塔填料的类型、结构与特性

塔填料的作用是为气、液两相提供充分的接触面，并为提高其湍动程度(主要是气相)创造条件，以利于传质(包括传热)。它们应能使气、液接触面大、传质系数高，同时通量大而阻力小，所以要求填料层空隙率高、比表面积大、表面湿润性能好，并在结构上还要有利于两相密切接触，促进喘流。制造材料又要对所处理的物料有耐腐蚀性，并具有一定的机械强度，使填料层底部不致因受压而碎裂、变形。 　　常用的塔填料可分为两大类：散装填料与规整填料。 　　a.散装填料 　　散装填料有中空的环形填料，表面敞开的鞍形填料等。常用的构造材料包括陶瓷、金属、玻璃、石墨等。几种主要散装填料的特点如下。 　　
  (1)拉西环 　　拉西环为高与直径相等的圆环，常用的直径为25～75mm(亦有小至6mm，大至150mm的，但少用)，陶瓷环壁厚2.5～9.5mm，金属环壁厚0.8～1.6mm。填料多乱堆在塔内，直径大的亦可整砌，以降低阻力及减少液体流向塔壁的趋势。拉西环结构简单，但与其他填料相比，气体通过能力低，阻力也大，液体到达环内部比较困难，因而湿润不易充分，传质效果差，故近年来使用较少。 　　在拉西环内部空间的直径位置上加一隔板，即成为列辛环；环内加螺旋形隔板则成为螺旋环。隔板有提高填料能力与增大表面的作用。 　　
  (2)弧鞍 　　弧鞍又称贝尔鞍(Berl saddle)，是出现较早的鞍形填料，形如马鞍，大小自25mm至50mm的较常用。弧鞍的表面不分内外，全部敞开，流体在两侧表面分布同样均匀。它的另一特点是堆放在塔内时，对塔壁侧压力比环形填料小。但由于两侧表面构形相同，堆放时填料容易叠合，因而减少暴露的表面，最近已渐为构形改善了的矩鞍填料所代替。弧鞍填料多用陶瓷制造。 　　
  (3)矩鞍(Intalox saddle) 　　矩鞍两侧表面不能叠合，且较耐压力，构形简单，加工比弧鞍方便，多用陶瓷制造。在以陶瓷为材料的填料中，此种填料的水力性能与传质性能都比较优越。 以上各种散装填料的壁上不开孔或槽，多用陶瓷制成。此外，又有在壁上开孔或槽的，多用金属或塑料制成。后者的性能比前者的提高很多，因此被称为“高效”填料。常见的散装开孔填料有下列几种。 　(4)鲍尔环(Pall ring) 　　鲍尔环的构造，相当于在金属拉西环的壁面上开一排或两排正方形或长方形孔，开孔时只断开四条边中的三条边，另一边保留，使原来的金属材料片呈舌状弯入环内，这些舌片在环内几乎对接起来。填料的空隙率与比表面并未因而增加。但堆成层后气、液流动通畅，有利于气、液流动通畅，有利于气、液进入环内。因此，鲍尔环比拉西环气体通过能力与体积传质系数都有显著提高，阻力也减少。鲍尔环还可用塑料制造。 　　
  (5)阶梯环(Cascade miniring) 　　阶梯环是一端有喇叭口的开孔环形填料，环高与直径之比略小于1，环内有筋，起加固与增大接触面的作用，喇叭口能防止填料冻死靠紧，使空隙率提高，并使表面更易暴露。制造材料多为金属或塑料。 　　
  (6)金属鞍环(Metal Intalox saddle) 　　用金属作的矩鞍，并在鞍的背部冲出两条狭带，弯成环形筋，筋上又冲出四个小爪弯入环内。它在构形上是鞍与环的结合，又兼有鞍形填料液体分布均匀和开孔环形填料气体通量大、阻力小的优点，故称鞍环为环矩鞍。 　　b.规整填料 　　规整填料不同散装填料，在于它具有成块的规整结构，可在塔内逐层叠放。最早出现的规整填料是由机木板条排列成的栅板，后来也有用金属条或塑料板条做的。栅板填料气流阻力小，传质效果却比较差，现已不大用于气液传质设备，但在凉水塔中仍有使用。20世纪60年代以后开发出来的丝网波纹填料和板波纹填料，是目前使用比较广泛的规整填料。现将它们的构形和特点分述如下： 　　
  (1)丝网波纹填料 　　将金属丝网切成宽50～100mm的矩形条，并压出波纹，波纹与长边的斜角为30°，45°或60°，网条上打出小孔以利气体穿过。然后将若干网条并排成较塔内截面略小的一圆盘，盘高与条宽相等，许多盘在塔内叠成所需的高度。若塔径大，则将一盘分成几份，安装时再并合。一盘之内，左右相邻两盘的网条又互成90°交叉。
  这种结构的优点是： 1)各片排列整齐而峰谷之间空隙大，气流阻力小； 2)波纹间通道的方向频繁改变，气流滑动加剧； 3)片与片之间以及盘与盘之间网条交错，促使液体不断再分布； 4)丝网细密，液体可在网面形成稳定薄膜，即使液体喷淋密度小，也易于达到完全润湿。 上述特点使这种填料层的通量大，在大直径塔内使用也没有液体分布不匀及填料表面润湿不良的缺点。 　　丝网波纹填料的缺点： 1)造价高； 2)装砌要求高，塔身安装的垂直度要求严格，盘与塔壁间的缝隙要堵实； 3)填料内部通道狭窄，易被堵塞且不易清洗。然而，由于其传质效率很高且阻力很小，在精密精馏和真空精馏中使用很合适。开始时，多用于直径比较小的塔，现可用于直径达几米的塔，使用领域也不再局限于蒸馏。 　　(2)板波填料 　　为了克服丝网波纹填料价格高及安装要求高的缺点，将丝网条改为板条，填料的构形相同，构造材料除金属外，还可用塑料。板波填料的传质性能虽低于丝网波纹填料，但仍属高效填料之列。这类填料的商品名有麦勒派克(Mellapak)、弗里西派克(Flexipac)等。

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