中石化岳陽殼牌煤氣化10 氣液傳動設備
10.1 板式塔
10.2 填料塔
10.1 板式塔
10.1.1 概述
10.1.2 篩板上的氣液接觸狀態
10.1.3 氣體通過篩板的阻力損失
10.1.4 板式塔的不正常操作現象
10.1.5 板效率的各種表示方法及其應用
10.1.6 提高板效率的措施
10.1.7 塔板型式
10.1.1 概述
板式塔的設計意圖
板式塔是一種應用極為廣泛的氣液傳質設備，它由一個通常呈圓柱形的殼體及其中按一定間距水平設置的若干塔板所組成。如圖所示，板式塔正常工作時，液體在重力作用下自上而下通過各層塔板后由塔底排出；氣體在壓差推動下，經均布在塔板上的開孔由下而上穿過各層塔板后由塔頂排出，在每塊塔板上皆貯有一定的液體，氣體穿過板上液層時，兩相接觸進行傳質。
10.1.1 概述
為有效地實現氣液兩相之間的傳質，板式塔應具有以下兩方面的功能：
①在每塊塔板上氣液兩相必須保持密切而充分的接觸，為傳質過程提供足夠大而且不斷更新的相際接觸表面，減小傳質阻力；
②在塔內應盡量使氣液兩相呈逆流流動，以提供最大的傳質推動力。
由吸收章可知，當氣液兩相進、出塔設備的濃度一定時，兩相逆流接觸時的平均傳質推動力最大。在板式塔內，各塊塔板正是按兩相逆流的原則組合起來的。
10.1.1 概述
但是，在每塊塔板上，由于氣液兩相的劇烈攪動，是不可能達到充分的逆流流動的。為獲得盡可能大的傳質推動力，目前在塔板設計中只能采用錯流流動的方式，即液體橫向流過塔板，而氣體垂直穿過液層。
由此可見，除保證氣液兩相在塔板上有充分的接觸之外，板式塔的設計意圖是，在塔內造成一個對傳質過程最有利的理想流動條件，即在總體上使兩相呈逆流流動，而在每一塊塔板上兩相呈均勻的錯流接觸。
10.1.2 篩板上的氣液接觸狀態
塔板上氣液兩相的接觸狀態是決定板上兩相流流體力學及傳質和傳熱規律的重要因素。如圖所示，當液體流量一定時，隨著氣速的增加，可以出現四種不同的接觸狀態。
（1）鼓泡接觸狀態
當氣速較低時，氣體以鼓泡形式通過液層。由于氣泡的數量不多，形成的氣液混合物基本上以液體為主，氣液兩相接觸的表面積不大，傳質效率很低。
10.1.2 篩板上的氣液接觸狀態
10.1.2 篩板上的氣液接觸狀態
（2）蜂窩狀接觸狀態
隨著氣速的增加，氣泡的數量不斷增加。當氣泡的形成速度大于氣泡的浮升速度時，氣泡在液層中累積。氣泡之間相互碰撞，形成各種多面體的大氣泡，板上為以氣體為主的氣液混合物。由于氣泡不易破裂，表面得不到更新，所以此種狀態不利于傳熱和傳質。
10.1.2 篩板上的氣液接觸狀態
（3）泡沫接觸狀態
當氣速繼續增加，氣泡數量急劇增加，氣泡不斷發生碰撞和破裂，此時板上液體大部分以液膜的形式存在于氣泡之間，形成一些直徑較小，擾動十分劇烈的動態泡沫，在板上只能看到較薄的一層液體。由于泡沫接觸狀態的表面積大，并不斷更新，為兩相傳熱與傳質提供了良好的條件，是一種較好的接觸狀態。
10.1.2 篩板上的氣液接觸狀態
（4）噴射接觸狀態
當氣速繼續增加，由于氣體動能很大，把板上的液體向上噴成大小不等的液滴，直徑較大的液滴受重力作用又落回到板上，直徑較小的液滴被氣體帶走，形成液沫夾帶。此時塔板上的氣體為連續相，液體為分散相，兩相傳質的面積是液滴的外表面。由于液滴回到塔板上又被分散，這種液滴的反復形成和聚集，使傳質面積大大增加，而且表面不斷更新，有利于傳質與傳熱進行，也是一種較好的接觸狀態。
如上所述，泡沫接觸狀態和噴射狀態均是優良的塔板接觸狀態。因噴射接觸狀態的氣速高于泡沫接觸狀態，故噴射接觸狀態有較大的生產能力，但噴射狀態液沫夾帶較多，若控制不好，會破壞傳質過程，所以多數塔均控制在泡沫接觸狀態下工作。
10.1.3 氣體通過篩板的阻力損失
氣體通過塔板的壓降（塔板的總壓降）包括：塔板的干板阻力（即板上各部件所造成的局部阻力），板上充氣液層的靜壓力及液體的表面張力。
塔板壓降是影響板式塔操作特性的重要因素。塔板壓降增大，一方面塔板上氣液兩相的接觸時間隨之延長，板效率升高，完成同樣的分離任務所需實際塔板數減少，設備費降低；另一方面，塔釜溫度隨之升高，能耗增加，操作費增大，若分離熱敏性物系時易造成物料的分解或結焦。因此，進行塔板設計時，應綜合考慮，在保證較高效率的前提下，力求減小塔板壓降，以降低能耗和改善塔的操作。
