填料塔

§7．2．1 填料塔简介

填料塔最初出现在十九世纪中叶，在1881年用于精馏操作。

填料塔的塔体横截面有圆形，矩形及多边形等，但绝大部分是圆形。塔壳材料可以是碳钢，不锈钢，聚氯乙烯，玻璃钢和砖等。

塔内放置着填料（packings）。填料种类很多。用于制造填料的材料有碳钢、不锈钢、陶瓷、聚丙烯、增强聚丙烯等。由于填料与塔体取材面广，故易于解决物料腐蚀问题。

填料在填料塔操作中起着重要作用。液体润湿填料表面便增大了气液接触面积，填料层的多孔性不仅促使气流均匀分布，而且促进了气相的湍动。

以气液两相的流动情况作对比，气相湍动较好，而液相呈膜状流下，湍动甚差。可幸液体在流过一个填料的表面后，经填料与填料间的接触点流至下一个填料的表面。在接触点处液体经历了混合与再铺展，使液相传质显著增强。其机理解释如下：见图7-1,当液相通过在填料间的接触点处混合均匀后,浓度为c₀，在刚流至下一个填料的表面时，只有在气液界面处因气液平衡，液相浓度跃增为c_i以外，其余液相浓度仍保持为c₀，如图中τ₀时浓度分布曲线所示。随着液体沿该填料表面向下流动，设气液界面处液相浓度c_i不变，由于组分扩散，液相浓度逐渐变化，如τ₁、τ₂、τ₃等时刻的浓度分布曲线所示。因传质速率随液相浓度差（c_i—c）的减小而减小，所以，传质速率是随着液体沿该填料向下流动而逐渐降低的。当液体流至该填料与下一个填料的接触点进行混合时，液体似受到一次强制性的扰动，气液界面处的组分迅速传递到液相内部,便又一次实现液相浓度的均匀一致。第二次液相的均匀浓度明显地要高于前次的液相均匀浓度。这就说明填料对液相传质的重要促进作用。

在这时期，先后出现了拉西环、Stedman金属纱网规则填料、弧鞍形填料、鲍尔环及矩鞍形填料等。这些新型填料的出现，使填料塔的操作性能得到显著改进。

填料塔操作时存在着气、液相在塔横截面上分布不均匀的问题，即气、液产生偏流，其结果必减少气、液接触机会，影响传质效果。液体的偏流称为“沟流”（channeling）。产生沟流的原因可从两方面考虑，一方面因操作时液体并不能全部润湿填料表面，于是，液体只沿润湿表面流下，形成沟流。另一方面是因为每个填料与相邻填料都有若干个接触点，该填料自某些接触点得到液体，又从某些接触点流走液体。液体来去之间总优先走近路。可见，即使填料表面全部润湿，仍存在液流不均匀问题。另一影响液流分布均匀性的现象是液体有朝塔壁汇集的趋向，即存在“塔壁效应”。液体自一个填料流至下一个填料的过程中，有向四周流开的可能。虽对一个填料来看，液体流向有倾向性，但对填料层整体来说，若不受其它因素影响，液流方向可认为是随机的。但在紧靠塔壁处情况则不同。液体通过填料与塔壁的接触点流至塔壁后，即顺塔壁流下，基本上不再返回填料层中。于是，近塔壁填料处液体往塔壁流动，便导致填料层中液体向塔壁流动。液体流过一段填料层后，填料层中心部位液流量明显减小，甚至出现干填料区。而气体流过填料层时，本来就有优先流过空隙大、阻力小的区域的趋势，液流分布不匀则更加剧这种趋势。

实践说明，随着填料塔塔径的增大，塔内气液分布不匀现象更趋严重。这称为填料塔的“放大效应”，或称“放大问题”。长久以来，填料塔“放大问题”一直是限制填料塔向大型化方向发展的障碍。

解决填料塔“放大效应”的常见措施有：改进塔顶液体原始喷淋的均匀性，多设喷淋点，在填料层中设置液体再分布器及控制塔径与填料尺寸的比值等。此外，人们对于填料形状对减小沟流的作用已给予了足够的重视。新型高效填料的采用使气液分布情况得到改善。由于采用多种有效措施，目前填料塔的放大问题已得到一定程度的解决。塔径超过10m的填料塔当前已并不鲜见。

