填料塔簡介

填料塔*初出現(xiàn)在十九世紀中葉，在1881年用于精餾操作。

填料塔的塔體橫截面有圓形，矩形及多邊形等，但絕大部分是圓形。塔殼材料可以是碳鋼，不銹鋼，聚氯乙烯，玻璃鋼和磚等。

塔內(nèi)放置著填料（packings）。填料種類很多。用于制造填料的材料有碳鋼、不銹鋼、陶瓷、聚丙烯、增強聚丙烯等。由于填料與塔體取材面廣，故易于解決物料腐蝕問題。

填料在填料塔操作中起著重要作用。液體潤濕填料表面便增大了氣液接觸面積，填料層的多孔性不僅促使氣流均勻分布，而且促進了氣相的湍動。

以氣液兩相的流動情況作對比，氣相湍動較好，而液相呈膜狀流下，湍動甚差。可幸液體在流過一個填料的表面后，經(jīng)填料與填料間的接觸點流至下一個填料的表面。在接觸點處液體經(jīng)歷了混合與再鋪展，使液相傳質(zhì)顯著增強。其機理解釋如下：見圖7-1,當(dāng)液相通過在填料間的接觸點處混合均勻后,濃度為c0，在剛流至下一個填料的表面時，只有在氣液界面處因氣液平衡，液相濃度躍增為ci以外，其余液相濃度仍保持為c0，如圖中τ0時濃度分布曲線所示。隨著液體沿該填料表面向下流動，設(shè)氣液界面處液相濃度ci不變，由于組分擴散，液相濃度逐漸變化，如τ1、τ2、τ3等時刻的濃度分布曲線所示。因傳質(zhì)速率隨液相濃度差（ci—c）的減小而減小，所以，傳質(zhì)速率是隨著液體沿該填料向下流動而逐漸降低的。當(dāng)液體流至該填料與下一個填料的接觸點進行混合時，液體似受到一次強制性的擾動，氣液界面處的組分迅速傳遞到液相內(nèi)部,便又一次實現(xiàn)液相濃度的均勻一致。第二次液相的均勻濃度明顯地要高于前次的液相均勻濃度。這就說明填料對液相傳質(zhì)的重要促進作用。

填料塔的發(fā)展史中*主要的是填料的發(fā)展史。早期以碎石為填料，碎石比表面積小，空隙率低，堆積密度大，造成塔體很重，逐漸暴露出其缺點。自二十世紀初至廿世紀中葉，曾興起了對填料開發(fā)、研制的熱潮。

圖7-1填料表面液層與濃度隨時間及與界面距離的變化

在這時期，先后出現(xiàn)了拉西環(huán)、stedman金屬紗網(wǎng)規(guī)則填料、弧鞍形填料、鮑爾環(huán)及矩鞍形填料等。這些新型填料的出現(xiàn)，使填料塔的操作性能得到顯著改進。

填料塔操作時存在著氣、液相在塔橫截面上分布不均勻的問題，即氣、液產(chǎn)生偏流，其結(jié)果必減少氣、液接觸機會，影響傳質(zhì)效果。液體的偏流稱為“溝流”（channeling）。產(chǎn)生溝流的原因可從兩方面考慮，一方面因操作時液體并不能全部潤濕填料表面，于是，液體只沿潤濕表面流下，形成溝流。另一方面是因為每個填料與相鄰填料都有若干個接觸點，該填料自某些接觸點得到液體，又從某些接觸點流走液體。液體來去之間總優(yōu)先走近路?？梢?，即使填料表面全部潤濕，仍存在液流不均勻問題。另一影響液流分布均勻性的現(xiàn)象是液體有朝塔壁匯集的趨向，即存在“塔壁效應(yīng)”。液體自一個填料流至下一個填料的過程中，有向四周流開的可能。雖對一個填料來看，液體流向有傾向性，但對填料層整體來說，若不受其它因素影響，液流方向可認為是隨機的。但在緊靠塔壁處情況則不同。液體通過填料與塔壁的接觸點流至塔壁后，即順塔壁流下，基本上不再返回填料層中。于是，近塔壁填料處液體往塔壁流動，便導(dǎo)致填料層中液體向塔壁流動。液體流過一段填料層后，填料層中心部位液**明顯減小，甚至出現(xiàn)干填料區(qū)。而氣體流過填料層時，本來就有優(yōu)先流過空隙大、阻力小的區(qū)域的趨勢，液流分布不勻則更加劇這種趨勢。

