高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相
为连续相，气相为分散相。
溢流堰,维持塔板上一定高度的液层，
以保证在塔板上气液两相有足够的接触
面积；
降液管,作为液体从上层塔板流至下
层塔板的通道。
板式塔特点：生产能力大，塔板效率
稳定，操作弹性大，造价低，检修、清
洗方便。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 5/88
板式塔的设计意图
1、在每块塔板上气液两相必须保
持密切而充分的接触，为传质过程提
供足够大而且不断更新的相际接触表
面，以减小传质阻力；
2、在塔内应尽量使气液两相呈逆
流流动，以提供较大的传质推动力。
板式塔,总体上气液呈逆流流动 ；
每块塔板上呈均匀错流 。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 6/88
4.1.2 塔板的类型及性能评价
4.1.2.1 塔板类型
塔板分为
?有降液管式塔板（也称溢流式塔板或错流式塔板）：气
液两相呈错流方式接触，其塔板效率高，具有较大的操作
弹性，使用广泛。
?无降液管式塔板（也称穿流式塔板或逆流式塔板）：气
液两相呈逆流接触，其板面利用率高，生产能力大，结构
简单，但效率较低，操作弹性小，应用较少。
本节只讨论有降液管式塔板。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 7/88
4.1.2 塔板的类型及性能评价
1,泡罩塔板
泡罩塔板是工业上应用最早的
塔板，其结构如图所示，它主要由升
气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管
的顶部，分圆形和条形两种，以前者
使用较广。泡罩有 Φ80,Φ100、
Φ150mm三种尺寸，可根据塔径的大
小选择。泡罩的下部周边开有很多齿
缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。
泡罩在塔板上为正三角形排列。
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2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 9/88
操作时，液体横向流过塔板，靠溢
流堰保持板上有一定厚度的液层，齿
缝浸没于液层之中而形成液封。升气
管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以
防止液体从中漏下。上升气体通过齿
缝进入液层时，被分散成许多细小的
气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为
气液两相的传热和传质提供大量的界
面。
泡罩塔板的优点是操作弹性较大，
塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造
价高，板上液层厚，塔板压降大，生
产能力及板效率较低。泡罩塔板已逐
渐被筛板、浮阀塔板所取代，在新建
塔设备中已很少采用。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 10/88
2,筛孔塔板
筛孔塔板简称筛板，其结构
如图示。塔板上开有许多均匀
的小孔，孔径一般为 3～ 8mm。
筛孔在塔板上为正三角形排列。
塔板上设置溢流堰，使板上能
保持一定厚度的液层。
操作时，气体经筛孔分散成
小股气流，鼓泡通过液层，气
液间密切接触而进行传热和传
质。在正常的操作条件下，通
过筛孔上升的气流，应能阻止
液体经筛孔向下泄漏。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 11/88
筛板的优点是结构简单、造价低，板上液面落差小，气
体压降低，生产能力大，传质效率高。其缺点是筛孔易堵
塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。
应予指出，筛板塔的设计和操作精度要求较高，过去工
业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断
提高，可使筛板塔的操作非常精确，故应用日趋广泛。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 12/88
3,浮阀塔板
浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，应用广
泛。浮阀的类型很多，国内常用的有如图示的 F1型,V-4
型及 T型等。
浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，
每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个
阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转 90°,以限制阀片升起
的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个
略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，
阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防
止阀片与板面的粘结。
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2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 14/88
操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方
向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷
而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通
过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，
开度增大，使气速不致过大。
浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操
作弹性大，塔板效率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度
