【正文】 幾種常見的規(guī)整填料④波紋填料與波紋網(wǎng)填料波紋填料是由許多波紋薄板制成，各板高度相同但長短不等，搭配排列而成圓餅狀，波紋與水平方向成45186。傾角，相鄰兩板反向疊靠，使其波紋傾斜方向互相垂直。圓餅的直徑略小于塔殼內(nèi)徑，各餅豎直疊放于塔內(nèi)。相鄰的上下兩餅之間，波紋板片排列方向互成90186。角。見圖321(d)。波紋填料的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，比表面積大，流體阻力小，液體每經(jīng)過一層都得到一次再分布，故流體分布均勻，傳質(zhì)效果好。其缺點(diǎn)是填料裝卸及清理困難，價(jià)格較高，不適宜處理有沉淀、粘度大、易結(jié)塊的物料。波紋填料可用金屬、陶瓷、塑料、玻璃鋼等材料制造。根據(jù)不同的操作溫度及物料的腐蝕性，選用適當(dāng)?shù)牟牧稀２y網(wǎng)填料是由金屬絲網(wǎng)波紋片排列組成的波紋填料，屬于網(wǎng)體填料，見圖321(c)。它是20世紀(jì)60年代以來研究和發(fā)展起來的一種性能良好的高效規(guī)整填料。波紋網(wǎng)填料是具有比表面積大、空隙率大、流體阻力小、傳質(zhì)效率高、操作彈性大和氣液分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。適用于精密精餾和真空精餾。其缺點(diǎn)是不適宜于處理有沉淀及有雜質(zhì)的物料，清洗、裝卸困難，造價(jià)高等，因此其推廣受到一定的限制。其他填料還包括木格柵填料（圖321(a)）格里奇格柵填料（圖321(b)）和脈沖填料（圖321(e)）等。填料塔的附件填料塔的附件包括填料支承、填料壓板、液體分布裝置及再分布裝置、氣液體進(jìn)口及出口裝置等。（1）填料支承裝置填料塔中，支承裝置的作用是支承填料及填料上的持液量，因此支承裝置應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，為了保證不在支承裝置上首先發(fā)生液泛，其自由截面積應(yīng)大于填料層中的空隙。常用的支承裝置有柵板式和升氣管式，如圖322所示。圖322 填料支承裝置柵板式支承裝置是由豎立的扁鋼條焊接而成，扁鋼條的間距應(yīng)為填料外徑的60~70%。為了解決支承裝置的強(qiáng)度與自由截面積之間的矛盾，特別是為了適應(yīng)高空隙率填料的要求，可采用升氣管支承裝置。氣體由升氣管上升，通過氣道頂部的孔及側(cè)面的齒縫進(jìn)入填料層，而液體則由支承裝置底板上的上孔流下，氣體、液體分道而行，彼此很小干擾。升氣管有圓形的，多為瓷制；也有條形的，多為金屬制。此種型式的支承裝置氣體流通面積可以很大。（2）液體分布裝置液體分布裝置對填料塔的操作影響很大，若液體分布不均勻，則填料層內(nèi)的有效潤濕面積會(huì)減少，并可能出現(xiàn)偏流和溝流現(xiàn)象，影響傳質(zhì)效果。常用的液體分布裝置有噴灑分布器、盤式分布器、齒槽式分布器和多孔環(huán)管式分布器等，如圖323所示。噴灑式分布器（蓮蓬式）見圖323（a）。一般用于直徑小于600mm的塔中。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。主要缺點(diǎn)是小孔易于堵塞，因而不適用于處理污濁液體，操作時(shí)液體的壓頭必須維持恒定，否則噴淋半徑改變影響液體分布的均勻性，此外，當(dāng)氣量較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生并夾帶較多的液沫。