10.1.4 板式塔的不正常操作現象
篩板塔內氣體兩相的非理想流動包括漏液、液泛和液沫夾帶等，是使塔板效率降低甚至使操作無法進行的重要因素，因此，應盡量避免這些異常操作現象的出現。
（1）漏液
在正常操作的塔板上，液體橫向流過塔板，然后經降液管流下。當氣體通過塔板的速度較小時，氣體通過升氣孔道的動壓不足以阻止板上液體經孔道流下時，便會出現漏液現象。漏液的發生導致氣液的兩相在塔板上的接觸時間減少，塔板效率
10.1.4 板式塔的不正常操作現象
下降，嚴重時會使塔板不能積液而無法正常操作。通常，為保證塔的正常操作，漏液量應不大于液體流量的10%。漏液量達到10%的氣體速度稱為漏液速度，它是板式塔操作氣速的下限。
造成漏液的主要原因是氣速太小和板面上液面落差所引起的氣流分布不均勻。在塔板液體入口處，液層較厚，往往出現漏液，為此常在塔板液體入口處留出一條不開孔的區域，稱為安定區。
10.1.4 板式塔的不正常操作現象
（2）液沫夾帶
上升氣流穿過塔板上液層時，必然將部分液體分散成微小液滴，氣體夾帶著這些液滴在板間的空間上升，如液滴來不及沉降分離，則將隨氣體進入上層塔板，這種現象稱為液沫夾帶。
液滴的生成雖然可增大氣液兩相的接觸面積，有利于傳質和傳熱，但過量的液沫夾帶常造成液相在塔板間的返混，進而導致板效率嚴重下降。為維持正常操作，需將液沫夾帶限制在一定范圍，一般允許的液沫夾帶量為<0.1kg（液）/ kg（氣）。
影響液沫夾帶量的因素很多，最主要的是空塔氣速和塔板間距�？账䴕馑贉p小及塔板間距增大，可使液沫夾帶量減小。
10.1.4 板式塔的不正常操作現象
（3）液泛
塔板正常操作時，在板上維持一定厚度的液層，以和氣體進行接觸傳質。如果由于某種原因，導致液體充滿塔板之間的空間，使塔的正常操作受到破壞，這種現象稱為液泛。
當塔板上液體流量很大，上升氣體的速度很高時，液體被氣體夾帶到上一層塔板上的量劇增，使塔板間充滿氣液混合物，最終使整個塔內都充滿液體，這種由于液沫夾帶量過大引起的液泛稱為夾帶液泛。
10.1.4 板式塔的不正常操作現象
當降液管內液體不能順利向下流動時，管內液體必然積累，致使管內液位增高而越過溢流堰頂部，兩板間液體相連，塔板產生積液，并依次上升，最終導致塔內充滿液體，這種由于降液管內充滿液體而引起的液泛稱為降液管液泛。
液泛的形成與氣液兩相的流量相關。對一定的液體流量，氣速過大會形成液泛；反之，對一定的氣體流量，液量過大也可能發生液泛。液泛時的氣速稱為泛點氣速，正常操作氣速應控制在泛點氣速之下。
影響液泛的因素除氣液流量外，還與塔板的結構，特別是塔板間距等參數有關，設計中采用較大的板間距，可提高泛點氣速。
10.1.5 板效率的各種表示方法及其應用
（1）點效率
式中 ¡ª¡ª離開塔板上某點的氣相組成；
¡ª¡ª進入第n塊板的氣相組成；
¡ª¡ª與被考察點液相組成x成平衡的氣相組成。
為計算實際板數，必須知道離開同一塊實際塔板的兩相平均
組成的關系。點效率不能滿足此要求。
10.1.5 板效率的各種表示方法及其應用
（2）默弗里板效率
不僅考慮了塔板上兩相之間的接觸狀況，同時也計入了塔板上
氣液兩相的非理想流動，但未考慮塔板間的非理想流動，即液沫夾
帶和漏夜。 、 均小于1。
10.1.5 板效率的各種表示方法及其應用
（3）理論板數
考慮了液沫夾帶的影響即 。一般據修正平衡線的概念，
實驗經�？迹ㄔO各板 均相等為0.6，全回流求實際塔板數）。
10.1.5 板效率的各種表示方法及其應用
（4）全塔效率（設計時最常用）
式中 ¡ª¡ª理論板數；
¡ª¡ª實際板數。
10.1.6提高板效率的措施
10.1.6.1 結構參數
10.1.6.2操作參數和塔板的負荷性能圖
10.1.6.1 結構參數
影響塔板效率的結構參數很多，塔徑、板間距、堰高、堰長以及降液管尺寸等對板效率皆有影響，必須按某些經驗規則恰當地選擇。此外，有以下兩點得特別指出。
（1）合理選擇塔板的開孔率和孔徑造成適應于物系性質的氣液接觸狀態
塔板上存在著兩種氣液接觸狀態¡ª¡ª泡沫狀態和噴射狀態。不同的孔速下將出現不同的氣液接觸狀態，不同的物系適宜于不同的接觸狀態。
10.1.6.1 結構參數
已知，輕組分表面張力小于重組分的物系宜采用泡沫接觸狀態，輕組分表面張力大于重組分的物系宜采用噴射接觸狀態。這一點可解釋如下：
