气液传质设备
第十章气液传质设备
气液传质设备的型式由多种，本章主要介绍塔式设备的构造与操作性能特点，以便解决塔设备合理选用与设计问题
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一、填料塔的结构
填料塔是一种应用广泛的气液两相接触并进行传热、传质的塔设备，可用于吸收〔解吸〕、精馏和萃取等别离过程。
图10－1 填料塔的典型结构
填料塔的结构如图10－1所示，塔体为圆筒形，两端有封头，并装有气、液相进、出口接管。塔底有气体的进口及分配空间，其上为调料的支撑——支撑栅板，板上充填一定高度的填料，填料可以乱堆，亦可以整砌。栅板可允许气、液体通过。塔顶有液体进口和液体分布 器，使入塔液体尽可能均匀地喷淋在填料层地顶部，液体沿填料外表向下流动。由于填料层中地液体往往有向塔壁流动地倾向〔壁流效应〕，故填料层较高时，常将其分为假设干段，每两段之间设有液体再分布装置，可将向塔壁流动地液体重新导向填料层中。 填料塔在操作时，气体从塔底通入，自下而上通过填料层地空隙，与自上而下沿填料外表流下地液体呈逆流接触，进行传质，传热，两相地组成沿塔高呈连续变化，故填料塔为微分接触式设备。
填料塔地塔体可根据被处理物料地性质，用金属、陶瓷、塑料或金属外壳内衬以耐腐蚀材料制成。为保证液体在整个塔截面上地均匀分布，塔体应具有良好地垂直高度。
填料塔不仅结构简单，而且具有阻力小和便于用耐腐蚀材料制造等优点，尤其适用于塔直径较小地情形及处理有腐蚀性的物料或要求压强较小的真空蒸馏系统，此外，对于某些液气比拟大的蒸馏或吸收操作，也宜采用填料塔。
近年来，国内外对填料的研究与开发进展迅速。由于性能优良的新型填料不断涌现以及填料塔在节能方面的突出优势，使得目前填料塔最大直径可达20m。在国内，具有新型塔内
件的高效填料塔技术也已作为国家重点推广工程，在全国1600余座塔器中得到应用，获得了巨大的经济效益和社会效益。填料塔的应用日趋广泛。
二、二、填料
填料式填充于填料塔中的材料，它是填料塔的主要内构件，其作用是增加气、液两相的接触面积，并提高液体的湍动程度以利于传质、传热的进行。因此填料应能使气、液接触面积大、传质系数高，同时通量大而阻力小。表征填料特性的主要参数有：
1． 1． 比外表积
填料的外表是填料塔内传质外表的根底。显然，填料应具有尽可能大的外表积。填料所能提供的外表，通常已外表积来表征，即单位堆体积所具有的外表积，用符号?表示，其单位是m/m。
2． 2． 空隙度
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填料塔内气体在填料间的空隙内通过。留题通过颗粒层的阻力与空隙率?密切相关。为减少气体的流动阻力，提高填料塔的允许气速〔处理能力〕，填料层应有尽可能大的空隙率。对于各向同性的填料层，空隙率等于填料塔的自由截面百分率。
3． 3． 单位堆体积内的填料数目n
对于同一种填料，单位堆体积内所填充的填料个数由填料尺寸决定。减少填料尺寸，填料的数目增加，填料层的比外表积增大而空隙率减少，气体的流动阻力也相应增加，假设填料尺寸国小，还会使填料的造价提高。繁殖，假设填料尺寸过大，在靠近塔壁处，填料层空隙率很大，将有大量气体由此短路通过。为控制这种气流分布不均的现象，填料尺寸不应大于塔径的1/10~1/8。
4． 4． 堆积密度?
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填料的堆积密度是单位体积填料的质量，单位为kg/m3。
在机械强度允许的范围内，填料的壁面愈薄，堆积密度?愈小，可降低填料生产的材料本钱。
5． 5． 干填料因子及填料因子 干填料因子为?/?，是由填料的比外表积?和空隙率?组成的复合量。当气体通过干填料层时其流动特性往往用于填料因子进行关联。干填料因子值由实验测定。
当由液体通过填料层时，由于局部空隙被液体所占据，故填料的空隙率减小，比外表积也随之发生变化，所以气体通过湿填料外表时其流动特性可用一个相应的湿填料因子来关联。湿填料因子成为填料因子，用符号?表示，单位为1/m，其值亦需由试验测定。
6． 6． 机械强度及化学稳定性
填料要有足够的机械强度，以防压碎，同时还需堆所处理的物料具有化学稳定性。 此外，性能优良的填料还必须满足制造容易、造价低廉等多方面的要求。
常用的填料可分为两大类：个体填料与规整填料。个体填料由实心的固体块、中空的环形填料、外表开口的鞍形填料等，其常用的构造材料包括陶瓷、金属、塑料〔聚丙烯、聚氯乙烯等〕、玻璃、石墨。陶瓷填料耐腐蚀，但易碎，空隙率小；金属填料比外表积及空隙率大，通量大，效率高，但不锈钢价贵，普通钢易腐蚀；塑料填料比外表积大，空隙率较高，但不耐高温。工业上常用的一些个体填料如下。
小型干扰芯片 2图10－2 填料的形状
1． 1． 拉西环〔Raschig ring〕
拉西环是使用最早的人造填料〔1914年〕。它是一段高度和外径现等的短管[图10—2〔a〕]，可用陶瓷和金属制造。拉西环形状简单，制造容易，其流体力学和传质方面的特性得到了比拟充分的研究，一度被广泛地应用。 植草板