實踐說明，隨著填料塔塔徑的增大，塔內(nèi)氣液分布不勻現(xiàn)象更趨嚴重。這稱為填料塔的“放大效應(yīng)”，或稱“放大問題”。長久以來，填料塔“放大問題”一直是限制填料塔向大型化方向發(fā)展的障礙。

解決填料塔“放大效應(yīng)”的常見措施有：改進塔頂液體原始噴淋的均勻性，多設(shè)噴淋點，在填料層中設(shè)置液體再分布器及控制塔徑與填料尺寸的比值等。此外，人們對于填料形狀對減小溝流的作用已給予了足夠的重視。新型高效填料的采用使氣液分布情況得到改善。由于采用多種有效措施，目前填料塔的放大問題已得到一定程度的解決。塔徑超過10m的填料塔當(dāng)前已并不鮮見。

§7．2．2填料的種類與特性

1)填料的種類

常見填料的形狀可分為四種類型。

①短管形填料：*早采用的拉西環(huán)是高度與外徑之比為1的短管。該填料易于制造，強度好，取材面廣，但流體力學(xué)及傳質(zhì)性能都不夠理想。

當(dāng)拉西環(huán)在塔內(nèi)是直立狀時，填料內(nèi)，外表面都是氣、液傳質(zhì)表面，且氣流阻力小，但當(dāng)其橫臥或呈傾斜狀時填料部分內(nèi)表面不僅不能成為有效的氣液傳質(zhì)區(qū)，而且使氣流阻力增大。填料間的線接觸會阻礙氣、液流過。為改進其性能，可采用“截短”型拉西環(huán)，即高徑比為0.5的短管。這種填料保留了原來拉西環(huán)的優(yōu)點，性能稍優(yōu)于拉西環(huán)，但應(yīng)用并不普遍。1948年出現(xiàn)的鮑爾環(huán)是對拉西環(huán)作出重大改進的一種填料。該填料是在拉西環(huán)的基礎(chǔ)上，在填料壁面開兩層矩形孔。開矩形孔的部份只切開三條邊，留下一邊仍與填料壁相連，并把切開的部份推到填料圈內(nèi)側(cè)。于是，不論填料在塔內(nèi)置于什么方位，流體均可通過填料，從而使填料內(nèi)、外壁面均成為有效傳質(zhì)區(qū)域。

圖7-2填料

鮑爾環(huán)自問世以來，至今一直被廣泛采用。在鮑爾環(huán)基礎(chǔ)上，又發(fā)展了一種叫“階梯環(huán)”的填料，其結(jié)構(gòu)與鮑爾環(huán)相近，但是截短型，在環(huán)的一側(cè)底端做成喇叭口形狀，以增加填料間點接觸的機會。階梯環(huán)的性能略優(yōu)于鮑爾環(huán)，與鮑爾環(huán)相比，生產(chǎn)能力可**10%，氣體阻力可降低5%左右，是短管形填料中較好的一種。

在短管形填料中，亦有仍采用拉西環(huán)形狀但引人某些改進的。如1949年出現(xiàn)的壓延孔環(huán)，在金屬薄板上先沖出一些孔（孔的密集度為160孔/cm2）,將薄板卷成半圓筒形。沖孔時保留尖刺，并使尖刺均在外側(cè)，以改善液體潤濕情況。又如1949年出現(xiàn)的θ網(wǎng)環(huán)（dixon），用金屬絲網(wǎng)代替實體材料。由于絲網(wǎng)對液體有毛細管作用，能把液體鋪展開，所以網(wǎng)體填料傳質(zhì)性能甚佳。但網(wǎng)體填料的強度差。

短管形填料一般是亂堆填料，只有2英寸以上的大填料才可能是整砌填料。

②鞍形填料：鞍形填料不同于短管形填料，其特點是不分內(nèi)、外表面，整個填料表面由各種曲面組成，填料在塔內(nèi)任意方位均可使流體舒暢流過。1931年出現(xiàn)的這類填料稱弧鞍形填料，是因形如馬鞍而得名。這種填料與拉西環(huán)相比，填料表面利用率高，阻力小，但因形狀設(shè)計尚有缺陷，相鄰填料有重疊傾向，填料層均勻性較差，且填料易碎，故使用不廣。另一種改進型填料是1950年出現(xiàn)的矩鞍形填料，其形狀仍像馬鞍，但做得較厚實，形狀比弧鞍形填料簡單，且注意到兩個鞍形填料不論以何種方式接觸都不會疊合。矩鞍形填料亦是當(dāng)前應(yīng)用較多的一種填料。這種形狀的填料也有網(wǎng)體的。鞍形填料都是亂堆填料。