的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生
阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 15/88
三种塔板的比较,
1,生产能力,筛板 >浮阀 >泡罩；
2,压降,泡罩 >浮阀 >筛板；
3,操作弹性,浮阀 >泡罩 >筛板；
4,造价,泡罩 >浮阀 >筛板；
5,板效率,浮阀、筛板相当 >泡罩 。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 16/88
4,喷射型塔板
上述几种塔板，气体是以鼓泡或泡沫状态和液体接触，
当气体垂直向上穿过液层时，使分散形成的液滴或泡沫具
有一定向上的初速度。若气速过高，会造成较为严重的液
沫夹带，使塔板效率下降，因而生产能力受到一定的限制。
为克服这一缺点，近年来开发出喷射型塔板，大致有以下
几种类型。
（ 1）舌型塔板
舌型塔板的结构如图所示，在塔板上冲出许多舌孔，方
向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，
有 18°, 20°, 25° 三种（一般为 20° ），舌片尺寸有
50× 50mm和 25× 25mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板
的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管，降液管截
面积要比一般塔板设计得大些。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 17/88
操作时，上升的气流沿舌片喷出，
其喷出速度可达 20～ 30m/s。当液体流
过每排舌孔时，即被喷出的气流强烈
扰动而形成液沫，被斜向喷射到液层
上方，喷射的液流冲至降液管上方的
塔壁后流入降液管中，流到下一层塔
板。
舌型塔板的优点是：生产能力大，
塔板压降低，传质效率较高；缺点是：
操作弹性较小，气体喷射作用易使降
液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，
从而降低塔板效率。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 18/88
（ 2）浮舌塔板
如图所示，与舌型塔板相比，浮舌塔板的结构特点是其
舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌
型塔板的特点，具有处理能力大、压降低、操作弹性大等
优点，特别适宜于热敏性物系的减压分离过程。
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（ 3）斜孔塔板
斜孔塔板的结构如图所示。在板上开
有斜孔，孔口向上与板面成一定角度。
斜孔的开口方向与液流方向垂直，同一
排孔的孔口方向一致，相邻两排开孔方
向相反，使相邻两排孔的气体向相反的
方向喷出。这样，气流不会对喷，既可
得到水平方向较大的气速，又阻止了液
沫夹带，使板面上液层低而均匀，气体
和液体不断分散和聚集，其表面不断更
新，气液接触良好，传质效率提高。
斜孔塔板克服了筛孔塔板、浮阀塔板
和舌型塔板的某些缺点。斜孔塔板的生
产能力比浮阀塔板大 30%左右，效率与
之相当，且结构简单，加工制造方便，
是一种性能优良的塔板。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 20/88
4.1.2.2 塔板的性能评价
1.生产能力大，即单位塔截面积上气体和液体的通量大；
2.分离效率高，即完成一定的分离任务所需的板数少；
3.阻力小，压降低，即气体通过单板的压降低，能耗低，
对于精馏系统可降低釜温，尤其适用于热敏性物系的分离；
4.操作弹性大，即当操作的气液流量发生波动时仍能维持
板效率的稳定；
5.满足工业对生产设备的一般要求，即结构简单、造价低、
安装维修方便等。
常见塔板的性能比较见 P237表 4-2。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 21/88
4.1.3 板式塔的流体力学性能与操作特性
4.1.3.1 板式塔的流体力学性能
1,塔板上气液两相的接触状态
塔板上气液两相的接触状态是决定板上两相流体力学及
传质和传热规律的重要因素。当液体流量一定时，随着气
速的增加，可以出现三种典型的接触状态。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 22/88
（ 1）鼓泡接触状态
当气速较低时，气体以鼓泡形
式通过液层。由于气泡的数量不多，
形成的气液混合物基本上以液体为主，
气液两相接触的表面积不大，传质效
率很低。
特点：
?液体为连续相，气体为分散相；
?传质在气泡表面进行；
?湍动程度低，传质阻力大。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 23/88
（ 2）泡沫接触状态
当气速继续增加，气泡数量急剧增加，
气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液
体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，
形成一些直径较小，扰动十分剧烈的动
态泡沫，在板上只能看到较薄的一层液
体。由于泡沫接触状态的表面积大，并
不断更新，为两相传热与传质提供了良
好的条件，是一种较好的接触状态。
特点：
?液体为连续相，气体为分散相；
?传质在不断更新的液膜表面进行；
?湍动程度高，接触面积大，传质阻力
小。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 24/88
（ 3）喷射接触状态
当气速继续增加，由于气体动能很
大，把板上的液体向上喷成大小不等
的液滴，直径较大的液滴受重力作用
又落回到板上，直径较小的液滴被气
体带走，形成液沫夹带。特点：
?气体为连续相，液体为分散相；
?传质在不断更新的液滴表面进行；
?因液滴不断形成和聚集，因此传质
面积大大增加。
如上所述，泡沫接触状态和喷射状态均是优良的塔板接
触状态。因喷射接触状态的气速高于泡沫接触状态，故喷射
接触状态有较大的生产能力，但喷射状态液沫夹带较多，若
控制不好，会破坏传质过程，所以多数塔均控制在泡沫接触
状态下工作。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 25/88
2.气体通过塔板的压降
气体通过塔板的压降（塔板的总压降） Δpp包括：
?塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力）
?板上充气液层的静压力
?液体的表面张力。
塔板压降是影响板式塔操作特性的重要因素。
塔板压降增大，一方面塔板上气液两相的接触时间随之
延长，板效率升高，完成同样的分离任务所需实际塔板数
减少，设备费降低；另一方面，塔釜温度随之升高，能耗
增加，操作费增大,若分离热敏性物系时易造成物料的分
解或结焦。因此，进行塔板设计时，应综合考虑，在保证
较高效率的前提下，力求减小塔板压降，以降低能耗和改
善塔的操作。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 26/88
影响塔板压降 Δpp的因素：
气量 ↑→ Δpp ↑
液量 ↑→ Δpp ↑
开孔率 ↑→u0 ↓ → Δpp ↓
孔径 ↓→ Δpp ↑
板上清液层高度 ↑→ Δpp ↑
液体表面张力 ↑→ Δpp ↑
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 27/88
3.塔板上的液面落差
产生原因,液体在塔板上横向流
动时要克服流动阻力（摩擦阻力、
形体阻力）。
不良后果,液面落差会导致气流
分布不均，从而造成漏液现象，使
板效率下降。
影响因素,塔结构复杂、塔径 ↑、
流量 ↑→液面落差 ↑
有溢流塔板
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 28/88
4.1.3.2 板式塔的操作特性
1.气液两相非理想流动状态
（ 1）气相、液相同主流方向相反的流动。表现在：
?液沫夹带,指部分液滴随上升的气流一切返回到上层塔
板，即液体的方向流动。产生原因：气体速度大过，造成
液体弹溅，使小液滴被气流带到上层塔板，大液滴弹溅到
上层塔板。
产生原因,气速 ↑,板间距 HT↓
不良后果：
?降低板效率
?将不挥发性物质逐板送至塔顶造成产品污染
?严重时造成液泛
?气泡夹带,液体在降液管中停留时间过短，气泡来不及
解脱，而被液体卷入下层塔板。
产生原因,降液管太小，停留时间短
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 29/88
（ 2）气相、液相不均匀流动
液体：流动速度不均匀，中间快，两边慢。
气体,液面落差和液层波动，引起气体分布不均匀。液
层厚，阻力大，汽速小；
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 30/88
2.塔板上的异常操作现象
（ 1）漏液
当气体通过塔板的速度较小时，气体通过升气孔道的动
压不足以阻止板上液体经孔道流下时，便会出现漏液现象。
不良后果,降低板效率，严重时使板上不能积液 。
产生原因,气速过小，或气体分布严重不均、液体分布
严重不均 。
改进措施,在塔板液体入口处留出一条不开孔的区域，
称为安定区，使漏液量不大于液体流量的 10%。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 31/88
（ 2）液泛
塔板正常操作时，在板上维持一定厚度的液层，以和气
体进行接触传质。如果由于某种原因，导致 液体充满塔板
之间的空间，使塔的正常操作受到破坏，这种现象称为液
泛。 液泛时的气速称为泛点气速，正常操作气速应控制在
泛点气速之下。
不良后果,塔压力降急剧增大、板效率急剧减小
产生原因：
?气体流量过大，产生了过量的液沫夹带；
?液体负荷过大，降液管的截面积不够。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 32/88
当塔板上液体流量很大，上升气体的速度很高时，液体
被气体夹带到上一层塔板上的量剧增，使塔板间充满气液
混合物，最终使整个塔内都充满液体，这种由于液沫夹带
量过大引起的液泛称为 夹带液泛 。
当降液管内液体不能顺利向下流动时，管内液体必然积
累，致使管内液位增高而越过溢流堰顶部，两板间液体相
连，塔板产生积液，并依次上升，最终导致塔内充满液体，
这种由于降液管内充满液体而引起的液泛称为 降液管液泛 。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 33/88
3,塔板的负荷性能图
影响板式塔操作状况和分离
效果的主要因素为物料性质、塔
板性质及气液负荷。对一定的塔
板结构，处理固定的物系时，其
操作状况便随气液负荷而变。要
维持塔板正常操作，必须将塔内
的气、液负荷波动控制在一定范
围内。
以气相负荷 V为纵标，以液相
负荷 L为横标，标绘在直角坐标
系中得负荷性能图。
它对检验塔的设计是否合理，
了解塔的操作状况及改进塔板操
作弹性具有一定的指导意义。
?线 1为 漏液线,可根据
漏液点气速确定，若气液
负荷位于此线下方，表明
漏液已使塔板效率大幅度
下降；
?线 2为 液沫夹带线,通常
以 Kg液 /Kg干空气为依据
确定，气液负荷位于该线
上方，表示液沫夹带过量，
已不宜采用；
?线 3为 液相负荷下限线,
液量小于该下限，板上液
体流动严重不均匀而导致
板效率急剧下降；
线 4为 液相负荷上限线,
若液量超过此上限，液体
在降液管内停留时间过短，
液流中的气泡夹带现象大
量发生，以致出现溢流液
泛。
?线 5为溢流液泛线，可根
据溢流液泛的产生条件确
定，若气液负荷位于此线
上方，塔内将出现溢流液
泛；
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 34/88
〖 说明 〗
? 操作弹性：上、下限操作极限的气体
流量之比称为塔板的操作弹性，操作弹
性越大的塔越好，一般要求大于 2～ 3。
? 板型不同，负荷性能图中所包括的边
界线也有所不同。
? 同一板型但设计不同，线的相对位置
也会不同。
? 过原点，斜率为 V/L的直线称操作线
? 设计时，应使操作点尽量位于操作区
的中央，若操作点紧靠某一条边界线，
则负荷稍有变动，塔的正常操作即被破
坏。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 35/88
4.1.4 板式塔的设计
设计内容,
板型：筛板、浮阀等
板上液流型式：单流、双流等
板间距 HT
塔径 D
板上结构：开孔情况、溢流装置结构
设计方法,
若流体力学性能不好，则调整相应结构参数
根据经验
选定一些
结构参数
设计其他
参数
校核各项
流体力学
性能
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 36/88
4.2 填料塔
4.2.1 填料塔的结构与特点
4.2.2 填料的类型及性能评价
4.2.3 填料塔的流体力学性能
