典型化工设备设计

填料塔结构设计概论（唐海东郑州大学450001）摘要：主要介绍塔设备设计的基本要求以及填料塔液体分配器、填料、填料支撑、除沫器、裙座结构、管口结构等设备的设计。

填料塔是化工类企业中最常用的气、液传质设备之一,而塔填料、塔内件及工艺流程又是填料塔技术发展的关键。

从塔填料、塔内件以及工艺流程,特别是塔填料三方面对填料塔技术的现状与发展趋势作了介绍,说明了塔填料及塔内件在填料塔技术中的重要性。

关键词：塔设备、填料塔、设备设计、填料、除沫器、裙座塔设备是重要的单元操作设备，作用是实现气（汽）—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的目的。

塔设备设计的基本要求包括以下几个方面：1. 气液两相充分接触，相际间接触面积大。

2. 生产能力大，即气液处理量大。

3. 操作稳定，操作弹性大。

4. 阻力小。

5. 结构简单，制造、安装、维修方便，设备的投资及操作费用低。

6. 耐腐蚀，不易堵塞。

塔设备按内件结构可分为填料塔与板式塔。

下面主要绍填料塔设备各个组成的设计。

以及工程应用等现状与发展趋势，新技术在填料塔中的应用等。

（1）填料塔结构设计填料塔：塔内装填一定高度的填料。

液体自塔顶沿填料表面向下流动，作为连续相的气体自塔底向上流动，与液体进行逆流传质。

两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。

在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有高的传质效率；对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小；具有腐蚀性的物料；容易发泡的物料等情况下一般选用填料塔。

所以填料塔具有以下特点：结构简单，压力降小，传质效率高，便于处理腐蚀性物料；处理容易产生泡沫的物料及用于真空操作时，更有其特殊的优越性；体积大，重量大，传质效率差，不适用于处理污浊液体和含尘气体，操作稳定性较差，易发生沟流现象；新型、高效、高负荷填料的开发，使填料塔推广到许多大型气液操作场合，代替传统板式塔。

液体分配器液体在塔顶的初始均匀分布，是保证填料塔达到预期效果的重要条件；力求液体分布均匀，自由面积大，操作弹性宽，不易堵塞，装置安装拆卸方便；原则上应增加单位面积的喷淋点数，但不可过多，可参照相关指标；为避免壁流，靠近塔壁10%塔径区域内，所布流量不应超过总流量的10%；安装位置高于填料层表面150~300mm；常见的液体分配器有管式喷射器：液体直接由管口流出，下设圆形挡板；适用于Di<300mm场合；结构简单，造价低，便于安装；喷射不均匀，易引发壁流。

莲蓬式喷射器：液体通过喷头小孔喷洒；适用于Di<600mm场合；价格低，易于安装；易雾沫夹带；往往有大量液体喷到塔壁。

多孔直管式分配器：直管底部钻孔，液体经由管及管上小孔喷出；适用于Di<300mm场合；结构简单，造价低，安装方便；喷洒不均匀，易堵塞。

多孔盘管式分配器：盘管，可获得较大喷洒面积；盘管直径一般为塔径的0.6~0.8倍；适用于Di<1200mm场合；开孔方向超过45度°时，易产生雾沫夹带；要求液体清洁。

溢流管式分配器：液体被引到分布盘上，再通过溢流管淋洒到填料层上；溢流管直径大于等于15mm，分布盘直径为塔径的0.6~0.8倍；适用于Di>800mm场合；液体分布较均匀，对底板水平度要求高。

筛孔盘式分配器：由分布盘和围环构成，盘上开筛孔；液体有进液管进入盘内，通过筛孔淋下至填料层；分布盘直径为塔径的0.6~0.8倍，适用于Di>800mm场合；液体分布均匀，盘面水平度要求高，筛孔易堵。

槽式分配器：由若干喷淋槽及置于其上的分配槽组成；分配槽底开孔，侧壁开有缺口，以便使将液体流入喷淋槽，喷淋槽结构亦然；适用于Di>800mm场合；结构简单，液体无喷溅，水平度要求高。