③短管形與鞍形填料的結(jié)合型填料：現(xiàn)在已開發(fā)的這類填料有環(huán)矩鞍與共軛環(huán)等，其中共軛環(huán)是1992年我國自行開發(fā)、試驗成功的。開發(fā)這類填料的出發(fā)點是想使之具有短管形與鞍形兩大類填料的優(yōu)點。試驗表明，共軛環(huán)的阻力比階梯環(huán)低（40～50）%，比鮑爾環(huán)低（50～55）%，其傳質(zhì)單元高度比階梯環(huán)的約低15%，比鮑爾環(huán)的約低30%，可見，新的結(jié)合型填料的優(yōu)點是明顯的。

④波紋整砌填料：這是我國開發(fā)成功并于1971年發(fā)表的填料類型。該填料的基本件是沖壓出45度斜波紋槽的薄板。薄板高度通常為40～60mm。若干板片平行組合，但相鄰薄板的波紋反向。當(dāng)塔截面為圓形，則波形板片的組合體為圓柱形。上下相鄰的填料組合體，其薄板方向互呈90度交錯。

波紋填料的材料有碳鋼、不銹鋼、鋁、陶瓷、玻璃鋼及紙浸樹脂等。薄板厚度：金屬板一般為0.5～1mm，陶瓷板為1～1.5mm，紙浸樹脂及玻璃鋼板則為0.1～0.2mm。

這種填料為氣、液相提供了一段段帶分支的直通道，氣流阻力小，允許操作氣速較大（如空速可達2m/s），故處理能力大。由于相鄰兩薄板間波峰接觸點多，接觸點給液體提供了混合、再鋪展的條件，故可促進液體的表面更新，也促進氣體湍流程度的增加。此外，這種填料具有較高的比表面積（a值為300～900m2/m3）.

近年來不少工廠采用不銹鋼絲網(wǎng)制作的波紋填料，既保留波紋整砌填料的優(yōu)點，又改善布液的均勻性。這種填料屬高效填料。

2）填料的特性

填料特性有下列幾方面：

（1）比表面積a——塔內(nèi)單位體積填料層具有的填料表面積，m2/m3。填料比表面積的大小是氣液傳質(zhì)比表面積大小的基礎(chǔ)條件。須說明兩點：第一，操作中有部分填料表面不被潤濕，以致比表面積中只有某個分率的面積才是潤濕面積。據(jù)資料介紹，填料真正潤濕的表面積只占全部填料表面積的（20～50）%。第二，有的部位填料表面雖然潤濕，但液流不暢，液體有某種程度的停滯現(xiàn)象。這種停滯的液體與氣體接觸時間長，氣液趨于平衡態(tài)，在塔內(nèi)幾乎不構(gòu)成有效傳質(zhì)區(qū)。為此，須把比表面積與有效的傳質(zhì)比表面積加以區(qū)分。但比表面積a仍不失為重要的參量。

（2）空隙率ε——塔內(nèi)單位體積填料層具有的空隙體積，m2/m3.ε為一分數(shù)。ε值大則氣體通過填料層的阻力小，故ε值以高為宜。

對于亂堆填料，當(dāng)塔徑d與填料尺寸d之比大于8時，因每個填料在塔內(nèi)的方位是隨機的，填料層的均勻性較好，這時填料層可視為各向同性，填料層的空隙率ε就是填料層內(nèi)任一橫截面的空隙截面分率。

當(dāng)氣體以一定**過填料層時，按塔橫截面積計的氣速u稱為“空塔氣速”（簡稱空速），而氣體在填料層孔隙內(nèi)流動的真正氣速為u1。二者關(guān)系為：u1=u/ε。

（3）塔內(nèi)單位體積具有的填料個數(shù)n——根據(jù)計算出的塔徑與填料層高度，再根據(jù)所選填料的n值，即可確定塔內(nèi)需要的填料數(shù)量。

一般要求塔徑與填料尺寸之比d/d>8（此比值在8～15之間為宜），以便氣、液分布均勻。若d/d<8，在近塔壁處填料層空隙率比填料層中心部位的空隙率明顯偏高，會影響氣液的均勻分布。若d/d值過大，即填料尺寸偏小，氣流阻力增大。

