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化工类知识：填料塔的结构及其工作原理

　　

填料塔（Packing Column） 是塔设备的一种。塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。例如应用于气体吸收时，液体由塔的上部通过分布器进入，沿填料表面下降。气体则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上，与液体密切接触而相互作用。结构较简单，检修较方便。广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。

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　　填料塔的结构

　　◆填料层：提供气液接触的场所。

　　◆液体分布器：均匀分布液体，以避免发生沟流现象。

　　◆液体再分布器：避免壁流现象发生。

　　◆支撑板：支撑填料层，使气体均匀分布。

　　◆除沫器：防止塔顶气体出口处夹带液体。

　　气体从塔底送入，经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。

　　填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

　　填料塔的作用是起到吸收作用，是化工、石油化工和炼油生产中最重要的设备之一。

　　以下讲一下填料塔的结构特点：

　　填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

　　当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。

　　填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。

　　填料塔也有一些不足之处，如填料造价高;当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低;不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料;对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。

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　　填料塔的附件

　　填料塔的附件有填料支撑装置、液体分布装置、液体再分布器、除沫装置、填料压紧装置这五种。

　　⑴填料支撑装置

　　主要用途是支撑塔内的填料，同时又能保证气液两相顺利通过。若设计不当，填料塔的液泛可能首先在填料支撑装置上发生。

　　对填料支撑装置的要求：

　　◆对于普通填料，支撑装置的自由截面积应不低于全塔面积的50%，并且要大于填料层的自由截面积;

　　◆具有足够的机械强度、刚度;

　　◆结构要合理，利于气液两相均匀分布，阻力小，便于拆装。

　　⑵液体分布装置

　　液体在填料塔内均匀分布，可以增大填料的润湿表面积。以提高分离效率，因此液体的初始分布十分重要。

　　常用的液体分布装置有：莲蓬式、盘式、齿槽式及多孔环管式分布器等。

　　液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度(即单位面积上的布液点数)，各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。

　　对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀;自由截面率要大;操作弹性大;不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等;可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。

　　⑶液体再分装置

　　液体再分装置作用是减小壁流现象。

　　壁流现象 ：在乱堆填料层内存在的液体逐渐流向塔壁的现象。

　　在填料层内每隔一定高度设置液体再分布装置。

　　常用的液体再分装置有：椎体形、槽形、升气管形等。

　　在通常情况下，一般将液体收集器与液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。

　　⑷除沫装置

　　当塔内操作气速较大或液沫夹带现象严重时，可在液体分布器的上方设置除沫装置，主要用途是除去出口气流中的液滴。

　　由于气体在塔顶离开填料塔时，带有大量的液沫和雾滴，为回收这部分液相，经常需要在顶设置除沫器。

　　常用的除沫器有以下几种：

　　✦折流板式除沫器 ，它是一种利用惯性使液滴得以分离的装置，一般在小塔中使用。

　　✦旋流板式除沫器 ，由几块固定的旋流板片组成，气体通过时，产生旋转运动，造成一个离心力场，液滴在离心力作用下，向塔壁运动实现了气液分离。适用于大塔径净化要求高的场合。

　　✦丝网除沫器 ，它由金属丝卷成高度为100-150的盘状使用。安装方式多种多样，气体通过除雾沫器的压强降约为120-250Kp，丝网除沫器的直径由气体通过丝网的最大气速决定。

　　⑸填料压紧装置

　　安装在填料层上端。作用是保持填料层为一高度固定的床层，从而保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，防止在高压降、瞬时负荷波动等情况下，填料层发生松动或跳动。

　　分为：

　　填料压板 ：自由放置于填料上端，靠自身重量将填料压紧。适用于陶瓷、石墨材质的散装填料。它的作用是在高气速(高压降)和负荷突然波动时，阻止填料产生相对运动，从而避免填料松动、破损。

　　由于填料易碎，当碎屑淤积在床层填料的空隙间，使填料层的空隙率下降时，填料压板可随填料层一起下落，紧紧压住填料而不会形成填料的松动、降低填料塔的生产能力及分离效率。

　　床层限制板 ：固定在填料上端。

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　　填料塔的操作方式

　　填料塔的操作是从物料平衡、热量平衡、相平衡及填料塔性能等几个方面考虑，通过控制系统建立并调节塔的操作条件，使填料塔满足分离要求。

　　⑴填料塔的操作方式：

　　液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下;气体从塔底送入，经气体分布装置分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙;在填料表面上，气液两相接触进行传质。

　　⑵填料塔的操作特点：

　　填料塔属于微分接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化;在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

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　　气液两相的流体力学特性

　　填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛等。

　　⑴填料层的持液量

　　在一定操作条件下，由于液膜与填料表面的摩擦以及液膜与上升气体的摩擦，有部分液体停留在填料表面及其缝隙中。

　　✦定义 ：单位体积填料层内所积存的液体体积，以(m3液体)/(m3填料)表示。

　　✦持液量的影响 ：一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的，可以提供更大的气液相接触面积;但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。

　　✦结论 ：持液量不宜太小，也不宜太大。

　　⑵填料层的压降

　　✦产生原因 ：在操作过程中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。

　　✦影响因素 ：压降与液体喷淋量及气速有关：一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大;在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。

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编辑：龙山水

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