三、塔內件塔內件包括液體分布裝置、床層固定裝置或床層壓緊裝置、填料支承裝置、液體收集再分布和進料裝置以及氣體分布裝置等。一座性能良好的大型填料塔,填料本身的高性能固然重要,但與之匹配的塔內件,尤其是液體分布器和氣體分布器也是至關重要的。否則填料的高性能就不能得以充分發揮,特別是對于大直徑、多側線、淺床層塔器,氣液分布往往是成敗的關鍵。不良的液體分布可能使填料的性能下降50%~70%。與板式塔相比,填料塔對液體的不均勻分布更為敏感。液體在填料塔內的分布性能以及最終的填料性能在很大程度上依賴于液體的初始分布。不均勻分布可導致填料效率的降低,特別是對規整填料等低壓降填料。而且,當塔具有很高的填料層高度、很高的填料比表面積及很高的填料效率時,液體不均勻分布的負面效應更大。1、填料支承裝置

填料支承裝置的作用是支承塔內填料層。對其要求是：第一,應具有足夠的強度和剛度,能支承填料的質量、填料層的持液量及操作中的附加壓力等;第二,應具有大于填料層空隙率的開孔率,以防止在此處首先發生液泛;第三,結構合理,有利于氣液兩相的均勻分布,阻力小,便于拆裝。常用的填料支承裝置有柵板型、孔管型、駝峰型等,如圖所示。選擇哪種支承裝置,主要根據塔徑、使用的填料種類及型號、塔體及填料的材質、氣液流速等而定。2、填料壓緊裝置

為保持操作中填料床層為一高度恒定的固定床,從而保持均勻一致的空隙結構,使操作正常、穩定,在填料裝填后于其上方要安裝填料壓緊裝置。這樣,可以防止在高壓降、瞬時負荷波動等情況下填料床層發生松動和跳動。填料壓緊裝置分為填料壓板和床層限制板兩大類,每類又有不同的型式,圖中列出了幾種常用的填料壓緊裝置。填料壓板自由放置于填料層上端,靠自身重量將填料壓緊,它適用于陶瓷、石墨制的散裝填料。因其易碎,當填料層發生破碎時,填料層空隙率下降,此時填料壓板可隨填料層一起下落,緊緊壓住填料而不會形成填料的松動。床層限制板用于金屬散裝填料、塑料散裝填料及所有規整填料。因金屬及塑料填料不易破碎,且有彈性,在裝填正確時不會使填料下沉。床層限制板要固定在塔壁上,對于小塔可用螺釘固定于塔壁,而大塔則用支耳固定。3、液體分布裝置為了實現填料內氣液兩相密切接觸、高效傳質,填料塔的傳質過程要求塔內任一截面上氣液兩相流體能均勻分布,特別是液體的初始分布至關重要。理想的液體分布器應具備以下條件：(1)與填料相匹配的液體均勻分布點。填料比表面積越大,分離要求越精密,則液體分布器分布點密度也應越大。(2)操作彈性較大,適應性好。(3)為氣體提供盡可能大的自由截面,實現氣體的均勻分布,且阻力小。(4)結構合理,便于制造、安裝、調整和檢修。液體分布裝置的種類多樣,有噴頭式、盤式、管式、槽式及槽盤式等。噴頭式分布器如圖(a)所示。液體由半球形噴頭的小孔噴出,小孔直徑為3~10mm,作同心圓排列,噴灑角小于80°,直徑為(1/3~1/5)D。這種分布器結構簡單,只適用于直徑小于600mm的塔中。因小孔容易堵塞,一般應用較少。盤式分布器有盤式篩孔分布器、盤式溢流管式分布器等形式。如圖(b)、(c)所示。液體加至分布盤上,經篩孔或溢流管流下。分布盤直徑為塔徑的0.6~0.8倍,此種分布器用于D<800mm的塔中。管式分布器由不同結構形式的開孔管制成。其突出的特點是結構簡單,供氣體流過的自由截面大,阻力小。但小孔易堵塞,彈性一般較小。管式液體分布器使用十分廣泛,多用于中等以下液體負荷的填料塔中。在減壓精餾及絲網波紋填料中,由于液體負荷較小故常用之。管式分布器有排管式、環管式等不同形狀,如圖(d)、(e)所示。根據液體負荷情況,可做成單排或雙排。槽式液體分布器通常是由分流槽(又稱主槽或一級槽)、分布槽(又稱副槽或二級槽)構成的。一級槽通過槽底開孔將液體初分成若干流股,分別加入其下方的液體分布槽。分布槽的槽底(或槽壁)上設有孔道(或導管),將液體均勻分布于填料層上。如圖(f)所示。槽式液體分布器具有較大的操作彈性和極好的抗污性,特別適合于氣液負荷大及含有固體懸浮物、粘度大的分離場合。由于槽式分布器具有優良的分布性能和抗污垢堵塞性能,應用范圍非常廣泛。槽盤式分布器是近年來開發的新型液體分布器,它將槽式及盤式分布器的優點有機地結合一體,兼有集液、分液及分氣三種作用,結構緊湊,操作彈性高達10:1。氣液分布均勻,阻力小,特別適用于易發生夾帶、易堵塞的場合。盤槽式液體分布器的結構如圖(g)所示。四、氣液兩相在填料層內的流動1、液體成膜的條件

