填料塔的设计及喷淋点数对传质效率的影响

填料塔作为气液传质设备已有一百多年历史，在化工、石油化工、轻工、制药、环保及原子能工业等行业均有应用，广泛应用于吸收、蒸馏、萃取、吸附等化工单元过程。

一、填料塔的结构

填料塔的结构如图11-8所示。

图11-8 填料塔构造示意图

二、填料塔的特点

（1）结构简单，便于安装，小直径的填料塔造价低。

（2）压力降较小，适合减压操作，且能耗低。

（3）分离效率高，用于难分离的混合物，塔高较低。

（4）适于易起泡物系的分离，因为填料对泡沫有限制和破碎作用。

（5）适用于腐蚀性介质，因为可采用不同材质的耐腐蚀填料。

三、几种工业中常用的填料

1.拉西环

拉西环的结构如图11-9所示，是工业上最早使用的一种人造填料。通常用陶瓷、金属片或塑料等材料做成，其高度与直径相等，常用的尺寸为25～75mm。在强度许可的情况下，环的壁应尽量减薄。拉西环虽然传质性能不理想，但由于结构简单，制造容易，价格较低，仍为一些工厂采用。

2.鲍尔环

鲍尔环的结构如图11-10所示，由拉西环作大改进而得，其环外径也等于高度，但环壁上开出两排带有内伸舌片的窗，每层窗孔有5个舌片。这种结构改善了气液分布，充分利用了环的内表面。与拉西环相比，其具有生产能力大，气体流动阻力小，操作弹性大，传质效率较高等优点。如，在相同压力下，其处理量可达50%以上，而压降可降低一半。一般由金属、塑料或陶瓷做成。

图11-9 拉西环结构图

图11-10 鲍尔环结构图

3.阶梯环

阶梯环的结构如图11-11所示，其侧端增加了翻边，不但可以增加填料环的机械强度，而且由于破坏了填料结构的对称性，因而增加了填料投放时的定向概率。又由于翻边的影响，使得填料在堆积时填料环隙之间的接触由此线性接触为主变为以点接触为主。这样，既增加了填料颗粒之间的空隙，使得填料间互相屏蔽的可能性大为减小，气体穿过填料层的阻力明显下降，同时这些接触点还可以为液体沿填料表面流动的汇聚分散点，从而促进了液膜的表面更新，有利于填料传质效率的提高。阶梯环的生产能力略高于鲍尔环，是目前使用的环形填料性能较优的一种。

4.鞍形填料

鞍形填料分为弧鞍和矩鞍两种，如图11-12和图11-13所示。它们均属于敞开型填料，特点表面全部敞开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，气体流动阻力小，制造也方便。

图11-11 阶梯环结构图

弧鞍形填料的外形似马鞍，正反两面呈对称结构，液体在两侧分布均匀。但弧鞍形填料由于结构对称容易产生重叠，使有效比表面积减小，而且机械强度差，容易破碎。

矩鞍形填料是在弧鞍形填料的基础上发展起来的，一般为陶瓷材料，它的结构不对称，填料正反两面形状不同，堆积时不易重叠，填料层的均匀性大为提高，同时机械强度也有所提高。矩鞍形填料处理能力大，气体流动阻力小，是一种性能优良的填料，加工也较弧鞍形填料方便。(www.xing528.com)

图11-12 弧鞍形填料结构图

图11-13 矩鞍形填料结构图

5.金属鞍环填料

金属鞍环填料综合了环形填料通量大及鞍形填料液体再分布性能好的特点而研制并发展起来的一种新型填料，如图11-14。它具备了鲍尔环填料的圆环、窗孔和内伸叶片的结构，同时也具备了鞍形填料的侧面结构。这种构造保证了其有效利用全部表面，与相同尺寸的鲍尔环填料相比阻力减小，通量增大，效率提高。

6.波纹填料

在处理高沸点物料或热敏性物料时，要求填料塔在减压条件写操作，填料塔的压降应尽可能地小，以维持塔底的真空度和较低的沸点。由于乱堆填料阻力较大，所以便出现了具有规则气液通道的新型整砌填料。波纹填料就是一种整砌结构的新型高效填料，如图11-15所示。波纹填料可用金属、陶瓷、塑料、玻璃钢等材料制造。它由许多层波纹薄板或金属网组成，由高度相同但长度不等的若干块波纹薄板搭配排列而成的波纹填料盘。波纹与水平方向呈45°倾角，相邻盘旋转90°后重叠放置，使其波纹倾斜方向互相垂直。每一块波纹填料盘的直径略小于塔体内径，若干块波纹填料盘叠放于塔内。

图11-14 金属鞍环填料结构图

图11-15 波纹填料结构图

由于结构紧凑，具有很大的比表面积，且因相邻两个盘间板片互相垂直，使上升气体不断改变方向，下降液体也不断重新分布，传质效率高。波纹填料的缺点是不适于处理黏度大，易聚合或有沉淀物的物料，此外填料的装卸、清理也较困难，造价高。

四、填料塔附件

填料塔附件主要有支承板、液体分布器、液体再分布器、除沫器等。

1.填料支承装置

填料支承装置的主要用途是支承板内的填料，同时又能保证气液两相顺利通过。支承板若设计不当，填料塔的液泛可能首先在支承板上发生。对于普通填料，支承板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，常用的填料支承装置有栅板式结构和升气管式结构两种，如图11-16所示。

图11-16 填料支承装置图

2.液体分布器

液体分布器对填料塔的性能影响极大。分布器设计不当，液体预分布不均，填料层内的有效润湿面积减少，而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。

实践表明，填料塔只要设计正确，保证液体预分布均匀，特别是保证单位塔截面的喷淋点数，对保证大型塔和小型塔传质效率十分重要。

常用的液体分布器有莲蓬式、盘式、齿槽式和多孔环管式分布器等，如图11-17所示。

3.液体再分布器

液体在乱堆填料层向下流动时，有偏向塔壁流动现象，使得塔中心的填料不被润湿，减少了气液有效接触面积。为改善向壁偏流效应造成的液体分布不均，可在填料层内部每隔一定高度设置一液体再分布器。常用的液体再分布器为截锥形。

4.除沫器

除沫器是用来除去填料层顶部逸出的气体中的液滴，安装在液体分布器上方。当塔内气速不大，工艺过程又无严格要求时，一般可不设除沫器。除沫器种类很多，常见的有折板除沫器、丝网除沫器、旋流板除沫器。

图11-17 填料支承装置图