又稱填料塔,是一類用於氣液和液液系統的微分接觸傳質設備,主要由圓筒形塔體和堆放在塔內對傳質起關鍵作用的填料等組成,用於吸收、蒸餾和萃取,也可用於接觸式換熱、增濕、減濕和氣液相反應過程。

  填充塔的應用始於19世紀中葉,起初在空塔中填充碎石、磚塊和焦炭等塊狀物,以增強氣液兩相間的傳質。1914年德國人F.拉西首先採用高度與直徑相等的陶瓷環填料(現稱拉西環)推動瞭填充塔的發展。此後,多種新填料相繼出現,填充塔的性能不斷得到改善善,近30年來,填充塔的研究及其應用取得巨大進展,不僅開發瞭數十種新型高效填料,還較好地解決瞭設備放大問題。到60年代中期,直徑數米乃至十幾米的填充塔已不足為奇。現在,填充塔已與板式塔並駕齊驅,成為廣泛應用的傳質設備。

  結構 用於氣液系統的填充塔(圖1),由塔體、填料、填料的壓板和支承板、液體分佈器和液體再分佈器等組成。填料堆於支承板上,有些可以任意堆放,有些則必須規整排列。填充塔逆流操作時,氣體自塔底進入,在填料間隙中向上流動;液體自塔頂加入,通過液體分佈器均勻噴灑於整個塔截面上。液體分佈器(圖2)的性能對塔的性能有很大影響,液體在填料表面形成液膜,向下流動時形成不斷更新的傳質表面。液體沿任意堆放的填料層向下流動時,沿塔壁流動的液體逐漸增多,稱為壁流現象。壁流現象影響到氣液的均勻接觸,因此填料層較高時,宜每隔一定距離設置液體再分佈器,使液體重新均勻分佈。規整排列的填料,一般可不設再分佈器,但對液體在塔頂初始分佈的均勻性要求則更高。有時在塔頂還設置除沫器,以除去氣流中的霧沫。

  用於液液系統的填充塔的結構,與氣液系統的填充塔基本相同。但操作時通常將一相分散成液滴,以液滴表面作為相間傳質表面,填料則促進液滴的多次凝聚和分散,以利於傳質表面的不斷更新和增強液滴湍流,並減少兩相軸向返混。因此制作填料的材料,必須不被分散相所潤濕。為增強兩相的接觸傳質,還可以利用外加機械能使塔內液體脈動,這種填充塔稱為脈動填充塔。

  填料 是填充塔的基本構件,填充塔內兩相接觸傳質狀況主要由填料特性決定。填料的主要特性參數是:①比表面積。即單位體積填料層所具有的表面積,比表面積應盡可能大;②空隙率。填料層內空隙所占的體積分率,為減少氣體的流動阻力,提高填充塔的通過能力,空隙率應盡可能大。此外,性能優良的填料還必須易於制造,價格低廉,耐腐蝕並具有一定的機械強度。

  工業上常用的填料(圖3)

種類很多,按填料在塔內的填充方式,可分為亂堆填料與整砌填料。按幾何形狀可分為:①環形填料,包括拉西環、鮑爾環和階梯環等。②鞍形填料,包括弧鞍形填料、矩鞍形填料及環鞍形填料等。③規整填料,有格柵填料、波紋填料和絲網填料等。填料還可分為用陶瓷、塑料、金屬等制成的實體填料,和用金屬絲網制成的網體填料。實體填料價格便宜,是常用的類型,但當液氣流量比很小時,為保證填料表面充分潤濕,宜采用網體填料。

  流動特性 氣液兩相在填充塔內的流動特性,可用氣體通過填料層的壓力降與氣液兩相流量的關系曲線(圖4)

來表述。在低氣速下,氣體與液膜之間的摩擦阻力極小,填料層內的液膜厚度主要取決於液體流量,氣體流量的影響可忽略,氣體通過濕填料層的壓降,與氣體流量的關系幾乎同幹填料層一樣,即與氣體流量的1.8~2.0次方成正比(圖中的線1~2)。增加液體流量,液膜增厚,氣體在填料間隙中的實際流速增加,壓力降也隨之增大(線1′~2′)。當氣體流量增加到某一數值時,氣體對液膜的摩擦阻力已不能忽略,開始攔液,此時液膜隨氣體流量增加而增厚,壓力降曲線變陡(線2~3與線2′~3′)。壓力降曲線變陡的起點(點2與點2′)稱為載點。當氣體流量高達某一值時,填料層內的液膜急劇增厚,壓力降急劇增加,壓力降曲線近乎垂直,最終或者使液體轉化為連續相,而氣體成分散相以 氣泡形式穿過液層;或者使液體從塔頂溢出,此種現象稱為 液泛。操作進入液泛的轉折點(點3與點3′)稱為泛點。在設計填充塔時,一般取泛點氣速的50%~80%作為操作氣速。

  填充塔的特點 填充塔用於氣液系統時,與板式塔相比,有如下特點:①氣相壓力降小;②易用耐腐蝕材料制造;③塔內持液量小;④有破碎泡沫的作用;⑤小直徑塔(0.6m以下)的造價便宜;⑥為保證填料的充分潤濕,液氣比太小的操作不相宜;⑦對於氣、液相流量變化的適應性差;⑧易被固體雜質堵塞,清理又不方便;⑨塔內部很難進行換熱,難以從側線抽出產品。

  填充塔用於液液系統時,因其分離效果較差,使用不廣。隨著對填充塔研究的深入,將會繼續創制新型高效填料,放大問題將得到更可靠的解決,填充塔的應用范圍可望進一步擴大。(見彩圖)

填充塔和各種填料

  

參考書目

蕭成基等著:《氣液傳質設備》(《化學工程手冊》第13篇),化學工業出版社,北京,1979。