盤式分布器見圖323（b）和（c）。液體加至分布盤上，盤底裝有許多直徑及高度均相同的溢流短管，稱為溢流管式。在溢流管的上端開缺口，這些缺口位于同一水平面上，便于液體均勻地流下。盤底開有篩孔的稱為篩孔式，篩孔式的分布效果較溢流管式好，但溢流管式的自由截面積較大，且不易堵塞。圖323 液體分布裝置盤式分布器常用于直徑較大的塔中，此類分布器制造比較麻煩，但可以基本保證液體的均勻分布。齒槽式分布器見圖323（d），液體先經(jīng)過主干齒槽向其下導(dǎo)層各條形齒槽作第一級(jí)分布，然后再向填料層上面分布。這種分布器自由截面積大，工作可靠，多為大直徑塔所采用。多孔環(huán)管式分布器見圖323（e），由多孔圓形盤管、聯(lián)接管及中央進(jìn)料管組成。它可知應(yīng)較大的液體流量波動(dòng)，對氣體的阻力較不。但被分布的液體必須清潔，否則易將管壁上上孔堵塞。（3）液體再分布裝置液體在亂堆填料層向下流動(dòng)時(shí)，有一種逐漸偏向塔壁的趨勢，即壁流現(xiàn)象。為改善壁流造成的液體分布不均，在填料層中每隔一定高度應(yīng)設(shè)置一液體再分布器。常用的液體再分布器為截錐式再分布器，如圖324所示。其中圖（a）的結(jié)構(gòu)最簡單，它是將截錐筒體焊在塔壁上。截錐筒本身不占空間，其上下仍能充滿填料，稱為截錐式液體再分布器，~。圖（b）的結(jié)構(gòu)是在截錐筒的上方加設(shè)升氣管支承板，截錐下面要隔一段距離再放填料，這種液體再分布器適用于直徑比較大的塔。圖324 截錐式再分布器安排再分布裝置時(shí)，應(yīng)注意其自由截面積不得小于填料層的自由截面積，以免當(dāng)氣速增大時(shí)首先在此處發(fā)生液泛。對于整砌填料，一般不需設(shè)再分布裝置，因?yàn)樵谶@種填料層中液體沿豎直方向流下，沒有趨向塔壁的效應(yīng)。（4）氣液體進(jìn)口及出口裝置液體的出口裝置既要便于塔內(nèi)排液，又要防止夾帶氣體，常用的液體出口裝置可采用水封裝置。若塔的內(nèi)外壓差較大時(shí)，又可采用倒U形管密封裝置。填料塔的氣體進(jìn)口裝置應(yīng)具有防止塔內(nèi)下流的液體進(jìn)入管內(nèi)，又能使氣體在塔截面積上分布均勻兩個(gè)功能。對于塔徑在500mm以下的小塔，常見的方式是使進(jìn)氣管伸至塔截面的中心位置，管端作成45186。向下傾斜的切口或向下彎的喇叭口，對于大塔可采用盤管式結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣裝置。氣體出口裝置應(yīng)能保證氣流的暢通，并能盡量除去被氣體夾帶的液體霧沫，故應(yīng)在塔內(nèi)裝設(shè)除沫裝置，以分離出氣體中所夾帶的霧沫。常用的除沫裝置有折板除霧器、填料除霧器和絲網(wǎng)除霧器等?？紤]到原料氣中含有腐蝕性物質(zhì)和鮑爾環(huán)較拉西環(huán)具有的較好性能，由于鮑爾環(huán)比表面積大，工作任務(wù)中可選塑料鮑爾環(huán)作為填料塔中填料。任務(wù)解決6 填料類型的確定三、填料塔尺寸的確定前面已經(jīng)選擇了填料的類型，接下來就要確定填料的塔的有關(guān)尺寸。填料塔的尺寸主要包括塔徑和塔高。塔徑的確定（1）塔徑的計(jì)算公式 D = （317）式中：D —— 塔徑 m； VS —— 操作條件下混合氣體的體積流量 m3/s； u —— 空塔氣速，即按空塔截面積計(jì)算的混合氣體的線速度 m/s。