填料塔基礎知識：填料塔的填料種類以及結構力學原理
油脂生產過程中有多處用到填料塔的地方，如壓榨廠毛油的汽提、浸出車間礦物油尾氣吸收系統、精煉油的脫臭等，本文對填料作簡單介紹： p>
填料塔結構
填料塔填料塔是以塔內的填料作為氣、液兩相間接觸構件的傳質設備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，由塔體、填料、填料支承板、液體分布器、液體再分布器、氣體和液體進出口接管等部件組成，填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經氣體分布裝置（小直徑塔一般不設氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質。填料塔屬于連續接觸式氣液傳質設備，兩相組成沿塔高連續變化，在正常操作狀態下，氣相為連續相，液相為分散相。
填料塔的結構
塔體常用金屬或增強塑料等材料制成直立圓筒形，塔內裝有一定高度的填料，填料可亂堆或整砌，塔底裝有填料支承板，填料上方裝有填料壓板。液體自塔頂經液體分布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體進口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進行傳質。
填料塔內主要部件作用如下：
① 填料：填料提供了塔內的氣液兩相接觸表面。填料塔的流體力學性能、傳質速率等與填料的材質、幾何形狀密切相關。
② 填料支承板：用以支承填料和塔內持液的部件。
③ 液體分布器：是將液體從塔頂均勻分布的部件。
④ 液體再分布器：液體從塔頂流下時有向壁流動的趨勢，造成填料層內傳質面積減少，影響傳質。工程上通常填料層內每隔一定高度設置一個液體再分布器，來改善因壁流效應造成液體在填料層內不均勻分布。
⑤ 除沫器：當塔內氣速太大，氣體通過填料層頂部會夾帶大量的霧滴，通常在液體分布器的上部應設置除沫器，以捕集之。當氣速較小時，氣體中的液滴量少，可不安裝除沫器。
填料塔不但結構簡單，且流體通過填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造，故填料塔是一種重要的傳質設備。
填料特性
① 填料的特性
比表面積 填料的比表面積是指單位體積填料的表面積。在填料塔內，液體沿填料表面流動形成液膜，被液膜覆蓋的表面才是氣液兩相傳質面，所以填料比表面積大有利于傳質。相同材質的填料，小尺寸的比表面積大，有利于傳質，但使流體流動阻力增大。
空隙率 填料的空隙率定義為單位體積填料所提供的空隙體積。在填料塔內流體是在填料的空隙中流過的，填料的空隙率大，則流體流過填料的阻力小，氣液兩相流量在正常的操作條件下可提高，即流體通量增大。
② 常用填料
填料按裝填方式分為散堆填料和規整填料，按使用效率分為普通填料和高效填料，按結構分實體填料和網體填料。工業上常見的填料形狀和結構如圖所示。
各種常用填料
甲醇精餾塔中采用的是波紋板及波紋絲網規整填料(圖(o)、(n))，材質為金屬及陶瓷等。波紋板是具有波紋的薄片，波紋方向與水平成45°，組裝時單片豎直安放，且相鄰單片的波紋方向互相垂直交替疊合組成圓盤。填料裝入塔內時，上下填料圓盤方位互相垂直。波紋板填料的優點是壓降小、生產能力大、傳質效率高，其缺點是不適合用于易結垢、析出固體以及液體粘度較大的物系，對于大塔則填料重量大、造價高、裝卸清理困難。
散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機的方式堆積在塔內，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據結構特點不同，又可分為環形填料、鞍形填料、環鞍形填料及球形填料等。現介紹幾種較為典型的散裝填料:拉西環、鮑爾環、階梯環、弧鞍填料、矩鞍填料、金屬環矩鞍填料、球形填料。
(1)拉西環填料于1914年由拉西發明，為外徑與高度相等的圓環。拉西環填料的氣液分布較差，傳質效率低，阻力大，通量小，目前工業上已較少應用。
(2)鮑爾環填料是對拉西環的改進，在拉西環的側壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環壁的一側仍與壁面相連，另一側向環內彎曲，形成內伸的舌葉，諸舌葉的側邊在環中心相搭。鮑爾環由于環壁開孔，大大提高了環內空間及環內表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環相比，鮑爾環的氣體通量可增加50%以上，傳質效率提高30%左右。鮑爾環是一種應用較廣的填料。
(3)階梯環填料是對鮑爾環的改進，與鮑爾環相比，階梯環高度減少了一半并在一端增加了一個錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，可以促進液膜的表面更新，有利于傳質效率的提高。階梯環的綜合性能優于鮑爾環，成為目前所使用的環形填料中最為優良的一種。