液體能否在填料表面鋪展成膜與填料的潤濕性有關。嚴格地說,液體自動成膜的條件是:δLS+δGL<δGS式中δLS、δGL、δGS分別為液固、氣液及氣固間的界面張力。上式中兩端的差值越大,表明填料表面越容易被該種液體所潤濕,即液體在填料表面上的鋪展能力越強。當物系和操作溫度、壓力一定時,氣液界面張力δGL為一定值。因此,適當選擇填料的材質和表面性質,液體將具有較大的鋪展能力,可使用較少的液體獲得較大的潤濕表面。如填料的材質選用不當,液體將不呈膜而呈細流下降,使氣液傳質面積大為減少。2、填料塔內液膜表面的更新在填料塔內液膜所流經的填料表面是許多填料堆積而成的,形狀極不規則。這種不規則的填料表面有助于液膜的湍動。特別是當液體自一個填料通過接觸點流至下一個填料時,原來在液膜內層的液體可能轉而處于表層,而原來處于表層的液體可能轉入內層,由此產生所謂表面更新現象。這種表面更新現象有力地加快液相內部的物質傳遞,是填料塔內汽液傳質中的有利因素。但是,也應該看到,在亂堆填料層中可能存在某些液流所不及的死角。這些死角雖然是潤濕的,但液體基本上處于靜止狀態,對兩相傳質貢獻不大。3、填料塔內的液體分布液體在亂堆填料層內流體所經歷的路徑是隨機的。當液體集中在某點進入填料層并沿填料流下,液體將呈錐形逐漸散開。這表明亂堆填料是具有一定的分散液體的能力。因此,亂堆填料對液體預分布沒有過于苛刻的要求。另一方面,在填料表面流動的液體會部分地匯集形成溝流,使部分填料表面未能潤濕。綜合上述兩方面的因素,液體在流經足夠高的一段填料層之后,將形成一種的液體分布,稱為填料的特征分布。特征分布是填料的特性,規整填料的特征分布優于散裝填料。在同一填料塔中,噴液量越大,特征分布越均勻。

液體在填料塔中流下時,由于以下原因造成較大尺度上的分布不均勻性,在設計時應采取適當的改進措施。(1)初始分布不均勻性對于小塔,液體在亂堆填料層中雖有一定的自分布能力,但若液體初始分布不良,總體上填料的潤濕表面積減少。對于大塔,初始分布不良很難利用填料的自分布能力達到全塔截面液體的分布均勻。因此,大塔的液體初始分布應予充分注意。(2)填料層內液流的不均勻性沿填料流下的液流可能向內,也可能向外流向塔壁,導致較多液體沿壁流下形成壁流,減少了填料層的潤濕率。這種現象叫填料層內液流的不均勻性。尤其當填料較大時(塔徑與填料之比D/d<8),壁流現象顯著。工業大型填料塔以取D/d在30以上為宜。此外,由于塔體傾斜、填充不均勻及局部填料破損等均會造成填料層內的液體分布不均勻。液流不均勻性是大型填料塔傳質性能下降即放大效應的主要原因。4、填料塔中的持液量

在填料塔中流動的液體占有一定的體積,操作時單位填充體積所具有的液體量稱為持液量(m3/m3)。定態操作中的精餾塔若持液量小,則系統對干擾的反應靈敏度高,液體在塔內的停留時間短,有利于熱敏物質的分離;在間歇精餾中若持液量大,則每批獲得的餾出液量減少,停止操作時塔內持液,流入塔釜,使釜液中輕組分的含量增加,對生產能力和產品質量不利。因此,通常希望保證液體在填料表面呈薄膜流動,具有盡可能大的傳質表面而持液量較小。持液量與填料表面的液膜厚度有關。液體噴淋量大,液膜增厚,持液量也加大。在一般填料塔操作的氣速范圍內,由于氣體上升對液膜流下造成的阻力可以忽略,氣體流量對液膜厚度及持液量的影響不大。一般說來,適當的持液量對填料塔的操作的穩定性和傳熱傳質是有益的,但持液量過大,將減少填料層的空隙氣相流通截面,使壓降增大,處理能力下降。五、填料塔的特點