在吸收過程中，由于吸收質(zhì)不斷進(jìn)入液相，故混合氣體量由塔底至塔頂逐漸減小，在計(jì)算塔徑時(shí)，一般應(yīng)以塔底的氣量為依據(jù)。確定適宜的空塔氣速u是計(jì)算塔徑的關(guān)鍵。空塔速度通常取液泛速度（uF）~。u=（～ ）uF （318）式中：uF——泛點(diǎn)氣速，m/s泛點(diǎn)氣速是填料塔空塔氣速的上限。適宜空塔氣速與泛點(diǎn)氣速之比稱為泛點(diǎn)率。什么是液泛速度？液泛速度與哪些因素有關(guān)？怎樣求取呢？（2）液泛與泛點(diǎn)氣速的求取①填料塔的液泛現(xiàn)象與液泛氣速在逆流操作的填料塔內(nèi)，氣體自下向上與液體自上向下是同時(shí)流經(jīng)一定高度的填料層。當(dāng)液體自塔頂向下藉重力在填料表面作膜狀流動(dòng)時(shí)，膜內(nèi)平均流速?zèng)Q定于流動(dòng)的阻力。而此時(shí)阻力系來自于液膜與填料表面及液膜與上升氣流之間的摩擦。顯然上升氣體的流量越大，液膜與上升氣流之間的摩擦就越大，于是液膜的平均流速就越低。由此可知，填料表面上的液膜厚度不僅決定于液體流量，而與氣體流量也有關(guān)。氣體流量愈大，則液膜愈厚，即填料層內(nèi)的持液量（操作時(shí)單位體積填料層內(nèi)持有的液體體積）也愈大。不過填料塔在低氣速下操作時(shí)，上升氣流造成的阻力較小，液膜厚度與氣體流量關(guān)系不大；而在高氣速下操作時(shí)，氣體流量對液膜厚度將有不可忽視的影響。當(dāng)氣體自塔底向上經(jīng)填料空隙穿流時(shí)，由于填料表面上有液膜存在，則填料層可供氣體流動(dòng)的自由截面就減小。于是在一定的氣體流量下，使氣體在填料空隙間的實(shí)際速度較在干填料層內(nèi)的實(shí)際速度也大，相應(yīng)的氣體通過填料層的壓力降也增大。同理，在氣體流量相同的情況下，液體流量若增大，則填料表面上液膜厚度增厚，于是使氣體通過填料層的壓力降也增大。在逆流操作的填料塔內(nèi)，如將不同的液體噴淋量下取得的填料層壓力降Δp與空塔氣速u的實(shí)測數(shù)據(jù)繪在雙對數(shù)坐標(biāo)上，則可得如圖325所示的流體力學(xué)關(guān)系。各種類型填料的這種關(guān)系圖線都大致相似。圖325 填料層的壓力降與空塔氣速的關(guān)系圖325表明，當(dāng)氣體通過干填料層流動(dòng)時(shí)，壓力降與空塔氣速的關(guān)系為直線A所示。當(dāng)有液體噴淋時(shí)，所得的關(guān)系則為一折線如B線和C線所示。線B上表示氣速較低的一段，在線A的左上方，但大體與線A平行。這表明有液體噴淋到填料表面時(shí)，因可供氣體流動(dòng)的自由截面縮小，在同樣氣體空塔速度之下，壓力降上升。但此時(shí)，填料層內(nèi)液體向下流動(dòng)幾乎與氣速無關(guān)，填料表面上覆蓋的液體膜層厚度不變，填料表面持液量保持一定。而當(dāng)氣速超過B線上與點(diǎn)L相當(dāng)?shù)目账馑俸?，線的斜率便增大，其值約為25。這表明此時(shí)的氣速已使上升氣流與下降液體間摩擦力開始阻礙液體順利下流，使填料表面持液量增多，占去更多空隙，氣體實(shí)際速度與空塔氣速的比值顯著提高，故壓力降比前增加的快。此種現(xiàn)象稱為載液，L點(diǎn)稱為載點(diǎn)。