【正文】 物料的分離 。 陶瓷填料應(yīng)用的最早 ， 其潤(rùn)濕性能好 ， 但因壁厚 ， 空隙小 ，阻力大 ， 氣液分布不均勻 ， 傳質(zhì)效率低 ， 且易破碎 ， 僅用于高溫 、 強(qiáng)腐蝕場(chǎng)合 。 塑料填料近年來發(fā)展很快 ， 因其價(jià)格低廉 ， 質(zhì)輕耐腐 ， 加工方便 ， 在工業(yè)上應(yīng)用日趨廣泛 ，但潤(rùn)濕性能差 。 第五節(jié) 填料塔 填料的填充方法可采用散裝或整砌兩種方式。前者分散隨機(jī)堆放，后者在塔中成整齊的有規(guī)則排列。裝散裝填料前先在塔內(nèi)灌滿水，然后從人孔或塔頂將填料倒入，邊倒邊將填料表面扒平，填料裝至規(guī)定高度后，放凈塔內(nèi)的水。裝整砌填料，人進(jìn)入塔內(nèi)進(jìn)行排列，直裝到規(guī)定的高度。早期使用的填料為碎石、焦炭等天然塊狀物，后來廣泛使用瓷環(huán)和木柵等人造填料。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，目前散裝填料中金屬環(huán)矩鞍形填料綜合性能最好，而整砌填料以波紋填料為最優(yōu)，下面分別介紹。 第五節(jié) 填料塔 （ 1）拉西環(huán) 拉西環(huán)是最早的一種填料，為外徑與高度相等的空心圓柱體，如圖 88（ a） 所示，它是具有內(nèi)外表面的環(huán)狀實(shí)壁填料。拉西環(huán)形狀簡(jiǎn)單，制造容易，但當(dāng)拉西環(huán)橫臥放置時(shí)，內(nèi)表層不易被液體潤(rùn)濕且氣體不能通過，而且彼此容易重疊，使部分表面互相屏蔽，因而氣液有效接觸面積降低，流體阻力增大。 （ 2）鮑爾環(huán) 鮑爾環(huán)填料是在拉西環(huán)填料的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而研制的填料，如圖 88（ b） 所示。其結(jié)構(gòu)是在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出一排或兩排位置交錯(cuò)的窗口，窗口的一邊仍與圓環(huán)本體相連，其余邊向內(nèi)彎向環(huán)的中心以形成舌片，而在環(huán)上形成開孔。無論鮑爾環(huán)如何堆積，其氣液流通順暢，氣體阻力大大降低，液體有多次聚集、滴落和分散的機(jī)會(huì)，并且內(nèi)外表層均可有效利用。此外，使用鮑爾環(huán)填料不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏流和溝流現(xiàn)象，因此，即使填料層較高，一般也不需要分段，并無須設(shè)置液體再分布裝置。 第五節(jié) 填料塔 圖 88幾種填料的外形 （ a） 拉西環(huán)；（ b） 鮑爾環(huán)；（ c） 階梯環(huán)； （ d） 弧鞍；（ e） 矩鞍；（ f） 金屬矩鞍 第五節(jié) 填料塔 鮑爾環(huán)的性能優(yōu)于拉西環(huán) 。 鮑爾環(huán)因其具有生產(chǎn)能力大 、 氣體流動(dòng)阻力小 、 操作彈性較大 、 傳質(zhì)效率較高等優(yōu)點(diǎn) ， 而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中 。 鮑爾環(huán)可用陶瓷 、 金屬或塑料等材料 （ 3） 階梯環(huán) 階梯環(huán)填料是在鮑爾環(huán)填料的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而發(fā)展起來的一種新型填料 ， 如圖 88（ c） 所示 。其結(jié)構(gòu)與鮑爾環(huán)相似 ， 只是長(zhǎng)徑比略小 ， 其高度通常只有直徑的一半 ， 環(huán)上也有開孔和內(nèi)彎的舌片 。 因階梯環(huán)的一端有向外翻的喇叭口 ， 故散裝堆積過程中環(huán)與環(huán)之間呈點(diǎn)接觸 ， 互相屏蔽的可能性大為減少 ， 使床層均勻且空隙率增大 ， 是目前使用的環(huán)形填料中性能最佳的一種 。 