與板式塔相比,填料塔具有如下特點。1、生產能力大板式塔與填料塔的液體流動和傳質機理不同。板式塔的傳質是通過上升氣體穿過板上的液層來實現,塔板的開孔率一般占塔截面積的7%~10%。而填料塔的傳質是通過上升氣體和靠重力沿填料表面下降的液流接觸實現。填料塔內件的開孔率均在50%以上,而填料層的空隙率則超過90%,一般液泛點較高。故單位塔截面積上,填料塔的生產能力一般均高于板式塔。2、分離效率高一般情況下,填料塔具有較高的分離效率。工業填料塔每米理論級大多在2級以上,最多可達10級以上。而常用的板式塔,每米理論板最多不超過2級。研究表明,在減壓和常壓操作下,填料塔的分離效率明顯優于板式塔,在高壓下操作,板式塔的分離效率略優于填料塔。但大多數分離操作是處于減壓及常壓的狀態下。3、壓力降小填料塔由于空隙率高,故其壓降遠遠小于板式塔。一般情況下,板式塔的每個理論級壓降約在0.4~1.1kPa,填料塔約為0.01~0.27kPa。通常,板式塔壓降高于填料塔5倍左右。壓降低不僅能降低操作費用,節約能耗,對于精餾過程,可使塔釜溫度降低,有利于熱敏性物料的分離。4、持液量小持液量是指塔在正常操作時填料表面、內件或塔板上所持有的液量,對于填料塔,持液量一般小于6%,而板式塔則高達8%~12%。5、操作彈性大由于填料本身對負荷變化的適應性很大,加之填料塔的操作彈性決定于塔內件的設計,設計時,可根據實際需要確定填料的操作彈性。而板式塔的操作彈性則受到塔板液泛、液沫夾帶及降液管能力的限制,一般操作彈性較小。填料塔也有一些不足之處,如填料造價高;當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料表面,使傳質效率降低;不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料;對側線進料和出料等復雜精餾不太適合等。因此,在選擇塔的類型時,應根據分離物系的具體情況和操作所追求的目標綜合考慮上述各因素。六、填料塔設計中填料的選擇1、填料種類的選擇

各類填料的選擇要考慮分離工藝的要求,通常從以下幾個方面進行考慮。(1)填料的傳質效率要高；(2)填料的通量要大；(3)填料層的壓降要低；(4)填料抗污垢堵塞性能強,拆裝、檢修方便。2、填料規格的選擇填料規格是指填料的公稱尺寸或比表面積。(1)散裝填料規格的選擇工業塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規格。同類填料,尺寸越小,分離效率越高,但阻力增加,通量減少,填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中,又會產生液體分布不良及嚴重的壁流,使塔的分離效率降低。因此,對塔徑與填料尺寸的比值要有一規定,一般塔徑與填料公稱直徑的比值D/d應大于8。3、填料材質的選擇

填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類。(1)陶瓷填料陶瓷填料具有很好的耐腐蝕性,一般能耐氫氟酸以外的常見的無機酸、有機酸及各種有機溶劑的腐蝕。陶瓷填料可在低溫、高溫下工作,具有一定的抗沖擊強度下使用,質脆、易碎是陶瓷填料的最大缺點。陶瓷填料價格便宜,具有很好的表面潤濕性能,在氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程中應用較為普遍。

(2)金屬填料金屬填料可用多種材質制成,金屬材質的選擇主要根據物系的腐蝕性及金屬材質耐腐蝕性來綜合考慮。碳鋼填料造價低,且具有良好的表面潤濕性能,對于無腐蝕或低腐蝕性物系應優先考慮使用;不銹鋼填料耐腐蝕性強,但其造價較高,且表面潤濕性能較差,在某些特殊場合(如極低噴淋密度下的減壓精餾過程),需對其表面進行處理,才能取得良好的使用效果;鐵材、特種合金鋼等材質制成的填料造價很高,一般只在某些腐蝕性極強的物系下使。一般來說,金屬填料可制成薄壁結構,它的通量大、