幾種常用的短管形及鞍形填料的特性數(shù)據(jù)列于表7-1。共軛環(huán)的特性數(shù)據(jù)列于表7-2。

表7-1幾種常用填料的特性數(shù)據(jù)

填料尺寸

尺寸mm

材質(zhì)及

堆積方式

比表面積(a)

m2/m3

空隙率(ε)

m3/m3

每m3填料個數(shù)

堆積密度kg/m3

干填料因子(a/ε3)

m-1

填料因子

(φ)m-1

注

拉西環(huán)

10×10×1.5

10×10×0.5

25×25×2.5

25×25×4.5

50×50×4.5

50×50×4.5

50×50×1

80×80×9.5

76×76×1.5

瓷質(zhì)亂堆

鋼質(zhì)亂堆

瓷質(zhì)亂堆

鋼質(zhì)亂堆

瓷質(zhì)亂堆

瓷質(zhì)亂堆

鋼質(zhì)亂堆

瓷質(zhì)亂堆

鋼質(zhì)亂堆

440

500

190

220

93

124

110

76

68

0.70

0.88

0.78

0.92

0.81

0.72

0.95

0.68

0.95

720×103

800×103

49×103

55×103

6×103

8.83×103

7×103

1.91×103

1.87×103

700

960

505

640

457

673

430

714

400

1280

740

400

290

177

339

130

243

80

1500

1000

450

260

205

175

280

105

直徑×高×厚

鮑爾環(huán)

25×25

25×25×0.6

25

50×50×4.5

50×50×0.9

瓷質(zhì)亂堆

鋼質(zhì)亂堆

塑料亂堆

瓷質(zhì)亂堆

鋼質(zhì)亂堆

220

209

209

110

103

0.76

0.94

0.90

0.81

0.95

48×103

61.5×103

51.1×103

6×103

6.2×103

505

480

72.6

457

355

300

160

170

130

66

直徑×高×直徑

階梯環(huán)

25×12.5×1.4

33.5×19×1.0

塑料亂堆

塑料亂堆

223

132.5

0.90

0.91

81.5×103

27.2×103

97.8

57.5

172

115

直徑×高×厚

弧鞍形

25

25

50

瓷質(zhì)

鋼質(zhì)

鋼質(zhì)

252

280

106

0.69

0.83

0.72

78.1×103

88.5×103

8.87×103

725

1400

645

360

148

矩鞍形

25×3.3

50×7

瓷質(zhì)

瓷質(zhì)

258

120

0.775

0.79

84.6×103

9.4×103

548

532

320

130

名義尺寸×厚

θ網(wǎng)環(huán)鞍行網(wǎng)壓延孔環(huán)

8×8

10

6×6

鍍鋅鐵絲網(wǎng)

1030

1100

1300

0.936

0.91

0.96

2.12×106

4.56×106

10.2×106

490

340

355

40目，絲徑0.23～0.25mm；60目，絲徑0.152mm

表7-2共軛環(huán)填料的特性數(shù)據(jù)

名稱

高×徑×厚

mm

比表面積

m2/m3

空隙率

m3/m3

個數(shù)

個/m3

堆積重度

kg/m3

干填料因子

m-1

不銹鋼φ16

23×16×0.4

313

0.96

211250

340

354

不銹鋼φ25

25×25×0.7

185

0.95

75001

363.6

216

不銹鋼φ38

38×38×0.9

116

0.96

19500

332.7

131

不銹鋼φ50

50×50×0.8

86

0.96

9772

268

97

不銹鋼φ76

76×76×0.8

81

0.95

3980

246.8

94.5

塑料φ38ⅰ型

34×40×1.5

130

0.93

18650

61.3

162

塑料φ38ⅱ型

38×37×1.5

142

0.91

16321

80.0

188

塑料φ39ⅲ型

38×37×1.5

143

0.91

16973

76.9

190

塑料φ50ⅰ型

40×50×1.4

104

0.86

9200

84.8

164

陶瓷φ44

40×44×5.0

118

0.84

12132

380.2

199

§7.2.3填料層內(nèi)氣液逆流的流體力學(xué)特性

1）氣液流速與氣體通過填料層壓降的關(guān)系

填料在塔內(nèi)亂堆，給氣流構(gòu)成了彎曲、分支及變截面的復(fù)雜幾何形狀的流道。這樣的流道促使氣流發(fā)生擾動，從而使氣流在實際操作氣速范圍內(nèi)均為湍流。