4.2.4 填料塔的内件
4.2.5 填料塔的设计
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 37/88
4.2.1 填料塔的结构与特点
1,填料塔的结构
?填料层：提供气液接触的场所。
?液体分布器：均匀分布液体，
以避免发生沟流现象。
?液体再分布器：避免壁流现象
发生。
?支撑板：支撑填料层，使气体
均匀分布。
?除沫器：防止塔顶气体出口处
夹带液体 。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 38/88
气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设
气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的
空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料
塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变
化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。
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中分布不均，从而使传质效
率下降。因此，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上。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 39/88
2.填料塔的特点 (与板式塔相比 )
优点,
?生产能力大。填料塔内件开孔率大，空隙率大，液泛点
高。
?分离效率高。填料塔每米理论级远大于板式塔，尤其在
减压及常压条件下。
?压降小。空隙率高，阻力小。
?持液量小。
?操作弹性大。
缺点,填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿
填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容
易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 40/88
4.2.2 填料的类型及性能评价
4.2.2.1 填料 （ packings） 的类型
1.分类
?按填料形状分：
?实体填料
?网体填料
?按填料的装填方式分：
?散装填料
?规整填料
?按材质分：
?金属填料
?塑料填料
?陶瓷填料
?石墨填料
填料作用
?提供气液接触面积；
?强化气体湍动，降低
气相传质阻力；
?更新液膜表面，降低
液相传质阻力 。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 41/88
2.常用的几种填料
①拉西环 (Rasching ring), 拉西环是
工业上最早使用的一种填料，为外径
与高度相等的圆环，通常由陶瓷或金
属材料制成。拉西环结构简单，制造
容易，但堆积时相邻环间易形成线接
触，填料层的均匀性差，因而存在严
重的向壁偏流和沟流现象，致使传质
效率低。而且流动阻力大，操作范围
小。其改善方面有 θ 形、十字格形的
拉西环。
拉西环
?环
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 42/88
②鲍尔环 (pall ring),鲍尔环是在拉
西环的壁上开一层或两层长方形窗口，
窗孔的母材两层交错地弯向环中心对
接。这种结构使填料层内气、液分布
性能大为改善，尤其是环的内表面得
到充分利用。与同样尺寸的拉西环相
比，鲍尔环的气液通量可提高 50%，
而压降仅为其一半，分离效果也得到
提高。其改进为阶梯形鲍尔环
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 43/88
③阶梯环,鲍尔环基础上改造得出
的。环壁上开有窗孔，其高度为直径
的一半,圆筒部分的一端制成喇叭口
形状。 由于高径比的减少，使得气体
绕填料外壁的平均路径大为缩短，减
少了阻力。喇叭口一边，不仅增加机
械强度，而且使填料之间为点接触，
有利于液膜的汇集与更新，提高了传
质效率。
特点是床层均匀且空隙率大，与鲍
尔环相比气体阻力减少 25%，生产能
力提高 10%。为 目前所使用的环型填
料中最为优良的一种。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 44/88
④ 弧鞍型 (berl saddle),表面全
部敞口，不分内外，液体在表面
两侧均匀流动，表面利用率高，
流动呈弧形，气体阻力小。但两
面对称有重叠现象，容易产生沟
流。 强度差，易破碎。应用较少。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 45/88
⑤ 矩鞍型 (intolox saddle)：
矩鞍形填料结构不对称，堆积
时不重叠，均匀性更高。该填
料气流阻力小，处理能力大，
性能虽不如鲍尔环好，但构造
简单，是一种性能优良的填料。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 46/88
⑥环矩鞍 (Intalox),兼具
环型、鞍型填料的优点。敞
开的侧壁有利于气体和液体
通过，减少了填料层内滞液
死区。填料层内流体孔道增
多，使气液分布更加均匀，
传质效率得以提高。
一般采用金属材质，机械
强度高。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 47/88
⑦球型,球体为空心，气体和液体从其内部经过。由
于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不易产生空
穴和架桥，故气液分散性能好。
常采用塑料材质。一般用于特定场合，工程上应用较
少。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 48/88
⑧格栅填料,以条状单
元体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，具有
多种结构形式。特点是比
表面积较低，主要用于低
压降、大负荷、防堵的场
合。
木格栅填料
格里奇格栅填料
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 49/88
⑨波纹填料,波纹填料是由许多
层波纹薄片组成，各片高度相同但
