現代化學工業中填料塔技術的應用

姜 波 陳 杰

（浙江省天正設計工程有限公司，浙江 杭州 310012）

0 前言

塔設備早已廣泛用于蒸餾、吸收、解吸、萃取、洗滌、冷卻等各種過程。塔設備根據結構不同可分為板式塔和填料塔兩大類。填料塔可細分為規整填料塔和散堆填料塔。有時也采用混合型填料塔，即在同一座填料塔中，有散堆填料層，也有規整填料層。易產生聚合物處采用散堆填料層，便于清理維修。物料干凈、要求高效率時往往選擇規整填料層。普通板式塔屬于逐級接觸逆流操作，氣相為分散相，液相為連續相。其傳質是通過上升氣流穿過塔板，與塔板上液體接觸來實現。一般填料塔屬于連續接觸逆流操作，填料充滿塔內有效空間，氣相為連續相，液相為分散相。液體沿填料表面流下，與上升氣體接觸，在填料表面實現傳質。

由于板式塔和填料塔的傳質機理不同，故二者的性能有較大的差別。塔性能比較，最主要的是考慮效率、通量和壓降3個因素。塔板的開孔率一般為塔截面積的8％～15％，設計時要考慮塔板有效面積和降液管面積的權衡。填料塔的開孔面積大于50％塔截面積，空隙率都在90％以上，其液泛點都較高，故填料塔的生產能力較大。通常塔板的等板高度都大于500mm，即每米理論板數不超過2塊，而工業填料塔的當量理論板數可達10塊以上，因而填料塔效率較高。一般情況下，塔的每塊理論板壓降，塔式板為0.4～1.07kPa，散堆填料為0.13～0.27kPa，規整填料為0.0013～0.107kPa。壓降小有利于節能。

1 塔型的選擇

在塔設備設計時，首先遇到塔型選擇的問題。選擇填料塔的一般原則為：

（1）易起泡沫的物系，以選用填料塔為宜，填料能使泡沫破裂。而板式塔上泡沫易引起塔的液泛。

（2）熱敏性物料的分離，盡可能降低塔釜溫度，避免由于過熱而導致的物料聚集或分解。目前這個物系已普遍采用高效、低壓降的規整填料。其壓降小、持液量低。

（3）對難分離物系，采用熱泵技術可節能80％以上，宜采用填料塔。難分離物系的塔頂、塔底溫度較接近，采用低壓降填料，會有更好的節能效果。

（4）現有塔器的增產、節能、降耗，一般可采用高效填料改造原有塔板，達到與其目標。

（5）廠房高度受限場合或精密分離需要很多理論分離級時，應優先考慮采用高效填料塔。

（6）對腐蝕性介質，宜采用填料塔，因為填料容易實現用各種防腐材料來制作。

（7）粘度較大的物系，選用水力直徑較大的填料，而板式塔的傳質效率較差。

（8）含固體顆?；蛭蹪岬奈锪?，不宜采用填料塔，因為容易將填料通道堵塞。

（9）在塔內易產生聚合物，經常需要清洗的塔，以選用板式塔為宜，填料塔易堵，且填料表面的聚合物積聚清理困難。

（10）新建項目，一般板式塔造價低于填料塔。只有在高壓操作情況下，采用大通量填料，可減小塔徑，從而使塔壁厚減小。權衡投資比較，填料塔的造價有可能低于板式塔。

（11）一般而言，板式塔的操作彈性要大于填料塔。規整填料自身的操作彈性較大，但其彈性受制于液體分布器的操作彈性。要求填料塔操作彈性大，分布器則要做特殊設計。

（12）具有多側線進料或出料的塔器，板式塔較易實現。填料塔則在每個側線口必須分段，各填料層之間，都應設置液體收集和再分布裝置。

工業生產中塔型的比較和選擇是較為復雜的問題，它直接影響分離任務的完成、設備投資以及操作費用。設計時需要對板式塔和填料塔的性能有個全面的認識。表1列出了塔型選擇參考表［1］，由于選型的影響因素很多，故此表僅供參考。

表1 塔型選擇參考表

2 填料的選取

填料塔為了實現高效的的傳質過程，要求氣、液兩相流體在塔內任意截面上都能均勻分布。而其中填料的選取是否恰當，直接影響著塔的傳質分離性能。

2.1 散堆填料

散堆填料是具有不同形狀的幾何體，在填料塔內以散堆形式堆積。散堆填料主要用在精餾、萃取、干燥、吸收、解吸等液/液或氣/液接觸的傳質、傳熱過程。近年來發展的一些新型高效散裝填料，成功應用于空氣分離裝置，煙氣脫硫等新興領域。最新科研成果發現，在液/液萃取、液氣比較大的高壓精餾及吸收條件下，散堆填料的應用性能較優于塔盤及規整填料?；诖?，散裝填料在石油化工、焦化及合成氨的氣體凈化處理等領域，得到了較廣的應用。散裝填料也應用于硫化干燥、反應蒸餾及超重力分離等多個領域。

2.1.1 MPAC填料

MPAC填料最先由美國著名的Lantc公司發明，MPAC填料同時具有環、扁、鞍的構造。因此可以將該填料視為多個Intalox填料組合構成，MPAC填料采用多皺壁面、多層筋片、消滅填料床內死區及單元嵌套等技術，該填料也具備了規整填料的某些性能。