在泡沫接觸狀態，氣泡密集，板上液體呈液膜狀態而介于氣泡之間。在傳質過程中，液膜是否穩定左右著實際相界面的大小。如果液膜不穩定，則易被撕裂而發生氣泡的合并，相界面將減少。設有液膜如圖所示，其表面張力為 。若液膜的某一局部發生質量傳遞，該處膜厚減薄，輕組分濃度減小，重組分濃度增加，表面張力發生變化。
10.1.6.1 結構參數
顯然，對于重組分表面張力較小的物系，局部傳質處的表面張力 將小于 ，液體被拉向四周，導致液膜破裂氣泡合并。反之，對于重組分表面張力較大的物系，局部蒸發處的表面張力 將大于，可吸引周圍的液體，使液膜得以恢復，液膜比較穩定。
因此，重組分表面張力較大的物系，宜采用泡沫接觸狀態。若以 表示重組分的摩爾分數，這種物系的 ，故可稱為正系統。
10.1.6.1 結構參數
在噴射狀態中，液相被分散成液滴而形成界面。與泡沫接觸狀態中的液膜相反，此時，液滴的穩定性越差，液滴越容易分裂，相界面越大。如圖所示，由于局部質量傳遞，液滴表面的某個局部將出現缺口，此處重組分摩爾分數增加，表面張力發生變化。
對于正系統，缺口處的表面張力 大于 ，缺口得以彌合，液滴穩定不易分裂。對于重組分表面張力較小的物系，缺口處的表面張力小于，缺口將自動擴展加深，導致液滴分裂。
10.1.6.1 結構參數
因此，重組分表面張力較小的物系，宜采用噴射接觸狀態。同樣，若以 表示重組分的摩爾分數，這種物系的 ，故可稱為負系統。
總之，正系統的液滴或液膜的穩定性皆好，宜采用泡沫接觸狀態而不宜采用噴射接觸狀態；負系統的液滴或液膜穩定性差，宜采用噴射接觸狀態而不宜采用泡沫接觸狀態。
10.1.6.1 結構參數
（2）設置傾斜的進氣裝置，使全部或部分氣流斜向流入液層
在塔板上適當地設置傾斜進氣裝置，使全部或部分氣體沿傾斜于液體流動的方向進入液層，具有以下優點。
① 斜向進氣時，氣體將給液體以部分動量。這樣，液體將在該部分動量推動下沿塔板流動，而不必依靠液面落差。適當地分配斜向進入的氣量。即可維持一定的液層厚度，還可以消除液面落差，促使氣流的均布。
10.1.6.1 結構參數
②適當地安排斜向進氣裝置，即在塔板邊緣處適當增加斜向進氣裝置的數量，可使液體沿圓形塔板表面流動均勻。
③斜向進氣時造成的液滴具有傾斜的初速度，其垂直分量較小，因而液膜夾帶量有所下降。
總之，適量采用斜向進氣裝置，可減少氣液兩相在塔板上的非理想流動，提高塔板效率。實現斜向進氣的塔結構有多種形式。例如，舌形塔板、斜孔塔板、網孔塔板等使全部氣體傾向進入液層；而林德篩板則使部分氣體斜向進入液層。
10.1.6.2操作參數和塔板的負荷性能圖
（1）負荷性能圖
① 1為過量液沫夾帶線，通常以Kg液/Kg干空氣為依據確定，氣液負荷位于該線上方，表示液沫夾帶過量，已不宜采用；
②線2為漏液線，可根據漏液點氣速確定，若氣液負荷位于線2下方，表明漏液已使塔板效率大幅度下降；
③線3為溢流液泛線，可根據溢流液泛的產生條件確定，若氣液負荷位于3上方，塔內將出現溢流液泛；
10.1.6.2操作參數和塔板的負荷性能圖
④線4為液流量下限線，對平直堰，其位置可根據 6mm確定，對齒形堰有其他辦法確定，液量小于該下限，板上液體流動嚴重不均勻而導致板效率急劇下降；
⑤線5為液流量上限線，可根據 不小于3～5確定，若液量超過此上限，液體在降液管內停留時間過短，液流中的氣泡夾帶現象大量發生，以致出現溢流液泛。
上述各線所包圍的區域為塔板正常操作范圍。在此范圍內，氣液兩相流量的變化對板效率影響不大。塔板的設計點和操作點都必須位于上述范圍內，方能獲得合理的板效率。
10.1.6.2操作參數和塔板的負荷性能圖
（2）操作彈性
上、下限操作極限的氣體流量之比稱為塔板的操作彈性，操作彈性越大的塔越好。
（3）注意
① 板型不同，負荷性能圖中所包括的極限線也有所不同。
② 同一板型但設計不同，線的相對位置也會不同。例如板間距
減小，則氣速較小時也會產生液泛及液沫夾帶，線1和線3將下移，而線5將左移，塔的正常操作范圍減��；若降液管面積 減小，線1和線3將上移，線5左移可能與線1相交，而將液泛線3劃到正常操作范圍之外，這表明該塔在發生液泛之前，液體流量已經受到降液管的最大液相負荷所限制。
10.1.7 塔板型式