排管式分配器：应用较为广泛；液体由主管进入支管，经由支管上的小孔向填料层喷淋；适用于Di>1000mm场合；液体分布均匀，制作安装复杂，水平度要求高，易堵塞。

填料填料是填料塔的核心内件，它为气—液两相接触进行传质和传热提供表面。

与其他内件共同决定填料塔的性能。

设计时，首先选择填料。

改进方向之一：增加通过能力，适应生产需求；改进方向之二：改善流体的分布与接触，以提高分离效率。

拉西环：最早的填料，现代环形填料的基础；外径和高度相等的空心圆柱体；可散装，也可手工整砌；设计、使用经验丰富，价格便宜易形成壁流和内部沟流。

鲍尔环：外径和高度相等的空心圆柱，圆柱侧壁上冲出上下两层交错排列的小窗，冲出的叶片除一端在侧壁上外，其余部分全弯入环内，围聚于圆心；目前应用最为广泛的填料之一；传质效率高，液体分布均匀，流体截面积大，液泛点高；压降比拉西环小50~70%，处理量比。

拉西环大50~100%。

阶梯环：一端具有锥形扩口，改善了填料的堆砌状况；填料之间为点接触，空隙率增大；生产能力高于鲍尔环10%，压降下降25%。

十字环填料：一般为陶瓷制造，以整砌的方式装填；沟流较少，无侧压力。

弧鞍环填料：对称的开式弧状结构，弧面使液体向两旁分散，故弧面无积液，表面有效利用率高；装填时易重叠，降低了有效空隙率；强度较差，价格高，现有很少应用。

矩鞍形填料：保留弧形结构，改进了扇形面形状，故具有良好的液体再分布性能；防止重叠堆积，目前应用最广的填料之一；填料之间点接触，表面利用率高；开式结构，温度较差，容易破碎，且价格较高。

鞍环填料：薄金属板冲成的整体鞍环，保留了鞍形填料的弧状结构，鲍尔环的环形结构和内弯叶片的小窗，刚度高于鲍尔环；通过能力大，压降小，滞液量小，填料层结构均匀，但价格高。

网形填料：金属材料，规整排列；空隙率大，比表面积大，表面湿润率高，液流分布均匀，无积液死角，传质效率高，压降小，处理量大，操作弹性大，适于高精度分离过程；价格贵，不适用于有腐蚀性和污垢的物料。

丝网波纹填料：由若干平行直立放置的波纹网片组成，周围用带状网圈箍住，构成圆柱形填料盘；网片的波纹方向与塔轴线成一定倾角，相邻网片波纹倾斜方向相反，网片间形成三角形截面的通道网；空隙率和比表面积均较大，表面湿润率很高；气体在网片间的交叉通道网内流动，不断转向，故混合程度高，能用于大型填料塔；价格较高，易于堵塞。

填料的选用根据效率、通量和压降三个重要性能参数；常用材料有金属、陶瓷、塑料等；塔径与填料外径的比值（径比）应合适，不可过小，有一下限，因过小径比使塔壁附近填料层空隙率大而不均匀，气液易短路；在相同压降下，通过能力：拉西环<矩鞍环<鲍尔环<阶梯环<鞍环填料效率用传质单元高度或等板高度表示；动力消耗，取决于气相的全塔总压力降。

填料的支承足够的刚度和强度；足够的自由截面，使支承处不首先发生液泛；两种典型结构：栅板和气体喷射支承板。

栅板最为常用。

散装填料时，常易被第一层填料堵塞；根据塔径大小，采用整块或多块组合；板条间隙应不大于填料直径的0.6～0.8倍，栅板流通面积不小于填料自由截面；对较长的栅板要做强度校核，板条视为受均布载荷的简支梁；结构简单，强度大，但自由截面较小，气速大时易液泛。