在對填料塔內(nèi)氣、液流體力學(xué)特性作測定時，通常氣速以空塔氣速u表示，液體噴淋密度l的單位是m3/（h·m2），氣體流過一定高度填料層的壓降為δp。

對一定高度的填料層，在不同噴淋密度下實驗測得的“l(fā)gδp—lgu”曲線如下圖。

當(dāng)l=0，即干填料時，因氣體在填料層呈湍流，δp∝u1.8～2.0，在“l(fā)gδp—lgu”圖中為一直線。

當(dāng)噴淋密度為l1，在氣速較低時，氣體向上流動對液體沿填料表面膜狀流下的曳力很小，lgδp與lgu的關(guān)系仍呈直線，且該直線與干填料時的直線平行，只是由于液膜有一定厚度使氣體流道變小，故該條件下的“l(fā)gδp—lgu”直線段要高于干填料條件下相應(yīng)的直線，如圖7-3中a1點以下線段。

在a1點以上，氣流對液膜流動產(chǎn)生影響，使液膜增厚，而液膜增厚又使氣體通道變窄流速增大，故在“l(fā)gδp—lgu”圖上出

現(xiàn)δp隨u的增加而較快增長的線段，如圖中a1—b1線段。在此階段，液流雖遇到阻礙，但液體仍可沿填料表面流下，未發(fā)生液體停滯或積液現(xiàn)象。

在b1點，因液膜已足夠厚，四周的液膜幾乎封閉氣體通道，此刻，塔內(nèi)的部分區(qū)域發(fā)生“轉(zhuǎn)相”，即液相變?yōu)檫B續(xù)相，氣相成為分散相。若氣速再稍增大，氣體對液體的曳力迅速增加，“l(fā)gδp—lgu”曲線呈現(xiàn)為垂直向上的直線。這時，因塔頂不斷進液，塔內(nèi)液體又不能暢流而下，塔內(nèi)積液，液位不斷上升，于是液體由氣體出口泛濫出去，塔的正常操作便受到破壞。這種狀況稱為“液泛”（flooding）。一般把對應(yīng)于液泛開始狀況的空塔氣速叫做液泛氣速，簡稱“泛速”，圖7-3中b1點對應(yīng)的空速即為泛速。

在圖7-3中還畫了噴淋密度為l2、l3時的“l(fā)gδp—lgu”曲線，其曲線形狀與l1時的曲線形狀相像，只因l3>l2>l1，故與其相應(yīng)的曲線中l(wèi)3曲線的位置*高，l2的次之，l1的*低。

a點稱之“載點”（loadingpoint），b點稱為“泛點”。一般認為正常操作的空速應(yīng)在載點氣速之上，在泛點氣速的0.8倍之下。因載點從理論上講是在“l(fā)gδp—lgu”圖中當(dāng)l為定值時隨氣速增大由直線轉(zhuǎn)為曲線的轉(zhuǎn)折點，但載點氣速時的征狀不明顯，而泛點氣速時的特征明顯，易于辨認，故通常由實驗數(shù)據(jù)整理成計算泛速的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)圖。根據(jù)經(jīng)驗，一般推薦的操作氣體空速u的數(shù)值范圍是：

式中uf為空塔氣體泛速，m/s。

2）泛點與壓降的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)圖

埃克特（eckert）在sherwood和leva工作的基礎(chǔ)上提出的經(jīng)驗泛點關(guān)聯(lián)圖7-4所示。

圖中*上面的三條曲線為亂堆填料、整砌填料及弦柵填料的泛點關(guān)聯(lián)圖線。該圖采用雙對數(shù)坐標。

圖7-4填料塔泛點及壓降普遍化關(guān)聯(lián)圖

橫軸為,縱軸為。各符號意義如下：

uf——空塔液泛氣速，m/s；

g——重力加速度，9.81m/s2；

——填料因子（packing factor）,m2/m3；

ρv，ρl——氣、液相密度，kg/ m3

,ρ水是水的密度，kg/ m3；

gl, gv——液相與氣相的質(zhì)量通率，kg/(s·m2)；

μl——液相粘度，cp.