长短不等，搭配组合成圆盘状，填
料波纹与水平方向成 45°倾角，相
邻两片反向重叠使其波纹互相垂直。
圆盘填料块水平放入塔内，相邻两
圆盘的波纹薄片方向互成 90°角。
波纹填料因波纹薄片的材料与形状
不同分成板波纹填料和网波纹填料。
板波纹填料可由陶瓷、塑料、金
属、玻璃钢等材料制成。填料的空
隙率大，阻力小，流体通量大、效
率高，而且制造方便、价格低，正
向通用化、大型化方向发展。
金属丝网波纹填料
金属孔板波纹填料
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 50/88
⑩脉冲填料,是由带缩颈的中空
棱柱形单体，按一定方式拼装而成
的一种规则填料。脉冲填料组装后，
会形成带锁颈的多孔棱形通道，其
纵面流道交替收缩和扩大，气液两
相通过时产生强烈的湍动，在缩颈
处，气速最高，湍动剧烈，从而强
化传质，在扩大段，气速减到最小，
实现两相的分离。流道收缩、扩大
的交替重复，实现了“脉冲”传质
过程。
特点是处理量大，压降小。适用
于真空精馏，大塔径场合。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 51/88
4.2.2.2 填料的性能评价
1,填料的几何特性
（ 1）比表面积 α,单位体积填料层具有的填料表面积，
m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大，
愈有利于传质 。是评价填料性能优劣的 重要指标 。
〖说明〗
?操作中有部分填料表面不被润湿，以致比表面积中只有
某个分率的面积才是润湿面积。据资料介绍，填料真正润
湿的表面积只占全部填料表面积的 20～ 50%。
?有的部位填料表面虽然润湿，但液流不畅，液体有某种
程度的停滞现象。这种停滞的液体与气体接触时间长，气
液趋于平衡态，在塔内几乎不构成有效传质区。为此，须
把比表面积与有效的传质比表面积加以区分。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 52/88
（ 2） 空隙率 ε,单位体积填料层具有的空隙体积,m3/m3。
值大则气体通过填料层的阻力小，故 ε值以高为宜。 重要指
标。
对于乱堆填料，当塔径与填料尺寸之比大于 8时，因每个
填料在塔内的方位是随机的，填料层的均匀性较好，这时
填料层可视为各向同性，填料层的空隙率就是填料层内任
一横截面的空隙截面分率。
（ 3）填料因子 φ,比表面积与空隙率三次方的比值，
α /ε 3称为干填料因子,1/m,它反映特定结构和尺寸填料
的综合流体力学性能。当填料被液体润湿后,a与 ε 均发生
相应的变化，此时的 α/ε 3称为湿填料因子，表示实际操作
时填料的流体力学特性，其值由实验测定。
填料因子值小表示流动阻力小，液泛速度可以提高。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 53/88
（ 4） 堆积密度 ρ p,单位体积填料的质量, kg/m3。 在机
械强度允许的条件下, 填料壁要尽量薄以减小堆积密度,
这样既增大了空隙率又降低成本 。
（ 5）个数 n,单位体积填料层具有的填料个数。根据计
算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料的 n值，即可确
定塔内需要的填料数量。一般要求塔径与填料尺寸之比
D/d<8（ 此比值在 8～ 15之间为宜），以便气、液分布均匀。
若 D/d>8,在近塔壁处填料层空隙率比填料层中心部位的空
隙率明显偏高，会影响气液的均匀分布。若 D/d值过大，即
填料尺寸偏小，气流阻力增大。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 54/88
2.填料的性能评价
填料性能的优劣常根据 效率、通量及压降 三要素衡量。
相同条件下，比表面积愈大，气液分布愈均匀，表面的
润湿性能愈优良，传质效率愈高；
空隙率愈大，则通量愈大，压降也愈低。
常用填料综合性能评价见 P269表 4-5。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 55/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能
包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面
的润湿及返混等。
1,填料层的持液量
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。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 56/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
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
量为静持液量和动持液量之和，即
填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。
一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是
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。
st HHH ?? 0
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 57/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
2,填料层的压降
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,上
升气体与下降液膜的摩擦阻力形
成了填料层的压降 。 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；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 ΔP/Z与空塔气速 u的关系标
绘在对数坐标纸上，可得到如图
示的线群。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 58/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
在图中，直线 0表示无液
体喷淋（ L=0）时，干填料
△ P/Z～ u关系，称为干填料压降
线，直线，斜率为 1.8～ 2.0。曲
线 1,2,3表示不同液体喷淋量
