10.2 填料塔
10.2.1 填料塔的結構及其結構特性
1. 填料塔的結構
如圖所示為填料塔的結構示意圖，填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質裝置。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，以防被上公升氣流吹動。
液體從塔頂經液體分布器噴淋到填料上，並沿填料表面流下。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）分布後，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。填料塔屬於連續接觸式氣液傳質裝置，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。
當液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現象稱為壁流。壁流效應造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質效率下降。因此，當填料層較高時，需要進行分段，中間設定再分布裝置。
液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經液體收集器收集後，送到液體再分布器，經重新分布後噴淋到下層填料上。
填料塔具有生產能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優點。
填料塔也有一些不足之處，如填料造價高；當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質效率降低；不能直接用於有懸浮物或容易聚合的物料；對側線進料和出料等複雜精餾不太適合等。
2. 填料特性的評價
（1）比表面積
塔內單位體積填料層具有的填料表面積，m2/m3。填料比表面積的大小是氣液傳質比表面積大小的基礎條件。須說明兩點：
第一，操作中有部分填料表面不被潤濕，以致比表面積中只有某個分率的面積才是潤濕面積。據資料介紹，填料真正潤濕的表面積只佔全部填料表面積的（20～50）%。第二，有的部位填料表面雖然潤濕，但液流不暢，液體有某種程度的停滯現象。
這種停滯的液體與氣體接觸時間長，氣液趨於平衡態，在塔內幾乎不構成有效傳質區。為此，須把比表面積與有效的傳質比表面積加以區分。但比表面積仍不失為重要的參量。
（2）空隙率
塔內單位體積填料層具有的空隙體積，m2/m3。為一分數。值大則氣體通過填料層的阻力小，故值以高為宜。
對於亂堆填料，當塔徑與填料尺寸之比大於8時，因每個填料在塔內的方位是隨機的，填料層的均勻性較好，這時填料層可視為各向同性，填料層的空隙率就是填料層內任一橫截面的空隙截面分率。
當氣體以一定流量過填料層時，按塔橫截面積計的氣速稱為「空塔氣速」（簡稱空速），而氣體在填料層孔隙內流動的真正氣速為。二者關係為：。
（3）塔內單位體積具有的填料個數
根據計算出的塔徑與填料層高度，再根據所選填料的n值，即可確定塔內需要的填料數量。一般要求塔徑與填料尺寸之比（此比值在8～15之間為宜），以便氣、液分布均勻。若，在近塔壁處填料層空隙率比填料層中心部位的空隙率明顯偏高，會影響氣液的均勻分布。
若值過大，即填料尺寸偏小，氣流阻力增大。
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
填料塔的流體力學效能主要包括填料層的持液量、填料層的壓降、液泛、填料表面的潤濕及返混等。
1. 填料層的持液量
填料層的持液量是指在一定操作條件下，在單位體積填料層內所積存的液體體積，以(m3液體)/(m3填料)表示。持液量可分為靜持液量hs、動持液量ho和總持液量ht。靜持液量是指當填料被充分潤濕後，停止氣液兩相進料，並經排液至無滴液流出時存留於填料層中的液體量，其取決於填料和流體的特性，與氣液負荷無關。
動持液量是指填料塔停止氣液兩相進料時流出的液體量，它與填料、液體特性及氣液負荷有關。總持液量是指在一定操作條件下存留於填料層中的液體總量。顯然，總持液量為靜持液量和動持液量之和，即
填料層的持液量可由實驗測出，也可由經驗公式計算。一般來說，適當的持液量對填料塔操作的穩定性和傳質是有益的，但持液量過大，將減少填料層的空隙和氣相流通截面，使壓降增大，處理能力下降。
2. 填料層的壓降
在逆流操作的填料塔中，從塔頂噴淋下來的液體，依靠重力在填料表面成膜狀向下流動，上公升氣體與下降液膜的摩擦阻力形成了填料層的壓降。填料層壓降與液體噴淋量及氣速有關，在一定的氣速下，液體噴淋量越大，壓降越大；在一定的液體噴淋量下，氣速越大，壓降也越大。將不同液體噴淋量下的單位填料層的壓降dp/z與空塔氣速u的關係標繪在對數座標紙上，可得到如圖3-13所示的曲線簇。
在**10-53 中，直線0表示無液體噴淋（l=0）時，幹填料的△p/z～u關係，稱為幹填料壓降線。曲線1、2、3表示不同液體噴淋量下，填料層的△p/z～u關係，稱為填料操作壓降線。
從圖中可看出，在一定的噴淋量下，壓降隨空塔氣速的變化曲線大致可分為三段：當氣速低於a點時，氣體流動對液膜的曳力很小，液體流動不受氣流的影響，填料表面上覆蓋的液膜厚度基本不變，因而填料層的持液量不變，該區域稱為恆持液量區。此時△p/z～u為一直線，位於幹填料壓降線的左側，且基本上與幹填料壓降線平行。