塔板可分為有降液管式塔板（也稱溢流式塔板或錯流式塔板）及無降液管式塔板（也稱穿流式塔板或逆流式塔板）兩類，在工業生產中，以有降液管式塔板應用最為廣泛，在此只討論有降液管式塔板。
1. 泡罩塔板
泡罩塔板是工業上應用最早的塔板，其結構如圖所示，它主要由升氣管及泡罩構成。泡罩安裝在升氣管的頂部，分圓形和條形兩種，以前者使用較廣。泡罩有f80、f100、f150mm三種尺寸，可根據塔徑的大小選擇。泡罩的下部周邊開有很多齒縫，齒縫一般為三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上為正三角形排列。
10.1.7 塔板型式
10.1.7 塔板型式
操作時，液體橫向流過塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液層，齒縫浸沒于液層之中而形成液封。升氣管的頂部應高于泡罩齒縫的上沿，以防止液體從中漏下。上升氣體通過齒縫進入液層時，被分散成許多細小的氣泡或流股，在板上形成鼓泡層，為氣液兩相的傳熱和傳質提供大量的界面。
泡罩塔板的優點是操作彈性較大，塔板不易堵塞；缺點是結構復雜、造價高，板上液層厚，塔板壓降大，生產能力及板效率較低。泡罩塔板已逐漸被篩板、浮閥塔板所取代，在新建塔設備中已很少采用。
10.1.7 塔板型式
2. 篩孔塔板
篩孔塔板簡稱篩板，其結構如圖所示。塔板上開有許多均勻的小孔，孔徑一般為3～8mm。篩孔在塔板上為正三角形排列。塔板上設置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液層。
操作時，氣體經篩孔分散成小股氣流，鼓泡通過液層，氣液間密切接觸而進行傳熱和傳質。在正常的操作條件下，通過篩孔上升的氣流，應能阻止液體經篩孔向下泄漏。
10.1.7 塔板型式
10.1.7 塔板型式
篩板的優點是結構簡單、造價低，板上液面落差小，氣體壓降低，生產能力大，傳質效率高。其缺點是篩孔易堵塞，不宜處理易結焦、粘度大的物料。
應予指出，篩板塔的設計和操作精度要求較高，過去工業上應用較為謹慎。近年來，由于設計和控制水平的不斷提高，可使篩板塔的操作非常精確，故應用日趨廣泛。
10.1.7 塔板型式
3. 浮閥塔板
浮閥塔板具有泡罩塔板和篩孔塔板的優點，應用廣泛。浮閥的類型很多，國內常用的有如圖片3-4所示的F1型、V-4型及T型等。
浮閥塔板的結構特點是在塔板上開有若干個閥孔，每個閥孔裝有一個可上下浮動的閥片，閥片本身連有幾個閥腿，插入閥孔后將閥腿底腳撥轉90°，以限制閥片升起的最大高度，并防止閥片被氣體吹走。閥片周邊沖出幾個略向下彎的定距片，當氣速很低時，由于定距片的作用，閥片與塔板呈點接觸而坐落在閥孔上，在一定程度上可防止閥片與板面的粘結。
10.1.7 塔板型式
10.1.7 塔板型式
操作時，由閥孔上升的氣流經閥片與塔板間隙沿水平方向進入液層，增加了氣液接觸時間，浮閥開度隨氣體負荷而變，在低氣量時，開度較小，氣體仍能以足夠的氣速通過縫隙，避免過多的漏液；在高氣量時，閥片自動浮起，開度增大，使氣速不致過大。
浮閥塔板的優點是結構簡單、造價低，生產能力大，操作彈性大，塔板效率較高。其缺點是處理易結焦、高粘度的物料時，閥片易與塔板粘結；在操作過程中有時會發生閥片脫落或卡死等現象，使塔板效率和操作彈性下降。
10.1.7 塔板型式
4. 噴射型塔板
上述幾種塔板，氣體是以鼓泡或泡沫狀態和液體接觸，當氣體垂直向上穿過液層時，使分散形成的液滴或泡沫具有一定向上的初速度。若氣速過高，會造成較為嚴重的液沫夾帶，使塔板效率下降，因而生產能力受到一定的限制。為克服這一缺點，近年來開發出噴射型塔板，大致有以下幾種類型。
（1）舌型塔板
舌型塔板的結構如圖所示，在塔板上沖出許多舌孔，方向朝塔板液體流出口一側張開。舌片與板面成一定的角度，有18°、20°、25°三種（一般為20°），舌片尺寸有50×50mm和25×25mm兩種。舌孔按正三角形排列，塔板的液體流出口一側不設溢流堰，只保留降液管，降液管截面積要比一般塔板設計得大些。
10.1.7 塔板型式
10.1.7 塔板型式
操作時，上升的氣流沿舌片噴出，其噴出速度可達20～30m/s。當液體流過每排舌孔時，即被噴出的氣流強烈擾動而形成液沫，被斜向噴射到液層上方，噴射的液流沖至降液管上方的塔壁后流入降液管中，流到下一層塔板。