但是，大量的工业实践说明，拉西环由于高径比太大，堆积时相邻环之间容易形成线接触，填料层的均匀性较差。因此，拉西环填料层存在着严重的向壁偏流和沟流现象。目前，拉西环填料在工业上的应用日趋减少。
2． 2． 鲍尔环〔Pall ring〕
鲍尔环时在拉西环的根底上开展的，是近年来国内外一致公认的性能优良的填料。其构造是在拉西环的壁上沿周向冲出一层或两层长方形小孔，但小孔的母材不脱离圆环，而是将
其向内弯向环的中心[图10—2(b)]。鲍尔环这种构造提高了环内空间和环内外表的有效利
用程度，使气体流动阻力大为降低，y因而堆真空操作尤为适用。鲍尔环的两层方孔是错开的，在堆积时即使相邻填料形成线接触，也不会阻碍气液两相的流动或产生严重的偏流和沟流现象。因此，采用鲍尔环填料，床层一般无须分段。
鲍尔环可用陶瓷，金属或塑料制造。 3． 3． 弧鞍形填料 炸薯条机
弧鞍形填料又称伯尔鞍〔Ber saddle〕填料，其构造如图10—2〔c〕所示。弧鞍形填料只有外外表，与拉西环相比，其外表利用率高，气体流动阻力亦小。弧鞍形填料的两面是对称的，故相邻填料由重叠倾向，填料层均匀性较差，容易产生沟流。瓷质弧鞍形填料的机械强度不入拉西环，容易破碎。
4． 4． 矩鞍形填料
矩鞍形填料又称英特洛克斯鞍〔Intalox saddle〕，是在弧鞍形填料的填料上开展起来的。这种填料结构不对成，填料两面大小不等[图10—2(d)]，堆积时不会重叠，填料层的均匀性大为提高。矩鞍形填料的气体流动阻力小，处理能力大，各方面的性能虽不及鲍尔环，但仍不失为一种性能优良的填料。矩鞍形填料的制造壁鲍尔环方便。
5． 5． 阶梯环填料
阶梯环填料[图10—2(e)]的构造与鲍尔环相似，环壁上开有长方形孔，环内有两层交错的450C的十字形翅片。阶梯环壁鲍尔环短，高度通常只有直径的一半。阶梯环的一端制成喇叭口形状，因此，在填料层种填料之间多呈点接触，床层均匀且空隙率大。与鲍尔环相比，气体流动阻力可降低25％左右，生产能力可提高10％。
6． 6． 网体填料
上面介绍的几种填料都是用实体材料制成的，此外，还有一类似金属网或多孔金属片为根本材料制成的填料，通称为网体填料。网体填料的种类也很多，如压延环[图10—2〔f〕]、
?网环[图10—2〔g〕]和鞍形网[图10—2〔h〕]等。
网体填料的特点是网材薄，填料尺寸小，比外表积和空隙率都很大，液体均布能力强。因此，网体填料的气体阻力小，传质效率高。但造价高，在大型的工业生产种难以应用
与个体填料相比，规整填料在目前工业中应用较多，其中以波纹填料应用最为广泛。它由
许多与水平方向成450C〔或600C〕倾角的波纹薄板组成，相邻两板波纹倾斜方向相反，由此组成了蜂窝状气液通道。波纹板外表又有不同花纹、细缝或小孔以利于外表润饰和液体均匀分布。上下两层波纹板相互垂直放置。
波纹状填料可用金属丝网、金属薄板、陶瓷板、塑料或玻璃钢等制造。用网材制成的成为网状填料，用薄板制成的称板状填料。由于气流流到规那么，气、液分布均匀，故容许气速高，亚降低、效率高，放大效应低。
栅板填料是用得较早得规整填料，它由狭长得薄木版、金属板或塑料板排列而成，两层中得板互成900C。板间有直通向下得缝隙，处理含固体颗粒得液体时不易堵塞，其阻力也小，但传质效果不及个体填料。
常见得个体填料和波纹填料得特性数据如表10—1所示[1]，其他可查阅有关文献，如[2,4,6~8]等。
三、三、填料得选择 1、填料用材的选择
〔1〕当设备操作温度较低时，塑料能长期操作而不出现变形，在此种情况下如果体系对
塑料无溶胀时可考虑使用塑料，因其价格低、性能良好。塑料填料的操作温度一般不超过1000C，玻璃纤维增强的聚丙烯填料可达1200C左右。塑料除浓硫酸、浓硝酸等强酸外，有较好的耐腐蚀性，但塑料外表对水溶液的润湿性差。
〔2〕陶瓷填料一般用于腐蚀性介质，尤其是高温时，但对HF和高温下的H3PO4与碱不能使用。
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〔3〕金属材料一般耐高温，但不耐腐蚀。不锈钢可耐一般的酸碱腐蚀〔含C1的酸除外〕，但价格较昂贵。
2、 2、 填料类型的选择
取卵针 首先取决于工艺要求，如所需理论级数，生产能力〔气量〕，容许压降，物料特性〔液
料名称 体黏度、气相和液相中是否有悬浮物或生产过程中的聚合等〕等，然后结合填料特性来选择，要求所选填料能满足工艺要求，技术经济指标先进，易安装和维修。
由于规那么填料气、液分布较均匀，放大效应小，技术指标由于乱堆填料，故近年来规那么填料的应用日趋广泛，尤其是大型塔和要求压降低的塔，但装卸清洗较为困难。
对于生产能力〔塔径〕大，或别离要求较高，压降有限制的塔，选用孔板波纹填料较宜，如苯乙烯—乙苯精馏塔、润滑油减压塔等。
对于一些要求持液量较高的吸收体系，一般用乱堆填料。
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