*初提出的泛點關(guān)聯(lián)圖縱軸數(shù)群中出現(xiàn)“干填料因子”a/ε3，但數(shù)據(jù)歸納規(guī)律性不夠理想，考慮到操作時填料表面有液膜，使用干填料參量a、ε欠妥，后改用“填料因子”替代，效果較好。

實驗中發(fā)現(xiàn)，亂堆填料液泛時單位填料層高度的氣體壓降基本上為一恒值，亦即eckert圖中亂堆填料的泛點線為一等壓降線。由此推測，當(dāng)操作氣速低于泛速時，其它等壓降曲線會有與泛點關(guān)聯(lián)圖線相像的曲線形狀。實驗結(jié)果證實了這一推測。圖7-4中在亂堆填料泛點線以下的系列曲線均為亂堆填料的等壓降線。使用這些等壓降線時，縱坐標中的μf須改為操作氣速u。

現(xiàn)以亂堆填料為例，說明泛點與壓降關(guān)聯(lián)圖的使用方法。步驟如下：

已知空塔操作氣速后，可按下式計算塔徑d：

式中v——氣相體積**，m3/s

u——操作空塔氣速，m/s

3)填料塔逆流操作時的持液量

填料塔在逆流操作時，在填料間的空隙中以及在填料表面所積存的液量稱為持液量（li）m3液/m3塔容積。持液量由兩部分組成：

①動持液量：在填料塔正常操作時突然停止噴淋液體和輸入氣體，由填料層流出的液體體積與填料層體積之比。動持液量的液體能連續(xù)流過填料層，可不斷地被上面流下來的液體置換。

②靜持液量：當(dāng)停止噴淋液體和輸入氣體后經(jīng)過一段時間仍然滯留在填料層內(nèi)的液體體積與填料層體積之比。靜持液量的液體多數(shù)是不流動的，只能緩慢地被新鮮液體置換。

填料層中靜持液量的液體因與氣相接觸時間長而趨近平衡，幾乎失去傳質(zhì)效能，而動持液量液體對傳質(zhì)有效。持液量大則塔體重量增加，氣流通道變狹阻力增大，而且會延長所需由開工至穩(wěn)定操作的時間，故一般認為持液量以小為宜。持液量至今沒有成熟的計算式，只能查到少數(shù)特定填料及物系的持液量經(jīng)驗曲線。

§7．2．4填料層內(nèi)的氣液傳質(zhì)

1）氣液傳質(zhì)面積

干填料比表面積為a，實際操作中潤濕的填料比表面積為aw，由于只有在潤濕的填料表面才可能發(fā)生氣、液傳質(zhì)，故aw值具有實際意義。下面介紹計算的恩田（onda）公式，該公式為：

式中σ——液體表面張力，n/m；

σc——填料上液體鋪展開的*大表面張力，n/m。

要求σ<σc。σc的值見表7-3。

表7-3不同填料材質(zhì)的σc值

材質(zhì)

σc×103n/m

材質(zhì)

σc×103n/m

碳

56

聚乙烯

33

陶瓷

61

鋼

75

玻璃

73

涂石蠟的表面

20

聚氯乙烯

40

gl——液體空塔質(zhì)量通率，kg/(s·m2)；

μl，ρl——液體的粘度，n·s/m2和密度，kg/m3。

2）氣液傳質(zhì)分系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式

迄今已有不少氣、液傳質(zhì)分系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式發(fā)表。各關(guān)聯(lián)式都是在特定的汽液體系和填料條件下，在一定的汽液質(zhì)量通率范圍內(nèi)由實測數(shù)據(jù)整理得到的。但這些經(jīng)驗式的使用范圍有相當(dāng)局限性。

氣液傳質(zhì)過程有關(guān)物理量同樣可采用準數(shù)式來關(guān)聯(lián)。有關(guān)的準數(shù)是sh，re，sc及表示流體流動通道幾何特點的準數(shù)（如adp）等。以準數(shù)形式表達的計算傳質(zhì)分系數(shù)的圖線、公式具有普遍性。