舌型塔板的優點是：生產能力大，塔板壓降低，傳質效率較高；缺點是：操作彈性較小，氣體噴射作用易使降液管中的液體夾帶氣泡流到下層塔板，從而降低塔板效率。
10.1.7 塔板型式
（2）浮舌塔板
如圖所示，與舌型塔板相比，浮舌塔板的結構特點是其舌片可上下浮動。因此，浮舌塔板兼有浮閥塔板和固定舌型塔板的特點，具有處理能力大、壓降低、操作彈性大等優點，特別適宜于熱敏性物系的減壓分離過程。
10.1.7 塔板型式
10.1.7 塔板型式
（3）斜孔塔板
斜孔塔板的結構如圖所示。在板上開有斜孔，孔口向上與板面成一定角度。斜孔的開口方向與液流方向垂直，同一排孔的孔口方向一致，相鄰兩排開孔方向相反，使相鄰兩排孔的氣體向相反的方向噴出。這樣，氣流不會對噴，既可得到水平方向較大的氣速，又阻止了液沫夾帶，使板面上液層低而均勻，氣體和液體不斷分散和聚集，其表面不斷更新，氣液接觸良好，傳質效率提高。
斜孔塔板克服了篩孔塔板、浮閥塔板和舌型塔板的某些缺點。斜孔塔板的生產能力比浮閥塔板大30%左右，效率與之相當，且結構簡單，加工制造方便，是一種性能優良的塔板。
10.1.7 塔板型式
10.2 填料塔
10.2.1 填料塔的結構及其結構特性
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
10.2.3 填料塔的傳質
10.2.4 填料塔的附屬結構
10.2.5 填料塔與板式塔的比較
10.2.1 填料塔的結構及其結構特性
1. 填料塔的結構
10.2.1 填料塔的結構及其結構特性
氣體從塔底送入，經氣體分布裝置（小直徑塔一般不設氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質。填料塔屬于連續接觸式氣液傳質設備，兩相組成沿塔高連續變化，在正常操作狀態下，氣相為連續相，液相為分散相。
當液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現象稱為壁流。壁流效應造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質效率下降。因此，當填料層較高時，需要進行分段，中間設置再分布裝置。液體再
10.2.1 填料塔的結構及其結構特性
分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經液體收集器收集后，送到液體再分布器，經重新分布后噴淋到下層填料上。
填料塔具有生產能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優點。
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。
10.2.1 填料塔的結構及其結構特性
2. 填料特性的評價
（1）比表面積塔內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比表面積大小的基礎條件。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象。這種停滯的液體與氣體接觸時間長，氣液趨于平衡態，在塔內幾乎不構成有效傳質區。為此，須把比表面積與有效的傳質比表面積加以區分。但比表面積 仍不失為重要的參量。
10.2.1 填料塔的結構及其結構特性
（2）空隙率
塔內單位體積填料層具有的空隙體積，m2/m3。 為一分數。值大則氣體通過填料層的阻力小，故 值以高為宜。
對于亂堆填料，當塔徑與填料尺寸之比大于8時，因每個填料在塔內的方位是隨機的，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 就是填料層內任一橫截面的空隙截面分率。
當氣體以一定流量過填料層時，按塔橫截面積計的氣速 稱為¡°空塔氣速¡±（簡稱空速），而氣體在填料層孔隙內流動的真正氣速為 。二者關系為： 。
10.2.1 填料塔的結構及其結構特性