(4)弧鞍填料屬鞍形填料的一種，其形狀如同馬鞍，一般采用瓷質材料制成。弧鞍填料的特點是表面全部敞開，不分內外，液體在表面兩側均勻流動，表面利用率高，流道呈弧形，流動阻力小。其缺點是易發生套疊，致使一部分填料表面被重合，使傳質效率降低。弧鞍填料強度較差，容破碎，工業生產中應用不多。
(5)矩鞍填料將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時不會套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質材料制成，其性能優于拉西環。目前，國內絕大多數應用瓷拉西環的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。
(6)金屬環矩鞍填料環矩鞍填料是兼顧環形和鞍形結構特點而設計出的一種新型填料，該填料一般以金屬材質制成，故又稱為金屬環矩鞍填料。環矩鞍填料將環形填料和鞍形填料兩者的優點集于一體，其綜合性能優于鮑爾環和階梯環，在散裝填料中應用較多。
(7)球形填料一般采用塑料注塑而成，其結構有多種。球形填料的特點是球體為空心，可以允許氣體、液體從其內部通過。由于球體結構的對稱性，填料裝填密度均勻，不易產生空穴和架橋，所以氣液分散性能好。球形填料一般只適用于某些特定的場合，工程上應用較少。
除上述幾種較典型的散裝填料外，近年來不斷有構型獨特的新型填料開發出來，如共軛環填料、海爾環填料、納特環填料等。工業上常用的散裝填料的特性數據可查有關手冊。
2、規整填料
規整填料是按一定的幾何構形排列，整齊堆砌的填料。規整填料種類很多，根據其幾何結構可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。
(1)格柵填料是以條狀單元體經一定規則組合而成的，具有多種結構形式。工業上應用最早的格柵填料為木格柵填料。目前應用較為普遍的有格里奇格柵填料、網孔格柵填料、蜂窩格柵填料等，其中以格里奇格柵填料最具代表性。格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負荷大及防堵等場合。
(2)波紋填料目前工業上應用的規整填料絕大部分為波紋填料，它是由許多波紋薄板組成的圓盤狀填料，波紋與塔軸的傾角有30°和45°兩種，組裝時相鄰兩波紋板反向靠疊。各盤填料垂直裝于塔內，相鄰的兩盤填料間交錯90°排列。波紋填料按結構可分為網波紋填料和板波紋填料兩大類，其材質又有金屬、塑料和陶瓷等之分。
(3)脈沖填料脈沖填料是由帶縮頸的中空棱柱形個體，按一定方式拼裝而成的一種規整填料。脈沖填料組裝后，會形成帶縮頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收縮和擴大，氣液兩相通過時產生強烈的湍動。在縮頸段，氣速最高，湍動劇烈，從而強化傳質。在擴大段，氣速減到最小，實現兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重復，實現了“脈沖”傳質過程。脈沖填料的特點是處理量大，壓降小，是真空精餾的理想填料。因其優良的液體分布性能使放大效應減少，故特別適用于大塔徑的場合。
填料的幾何特性
填料的幾何特性數據主要包括比表面積、空隙率、填料因子等，是評價填料性能的基本參數。
(1)比表面積：單位體積填料的填料表面積稱為比表面積。填料的比表面積愈大，所提供的氣液傳質面積愈大。
(2)空隙率：單位體積填料中的空隙體積稱為空隙率。填料的空隙率越大，氣體通過的能力越大且壓降低。
(3)填料因子：填料的比表面積與空隙率三次方的比值，稱為填料因子，填料因子越小，表明流動阻力越小。
填料塔的流體力學性能
填料塔傳質性能的好壞、負荷的大小及操作的穩定性很大程度取決于流體通過填料的流體力學性能，也即氣體通過填料層的壓降。
在填料塔中，氣體靠壓差自下而上通過填料層，液體靠重力自上而下流過填料層。將氣體體積流量與塔截面積之比定義為空塔氣速，實驗測得的不同液體噴淋量下的填料層壓降與空塔氣速的關系，如圖所示。
填料塔壓降與空塔氣速的關系
當液體噴淋量L=0(干填料層)時，實驗得到壓降與空塔氣速關系為直線，斜率約為1.8～2。有液體噴淋時，由于液體在填料的空隙中占有一部分體積，實際氣速增加，相應的壓降增加。當液體噴淋量一定時，空塔氣速不大時，壓降與氣速的關系線與干填料層時的壓降與氣速關系線幾乎平行，斜率仍為1.8～2。當空塔氣速增加到一定程度時，塔內持液量增加，塔內空隙率減少，故實際氣速增加，導致壓降隨空塔氣速增加速度加快，即壓降隨空塔氣速變化關系線的斜率大于2，圖中的AB段。壓降隨空塔氣速變化劇烈的第一個轉折點A點稱為載點，對應的氣速為載點氣速。當空塔氣速再進一步增加超過某一極限值時，液體不能順利向下流動，此現象為液泛。此時壓降與氣速近似成垂直線關系，出現第二個轉折點，該點為泛點，如圖中的B點。泛點以后，液體不能順利流下，從塔頂溢出。所以，泛點是填料塔操作的上限，泛點對應的氣速為泛點氣速。
氣體流速正常的操作范圍是載點氣速到泛點氣速之間。因泛點氣速易測，所以通常操作氣速為泛點氣速的0.6～0.8倍。
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