§7．2．2 填料的种类与特性

1)      填料的种类

常见填料的形状可分为四种类型。

①短管形填料：最早采用的拉西环是高度与外径之比为1的短管。该填料易于制造，强度好，取材面广，但流体力学及传质性能都不够理想。

鲍尔环自问世以来，至今一直被广泛采用。在鲍尔环基础上，又发展了一种叫“阶梯环”的填料，其结构与鲍尔环相近，但是截短型，在环的一侧底端做成喇叭口形状，以增加填料间点接触的机会。阶梯环的性能略优于鲍尔环，与鲍尔环相比，生产能力可提高10%，气体阻力可降低5%左右，是短管形填料中较好的一种。

在短管形填料中，亦有仍采用拉西环形状但引人某些改进的。如1949年出现的压延孔环，在金属薄板上先冲出一些孔（孔的密集度为160孔/cm²）,将薄板卷成半圆筒形。冲孔时保留尖刺，并使尖刺均在外侧，以改善液体润湿情况。又如1949年出现的θ网环（dixon），用金属丝网代替实体材料。由于丝网对液体有毛细管作用，能把液体铺展开，所以网体填料传质性能甚佳。但网体填料的强度差。

短管形填料一般是乱堆填料，只有2英寸以上的大填料才可能是整砌填料。

②鞍形填料：鞍形填料不同于短管形填料，其特点是不分内、外表面，整个填料表面由各种曲面组成，填料在塔内任意方位均可使流体舒畅流过。1931年出现的这类填料称弧鞍形填料，是因形如马鞍而得名。这种填料与拉西环相比，填料表面利用率高，阻力小，但因形状设计尚有缺陷，相邻填料有重叠倾向，填料层均匀性较差，且填料易碎，故使用不广。另一种改进型填料是1950年出现的矩鞍形填料，其形状仍像马鞍，但做得较厚实，形状比弧鞍形填料简单，且注意到两个鞍形填料不论以何种方式接触都不会叠合。矩鞍形填料亦是当前应用较多的一种填料。这种形状的填料也有网体的。鞍形填料都是乱堆填料。

③短管形与鞍形填料的结合型填料：现在已开发的这类填料有环矩鞍与共轭环等，其中共轭环是1992年我国自行开发、试验成功的。开发这类填料的出发点是想使之具有短管形与鞍形两大类填料的优点。试验表明，共轭环的阻力比阶梯环低（40～50）%，比鲍尔环低（50～55）%，其传质单元高度比阶梯环的约低15%，比鲍尔环的约低30%，可见，新的结合型填料的优点是明显的。

④波纹整砌填料：这是我国开发成功并于1971年发表的填料类型。该填料的基本件是冲压出45度斜波纹槽的薄板。薄板高度通常为40～60mm。若干板片平行组合，但相邻薄板的波纹反向。当塔截面为圆形，则波形板片的组合体为圆柱形。上下相邻的填料组合体，其薄板方向互呈90度交错。

波纹填料的材料有碳钢、不锈钢、铝、陶瓷、玻璃钢及纸浸树脂等。薄板厚度：金属板一般为0.5～1mm，陶瓷板为1～1.5mm，纸浸树脂及玻璃钢板则为0.1～0.2mm。

这种填料为气、液相提供了一段段带分支的直通道，气流阻力小，允许操作气速较大（如空速可达2m/s），故处理能力大。由于相邻两薄板间波峰接触点多，接触点给液体提供了混合、再铺展的条件，故可促进液体的表面更新，也促进气体湍流程度的增加。此外，这种填料具有较高的比表面积（a值为300～900m²/m³）.