下，填料层的△ P/Z～ u关系，称
为填料操作压降线，折线，存在
两转折点，下转折点称“载点”，
上转折点称“泛点”。这两个点
将△ P/Z～ u线群分成三个区段，
即恒持液量区、载液区和液泛区。
载点
泛点
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 59/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
①恒持液量区
气速较低时，液体向下流动不受气流的影
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。在同一空塔气速
下，由于湿填料层内所持液体量占据一定空
间，故使气体的真实速度较通过干填料层的
速度高，因而压降也大，此时△ P/Z～ u位于
干填料压降线的左侧，且二者平行。
②载液区
气速增大，气体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，此现象称为拦液。开始发生拦液现
象时的空塔气速称为载点气速，超过载点后，
曲线斜率大于 2。
载点
泛点
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 60/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
③液泛区
气速继续增大，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。此
区域内曲线斜率可达 10以上。
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。
载点
泛点
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 61/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
3,液泛
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，泛点气速越大，即越不易发生液泛现象。
?流体物性的影响体现在气体密度 ρV、液体的密度 ρL和粘度
μL上。气体密度越小，液体的密度越大、粘度越小，则泛
点气速越大。
?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。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 62/88
4,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/(m2·h)。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。
式中 Umin —— 最小喷淋密度,m3/(m2·h)；
(LW)min —— 最小润湿速率,m3/(m·h)；
α —— 填料的比表面积,m2/m3。
aLU w m i nm i n )(?
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 63/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
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/(m·h)；对于直径
大于 75mm的散装填料，取 (LW)min =0.12 m3/(m·h)。
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 。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 64/88
4.2.3 填料塔的流体力学性能 (续 )
5．返混
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。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 65/88
4.2.4 填料塔的内件
1.填料支承装置：主要用途是 支承塔内的填料,同时又能保证气液两
相顺利通过。若设计不当，填料塔的液泛可能首先在填料支承装置上发
生。
对填料支承装置的要求：
对于普通填料，支承装置的自由截面积应不低于全塔面积的 50%，并
且要大于填料层的自由截面积；
具有足够的机械强度、刚度；
结构要合理，利于气液两相均匀分布，阻力小，便于拆装。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 66/88
2.填料压紧装置
安装在填料层上端。作用是 保持填料层为一高度固定的床层，从而
保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定,防止在高压降、瞬时
负荷波动等情况下，填料层发生松动或跳动。
分为：
填料压板。自由放置于填料上端，靠自身重量将填料压紧。适用于
陶瓷、石墨材质的散装填料。
床层限制板。固定在填料上端。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 67/88
3.液体分布装置
填料塔操作要求液体沿同一塔截面均匀分布。 为使液流分布均匀，
液体在塔顶的初始分布须均匀 。经验表明，对塔径为 0.75m以上的塔，
每平方米塔横截面上应有 40～ 50个喷淋点；对塔径在 0.75m以下的塔，
喷淋点密度集至少应为 160个 /m2塔截面。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 68/88
4.液体收集及再分布装置
作用是 减小壁流现象 。
壁流现象,在乱堆填料层内存在的液体逐渐流向塔壁的现象。
在填料层内每隔一定高度设置液体再分布装置 。
对拉西环填料，再分布器的距离约为塔径的 2.5～ 3倍，对鲍尔环及
鞍形等较好填料约为塔径的 5～ 10倍，但通常不应超过 6m。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 69/88
5.除沫装置
当塔内操作气速较大或液沫夹带现象严重时，可在液体
分布器的上方设置除沫装置，主要用途是 除去出口气流中
的液滴 。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 70/88
4.2.5 填料塔的设计
填料塔的设计计算主要包括塔径和塔高的计算, 是在物
料衡算, 热量衡算以及吸收剂种类和用量确定的基础上进
行 。
1.
