填料塔技術(shù)及其工業(yè)化應(yīng)用

羅 娟

新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆石河子 832000

填料塔技術(shù)及其工業(yè)化應(yīng)用

羅 娟

新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆石河子 832000

填料塔是一種重要的化工設(shè)備，也是化工工藝實(shí)驗(yàn)經(jīng)常使用的設(shè)備之一。本文簡(jiǎn)要探討了填料塔的作用機(jī)理和塔填料，并對(duì)填料塔的工業(yè)化應(yīng)用做了簡(jiǎn)要介紹。

填料塔；塔填料；工業(yè)化

0 引言

塔設(shè)備類(lèi)型較多，是化工、石油化工和煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。它可使氣液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的?？稍谒O(shè)備中完成常見(jiàn)的比如精餾、吸收、解吸和萃取等的單元操作。填料塔是塔設(shè)備的一種，塔內(nèi)填充適當(dāng)高度的填料，以增加兩種流體間的接觸表面。例如：應(yīng)用于氣體吸收時(shí)，液體由塔的上部通過(guò)分布器進(jìn)入，沿填料表面下降。氣體則由塔的下部通過(guò)填料孔隙逆流而上，與液體密切接觸而相互作用。結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，檢修較方便?？蓮V泛應(yīng)用于氣體吸收、蒸餾、萃取等操作。

1 填料塔的作用機(jī)理和特點(diǎn)

填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動(dòng)。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過(guò)填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。

當(dāng)液體沿填料層向下流動(dòng)時(shí)，有逐漸向塔壁集中的趨勢(shì)，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時(shí)，需要進(jìn)行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再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(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。

填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。填料塔也有一些不足之處，如填料造價(jià)高；當(dāng)液體負(fù)荷較小時(shí)不能有效地潤(rùn)濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對(duì)側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等。

2 塔填料及其種類(lèi)

填料泛指被填充于其他物體中的物料。在化學(xué)工程中，填料指裝于填充塔內(nèi)的惰性固體物料，例如鮑爾環(huán)和拉西環(huán)等，其作用是增大氣液的接觸面，使其相互強(qiáng)烈混合。在化工產(chǎn)品中，填料又稱填充劑，是指用以改善加工性能、制品力學(xué)性能并（或）降低成本的固體物料。

2.1 散堆填料

散堆填料是具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，以散堆方式置于塔內(nèi)。1914年拉西環(huán)填料的出現(xiàn)是填料塔的一個(gè)重大突破，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單是一種具有內(nèi)外表面的環(huán)狀實(shí)壁填料，有較大的表面積，但由于氣體通過(guò)能力低，阻力也大，液體到達(dá)環(huán)內(nèi)部比較困難，因而濕潤(rùn)不充分，傳質(zhì)效果差，故近年來(lái)逐漸被后來(lái)出現(xiàn)的其他填料所取代。第二代填料——鮑爾環(huán)是一種在環(huán)壁上開(kāi)孔、環(huán)內(nèi)帶有舌片的填料。此后又出現(xiàn)了改進(jìn)型鮑爾環(huán)、階梯環(huán)，特別是階梯環(huán)的高徑比為0.3，阻力小，通量大，性能優(yōu)良。1978年美國(guó)Norton公司推出的金屬環(huán)矩鞍填料集中了開(kāi)槽填料鮑爾環(huán)、鞍型填料、低高徑比填料階梯環(huán)三者的優(yōu)點(diǎn)，具有低壓降、高通量、液體分布性能好、傳質(zhì)效率高、操作彈性大等優(yōu)良性能，在現(xiàn)有的工業(yè)散堆填料中占有明顯的優(yōu)勢(shì)，被稱為第三代填料的標(biāo)志。除此之外，還有一種高效散堆填料，主要用于沸點(diǎn)非常接近的難分離物系，但其處理量非常小、價(jià)格昂貴，一般不在工業(yè)上應(yīng)用。

2.2 規(guī)整填料

規(guī)整填料是按一定的幾何構(gòu)形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類(lèi)很多，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。目前，規(guī)整填料種類(lèi)多、形狀不同、特性各異，理想的規(guī)整填料應(yīng)具備阻力壓降小、分離效率高、通量大、操作彈性大、適應(yīng)性強(qiáng)、放大效應(yīng)低等的特點(diǎn)。

3 填料塔的應(yīng)用

目前，蒸餾裝置的發(fā)展趨勢(shì)是現(xiàn)代填料塔逐步取代傳統(tǒng)填料塔，且部分取代大型板式塔。大型填料塔共有5大關(guān)鍵部件：高效填料、液體分布器、氣體分布器、進(jìn)氣初始分布器和支承結(jié)構(gòu)。填料塔的直徑增大以后，其效率就會(huì)下降，產(chǎn)生所謂的 “放大效應(yīng)”，填料塔大型化的難點(diǎn)在于如何解決好放大效應(yīng)問(wèn)題以及長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)的堵塞問(wèn)題。目前填料塔技術(shù)大型化存在的問(wèn)題包括大型化發(fā)展帶來(lái)的氣液分布、流體力學(xué)、傳質(zhì)、傳熱等工程問(wèn)題；長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)中的設(shè)備堵塞結(jié)焦問(wèn)題；圍繞大型和超大型塔器中新型填料、氣液分布器、支承梁的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用問(wèn)題。

填料塔隨著新型塔填料的相繼開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，填料塔的優(yōu)點(diǎn)更顯突出，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。在煉油、石油化工、精細(xì)化工、化肥、制藥和原子能工業(yè)部門(mén)，以及環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用已趨于成熟。填料塔尤其適用于真空蒸餾、常壓及中壓下的蒸餾，當(dāng)然還有大氣量的兩相接觸過(guò)程，但在高壓精餾塔中應(yīng)用時(shí)要特別謹(jǐn)慎。人們正在對(duì)高壓精餾填料塔進(jìn)行研究，企圖從填料塔的結(jié)構(gòu)和操作方法上予以解決，例如有人提出填料層分段乳化操作或采用超重力場(chǎng)分離等。近年來(lái)在突破高壓精餾塔應(yīng)用填料的局限性方面已取得了一些進(jìn)展，其關(guān)鍵是徹底弄清高壓對(duì)塔的處理能力和效率的影響，可利用淺床層和高性能塔構(gòu)件(如氣體分布器、液體分布器及再分布器)。也有人建議開(kāi)發(fā)適用于高壓蒸餾的組合式填料。

填料塔應(yīng)用的另一個(gè)新領(lǐng)域是空氣分離裝置。30年代以前的空分設(shè)備，主要是滿足焊接、切割用氧及化工用氮。由于現(xiàn)代鋼鐵、氮肥、化工及火箭等技術(shù)的發(fā)展，氧、氮及稀有氣體的用量迅速增加。國(guó)外一些大公司，均已開(kāi)始把填料塔應(yīng)用于空分方面的研究。空分裝置中規(guī)整填料的另一個(gè)用途是在粗氬塔中使用。過(guò)去的粗氬塔為篩板塔，無(wú)法得到氧含量小于2×10-6的純氬。改用填料塔，便可取消過(guò)去生產(chǎn)純氬產(chǎn)品時(shí)使用的下游工藝。

[1]孫東升.填料塔分離技術(shù)新進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2002(10).

[2]李群生，馬文濤，張澤廷.塔填料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].化工進(jìn)展，2005(6).

[3]趙汝文.填料塔氣液分布器優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律[J].化學(xué)工程，2006(7).

TQ053

A

1674-6708（2010）30-0192-02

羅娟，助教，工作單位：新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院輕工分院化工教研室，研究方向：化學(xué)工程與工藝

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