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      塔填料的類型、結構與特性

           塔填料的作用是為氣、液兩相提供充分的接觸面,并為提高其湍動程度(主要是氣相)創造條件,以利于傳質(包括傳熱)。它們應能使氣、液接觸面大、傳質系數高,同時通量大而阻力小,所以要求填料層空隙率高、比表面積大、表面濕潤性能好,并在結構上還要有利于兩相密切接觸,促進喘流。制造材料又要對所處理的物料有耐腐蝕性,并具有一定的機械強度,使填料層底部不致因受壓而碎裂、變形。
          常用的塔填料可分為兩大類:散裝填料與規整填料。
          a.散裝填料
          散裝填料有中空的環形填料,表面敞開的鞍形填料等。常用的構造材料包括陶瓷、金屬、玻璃、石墨等。幾種主要散裝填料的特點如下。
          (1)拉西環
          拉西環為高與直徑相等的圓環,常用的直徑為25~75mm(亦有小至6mm,大至150mm的,但少用),陶瓷環壁厚2.5~9.5mm,金屬環壁厚0.8~1.6mm。填料多亂堆在塔內,直徑大的亦可整砌,以降低阻力及減少液體流向塔壁的趨勢。拉西環結構簡單,但與其他填料相比,氣體通過能力低,阻力也大,液體到達環內部比較困難,因而濕潤不易充分,傳質效果差,故近年來使用較少。
          在拉西環內部空間的直徑位置上加一隔板,即成為列辛環;環內加螺旋形隔板則成為螺旋環。隔板有提高填料能力與增大表面的作用。
          (2)弧鞍
          弧鞍又稱貝爾鞍(Berlsaddle),是出現較早的鞍形填料,形如馬鞍,大小自25mm至50mm的較常用。弧鞍的表面不分內外,全部敞開,流體在兩側表面分布同樣均勻。它的另一特點是堆放在塔內時,對塔壁側壓力比環形填料小。但由于兩側表面構形相同,堆放時填料容易疊合,因而減少暴露的表面,*近已漸為構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)
          矩鞍兩側表面不能疊合,且較耐壓力,構形簡單,加工比弧鞍方便,多用陶瓷制造。在以陶瓷為材料的填料中,此種填料的水力性能與傳質性能都比較優越。
          以上各種散裝填料的壁上不開孔或槽,多用陶瓷制成。此外,又有在壁上開孔或槽的,多用金屬或塑料制成。后者的性能比前者的提高很多,因此被稱為“高效”填料。常見的散裝開孔填料有下列幾種。
          (4)鮑爾環(Pall ring)
          鮑爾環的構造,相當于在金屬拉西環的壁面上開一排或兩排正方形或長方形孔,開孔時只斷開四條邊中的三條邊,另一邊保留,使原來的金屬材料片呈舌狀彎入環內,這些舌片在環內幾乎對接起來。填料的空隙率與比表面并未因而增加。但堆成層后氣、液流動通暢,有利于氣、液流動通暢,有利于氣、液進入環內。因此,鮑爾環比拉西環氣體通過能力與體積傳質系數都有顯著提高,阻力也減少。鮑爾環還可用塑料制造。
          (5)階梯環(Cascade miniring)
          階梯環是一端有喇叭口的開孔環形填料,環高與直徑之比略小于1,環內有筋,起加固與增大接觸面的作用,喇叭口能防止填料凍死靠緊,使空隙率提高,并使表面更易暴露。制造材料多為金屬或塑料。
          (6)金屬鞍環(Metal Intalox saddle)
          用金屬作的矩鞍,并在鞍的背部沖出兩條狹帶,彎成環形筋,筋上又沖出四個小爪彎入環內。它在構形上是鞍與環的結合,又兼有鞍形填料液體分布均勻和開孔環形填料氣體通量大、阻力小的優點,故稱鞍環為環矩鞍。
          b.規整填料
          規整填料不同散裝填料,在于它具有成塊的規整結構,可在塔內逐層疊放。*早出現的規整填料是由機木板條排列成的柵板,后來也有用金屬條或塑料板條做的。柵板填料氣流阻力小,傳質效果卻比較差,現已不大用于氣液傳質設備,但在涼水塔中仍有使用。20世紀60年代以后開發出來的絲網波紋填料和板波紋填料,是目前使用比較廣泛的規整填料。現將它們的構形和特點分述如下:
          (1)絲網波紋填料
          將金屬絲網切成寬50~100mm的矩形條,并壓出波紋,波紋與長邊的斜角為30°,45°或60°,網條上打出小孔以利氣體穿過。然后將若干網條并排成較塔內截面略小的一圓盤,盤高與條寬相等,許多盤在塔內疊成所需的高度。若塔徑大,則將一盤分成幾份,安裝時再并合。一盤之內,左右相鄰兩盤的網條又互成90°交叉。
          這種結構的優點是:
          1)各片排列整齊而峰谷之間空隙大,氣流阻力小;
          2)波紋間通道的方向頻繁改變,氣流滑動加劇;
          3)片與片之間以及盤與盤之間網條交錯,促使液體不斷再分布;
          4)絲網細密,液體可在網面形成穩定薄膜,即使液體噴淋密度小,也易于達到完全潤濕。
          上述特點使這種填料層的通量大,在大直徑塔內使用也沒有液體分布不勻及填料表面潤濕不佳的缺點。
          絲網波紋填料的缺點:
          1)造價高;
          2)裝砌要求高,塔身安裝的垂直度要求嚴格,盤與塔壁間的縫隙要堵實;
          3)填料內部通道狹窄,易被堵塞且不易清洗。然而,由于其傳質效率很高且阻力很小,在精密精餾和真空精餾中使用很合適。開始時,多用于直徑比較小的塔,現可用于直徑達幾米的塔,使用領域也不再局限于蒸餾。
          (2)板波填料
          為了克服絲網波紋填料價格高及安裝要求高的缺點,將絲網條改為板條,填料的構形相同,構造材料除金屬外,還可用塑料。板波填料的傳質性能雖低于絲網波紋填料,但仍屬高效填料之列。這類填料的商品名有麥勒派克(Mellapak)、弗里西派克(Flexipac)等。


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