（3）塔內單位體積具有的填料個數根據計算出的塔徑與填料層高度，再根據所選填料的n值，即可確定塔內需要的填料數量。一般要求塔徑與填料尺寸之比 （此比值在8～15之間為宜），以便氣、液分布均勻。若 ，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 值過大，即填料尺寸偏小，氣流阻力增大。
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
填料塔的流體力學性能主要包括填料層的持液量、填料層的壓降、液泛、填料表面的潤濕及返混等。
1. 填料層的持液量
填料層的持液量是指在一定操作條件下，在單位體積填料層內所積存的液體體積，以(m3液體)/(m3填料)表示。持液量可分為靜持液量H s、動持液量H o和總持液量H t。靜持液量是指當填料被充分潤濕后，停止氣液兩相進料，并經排液至無滴液流出時存留于填料層中的液體量，其取決于填料和流體的特性，與氣液負荷無關。
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
動持液量是指填料塔停止氣液兩相進料時流出的液體量，它與填料、液體特性及氣液負荷有關�？偝忠毫渴侵冈谝欢ú僮鳁l件下存留于填料層中的液體總量。顯然，總持液量為靜持液量和動持液量之和，即
填料層的持液量可由實驗測出，也可由經驗公式計算。一般來說，適當的持液量對填料塔操作的穩定性和傳質是有益的，但持液量過大，將減少填料層的空隙和氣相流通截面，使壓降增大，處理能力下降。
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
2. 填料層的壓降
在逆流操作的填料塔中，從塔頂噴淋下來的液體，依靠重力在填料表面成膜狀向下流動，上升氣體與下降液膜的摩擦阻力形成了填料層的壓降。填料層壓降與液體噴淋量及氣速有關，在一定的氣速下，液體噴淋量越大，壓降越大；在一定的液體噴淋量下，氣速越大，壓降也越大。將不同液體噴淋量下的單位填料層的壓降DP/Z與空塔氣速u的關系標繪在對數坐標紙上，可得到如圖所示的曲線簇。
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
在圖中，直線0表示無液體噴淋（L=0）時，干填料△P/Z～u關系，稱為干填料壓降線。曲線1、2、3表示不同液體噴淋量下，填料層的△P/Z～u關系，稱為填料操作壓降線。
從圖中可看出，在一定的噴淋量下，壓降隨空塔氣速的變化曲線大致可分為三段：當氣速低于A點時，氣體流動對液膜的曳力很小，液體流動不受氣流的影響，填料表面上覆蓋的液膜厚度基本不變，因而填料層的持液量不變，該區域稱為恒持液量區。此時△P/Z～u為一直線，位于干填料壓降線的左側，且基本上與干填料壓降線平行。當氣速超過A點時，氣體對液膜的曳力較大，對液膜流動產生阻滯作用，使液膜增厚，填料層的持液量隨氣速的增加而增大，此現象稱為攔液。開始發生攔液現象時的空塔氣速稱為載點氣速，曲線上的轉折點A，稱為載點。
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
若氣速繼續增大，到達圖中B點時，由于液體不能順利向下流動，使填料層的持液量不斷增大，填料層內幾乎充滿液體。氣速增加很小便會引起壓降的劇增，此現象稱為液泛，開始發生液泛現象時的氣速稱為泛點氣速，以uF表示，曲線上的點B，稱為泛點。從載點到泛點的區域稱為載液區，泛點以上的區域稱為液泛區。
應予指出，在同樣的氣液負荷下，不同填料的△P/Z～u關系曲線有所差異，但其基本形狀相近。對于某些填料，載點與泛點并不明顯，故上述三個區域間無截然的界限。
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
3. 液泛
在泛點氣速下，持液量的增多使液相由分散相變為連續相，而氣相則由連續相變為分散相，此時氣體呈氣泡形式通過液層，氣流出現脈動，液體被大量帶出塔頂，塔的操作極不穩定，甚至會被破壞，此種情況稱為淹塔或液泛。影響液泛的因素很多，如填料的特性、流體的物性及操作的液氣比等。
填料特性的影響集中體現在填料因子上。填料因子F值越小，越不易發生液泛現象。
流體物性的影響體現在氣體密度rV、液體的密度rL和粘度mL上。氣體密度越小，液體的密度越大、粘度越小，則泛點氣速越大。
操作的液氣比愈大，則在一定氣速下液體噴淋量愈大，填料層的持液量增加而空隙率減小，故泛點氣速愈小。
