填料塔：散装填料的类型和性能介绍

填料塔最初出现在19世纪中叶，在1881年用于精馏操作。填料塔在传质形式上与板式塔不同。填料塔是一种连续式气液传质设备，主要应用于吸收与解吸、气体增湿减湿、蒸馏和填料反应塔等化工生产过程。

填料塔由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，如图1所示，塔外壳多采用金属材料，也可用塑料制造。塔体横截面有圆形、矩形及多边形等，但绝大部分是圆形。塔壳材料可以是碳钢、不锈钢、聚氯乙烯、玻璃钢和砖等。塔内放置着填料。填料种类很多。用于制造填料的材料有碳钢、不锈钢、陶瓷、聚丙烯、增强聚丙烯等。由于填料与塔体取材面广，故易于解决物料腐蚀问题。

填料在填料塔操作中起着重要作用。液体润湿填料表面便增大了气液接触面积，填料层的多孔性不仅促使气流均匀分布，而且促进了气相的湍动。

1.填料

填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。填料必须具备较大的比表面积，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度

图1

整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。

填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。本次主要介绍散装填料的类型和性能。

散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散装填料。

①拉西环填料 

拉西环填料于1914年由拉西（F.Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环，如图2（a）所示。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。

② 鲍尔环填料 

鲍尔环填料是对拉西环的改进，如图2（b）所示。在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。

图2  环形填料结构示意

③ 阶梯环填料 

阶梯环填料是对鲍尔环的改进，如图2（c）所示。与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减小，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。

④弧鞍填料 

弧鞍填料属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成。如图3（a）所示。弧鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表面被重合，使传质效率降低。弧鞍填料强度较差，容易破碎，工业生产中应用不多。

⑤ 矩鞍填料 

将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料，如图3（b）所示。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。

图3  鞍形填料结构示意

⑥金属环矩鞍填料 

环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料，如图4。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。

图4  金属环矩鞍填料结构示意

⑦ 球形填料 

球形填料一般采用塑料注塑而成，其结构有多种，如图5所示。球形填料的特点是球体为空心，可以允许气体、液体从其内部通过。由于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不易产生空穴和架桥，所以气液分散性能好。球形填料一般只适用于某些特定的场合，工程上应用较少。