选择填料的主要依据是比表面积要大，空隙率大，堆积
密度小，机械强度和稳定性好，以及价格便宜等。其大小
规格的选取一般为：
?D≤ 300mm时，选用 25mm填料；
?300≤ D≤ 900mm时，选用 38～ 50mm填料；
?D＞ 900mm时，选用 50mm以上填料。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 71/88
2.塔径的计算
? 根据所选填料, 气液两相流量和物性, 由埃克特通用关联图 (P280图
4-33)求取泛点气速 uF
? 选取空塔气速 u=(0.5～ 0.8)uF
? 计算塔径 D,并根据塔径标准进行圆整 。 一般塔径标准为 300,400、
500,600,800,1000,1200,1400…… 等 (单位 mm),选取适当的塔径 。
?
(1) 泛点率 。 计算实际空塔气速 u=4Vs/(πD2),并按照泛点率 =u/uF,核
算其是否在 50～ 80%范围之内,
(2)塔径与填料尺寸之比 。 一般要求应使 D/d=8～ 15。
(3)液体喷淋密度 。 为了保证液体喷淋量能完全润湿填料层截面, 通
常要求液体喷淋密度 U大于最小喷淋密度 Umin的 (2～ 5)倍以上 。
(4)每米填料层压降 △ p/Z。 P283公式 4-39&4-40,一般 △ p/Z应控制在
500Pa以内 。
u
VD s
?
4?
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 72/88
3.填料层有效高度的计算
(1)
Z=HOG ·NOG
(2)
Z=NT·HETP
等板高度 HETP的确定：
?实验测定
?取生产设备的经验数据
?采用经验公式进行计算，如 P282公式 4-36。
塔径 +0.1真空塔
塔 径小直径塔 (＜ 0.6m)
1.5～ 1.8吸收任务
0.9直径 50mm填料
0.66直径 38mm填料
0.46直径 25mm填料
HETP/m 填料类型 /应用
HETP经验值
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 73/88
4.3 填料塔与板式塔的比较
对于许多逆流气液接触过程，填料塔和板式塔都是可以
适用的，设计者必须根据具体情况进行选用。填料塔和板
式塔有许多不同点，了解这些不同点对于合理选用塔设备
是有帮助的。
①填料塔操作范围较小，特别是对于液体负荷变化更为
敏感。当液体负荷较小时，填料表面不 能很好地润湿，传
质就效果急剧下降；当液体负荷过大时，则容易产生液泛。
设计良好的板式塔，则具有大得多的操作范围。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 74/88
4.3 填料塔与板式塔的比较 (续 )
②填料塔不宜于处理易聚合或含有固体悬浮物的物料，
而某些类型的板式塔（如大孔径筛板、泡罩塔等）则可以
有效地处理这种物质。另外，板式塔的清洗亦比填料塔方
便。
③当气液接触过程中需要冷却以移除反应热或溶解热时，
填料塔因涉及液体均布问题而使结构复杂化。板式塔可方
便地在塔板上安装冷却盘管。同理，当有侧线出料时，填
料塔也不如板式塔方便。
④以前乱堆填料塔直径很少大于 0.5m，后来又认为不宜
超过 1.5m，根据近 10年来填料塔的发展状况，这一限制似
乎不再成立。板式塔直径一般不小于 0.6m。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 75/88
4.3 填料塔与板式塔的比较 (续 )
⑤关于板式塔的设计资料更容易得到而且更为可靠，因
此板式塔的设计比较准确，安全系数可取得更小。
⑥当塔径不很大时，填料塔因结构简单而造价便宜
⑦对于易起泡物系，填料塔更适合，因填料对泡沫有限
制和破碎的作用。
⑧对于腐蚀性物系，填料塔更适合，因可采用瓷质填料。
⑨对热敏性物系宜采用填料塔，因为填料塔内的滞液量
比板式塔少，物料在塔内的停留时间短。
⑩填料塔的压降比板式塔小，因而对真空操作更为适宜。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 76/88
因此
填料塔用于：
?塔径小；
?真空操作；
?易起泡；
?腐蚀性物系；
?热敏性物系
板式塔用于：
?液体操作范围变化大；
?物系易聚合、含有固粒；
?过程需冷却或侧线出料。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 77/88
本章总结－联系图
基本性能
强化（研究 ）
选型 操作
设计
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 78/88
基本性能
一、流体力学性能
1.操作状态 (见下表 )
气相气泡表面气泡少，液层厚，
清晰，气泡在液