下面介紹計算氣、液傳質(zhì)分系數(shù)的恩田準數(shù)關(guān)聯(lián)式。

（1）計算kl的關(guān)聯(lián)式。

（7-3）

式中

kl——液相傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/[s·m2·（kmol/m3）]；

dp——填料的名義尺寸，m。如1英寸填料，dp=0.025m；

gl——液相質(zhì)量流速，kg/(s·m2)。

（2）計算kg的關(guān)聯(lián)式

（7-4）

式中

kg——氣相傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/(s·m2·kpa)；

c——系數(shù)，對大于15mm的填料，c=5.23；小于15mm的填料，c=2.0；

gv——氣相質(zhì)量通率，kg/(s·m2)。

天津大學(xué)于1978年發(fā)表了計算kl的修正的恩田公式，把原式中的（adp）改為由實驗測得的ψ，并改變公式的常系數(shù)，使修正后的恩田公式對當(dāng)前常用的各種填料的實驗數(shù)據(jù)吻合得更好。修正的恩田公式為

（7-5）

各種填料的ψ值如表7-4所示。

表7-4各種填料的ψ值（無因次）

填料種類

拉西環(huán)

弧鞍

鮑爾環(huán)（米字筋）

階梯環(huán)

鮑爾環(huán)（井字筋）

ψ

1

1.19

1.36

1.47

1.53

又，（注意：k需乘以aw，而不是a。）現(xiàn)在有許多實驗整理得的經(jīng)驗式中把“kla”或“kga”作為一個整體的物理量處理，這樣做，既準確，計算也簡便。

溫度對吸收操作的影響：若p不變，t減小，則m減小。從平衡關(guān)系來看，t減小使吸收推動力增大，對吸收有利。溫度改變對傳質(zhì)分系數(shù)的影響同樣可根據(jù)恩田公式作判斷。當(dāng)對比的是t1與t2兩個溫度，壓強不變，則可按該壓強查取在這兩個溫度下的全部有關(guān)物性數(shù)據(jù)，算出相應(yīng)的k值進行對比。一般說，溫度降低液相粘度增大，液相分子擴散系數(shù)減小，則液體傳質(zhì)分系數(shù)減小?？梢?，溫度降低可增大吸收推動力但減小傳質(zhì)系數(shù)，故適宜操作溫度應(yīng)權(quán)衡這兩方面利弊確定。

3）液體精餾的hetp經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式

以填料塔作為精餾操作的設(shè)備亦屬常見。所需的填料層高度h為

（7-6）

式中

hetp——相當(dāng)于一塊理論板的填料層高度，即等板高度，m；

nt——理論板數(shù)。

下面介紹計算hetp的一個經(jīng)驗公式——默奇（murch）式

（7-7）

式中

g——氣相質(zhì)量通率kg/(h·m2)；

d——塔徑，m；

z0——每段填料（相鄰兩個液相再分布器之間）的高度，m；

α——被分離組分的相對揮發(fā)度；

μl，ρl——液相的粘度，cp及密度，kg/m3；

a，b，c——系數(shù)，如下表：

表7-5 murch公式的系數(shù)

填料種類

填料尺寸（mm）

a

b

c

拉西環(huán)

6.4

10

13

25

50

2.10

8.53

0.57

0.42

-0.37

-0.24

-0.10

0

1.24

1.24

1.24

1.24

1.24

弧鞍形填料

13

25

5.62

0.76

-0.45

-0.14

1.11

1.11

弧鞍形網(wǎng)

6.4

10

13

0.017

0.20

0.33

+0.50

+0.25

+0.20

1.00

1.00

1.00

壓延孔環(huán)

4

6

12

25

0.39

0.076

0.45

3.06

+0.25

+0.50

+0.30

+0.12

0.30

0.30

0.30

0.30

(7-8)式的適用范圍是：①常壓操作。操作氣速為（0.25～0.85）×泛速。②塔徑為500～800mm，填料層高度為1～3m。塔徑與填料尺寸之比大于8。③高回流比或全回流操作，汽、液摩爾**近似相等。④體系的相對揮發(fā)度α在3～4以內(nèi)。物系的擴散系數(shù)相差不大。

把murch公式用于低回流比時誤差較大。

4）軸向混合對傳質(zhì)過程的影響

在《氣體吸收》中對氣、液相流過填料層的情況分析是基于假想的狀態(tài)，即液相沿各填料的壁面均勻膜狀流下，在填料層內(nèi)任一塔截面上，各處液膜流速相同。同時，氣相沿填料間的孔隙均勻向上流動，在填料層內(nèi)任一塔截面上各處氣體流速也相同。然而，實際操作中，液相存在溝流現(xiàn)象，氣相在同一塔截面上分布亦不均勻。氣液相流動的