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
4. 液體噴淋密度和填料表面的潤濕
填料塔中氣液兩相間的傳質主要是在填料表面流動的液膜上進行的。要形成液膜，填料表面必須被液體充分潤濕，而填料表面的潤濕狀況取決于塔內的液體噴淋密度及填料材質的表面潤濕性能。
液體噴淋密度是指單位塔截面積上，單位時間內噴淋的液體體積，以U表示，單位為m3/（m2¡¤h）。為保證填料層的充分潤濕，必須保證液體噴淋密度大于某一極限值，該極限值稱為最小噴淋密度，以Umin表示。
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
最小噴淋密度通常采用下式計算，即
式中 Umin ¡ª¡ª最小噴淋密度，m3/（m2¡¤h）；
(LW)min ¡ª¡ª最小潤濕速率，m3/（m¡¤h）；
a ¡ª¡ª填料的比表面積，m2/m3。
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經驗公式計算，也可采用經驗值。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(LW)min為0.08 m3/（m¡¤h）；對于直徑大于 75mm的散裝填料，取(LW)min =0.12 m3/（m¡¤h）。
填料表面潤濕性能與填料的材質有關，就常用的陶瓷、金屬、塑料三種材質而言，以陶瓷填料的潤濕性能最好，塑料填料的潤濕性能最差。
實際操作時采用的液體噴淋密度應大于最小噴淋密度。若噴淋密度過小，可采用增大回流比或采用液體再循環的方法加大液體流量，以保證填料表面的充分潤濕；也可采用減小塔徑予以補償；對于金屬、塑料材質的填料，可采用表面處理方法，改善其表面的潤濕性能。
10.2.2 氣液兩相在填料層內的流動
5．返混
在填料塔內，氣液兩相的逆流并不呈理想的活塞流狀態，而是存在著不同程度的返混。造成返混現象的原因很多，如：填料層內的氣液分布不均；氣體和液體在填料層內的溝流；液體噴淋密度過大時所造成的氣體局部向下運動；塔內氣液的湍流脈動使氣液微團停留時間不一致等。填料塔內流體的返混使得傳質平均推動力變小，傳質效率降低。因此，按理想的活塞流設計的填料層高度，因返混的影響需適當加高，以保證預期的分離效果。
10.2.3 填料塔的傳質
干填料比表面積為 ，實際操作中潤濕的填料比表面積為 ，由于只有在潤濕的填料表面才可能發生氣、液傳質，故
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 ¡ª¡ª液體表面張力，N/m；
¡ª¡ª填料上液體鋪展開的最大表面張力，N/m。要求 <
， 的值見表7-3。
¡ª¡ª液體空塔質量通率，kg/(s¡¤m2)；
， ¡ª¡ª液體的粘度，N¡¤s/m2和密度，kg/m3。
10.2.3 填料塔的傳質
10.2.3 填料塔的傳質
2.傳質系數
恩田（Onda）等關聯了大量液相和氣相傳質數據，分別提出液、氣兩相傳質系數的經驗關聯式如下：
（1）液相傳質系數
式中 ¡ª¡ª液相傳質系數，kmol/（m2 s kmol/m3）；
¡ª¡ª溶液在液相中的擴散系數，m2/s；
¡ª¡ª填料的名義尺寸，m。
10.2.3 填料塔的傳質
（2）氣相傳質系數
式中 ¡ª¡ª系數，大于15mm的環形和鞍形填料為5.23，小于
15mm的填料為2.0；
¡ª¡ª氣相傳質系數，kmol/（m2 s kPa）；
¡ª¡ª氣體常數，8.314KJ/（kmol K）；
¡ª¡ª氣體溫度，K；
¡ª¡ª溶質在氣體中的擴散系數，m2/s；
¡ª¡ª氣體粘度，；
¡ª¡ª氣體密度，kg/m3；
¡ª¡ª氣相的質量流速，kg/（m2 s）；
10.2.3 填料塔的傳質
恩田提出的關聯式（10-45）和式（10-46）是以式（10-44）計算的潤濕表面積為基準整理的。因此，將算出的 、 乘以式（10-44）算出的 即得體積傳質系數 和 ，從而可進一步計算傳質單元高度或填料塔高度。
填料塔的傳質速率也可以直接用體積傳質總系數、傳質單元高度和等板高度表示。關于這些表示方法的經驗關聯式很多，此處不再舉例。
10.2.4填料塔的附屬結構