层表面破裂
小鼓泡
接触
状态
说明分散相二相接触表面现象气速 u0状态
塔板上的操作状态
液相液滴外表面气体以射流穿过
液层，液体成小
滴，表面不断更
新
大喷射
接触
状态
正常操作
在泡沫和
喷射两种
状态进行
气相液膜表面液膜存在于 气泡
之间,泡沫高度
湍动，塔板表面
有少许清液
中泡沫
接触
状态
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 79/88
2,异常操作现象
泄漏,气速少,致使气体通过时的动能不足以阻止板上流体
下流,出现漏液的现象。
液泛,气速过大,板间压差增大,致使降液管内液体不能顺畅
地下流,管内液体漫至上层板 ;或由于降液管截面太小,不足以
使液体通过,降液管内液面升高至上层塔板。
雾沫夹带,板上液体被上升气体带入上层塔板,夹带量 ev>0.1
为过量夹带。
气泡夹带,液体溢流速度太快,使其所携带泡沫中的气体来
不及与液体分开而被夹带到下层塔板。
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 80/88
1 0 0 0
8
5
0
000
L
v
F
uF,F
?
?
?
??
斜孔塔气相动能因子
浮阀塔气相动能因子
3.正常操作
(1)极限操作条件
6hhhhhH
)hH(H
owwdpd
wTd
??????
??
?
?塔板压降
汽液液沫夹带量,kgkg.e v 10?
S~L HA
s
Tf 53???：降液管内液体停留时间
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 81/88
1
*
1,:
?
?
?
???
nn
nnn
mv
P
T
T yy
yyE
N
NE 单板效率总板效率
1
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1
'
*
1
1,,
?
?
?
?
?
??
?
??
nn
nn
nn
nn
yy
yyE
xx
xxE 点效率
二、传质性能
1.塔板效率
2.影响塔板效率的因素,
①物性 ;
②塔板型与结构
③ 操作条件
3.塔板效率估算,
①,AIChE 法
② Em~a,关联式 ; O’ Connell法
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 82/88
选型
塔型
板式塔
填料塔
评价标准
生产能力大
分离效率高
压降小
操作弹性好
结构简单可靠
附属装置
填料支承装置 （要有足够的自由截面）
液体分布装置
液体再分布装置 （防止液体喷淋不均匀）
填料压紧装置
除沫装置
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 83/88
操作
原则
在总体上呈逆流流动，保证汽液多次逆流接触
维持一定气液负荷，使每块板上汽液接触良好
现象
釜温下降 漏液 提高气速
判断 调节
顶温升高 过量夹带 降低气速
塔压剧增
Vs过大
阻力大
夹带液泛
物料起泡
Af
降液管底隙
小或堵塞
降低气速
提高气速
清洗降液管
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 84/88
强化（研究）
新型塔板
新型填料
林德筛板
S型泡罩
斜孔塔板
浮舌板
网孔板
短阶梯环填料
英特洛克斯填料
Mellapak填料
发展趋势
提高生产能力
简化结构降低成本
高效低阻
适应大型化需要
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 85/88
1、已知条件：
2、经验数据的选取原则：
① 使塔板上汽液流动合理，不发生异
常操作
② 依具体情况而定
ss LV,汽液负荷
???? ????,,,
LV物性
??? M,P,t操作参数
设计
一、板式塔设计
3、辅助设备计算：
冷凝器传热面：
再沸器加热面：
冷却介质量：
加热蒸气量：
若流体力学性能不好，则调整相应结构参数
根据经验选
定一些结构
参数
设计其他参
数
校核各项流
体力学性能
4、设计程序
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 86/88
二、填料塔的设计
1.填料的选择
2.塔径的计算
3.填料层有效高度的计算
4.塔结构的计算或选型
5.校核
?(1) 泛点率 。
?(2)塔径与填料尺寸之比 。
?(3)液体喷淋密度 。
?(4)每米填料层压降 △ p/Z
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 87/88
本章要求
了解：
2010年 5月 14日 第四章 气液传质设备 88/88
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