近年来不少工厂采用不锈钢丝网制作的波纹填料，既保留波纹整砌填料的优点，又改善布液的均匀性。这种填料属高效填料。

2）填料的特性

填料特性有下列几方面：

（1）    比表面积a——塔内单位体积填料层具有的填料表面积，m²/m³。填料比表面积的大小是气液传质比表面积大小的基础条件。须说明两点：第一，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）%。第二，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。但比表面积a仍不失为重要的参量。

（2）       空隙率ε——塔内单位体积填料层具有的空隙体积，m²/m³. ε为一分数。ε值大则气体通过填料层的阻力小，故ε值以高为宜。

对于乱堆填料，当塔径D与填料尺寸d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ε就是填料层内任一横截面的空隙截面分率。

当气体以一定流量过填料层时，按塔横截面积计的气速u称为“空塔气速”（简称空速），而气体在填料层孔隙内流动的真正气速为u₁ 。二者关系为：u₁=u/ε。

（3）塔内单位体积具有的填料个数n——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。

几种常用的短管形及鞍形填料的特性数据列于表7-1。共轭环的特性数据列于表7-2。

表7-1 几种常用填料的特性数据

表7-2 共轭环填料的特性数据

§7.2.3填料层内气液逆流的流体力学特性

1）  气液流速与气体通过填料层压降的关系

填料在塔内乱堆，给气流构成了弯曲、分支及变截面的复杂几何形状的流道。这样的流道促使气流发生扰动，从而使气流在实际操作气速范围内均为湍流。

在对填料塔内气、液流体力学特性作测定时，通常气速以空塔气速u表示，液体喷淋密度L的单位是m³/（h·m²），气体流过一定高度填料层的压降为Δp。

对一定高度的填料层，在不同喷淋密度下实验测得的“lgΔp—lgu”曲线如下图。

当L=0，即干填料时，因气体在填料层呈湍流，Δp∝u^1.8～２.0，在“lgΔp—lgu”图中为一直线。

现Δp随u的增加而较快增长的线段，如图中A₁—B₁线段。在此阶段，液流虽遇到阻碍，但液体仍可沿填料表面流下，未发生液体停滞或积液现象。

在B₁点，因液膜已足够厚，四周的液膜几乎封闭气体通道，此刻，塔内的部分区域发生“转相”，即液相变为连续相，气相成为分散相。若气速再稍增大，气体对液体的曳力迅速增加，“lgΔp—lgu”曲线呈现为垂直向上的直线。这时，因塔顶不断进液，塔内液体又不能畅流而下，塔内积液，液位不断上升，于是液体由气体出口泛滥出去，塔的正常操作便受到破坏。这种状况称为“液泛”（flooding）。一般把对应于液泛开始状况的空塔气速叫做液泛气速，简称“泛速”，图7-3中B₁点对应的空速即为泛速。

在图7-3中还画了喷淋密度为L₂、L₃时的“lgΔp—lgu”曲线，其曲线形状与L₁时的曲线形状相像，只因L₃>L₂>L₁，故与其相应的曲线中L₃曲线的位置最高，L₂的次之，L₁的最低。

A点称之“载点”（loading point），B点称为“泛点”。一般认为正常操作的空速应在载点气速之上，在泛点气速的0.8倍之下。因载点从理论上讲是在“lgΔp—lgu”图中当L为定值时随气速增大由直线转为曲线的转折点，但载点气速时的征状不明显，而泛点气速时的特征明显，易于辨认，故通常由实验数据整理成计算泛速的经验关联图。根据经验，一般推荐的操作气体空速u的数值范围是：

式中u_f为空塔气体泛速，m/s。

2）  泛点与压降的经验关联图

横轴为 ,纵轴为 。各符号意义如下：

u_f——空塔液泛气速，m/s；

g——重力加速度，9.81m/s²；

——填料因子（packing factor）,m²/m³；

ρ_V，ρ_L——气、液相密度，kg/ m³

,ρ_水是水的密度，kg/ m³；

G_L, G_V——液相与气相的质量通率，kg/(s·m²)；

μ_L——液相粘度，cP.