氣速再持續(xù)增大到F點(diǎn)相當(dāng)?shù)臄?shù)值時(shí)，壓力降急劇上升到與氣流速度成垂直線的關(guān)系。這表明此時(shí)上升氣流與下降液體間的摩擦力，已增加到足以阻止液體下流，于是液體充滿填料層空隙，氣體只能鼓泡上升。隨之，液體被氣流帶出塔頂，塔的操作極不穩(wěn)定，甚至被完全破壞。此種現(xiàn)象稱為液泛，F(xiàn)點(diǎn)稱為泛點(diǎn)。若液體噴淋量更大，則壓力降與空塔氣速的關(guān)系線位置如線C所示，表明達(dá)到載液與液泛的空塔氣速更為降低。目前一般認(rèn)為填料塔的正常操作狀態(tài)只到泛點(diǎn)以下為止。由此可見：所謂液泛就是當(dāng)填料類型、大小也一定時(shí)，液體噴淋量一定時(shí)，氣體流量增加到一定程度時(shí)塔的壓力降急劇上升，液體充滿部分或全部填料層空隙，造成液體下不來或氣體也上不去的現(xiàn)象，塔的正常操作被子破壞。此時(shí)的空塔氣速就是液泛氣速uF ，也就圖325中F點(diǎn)所對應(yīng)的空塔氣速。②液泛速度的求取泛點(diǎn)是填料塔的極限操作條件，正確的估算泛點(diǎn)氣速對于填料塔的操作和設(shè)計(jì)都十分重要。填料塔的液泛速度與塔內(nèi)的氣液相負(fù)荷（流量）、物系性質(zhì)及填料到類型、尺寸等因素有關(guān)。填料塔液泛速度的求取一般借助于?？颂氐耐ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖。如圖326所示。此通用關(guān)聯(lián)圖是以為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)。此圖有二個(gè)用途：一用于實(shí)際工作中的填料塔的壓力降的求??；二是在氣液相負(fù)荷一定的條件下，求取不同類型、不同大小填料的泛點(diǎn)氣速。圖326中左下方的線簇是亂堆填料層的等壓力降線。用于求取工作狀態(tài)下亂堆填料層的壓力降。使用圖326時(shí)先根據(jù)工藝條件及選定的空塔速度u，分別算出縱、橫兩坐標(biāo)值，其垂直線與水平線交點(diǎn)所在的等壓力降線（或其內(nèi)插值），即為所求的壓力降數(shù)值（以每m填料層高度若干mmH2O計(jì)）。此圖目前尚不能用于查取整砌填料壓力降值，因?yàn)檎鎏盍系摩罩瞪写郎y試確定。計(jì)算整砌填料壓力降可采用阻力系數(shù)法計(jì)算，詳見有關(guān)專業(yè)書和手冊，此不再述。圖326中最上方的三條線分別為弦柵、整砌拉西環(huán)及亂堆填料的泛點(diǎn)線。與泛點(diǎn)線相對應(yīng)的縱坐標(biāo)中的空塔氣速u即為泛點(diǎn)氣速uF。若已知?dú)?、液兩相質(zhì)量流量比及各自的密度，則可算出圖326中橫坐標(biāo)值。由此點(diǎn)作垂線與泛點(diǎn)線相交，再由交點(diǎn)的縱坐標(biāo)數(shù)值求得泛點(diǎn)氣速uF。使用圖326中整砌拉西環(huán)泛點(diǎn)線時(shí)，縱坐標(biāo)中φ值應(yīng)改用a/ε3（干填料因子之值）。由圖326可以看出，影響液泛氣速的主要因素有以下幾個(gè)方面：Ⅰ 填料的特性：如比表面積δ、空隙率ε及幾何形狀等集中體現(xiàn)在填料因子φ，實(shí)驗(yàn)表明φ值愈小，液泛氣速uF就愈高；Ⅱ 流體的物理性質(zhì)：如氣體密度ρV、液體密度ρL、粘度μL等。因液體靠重力下流，ρL愈大，uF也愈大。