石墨填料塔的结构特性及塔径计算

在化工、医药、石油化工、冶金、轻工、食品、纺织以及国防、电子、三废治理等国民经济众多领域，由于介质的强腐蚀性，要求制作设备的材料，既要能防腐蚀，又要有良好的传热性能。石墨材料就成为理想的设备结构材料，设备形式由原有的换热器、三合一合成炉，逐步发展到现在的填料塔、精馏塔、石墨搅拌釜、急冷塔等。

1 石墨填料塔的工作原理

填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流。

气液两相连续通过填料层的空隙，在填料表面上，通过密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器2部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。

2 石墨填料塔的结构特性

石墨填料塔由塔体、喷淋装置、填料及其支撑板、再分布器、进出口等部件组成。

该填料塔结构简单，利用上下金属盖板作连接法兰，用长螺栓上下将所有塔节紧固为一体，相邻两塔节用活套法兰连接，塔节间的密封形式为凹凸面，垫片材料采用四氟密封带。

塔的顶部装设的喷淋装置，主要分为管式、盘式、莲蓬式和槽式4种，以便液体分布均匀，充分湿润填料的表面，用以达到较高的传质效率。而塔中部设置的再分布装置，是为了避免顶部喷淋下来的液体向塔体内侧偏流，从而影响塔效率。

填料作为气液接触的主要构件，必须满足比表面积大、自由体积小、强度足够等要求，通常情况下采用石墨拉西环。填料支撑件大部分由浸渍石墨板加工成多孔板形式。

3 石墨填料塔液泛现象

液泛是塔内流体流动的一种现象。当气液两相在填料塔内作逆流流动，两相之间的相对速度超过某一限值后，气体压力降具上升，液体不能畅通的向下流动，填料顶部有液体积存，这时气体只能鼓泡通过液层，因雾沫夹带严重，甚至产生气液迸发现象，传质效果恶化，不能维持塔的正常生产。

控制进料量以及回流量，稳定塔釜加热蒸汽压力，维持塔釜液位于一定波动范围，做好塔顶、塔底压力检测记录等方法都是有效的预防石墨填料塔液泛的措施。

4 石墨填料塔塔径估算

石墨填料塔塔径估算已知条件见表1。

采用埃克特（Eckert）通用关联图计算泛点气速。

气相质量流量为WV=4 122 kg/h

液相质量流量为WL=24 676 kg/h

Eckert通用关联图的横坐标为

通过查Eckert关联图得

查填料表得：φF=252（φ50陶瓷阶梯环填料）；μL≈0.76cp=0.000 76 Pa·s

g=9.81 m/s2

则泛点气速为：

空塔气速：取u=0.85uF=0.941 m/s

由

≈1.1（m）

圆整塔径，取D=1.1 m（按泛点气速校核及实际工程经验规整取值）。泛点速率校核：

填料规格校核

液体喷淋密度校核：

取小湿润率：（LW）min=0.08 m3/m2·h

查相关数据手册得：

α1=124 m2/m3

Umin=α1·（LW）min=124×0.08=9.92（m3/m2·h）

式中：α1—填料比表面积。

经上述校核可知，填料塔直径选用D=1 100 mm。

5 结论

（1）本文简单的介绍石墨填料塔的一些基本原理以及初步的塔径估算，在实际的设备选型计算中还需要综合考虑塔体的压力降、填料层高度、填料规格、设备强度等因素。

（2）石墨填料塔通过几年的实际运行，对盐酸、硫酸等腐蚀性介质的吸收、解析、浓缩等单元操作具有可操作性。

（3）石墨填料塔结构简单，制造方便，适应性强，对于处理粘性、热敏性小的腐蚀性物料或传质速率由气相控制的物料，应用广泛。