气体喷射式支承板气、液通道不同，既避免液体积累，又利于液体的均匀再分配。

有钟罩式和梁式两种。

液体再分配器为使流向塔壁的液体能重新流回塔中心部位，一般在液体流过一定高度的填料层后装置一个液体再分配器，收集上段填料的液体，并使其在下段填料层重新均匀分布。

液体再分配器形状如漏斗；通常将整个填料层分为若干段，段与段间设置液体再分配器。

填料层分段高度应小于15～20块理论塔板高度。

金属填料层高度不超过6～7.5m，塑料不超过3～4.5mm。

分段时需考虑支承板的承载能力。

分配锥：（a）适用于Di<600mm场合，锥径为塔径的0.7～0.8倍，气体流动面积减小，压降大，有死区；（b）开通孔，截面收缩率较小，但结构复杂；（c）改进型，通过能力大，可装于填料层内部。

边圈槽形分配器：分配锥的另外一种改进，气体通道截面几乎无缩小；沿塔壁流下的液体收集在环形袋槽中，再由管子导流至塔中心；喷射不够均匀。

升气管式分配器：气相由升气管的齿缝上升，液相有小孔及齿缝底部淋下；适用于大中型塔，气体通过截面较大；结构较为复杂。

斜板复合式再分配器：将支承板、收集器、再分配器组合，可减小塔高；导流－集液板兼做支承板，分布槽起收集液体和再分配作用；汇集于环形槽中的壁流液体，从圆筒上的开孔流入分布槽，与由斜板导入槽内的液体一起，经由槽底的分布孔重新均布；操作弹性大，适应性好，适宜在液体负荷变化较大的场合使用。

除沫器气体从塔顶流出时，总会带少量液滴出塔。

为使气体夹带的液滴能重新返回塔内，一般在塔内液体喷淋装置上方装置除沫器。

常用的除沫器有折板式与。

折板式：最为简单有效的结构，可除去直径5×10－5m的液滴，压降小；由角钢组成，耗用金属多，造价高，对大型塔尤为明显。

丝网式：高效除沫器，除沫率达99％，可除去直径大于5μm，价格高，压降比折板式大；不适于气液中含有粘结物或含有固体物质的场合，因为液体蒸发后留下的固体易堵塞丝网；雾沫中含悬浮物时，应经常冲洗。

其他裙座结构塔设备最常用的支承结构；裙座与塔体下封头的焊接，有对接焊和搭接焊两种形式，一般采用对接焊，因搭接焊需承受剪切载荷，受力状况差，但安装方便，故用于塔径较小或焊缝受力较小的场合；用材可选较经济的普通碳钢，还应考虑载荷、操作条件、塔体下封头材料、温度等因素。

气体进口管进口应防止液体淹没气体通道，防止固体颗粒沉淀；气体进口管伸入到塔中心线位置；管子末端开口向下，气体折返向上，以保证气体分布均匀；气体出口管应防止液滴的带出和积聚，故管口开口向下；出口接管前加装除沫挡板或开口向上的分离袋囊；夹带液滴较多时，需另装除沫器。

液体出口管保证连续排液，不易堵塞，隔离塔内部与外界大气；减压塔中应安装液封装置，如U型管，或使塔底保持一定的液面高度；安装防涡流板，防止出口处的漩涡，或过滤液体夹带的固体颗粒。

（2）填料塔工程应用等现状与发展趋势1 塔填料的现状和发展趋势首先从塔填料来看,塔填料是填料塔的核心构件,是气液两相进行热和质交换的场所,它为气液两相间热、质传递提供了有效的相界面。

塔填料的性质决定了填料塔的操作,只有性能优良的塔填料再辅以理想的塔内件,才有望构成技术上先进的填料塔。

因此,人们对塔填料的研究十分活跃。

对塔填料改进与更新的目的在于:改善流体的均匀分布,提高传递效率,减少流动阻力,增大流体的流量以满足降耗、节能、设备放大、高纯产品制备等各种需要。

目前,塔填料的开发,除研究各种散装和规整填料结构外,还对填料的材质、加工方法、表面特性等进行研究。

规整填料是继散堆填料之后在近20 余年来发展的高效新型填料,国外有许多品种,见图[1-2]2 塔内件的现状和发展趋势塔内件包括气体分布器、填料支承板、床层限位器、液体分布器、壁流收集分配锥、液体收集器和再分布器等。