填充塔

[拼音]：tianchongta

[外文]：packed column

又称填料塔，是一类用于气液和液液系统的微分接触传质设备，主要由圆筒形塔体和堆放在塔内对传质起关键作用的填料等组成，用于吸收、蒸馏和萃取，也可用于接触式换热、增湿、减湿和气液相反应过程。

填充塔的应用始于19世纪中叶，起初在空塔中填充碎石、砖块和焦炭等块状物，以增强气液两相间的传质。1914年德国人F.拉西首先采用高度与直径相等的陶瓷环填料（现称拉西环）推动了填充塔的发展。此后，多种新填料相继出现，填充塔的性能不断得到改善，近30年来，填充塔的研究及其应用取得巨大进展，不仅开发了数十种新型高效填料，还较好地解决了设备放大问题。到60年代中期，直径数米乃至十几米的填充塔已不足为奇。现在，填充塔已与板式塔并驾齐驱，成为广泛应用的传质设备。

结构

用于气液系统的填充塔（图1），由塔体、填料、填料的压板和支承板、液体分布器和液体再分布器等组成。填料堆于支承板上，有些可以任意堆放，有些则必须规整排列。填充塔逆流操作时，气体自塔底进入，在填料间隙中向上流动；液体自塔顶加入，通过液体分布器均匀喷洒于整个塔截面上。液体分布器（图2）的性能对塔的性能有很大影响，液体在填料表面形成液膜，向下流动时形成不断更新的传质表面。液体沿任意堆放的填料层向下流动时，沿塔壁流动的液体逐渐增多，称为壁流现象。壁流现象影响到气液的均匀接触，因此填料层较高时，宜每隔一定距离设置液体再分布器，使液体重新均匀分布。规整排列的填料，一般可不设再分布器，但对液体在塔顶初始分布的均匀性要求则更高。有时在塔顶还设置除沫器，以除去气流中的雾沫。

用于液液系统的填充塔的结构，与气液系统的填充塔基本相同。但操作时通常将一相分散成液滴，以液滴表面作为相间传质表面，填料则促进液滴的多次凝聚和分散，以利于传质表面的不断更新和增强液滴湍流，并减少两相轴向返混。因此制作填料的材料，必须不被分散相所润湿。为增强两相的接触传质，还可以利用外加机械能使塔内液体脉动，这种填充塔称为脉动填充塔。

填料

是填充塔的基本构件，填充塔内两相接触传质状况主要由填料特性决定。填料的主要特性参数是：

（1）比表面积。即单位体积填料层所具有的表面积，比表面积应尽可能大；

（2）空隙率。填料层内空隙所占的体积分率，为减少气体的流动阻力，提高填充塔的通过能力，空隙率应尽可能大。此外，性能优良的填料还必须易于制造，价格低廉，耐腐蚀并具有一定的机械强度。

工业上常用的填料(图3)

种类很多，按填料在塔内的填充方式，可分为乱堆填料与整砌填料。按几何形状可分为：

（1）环形填料，包括拉西环、鲍尔环和阶梯环等。

（2）鞍形填料，包括弧鞍形填料、矩鞍形填料及环鞍形填料等。

（3）规整填料，有格栅填料、波纹填料和丝网填料等。填料还可分为用陶瓷、塑料、金属等制成的实体填料，和用金属丝网制成的网体填料。实体填料价格便宜，是常用的类型，但当液气流量比很小时，为保证填料表面充分润湿，宜采用网体填料。

流动特性

气液两相在填充塔内的流动特性，可用气体通过填料层的压力降与气液两相流量的关系曲线（图4）

来表述。在低气速下，气体与液膜之间的摩擦阻力极小 ，填料层内的液膜厚度主要取决于液体流量，气体流量的影响可忽略，气体通过湿填料层的压降，与气体流量的关系几乎同干填料层一样，即与气体流量的1.8～2.0次方成正比（图中的线1～2）。增加液体流量，液膜增厚，气体在填料间隙中的实际流速增加，压力降也随之增大(线1′～2′)。当气体流量增加到某一数值时，气体对液膜的摩擦阻力已不能忽略，开始拦液，此时液膜随气体流量增加而增厚，压力降曲线变陡（线2～3与线2′～3′）。压力降曲线变陡的起点（点 2与点2′）称为载点。当气体流量高达某一值时，填料层内的液膜急剧增厚，压力降急剧增加，压力降曲线近乎垂直，最终或者使液体转化为连续相，而气体成分散相以气泡形式穿过液层；或者使液体从塔顶溢出，此种现象称为液泛。操作进入液泛的转折点（点3与点3′）称为泛点。在设计填充塔时，一般取泛点气速的50％～80％作为操作气速。

填充塔的特点

填充塔用于气液系统时，与板式塔相比，有如下特点：

（1）气相压力降小；

（2）易用耐腐蚀材料制造；

（3）塔内持液量小；

（4）有破碎泡沫的作用；

（5）小直径塔（0.6m以下）的造价便宜；

（6）为保证填料的充分润湿，液气比太小的操作不相宜；

（7）对于气、液相流量变化的适应性差；

（8）易被固体杂质堵塞，清理又不方便；

（9）塔内部很难进行换热，难以从侧线抽出产品。

填充塔用于液液系统时，因其分离效果较差，使用不广。随着对填充塔研究的深入，将会继续创制新型高效填料，放大问题将得到更可靠的解决，填充塔的应用范围可望进一步扩大。(见彩图)

参考书目

1. 萧成基等著：《气液传质设备》（《化学工程手册》第13篇），化学工业出版社，北京，1979。

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