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填料塔基础知识：填料塔的填料种类以及结构力学原理
油脂生产过程中有多处用到填料塔的地方，如压榨厂毛油的汽提、浸出车间矿物油尾气吸收系统、精炼油的脱臭等，本文对填料作简单介绍： p>
填料塔结构
填料塔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，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，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。
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。
散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散装填料:拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍填料、球形填料。
(1)拉西环填料于1914年由拉西发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。
(2)鲍尔环填料是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。
(3)阶梯环填料是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。
(4)弧鞍填料属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成。弧鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表面被重合，使传质效率降低。弧鞍填料强度较差，容破碎，工业生产中应用不多。
(5)矩鞍填料将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。
(6)金属环矩鞍填料环矩鞍填料是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。
(7)球形填料一般采用塑料注塑而成，其结构有多种。球形填料的特点是球体为空心，可以允许气体、液体从其内部通过。由于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不易产生空穴和架桥，所以气液分散性能好。球形填料一般只适用于某些特定的场合，工程上应用较少。
除上述几种较典型的散装填料外，近年来不断有构型独特的新型填料开发出来，如共轭环填料、海尔环填料、纳特环填料等。工业上常用的散装填料的特性数据可查有关手册。
2、规整填料
规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。
(1)格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中以格里奇格栅填料最具代表性。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。
(2)波纹填料目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有30°和45°两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90°排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。
(3)脉冲填料脉冲填料是由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成的一种规整填料。脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动。在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。
填料的几何特性
填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。
(1)比表面积：单位体积填料的填料表面积称为比表面积。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。
(2)空隙率：单位体积填料中的空隙体积称为空隙率。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。
(3)填料因子：填料的比表面积与空隙率三次方的比值，称为填料因子，填料因子越小，表明流动阻力越小。
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。