最初提出的泛点关联图纵轴数群中出现“干填料因子”a/ε³，但数据归纳规律性不够理想，考虑到操作时填料表面有液膜，使用干填料参量a、ε欠妥，后改用“填料因子” 替代，效果较好。

实验中发现，乱堆填料液泛时单位填料层高度的气体压降基本上为一恒值，亦即Eckert图中乱堆填料的泛点线为一等压降线。由此推测，当操作气速低于泛速时，其它等压降曲线会有与泛点关联图线相像的曲线形状。实验结果证实了这一推测。图7-4中在乱堆填料泛点线以下的系列曲线均为乱堆填料的等压降线。使用这些等压降线时，纵坐标中的μ_f须改为操作气速u。

现以乱堆填料为例，说明泛点与压降关联图的使用方法。步骤如下：

已知空塔操作气速后，可按下式计算塔径D：

式中V——气相体积流量，m³/s

     u——操作空塔气速，m/s

3)填料塔逆流操作时的持液量

填料塔在逆流操作时，在填料间的空隙中以及在填料表面所积存的液量称为持液量（liquid holdup）m³液/m³塔容积。持液量由两部分组成：

①动持液量：在填料塔正常操作时突然停止喷淋液体和输入气体，由填料层流出的液体体积与填料层体积之比。动持液量的液体能连续流过填料层，可不断地被上面流下来的液体置换。

②静持液量：当停止喷淋液体和输入气体后经过一段时间仍然滞留在填料层内的液体体积与填料层体积之比。静持液量的液体多数是不流动的，只能缓慢地被新鲜液体置换。

填料层中静持液量的液体因与气相接触时间长而趋近平衡，几乎失去传质效能，而动持液量液体对传质有效。持液量大则塔体重量增加，气流通道变狭阻力增大，而且会延长所需由开工至稳定操作的时间，故一般认为持液量以小为宜。持液量至今没有成熟的计算式，只能查到少数特定填料及物系的持液量经验曲线。

 §7．2．4 填料层内的气液传质

1）  气液传质面积

干填料比表面积为a，实际操作中润湿的填料比表面积为a_w，由于只有在润湿的填料表面才可能发生气、液传质，故a_w值具有实际意义。下面介绍计算 的恩田（Onda）公式，该公式为：

（7-2）

式中σ——液体表面张力，N/m；

σ_C——填料上液体铺展开的最大表面张力，N/m。

要求σ<σ_C。σ_C的值见表7-3。

表7-3 不同填料材质的σ_C值

G_L——液体空塔质量通率，kg/(s·m²)；

μ_L，ρ_L——液体的粘度，N·s/m²和密度，kg/m³。

2）气液传质分系数的经验关联式

迄今已有不少气、液传质分系数的经验关联式发表。各关联式都是在特定的汽液体系和填料条件下，在一定的汽液质量通率范围内由实测数据整理得到的。但这些经验式的使用范围有相当局限性。

气液传质过程有关物理量同样可采用准数式来关联。有关的准数是Sh，Re，Sc及表示流体流动通道几何特点的准数（如ad_p）等。以准数形式表达的计算传质分系数的图线、公式具有普遍性。

下面介绍计算气、液传质分系数的恩田准数关联式。

（1）       计算k_L的关联式。

（7-3）

   <Sh>             <Re>    <Sc>     <L/d>

（2）计算k_G的关联式

（7-4）

<Sh>      <Re>     <Sc>    <L/d>

天津大学于1978年发表了计算k_L的修正的恩田公式，把原式中的（ad_p）改为由实验测得的ψ，并改变公式的常系数，使修正后的恩田公式对当前常用的各种填料的实验数据吻合得更好。修正的恩田公式为

（7-5）

各种填料的ψ值如表7-4所示。

表7-4 各种填料的ψ值（无因次）

又， （注意：k需乘以a_w，而不是a。）现在有许多实验整理得的经验式中把“k_La”或“k_Ga”作为一个整体的物理量处理，这样做，既准确，计算也简便。

温度对吸收操作的影响：若P不变，t减小，则m减小。从平衡关系来看，t减小使吸收推动力增大，对吸收有利。温度改变对传质分系数的影响同样可根据恩田公式作判断。当对比的是t₁与t₂两个温度，压强不变，则可按该压强查取在这两个温度下的全部有关物性数据，算出相应的k值进行对比。一般说，温度降低液相粘度增大，液相分子扩散系数减小，则液体传质分系数减小。可见，温度降低可增大吸收推动力但减小传质系数，故适宜操作温度应权衡这两方面利弊确定。