第五節(jié) 填料塔 （ 4） 鞍形填料 鞍形填料有弧鞍與矩鞍兩種 。 鞍形填料是敞開型填料 ， 其特點(diǎn)為表面全部敞開 ， 不分內(nèi)外 ， 液體在表面兩側(cè)均勻流動(dòng) ， 流體通道為圓弧形 ， 使流體阻力減小 。 弧鞍形填料又稱貝爾鞍填料 ， 如圖 88（ d） 所示 。它的外形似馬鞍 ， 兩面是對(duì)稱的 ， 使液體在兩側(cè)分布同樣均勻 。 但由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) ， 弧鞍形填料容易產(chǎn)生重疊 ，使有效比表面積減小 。 另外 ， 因其壁較薄 ， 機(jī)械強(qiáng)度低而容易破碎 。 矩鞍形填料 矩鞍形填料是在弧鞍形填料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，如圖 88（ e） 所示。它的內(nèi)外表面形狀不同，填料堆積時(shí)不易重疊，填料層的均勻性大為提高，同時(shí)機(jī)械強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。矩鞍形填料處理能力大，氣體流動(dòng)阻力小，是一種性能優(yōu)良的填料。它的構(gòu)形比較簡(jiǎn)單，加工比弧鞍方便，一般用陶瓷制造。 第五節(jié) 填料塔 （ 5） 金屬鞍環(huán)填料 金屬鞍環(huán)填料是綜合了鮑爾環(huán)填料通量大及鞍形填料的液體再分布性能好的優(yōu)點(diǎn)而開發(fā)出的新型填料 ， 如圖 88（ f） 所示 。 是由薄金屬板沖程的整體鞍環(huán) ， 其特點(diǎn)為：保留了鞍形填料的弧形結(jié)構(gòu)及鮑爾環(huán)的環(huán)形結(jié)構(gòu) ， 并且有內(nèi)彎葉片的小窗 ， 全部表面能被有效地利用 。 （ 6）波紋填料 波紋填料是一種整砌結(jié)構(gòu)的新型高效填料。由許多層波紋薄板或金屬網(wǎng)組成，有高度相同但長(zhǎng)度不等的若干塊波紋薄板搭配排列成波紋填料盤（其結(jié)構(gòu)如圖 89所示）。波紋與水平方向成 45176。傾角，相鄰盤旋轉(zhuǎn) 90176。后重疊放置，使其波紋傾斜方向互相垂直。每一塊波紋填料盤的直徑略小于塔體內(nèi)徑，若干塊波紋填料盤疊放于塔內(nèi)。氣液兩相在各波紋盤內(nèi)呈曲折流動(dòng)以增加湍動(dòng)速度。 第五節(jié) 填料塔 波紋填料具有氣液分布均勻，氣液接觸面積大，通量大，傳質(zhì)效率高、流體阻力小等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效節(jié)能的新型填料。這種填料的缺點(diǎn)是造價(jià)較高，不適于有沉淀物、容易結(jié)疤、聚合或粘度較大的物料。此外，填料的裝卸、清理也較困難。波紋填料可用金屬、陶瓷、塑料、玻璃鋼等材料制造，可根據(jù)不同的操作溫度及物料腐蝕性，選用適當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)。 圖 89波紋填料的結(jié)構(gòu) 第五節(jié) 填料塔 三 、 填料塔的附屬設(shè)備 設(shè)計(jì)填料塔時(shí) ， 有些附屬結(jié)構(gòu)如果設(shè)計(jì)不當(dāng) ， 將會(huì)造成填料層氣液分布不均 ， 嚴(yán)重影響傳質(zhì)效果；或者阻力過大降低塔的生產(chǎn)能力 。 現(xiàn)對(duì)一些主要附屬結(jié)構(gòu)的功能及工藝設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)介如下 ， 其具體結(jié)構(gòu)可查閱有關(guān)設(shè)計(jì)參考資料 。 支承填料的構(gòu)件稱為填料支承板。氣體流經(jīng)支承板的通道截面積不能低于填料層的空隙率，否則將增大壓力降，降低生產(chǎn)能力，其機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)足以支承填料的重量。常用的填料支承板有柵板式式及升氣管式。 