支承板：支承板的主要用途是支承板內的填料，同時又能保證氣液兩相順利通過。支承板若設計不當，填料塔的液泛可能首先在支承板上發生。對于普通填料，支承板的自由截面積應不低于全塔面積的50%，并且要大于填料層的自由截面積，常用的支承板有柵板和各種具有升氣管結構的支承板（圖10-56）。
液體分布器 液體分布器對填料塔的性能影響極大。分布器設計不當，液體預分布不均，填料層內的有效潤濕面積減少而偏流現象和溝流現象增加，即使填料性能再好也很難得到滿意的分離效果。
10.2.4填料塔的附屬結構
據10.2.1所述，填料塔內產生向壁偏流是因為液體觸及塔壁之后，其流動不再具有隨機性而沿壁流下。既然如此，直徑越大的填料塔，塔壁所占的比例越小，向壁偏流現象應該越小才是。然而，長期以來填料塔確實由于偏流現象而無法放大�，F已基本搞清，除填料本身性能方面的原因外，液體初始分布不均，特別是單位塔截面上的噴淋點數太少，是產生上述狀況的重要因素。
近一、二十年來，許多直徑幾米至十幾米的大型填料塔的操作實踐表明，填料塔只要設計正確，保證液體預分布均勻，特別是保證單位塔截面的噴淋點數與小塔相同填料塔的放大效應并不顯著，大型塔和小型塔將具有一致的傳質效率。
10.2.4填料塔的附屬結構
常用的液體分布器結構如圖10-57所示。多孔管式分布器（圖10-57a）能適應較大的遺體流量波動，對安裝水平度要求不高，對氣體的阻力也很小。但是，由于管壁上的小孔容易堵塞，被分散的液體必須是潔凈的。
槽式分布器（圖10-57b）多用于直徑較大的填料塔。這種分布器不易堵塞，對氣體的阻力小，但對安裝水平要求較高，特別是當液體負荷較小時。
孔板型分布器（圖10-57c）對液體的分布情況與槽式分布器差不多，但對氣體阻力較大，只適用于氣體負荷不太大的場合。
10.2.4填料塔的附屬結構
除以上介紹的幾種分布器外，各種噴灑式分布器也是比較常用的（如蓮蓬頭），特別是在小型填料塔內。這種分布器的缺點是，當氣量較大時會產生較多的液沫夾帶。
液體再分布器 為改善向壁偏流效應造成的液體分布不均，可在填料層內部每隔一定高度設置一液體分布器。每段填料層的高度因填料種類而異，偏流效應越嚴重的填料，每段高度越小。通常，對于偏流現象嚴重的拉西環，每段高度約為塔徑的5~10倍。
常用的液體再分布器為截錐形。如考慮分段卸出填料，再分布器之上可另設之承板（圖10-58）。
10.2.4填料塔的附屬結構
除沫器種類很多，常見的有折板除沫器，絲網除沫器，旋流板除沫器。折板除沫器阻力較�。�50~100Pa），只能除去50的微小液滴，壓降不大于250Pa,但造價較高。旋流板除沫器壓降為300Pa以下，其造價比絲網除沫器便宜，除沫效果比折板好。
10.2.5 填料塔與板式塔的比較
對于許多逆流氣液接觸過程，填料塔和板式塔都是可以適用的，設計者必須根據具體情況進行選用。填料塔和板式塔有許多不同點，了解這些不同點對于合理選用塔設備是有幫助的。
填料塔操作范圍較小，特別是對于液體負荷變化更為敏感。當液體負荷較小時，填料表面不 能很好地潤濕，傳質就效果急劇下降；當液體負荷過大時，則容易產生液泛。設計良好的板式塔，則具有大得多的操作范圍。
10.2.5 填料塔與板式塔的比較
②填料塔不宜于處理易聚合或含有固體懸浮物的物料，而某些類型的板式塔（如大孔徑篩板、泡罩塔等）則可以有效地處理這種物質。另外，板式塔的清洗亦比填料塔方便。
③當氣液接觸過程中需要冷卻以移除反應熱或溶解熱時，填料塔因涉及液體均不問題而使結構復雜化。板式塔可方便地在塔板上安裝冷卻盤管。同理，當有側線出料時，填料塔也不如板式塔方便。
④以前亂堆填料塔直徑很少大于0.5m，后來又認為不宜超過1.5m，根據近10年來填料塔的發展狀況，這一限制似乎不再成立。板式塔直徑一般不小于0.6m。
10.2.5 填料塔與板式塔的比較
⑤關于板式塔的設計資料更容易得到而且更為可靠，因此板式塔的設計比較準確，安全系數可取得更小。
⑥當塔徑不很大時，填料塔因結構簡單而造價便宜
⑦對于易起泡物系，填料塔更適合，因填料對泡沫有限制和破碎的作用。
⑧對于腐蝕性物系，填料塔更適合，因可采用瓷質填料。
⑨對熱敏性物系宜采用填料塔，因為填料塔內的滯液量比板式塔少，物料在塔內⑦的停留時間短。
⑩塔的壓降比板式塔小，因而對真空操作更為適宜。