填料塔基础知识

填料塔结构

填料塔由塔体、填料、填料支承板、液体分布器、液体再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，如下图所示。

填料塔的结构

塔体常用金属或增强塑料等材料制成直立圆筒形，塔内装有一定高度的填料，填料可乱堆或整砌，塔底装有填料支承板，填料上方装有填料压板。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体进口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。

填料塔内主要部件作用如下：

①填料：填料提供了塔内的气液两相接触表面。填料塔的流体力学性能、传质速率等与填料的材质、几何形状密切相关。

②填料支承板：用以支承填料和塔内持液的部件。

③液体分布器：是将液体从塔顶均匀分布的部件。

④液体再分布器：液体从塔顶流下时有向壁流动的趋势，造成填料层内传质面积减少，影响传质。工程上通常填料层内每隔一定高度设置一个液体再分布器，来改善因壁流效应造成液体在填料层内不均匀分布。

⑤除沫器：当塔内气速太大，气体通过填料层顶部会夹带大量的雾滴，通常在液体分布器的上部应设置除沫器，以捕集之。当气速较小时，气体中的液滴量少，可不安装除沫器。

填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，故填料塔是一种重要的传质设备。

填料特性

①填料的特性

比表面积填料的比表面积是指单位体积填料的表面积。在填料塔内，液体沿填料表面流动形成液膜，被液膜覆盖的表面才是气液两相传质面，所以填料比表面积大有利于传质。相同材质的填料，小尺寸的比表面积大，有利于传质，但使流体流动阻力增大。

空隙率填料的空隙率定义为单位体积填料所提供的空隙体积。在填料塔内流体是在填料的空隙中流过的，填料的空隙率大，则流体流过填料的阻力小，气液两相流量在正常的操作条件下可提高，即流体通量增大。

②常用填料

填料按装填方式分为散堆填料和规整填料，按使用效率分为普通填料和高效填料，按结构分实体填料和网体填料。工业上常见的填料形状和结构如图所示。

各种常用填料

甲醇精馏塔中采用的是波纹板及波纹丝网规整填料(图(o)、（n）)，材质为金属及陶瓷等。波纹板是具有波纹的薄片，波纹方向与水平成45°，组装时单片竖直安放，且相邻单片的波纹方向互相垂直交替叠合组成圆盘。填料装入塔内时，上下填料圆盘方位互相垂直。波纹板填料的优点是压降小、生产能力大、传质效率高，其缺点是不适合用于易结垢、析出固体以及液体粘度较大的物系，对于大塔则填料重量大、造价高、装卸清理困难。

填料塔的流体力学性能

填料塔传质性能的好坏、负荷的大小及操作的稳定性很大程度取决于流体通过填料的流体力学性能，也即气体通过填料层的压降。

在填料塔中，气体靠压差自下而上通过填料层，液体靠重力自上而下流过填料层。将气体体积流量与塔截面积之比定义为空塔气速，实验测得的不同液体喷淋量下的填料层压降与空塔气速的关系，如图所示。

填料塔压降与空塔气速的关系

当液体喷淋量L=0（干填料层）时，实验得到压降与空塔气速关系为直线，斜率约为1.8～2。有液体喷淋时，由于液体在填料的空隙中占有一部分体积，实际气速增加，相应的压降增加。当液体喷淋量一定时，空塔气速不大时，压降与气速的关系线与干填料层时的压降与气速关系线几乎平行，斜率仍为1.8～2。当空塔气速增加到一定程度时，塔内持液量增加，塔内空隙率减少，故实际气速增加，导致压降随空塔气速增加速度加快，即压降随空塔气速变化关系线的斜率大于2，图中的AB段。压降随空塔气速变化剧烈的第一个转折点A点称为载点，对应的气速为载点气速。当空塔气速再进一步增加超过某一极限值时，液体不能顺利向下流动，此现象为液泛。此时压降与气速近似成垂直线关系，出现第二个转折点，该点为泛点，如图中的B点。泛点以后，液体不能顺利流下，从塔顶溢出。所以，泛点是填料塔操作的上限，泛点对应的气速为泛点气速。

气体流速正常的操作范围是载点气速到泛点气速之间。因泛点气速易测，所以通常操作气速为泛点气速的0.6～0.8倍。