氣體密度ρV愈大，則在同一流速下對液體阻力愈大；粘度μL愈大，填料表面對液體的摩擦阻力也愈大，均使流動(dòng)阻力增大，使液泛氣速uF下降Ⅲ 液氣比：液氣比越大，則液泛速度uF越小。這是因?yàn)樵谄渌蛩匾欢〞r(shí)，隨著噴淋量增大，填料層持液量增加而空隙減小，從而使用權(quán)開始發(fā)生液泛的空塔氣速變小。圖326 填料層的壓力降和填料塔泛點(diǎn)的通用關(guān)聯(lián)圖圖中：u ——空塔氣速 m/s g ——重力加速度 m/s2 φ——填料因子 1/m ψ——液體密度校正系數(shù)，等于水的密度與液相密度之比，即ψ= ρL、ρV ——分別為液體與氣體的密度 kg/m3 μL——液體的粘度 mNs/m2wL、wV——分別為液體及氣體的質(zhì)量流量 kg/s此外液體表面張力對于泛點(diǎn)氣速也有影響，表面張力小的液體往往容易發(fā)泡、液泛氣速較低，但此圖沒有反映出來，因此對于易起泡的系統(tǒng)，由此圖求得的泛點(diǎn)氣速偏高一些。選擇較小的氣速，則壓力降小，動(dòng)力消耗小，操作彈性大，設(shè)備投資大，而生產(chǎn)能力低；低氣速也不利于氣液充分接觸，使分離效率降低。若選用接近泛點(diǎn)的過高氣速，則不僅壓力降大，且操作不平穩(wěn)，難于控制。關(guān)于泛點(diǎn)率的選擇，須依具體情況而定。例如對于易起泡沫的物系，泛點(diǎn)率應(yīng)取低些，甚至可低于50%；對加壓操作的塔，減小塔徑有更多好處，故應(yīng)選取較高的泛點(diǎn)率。~。塔器是國家已有系列標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器，利用公式317計(jì)算出的塔徑D必須按壓力容器的公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，直徑1m以下間隔為100mm（必要時(shí)700mm以下可以50mm為間隔）；直徑在1m以上時(shí)，間隔為200mm（必要時(shí)，2m以下可用100mm為間隔）。如圓整為400、500、600、……1000、1200、1400mm等。塔徑圓整后，再根據(jù)圓整值計(jì)算出實(shí)際空塔氣速u′，以作為其它工藝計(jì)算和操作控制的依據(jù)。，根據(jù)式317計(jì)算得到D = 。 填料塔塔徑的確定塔高的確定 填料塔的總高度包括填料層、填料段間空隙以及塔頂、塔底各部分的高度，填料塔的總高度主要取決于填料層高度。而填料層的高度取決于分離任務(wù)的大小和吸收速率的大小。分離任務(wù)一定時(shí)，吸收速率快，所需的相際傳質(zhì)面積小，直料層高度就低。（1）吸收速率方程式在吸收操作中，每單位相際傳質(zhì)面積、單位時(shí)間內(nèi)吸收的溶質(zhì)量稱為吸收速率。而吸收速率與吸收推動(dòng)力之間的關(guān)系式即為吸收速率方程式。在穩(wěn)定吸收操作中，吸收設(shè)備內(nèi)的任一部位上，吸收質(zhì)通過氣膜、液膜的分子擴(kuò)散速率應(yīng)是相等的，并且等于吸收質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)移至液相的傳質(zhì)速率。因此吸收速率方程式可用吸收質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過氣、液膜的擴(kuò)散速率方程來表示。①氣膜吸收速率方程式依雙膜理論，吸收質(zhì)A以分子擴(kuò)散方式