圖7-5軸向混合對塔內(nèi)氣液濃度分布曲線的影響

不均勻，再加上渦流因素，導(dǎo)致氣液相中部分反主流方向流動即“返混”（back mixing）或“軸向混合”（axialmixing）現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)上升氣流夾帶部分液體向上流動時產(chǎn)生液相返混，下降液體夾帶部分氣體向下流動則產(chǎn)生氣相返混。

由于返混，塔內(nèi)氣液濃度隨塔高的變化曲線與假想情況發(fā)生差異。以逆流吸收為例，液體在塔頂加入后，旋即由于填料層內(nèi)液向返混而濃度增大，氣體進入填料層后因氣相返混而濃度很快降低。圖7-5中實線是假想的無返混的氣液濃度隨填料層高度變化的曲線，虛線則是實際有返混的氣液濃度隨填料層高度變化的曲線?？梢?，返混使傳質(zhì)推動力減小，故應(yīng)設(shè)法減小返混程度。

§7．2．5填料塔的附屬設(shè)備

填料塔的附屬設(shè)備主要有液體噴淋裝置、除沫裝置、液體再分布器及填料支承裝置等。

1）液體噴淋裝置與除沫裝置

（1）液體噴淋裝置：填料塔操作要求液體沿同一塔截面均勻分布。為使液流分布均勻，液體在塔頂?shù)某跏挤植柬毦鶆?。?jīng)驗表明，對塔徑為0.75m以上的塔，每平方米塔橫截面上應(yīng)有40～50個噴淋點；對塔徑在0.75m以下的塔，噴淋點密度集至少應(yīng)為160個/m2塔截面。

常見的液體噴淋裝置有多孔管式、槽式及擋板式等，如圖7-6所示。管式布液器是令液體從總管流進，分流至各支管，再從支管底部及側(cè)面的小孔噴出。這種裝置要求液體潔凈，以免發(fā)生小孔堵塞，影響布液的均勻性。槽式分布器不易堵塞，布液較均勻，但因液體是由分槽的v形缺口流出，故對安裝的水平度有一定要求。擋板式是將管內(nèi)流出的液體經(jīng)檔板反濺灑開的液體噴淋裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，不會堵塞，但布液不夠均勻。

（2）除沫裝置：氣體從塔頂流出時，總會帶少量液滴出塔。為使氣體夾帶的液滴能重新返回塔內(nèi)，一般在塔內(nèi)液體噴淋裝置上方裝置除沫器。常用的除沫器有折流板式與填料層式。

圖7-6液體噴淋裝置

圖7-7中左圖所示為折流板式除沫器。氣體流過曲折通道時，氣流中夾帶的液滴因慣性附于折流板壁，然后流回塔內(nèi)。

圖7-7除沫器

圖7-7中右圖所示的是填料層式除沫器。當(dāng)氣流通過填料層時，氣流中夾帶的液滴附于填料表面流回塔內(nèi)。過去曾用拉西環(huán)除沫，但其阻力大，效果不理想，現(xiàn)在一般采用金屬絲網(wǎng)或尼龍絲網(wǎng)填料層，填料層高（0.1～0.15）m，壓降小于25mmh2o，可除去大于5μ的液滴，效率達(98～99)%。

2）液體再分布器與填料支承裝置

（1）液體再分布器：為使流向塔壁的液體能重新流回塔中心部位，一般在液體流過一定高度的填料層后裝置一個液體再分布器。液體再分布器形狀如漏斗，如圖7-8所示。在液體再分布器側(cè)壁裝有若干短管，使近塔壁的上升氣流通過短管與中心氣流匯合，以利氣流沿塔截面均勻分布。

通常將整個填料層分為若干段，段與段間設(shè)置液體再分布器。如令每段填料層的高度為z，塔徑為d，對亂堆拉西環(huán)，取。隨著填料性能的改進，之值可增大，該值一般在3至10之間。

（2）填料支承裝置：填料支承裝置如圖7-9所示。結(jié)構(gòu)*簡單的是柵板，由豎立的扁鋼焊在鋼圈上制成。為防止在柵板處積液導(dǎo)致液泛，柵板的自由截面率應(yīng)大于50%。此外，效果較好的是具有圓形或條形升氣管的篩板式支承板，液體從板上篩孔流下，氣體通過升氣管由管壁的小孔流出，氣液分布較均勻，又因在支承裝置處逆流的氣液相各有通道，可避免因支承裝置而引起的積液現(xiàn)象。