第五節(jié) 填料塔 一般填料塔塔頂都應(yīng)裝設(shè)液體噴淋器 ， 以保證從塔頂引入的液體能沿整個(gè)塔截面均勻的分布進(jìn)入填料層 ， 否則部分填料得不到潤(rùn)濕 ， 將會(huì)降低填料層的有效利用率 ， 影響傳質(zhì)效果 。 常見的噴淋器有管式噴淋器 、 蓮蓬式噴灑器及盤式分布器 。 填料塔操作時(shí) ， 因?yàn)樗诿孀枇π?， 液體沿填料層向下流動(dòng)的過程中有逐漸離開中心向塔壁集中的趨勢(shì) 。 這樣 ，沿填料層向下距離愈遠(yuǎn) ， 填料層中心的潤(rùn)濕程度就愈差 ，形成了所謂 “ 干錐體 ” 的不正常現(xiàn)象 ， 減小了氣 、 液相有效接觸面積 。 當(dāng)填料層很高時(shí) ， 克服 “ 干錐體 ” 現(xiàn)象的措施是沿填料層高度每隔一定距離 ， 裝設(shè)液體再分布器 ， 使沿塔壁流下的液體再流向填料層中心 。 常用的液體再分布器有錐形及槽形兩種形式 。 第五節(jié) 填料塔 填料塔的氣體進(jìn)口裝置應(yīng)能防止淋下的液體進(jìn)入進(jìn)氣管 ， 同時(shí)能使氣體分布均勻 。 對(duì)于直徑 500mm以下的小塔 ，可使進(jìn)氣管伸到塔的中心 ， 管端切成 45176。 向下的斜口即可 。對(duì)于大塔可采用喇叭形擴(kuò)大口或多孔盤管式分布器 。 塔內(nèi)液體從塔底排出時(shí)，應(yīng)采取措施既能使液體順利流出，又能保證塔內(nèi)氣體不會(huì)從排液管排出。為此可在排液管口安裝調(diào)節(jié)閥門或采用不同的排液阻氣液封裝置。 第五節(jié) 填料塔 若經(jīng)吸收處理后的氣體為下一工序的原料 ， 或吸收劑價(jià)昂 、 毒性較大時(shí) ， 從塔頂排出的氣體應(yīng)盡量少夾帶吸收劑霧沫 ， 需在塔頂安裝除霧器 ， 常用的除霧器有折板除霧器 、 填料除霧器及絲網(wǎng)除霧器 。 四 、 填料塔內(nèi)的流體力學(xué)特征 填料塔內(nèi)的流體力學(xué)特性包括氣體通過填料層的壓降 、液泛速度 、 持液量 （ 操作時(shí)單位體積填料層內(nèi)持有的液體體積 ） 及氣液兩相流體的分布等 。 第五節(jié) 填料塔 圖 810在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下給出了在不同液體噴淋量下單位填料層高度的壓降與空塔氣速的定性關(guān)系。 圖 810壓降與空塔氣速關(guān)系圖 第五節(jié) 填料塔 圖中最右邊的直線為無液體噴淋時(shí)的干填料 ， 即噴淋密度 L=0時(shí)的情形；其余三條線為有液體噴淋到填料表面時(shí)的情形 ， 并且從左至右噴淋密度遞減 ， 即 L3L2L1。 由于填料層內(nèi)的部分空隙被液體占據(jù) ， 使氣體流動(dòng)的通道截面減小 ， 同一氣速下 ， 噴淋密度越大 ， 壓降也越大 。 對(duì)于不同的液體噴淋密度 ， 其各線所在位置雖不相同 ， 但其走向是一致的 ， 線上各有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) ， 即圖中 Ai、 Bi 各點(diǎn) ， Ai（ A A A3… ） 點(diǎn)稱為 “ 截點(diǎn) ” ， Bi (B B B3 … )點(diǎn)稱為 “ 泛點(diǎn) ” 。 這兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)將曲線分成三個(gè)區(qū)域： （ 1） 恒持液量區(qū) 這個(gè)區(qū)域位于點(diǎn)以下 ， 當(dāng)氣速較低時(shí) ， 氣液兩相幾乎沒有互相干擾 ， 填料表面的持液量不隨氣速而變 。 第五節(jié) 填料塔 (2)載液區(qū) 此區(qū)域位于與點(diǎn)之間 ， 當(dāng)氣速增加到某一數(shù)值時(shí) ， 由于上升氣流與下降液體間的摩擦力開始阻礙液體順暢下流 ， 致使填料層中的持液量開始隨氣速的的增大而增加 ， 此種現(xiàn)象稱為攔液現(xiàn)象 。 開始發(fā)生攔液現(xiàn)象時(shí)的空塔氣速稱為載點(diǎn)氣速 。 (3)液泛區(qū) 此區(qū)域位于點(diǎn)以上 ， 當(dāng)氣速繼續(xù)增大到這一點(diǎn)后 ， 隨著填料層內(nèi)持液量的增加直至充滿整個(gè)填料層的空隙 ， 使液體由分散相變?yōu)檫B續(xù)相 ， 氣相則由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?， 氣體以鼓泡的形式通過液體 ， 氣體的壓強(qiáng)降驟然增大 ， 液體將被拖住而很難下流 ， 塔內(nèi)液體迅速積累而達(dá)到泛濫 ， 即發(fā)生了液泛 。 此時(shí)對(duì)應(yīng)的空塔氣速稱為泛點(diǎn)氣速或液泛氣速 。 第五節(jié) 填料塔 一般認(rèn)為 ， 泛點(diǎn)為普通填料塔的操作極限 ， 過此點(diǎn)則無法正常操作 。 要使塔的操作正常及壓強(qiáng)降不致過大 ， 氣流速度必須低于液泛氣速 ， 故經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為實(shí)際氣速通常應(yīng)取在泛點(diǎn)氣速的 50～ 80%范圍內(nèi) 。 2． 持液量 持液量小則阻力亦小 ， 但要使操作平穩(wěn) ， 則一定的持液量還是必要的 。 持液量是由靜持液量與動(dòng)持液量?jī)刹糠纸M成的 。 靜持液量指填料層停止接受噴淋液體并經(jīng)過規(guī)定的液滴時(shí)間后 ， 仍然滯留在填料層中的液體量 。 其大小取決于填料的類型 、 尺寸及液體的性質(zhì) 。 動(dòng)持液量指一定噴淋條件下持于填料層中的液體總量與靜持液量之差 ， 表示可以從填料上滴下的那部分 ， 亦即操作時(shí)流動(dòng)于填料表面之量 。 其大小不但與前述因素有關(guān) ， 而且還與噴淋密度有關(guān) 。 總持液量由填料類型 、 尺寸 、 液體性質(zhì)及噴淋密度等所決定 ， 可用經(jīng)驗(yàn)公式或曲線圖估算 。 第五節(jié) 填料塔 五 、 吸收過程的強(qiáng)化途徑 吸收操作的強(qiáng)化體現(xiàn)為吸收設(shè)備單位體積生產(chǎn)能力的提高，即提高吸收速率 NA。 從吸收速率方程式 NA= K液 △ X均 或 NA= K氣 △ Y均 可知，提高 K氣 或 K液 、△ X均 或△ Y均 、中任何一個(gè)均可強(qiáng)化傳質(zhì)。 K氣 或 K液 要增大吸收系數(shù)，必須設(shè)法降低吸收總阻力，而總阻力是氣膜阻力和液膜阻力之和。對(duì)不同的吸收過程，此二膜阻力對(duì)總阻力有不同程度的影響。所以，要降低總阻力，必須有針對(duì)性地降低氣膜阻力或液膜阻力。易溶氣體屬于氣膜控制，難溶氣體屬于液膜控制。在一定的操作條件下，一般降低吸收阻力的措施是增大流體速度及改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)以增大流體的湍動(dòng)程度，從而增強(qiáng)擴(kuò)散過程中的渦流擴(kuò)散效果。對(duì)氣膜控制過程應(yīng)著重考慮增強(qiáng)氣相湍動(dòng)程度，而對(duì)液膜控制過程則應(yīng)著重考慮增強(qiáng)液相湍動(dòng)程度。但是在采用提高流速以增強(qiáng)流體湍動(dòng)的同時(shí)，應(yīng)注意不要使流體通過吸收設(shè)備的壓力降過分增大。 第五節(jié) 填料塔 △ X均 或 △ Y均 提高操作壓力 ， 降低操作溫度對(duì)增大推動(dòng)力有力；選擇吸收能力大的吸收劑及增大液氣比 、 降低進(jìn)塔吸收劑中吸收質(zhì)的濃度等也都能增大吸收推動(dòng)力 。 A 傳質(zhì)面積即為氣液相間的接觸面積 。 傳質(zhì)面積的形式有兩種方式：一種是使氣體以小氣泡狀分散在液層中 ， 另一種是使液體以液膜或液滴狀分散在氣流中 ， 實(shí)際設(shè)備操作中這兩種情況不是截然分開的 。 顯然 ， 要增大傳質(zhì)面積 ，必須設(shè)法增大氣體或液體的分散度 。 總之 ， 強(qiáng)化吸收操作過程要權(quán)衡得失 ， 綜合考慮 ， 得到經(jīng)濟(jì)而合理的方案 。