當氣速超過a點時，氣體對液膜的曳力較大，對液膜流動產生阻滯作用，使液膜增厚，填料層的持液量隨氣速的增加而增大，此現象稱為攔液。開始發生攔液現象時的空塔氣速稱為載點氣速，曲線上的轉折點a，稱為載點。若氣速繼續增大，到達圖中b點時，由於液體不能順利向下流動，使填料層的持液量不斷增大，填料層內幾乎充滿液體。
氣速增加很小便會引起壓降的劇增，此現象稱為液泛，開始發生液泛現象時的氣速稱為泛點氣速，以uf表示，曲線上的點b，稱為泛點。從載點到泛點的區域稱為載液區，泛點以上的區域稱為液泛區。
應予指出，在同樣的氣液負荷下，不同填料的△p/z～u關係曲線有所差異，但其基本形狀相近。對於某些填料，載點與泛點並不明顯，故上述三個區域間無截然的界限。
3． 液泛
在泛點氣速下，持液量的增多使液相由分散相變為連續相，而氣相則由連續相變為分散相，此時氣體呈氣泡形式通過液層，氣流出現脈動，液體被大量帶出塔頂，塔的操作極不穩定，甚至會被破壞，此種情況稱為淹塔或液泛。影響液泛的因素很多，如填料的特性、流體的物性及操作的液氣比等。
填料特性的影響集中體現在填料因子上。填料因子f值越小，越不易發生液泛現象。
流體物性的影響體現在氣體密度rv、液體的密度rl和粘度ml上。氣體密度越小，液體的密度越大、粘度越小，則泛點氣速越大。
操作的液氣比愈大，則在一定氣速下液體噴淋量愈大，填料層的持液量增加而空隙率減小，故泛點氣速愈小。
4． 液體噴淋密度和填料表面的潤濕
填料塔中氣液兩相間的傳質主要是在填料表面流動的液膜上進行的。要形成液膜，填料表面必須被液體充分潤濕，而填料表面的潤濕狀況取決於塔內的液體噴淋密度及填料材質的表面潤濕性能。
液體噴淋密度是指單位塔截面積上，單位時間內噴淋的液體體積，以u表示，單位為m3/（m2·h）。為保證填料層的充分潤濕，必須保證液體噴淋密度大於某一極限值，該極限值稱為最小噴淋密度，以umin表示。最小噴淋密度通常採用下式計算，即
式中 umin ——最小噴淋密度，m3/（m2·h）；
(lw)min ——最小潤濕速率，m3/（m·h）；
a ——填料的比表面積，m2/m3。
最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經驗公式計算，也可採用經驗值。對於直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(lw)min為0.
08 m3/（m·h）；對於直徑大於 75mm的散裝填料，取(lw)min =0.12 m3/（m·h）。
填料表面潤濕性能與填料的材質有關，就常用的陶瓷、金屬、塑料三種材質而言，以陶瓷填料的潤濕性能最好，塑料填料的潤濕性能最差。
實際操作時採用的液體噴淋密度應大於最小噴淋密度。若噴淋密度過小，可採用增大回流比或採用液體再迴圈的方法加大液體流量，以保證填料表面的充分潤濕；也可採用減小塔徑予以補償；對於金屬、塑料材質的填料，可採用表面處理方法，改善其表面的潤濕性能。
5．返混
在填料塔內，氣液兩相的逆流並不呈理想的活塞流狀態，而是存在著不同程度的返混。造成返混現象的原因很多，如：填料層內的氣液分布不均；氣體和液體在填料層內的溝流；液體噴淋密度過大時所造成的氣體區域性向下運動；塔內氣液的湍流脈動使氣液微團停留時間不一致等。
填料塔內流體的返混使得傳質平均推動力變小，傳質效率降低。因此，按理想的活塞流設計的填料層高度，因返混的影響需適當加高，以保證預期的分離效果。
10.2.3 填料塔的傳質
1.相際接觸面積
幹填料比表面積為，實際操作中潤濕的填料比表面積為，由於只有在潤濕的填料表面才可能發生氣、液傳質，故值具有實際意義。下面介紹計算的恩田（onda）公式，該公式為：
式中液體表面張力，n/m；
——填料上液體鋪展開的最大表面張力，n/m。要求σ<σc。σc的值見表7-3。
——液體空塔質量通率，kg/(s·m2)；
，——液體的粘度，n·s/m2和密度，kg/m3。
表10-5 不同填料材質的σc值
2.傳質係數
恩田（onda）等關聯了大量液相和氣相傳質資料，分別提出液、氣兩相傳質係數的經驗關聯式如下：
（1）液相傳質係數
10-45）
式中 ——液相傳質係數，kmol/（m2 s kmol/m3）；
——溶液在液相中的擴散係數，m2/s；
——填料的名義尺寸，m。
（2）氣相傳質係數
10-46）
式中 ——係數，大於15mm的環形和鞍形填料為5.23，小於15mm的填料為2.0；
——氣相傳質係數，kmol/（m2 s kpa）；
——氣體常數，8.314kj/（kmol k）；
氣體溫度，k；
——溶質在氣體中的擴散係數，m2/s；
——氣體粘度，；
——氣體密度，kg/m3；
——氣相的質量流速，kg/（m2 s）；
恩田提出的關聯式（10-45）和式（10-46）是以式（10-44）計算的潤濕表面積為基準整理的。因此，將算出的、乘以式（10-44）算出的即得體積傳質係數和，從而可進一步計算傳質單元高度或填料塔高度。
填料塔的傳質速率也可以直接用體積傳質總係數、傳質單元高度和等板高度表示。關於這些表示方法的經驗關聯式很多，此處不再舉例。
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化工機械基礎填料塔設計
前言氣體吸收時氣體混合物中一種或多種組分 溶質 溶解於液體 吸收劑 的一種分離操作。由於填料塔具有結構簡單 阻力小 加工容易，可用耐腐蝕材料製作，吸收效果好，裝置靈活等優點，所以在化工 環保等工業吸收操作中應用較普遍。由於近年來效能優良的新型散裝和規整填料的開發，塔內件結構和裝置的改進，促使填料塔的...