3）液体精馏的HETP经验关联式

以填料塔作为精馏操作的设备亦属常见。所需的填料层高度H为

下面介绍计算HETP的一个经验公式——默奇（Murch）式

表7-5 Murch公式的系数

(7-8)式的适用范围是：①常压操作。操作气速为（0.25～0.85）×泛速。②塔径为500～800mm，填料层高度为1～3m。塔径与填料尺寸之比大于8。③高回流比或全回流操作，汽、液摩尔流量近似相等。④体系的相对挥发度α在3～4以内。物系的扩散系数相差不大。

把Murch公式用于低回流比时误差较大。

4）轴向混合对传质过程的影响

不均匀，再加上涡流因素，导致气液相中部分反主流方向流动即“返混”（back mixing）或“轴向混合”（axial mixing）现象发生。当上升气流夹带部分液体向上流动时产生液相返混，下降液体夹带部分气体向下流动则产生气相返混。

由于返混，塔内气液浓度随塔高的变化曲线与假想情况发生差异。以逆流吸收为例，液体在塔顶加入后，旋即由于填料层内液向返混而浓度增大，气体进入填料层后因气相返混而浓度很快降低。图7-5中实线是假想的无返混的气液浓度随填料层高度变化的曲线，虚线则是实际有返混的气液浓度随填料层高度变化的曲线。可见，返混使传质推动力减小，故应设法减小返混程度。

§7．2．5填料塔的附属设备

填料塔的附属设备主要有液体喷淋装置、除沫装置、液体再分布器及填料支承装置等。

1）液体喷淋装置与除沫装置

（1）液体喷淋装置：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。

常见的液体喷淋装置有多孔管式、槽式及挡板式等，如图7-6所示。管式布液器是令液体从总管流进，分流至各支管，再从支管底部及侧面的小孔喷出。这种装置要求液体洁净，以免发生小孔堵塞，影响布液的均匀性。槽式分布器不易堵塞，布液较均匀，但因液体是由分槽的V形缺口流出，故对安装的水平度有一定要求。挡板式是将管内流出的液体经档板反溅洒开的液体喷淋装置，其结构简单，不会堵塞，但布液不够均匀。

（2）除沫装置：气体从塔顶流出时，总会带少量液滴出塔。为使气体夹带的液滴能重新返回塔内，一般在塔内液体喷淋装置上方装置除沫器。常用的除沫器有折流板式与填料层式。

图7-6 液体喷淋装置

图7-7中左图所示为折流板式除沫器。气体流过曲折通道时，气流中夹带的液滴因惯性附于折流板壁，然后流回塔内。

图7-7 除沫器

图7-7中右图所示的是填料层式除沫器。当气流通过填料层时，气流中夹带的液滴附于填料表面流回塔内。过去曾用拉西环除沫，但其阻力大，效果不理想，现在一般采用金属丝网或尼龙丝网填料层，填料层高（0.1～0.15）m，压降小于25mmH₂O，可除去大于5μ的液滴，效率达(98～99)%。

2）液体再分布器与填料支承装置

通常将整个填料层分为若干段，段与段间设置液体再分布器。如令每段填料层的高度为Z，塔径为D，对乱堆拉西环，取 。随着填料性能的改进， 之值可增大，该值一般在3至10之间。

（2）填料支承装置：填料支承装置如图7-9所示。结构最简单的是栅板，由竖立的扁钢焊在钢圈上制成。为防止在栅板处积液导致液泛，栅板的自由截面率应大于50%。此外，效果较好的是具有圆形或条形升气管的筛板式支承板，液体从板上筛孔流下，气体通过升气管由管壁的小孔流出，气液分布较均匀，又因在支承装置处逆流的气液相各有通道，可避免因支承装置而引起的积液现象。

图7-9 填料支承装置