該填料與一般填料相比，通量可提高10％～30％；單元傳質高度下降5％～35％；壓降可降低5％～15％；同時具有比表面積大、空隙率高、自分布性能優良、氣液湍動能力強、安裝、維修方便等特點。

2.1.2 階梯短環填料

階梯短環填料（C.M.R）是美國著名的Glitsch公司開發及推廣的一種散堆填料。該填料由普通階梯環演變而來，但與之相比，C.M.R高/徑比由0.5減到了0.3。填料幾何尺寸的改變，帶來了性能的明顯提升，顯著領先于傳統的篩板塔與鮑爾環。與拉西環相比，C.M.R壓降比拉西環減小70％。傳質系數提高了50％。

2.1.3 超級扁環填料［2］

內彎弧形扁環填料（QH－1型扁環填料［3］）是有我國清華大學開發成功的。其結構特點如下：（a）與常規的填料相比，該填料采用內彎弧形筋片形式的特異結構，該構造使得填料內部流徑更加合理，增強了填料剛度，且提高了內部流體傳質、傳熱效率；（b）填料高徑比0.2～0.3，使得填料在亂堆時堆放有序，降低流阻，提高傳質系數，增強處理能力。該填料處理液/液萃取過程，性能較鮑爾環、Intalox等填料顯著提高，傳質效率提升近20％以上。

在QH－1型扁環填料基礎上，清華大學進一步發展出QH－2型扁環填料，其型性能更優異。參照傳統鮑爾環，QH－2型填料處理能力提升15％～35％，傳質系數提高15％～25％。

2.1.4 雙鞍環填料

此填料由國內北京化工大學開發成功，與環矩鞍相比，該填料處理能力提升10％，壓力降下降10％～20％，分離性能升高約15％，特別是傳質單元的壓力降僅為原來的60％。這些性能對于對熱敏感產品的分鎦和真空精鎦都有很強的應用價值。

除上述幾種散裝填料外，近年來，國內還購買、研發了多種高性能的填料，例如金屬階梯環、改進型金屬鮑爾環（Hy－PAK）、金屬矩鞍環（M.T.P）、共軛環、塑料鞍矩環等，這類填料都有著特異性的結構及性能。在不同的分離要求操作工況得到應用。

2.2 規整填料

規整填料的發展主要在20世紀60年代以后，著名的規整填料有Sulzer公司的Mellapak填料，原美國Glitsch公司的Gempak等。國內天津大學的雙波板波紋填料［4］；思瑞迪精餾公司的導向板波紋填料［5］也都是對規整填料發展具有重大貢獻的產品。

2.2.1 單向斜波填料

填料構造特點為：單向波紋、傾斜流道、斜交錯排布，旋轉90°安裝。填料特性：阻力小、處理量大、分離效率高。250Y的單向斜波填料，1 m填料相當于2～3塊理論板，壓力降為0.1～0.3kPa。

該類填料國外的有：Mellapak，Flexipac，Gempak，Montzpak，Ralupak。

該類填料國內也在發展，例如我國的天大天久的JKB系列波紋填料、上海化工研究院的SM系列波紋填料、南京大學的SP系列波紋填料等。

2.2.2 雙向斜波填料

填料構造特點為：雙向波紋、傾斜流道、斜交錯排布、旋轉90°安裝。填料特性：相比對應的單向斜波填料，達到相同分離要求的條件下，流道增加≥20％，壓降減小≥30％。

該類填料國外的有：Intalox Structured Packing，Rasching Super－pak。

該類填料國內也在發展，例如Dapak，Zupak［6］等。

2.2.3 單向曲波填料

填料構造特點為：單向波紋、彎曲流道、斜交錯排布、旋轉90°安裝。填料特性：相比對應的單向斜波填料，在分離效率稍許降低時，填料處理的通量能夠增加20％～30％。

該類填料國外的有：Mellapakplus，Flexipac HC，Montzpak type M等。

2.2.4 雙向曲波填料

該填料構造特點為：雙向波紋、彎曲流道、斜交錯排布、旋轉90°安裝。填料特性：

相比對應的單向斜波填料，在分離效率稍許降低時，填料處理的通量能夠增加20％～30％。

該填料又稱為Zhaopak［7］。與目前其他產品對比，填料達到世界先進水平，是具重要價值的的規整填料之一。

2.3 散堆/規整填料選擇依據

H.Z.Kister等［8］在大量工業數據和試驗基礎上，對散堆填料和規整填料作了評估，評估以流動參數FP為基準，比較了流動參數在不同范圍時的情況。流動參數用式（2-1）表示：

式中L，G分別為塔內液相和氣相流率，kg/h；PG，PL分別為塔內液相和氣相密度，kg/m3。

流動參數的物理意義是液相與氣相動能之比的根號，常被用來做液量或壓力影響的參數。當FP＜0.03時，處于真空或低液量操作；當FP＞0.3時，是處于高壓或高液量操作。

Kister等人［8］對散堆填料和規整填料的比較均在最佳設計條件下進行實測，被比較的散堆填料的公稱尺寸為50mm和65mm，規整填料的比表面積是200m2/g。對分離效率和處理能力的比較結果歸納如表2：

表2 塔不同類型填料塔性能評估

當FP為0.02～0.1時：

（1）散堆填料同塔板具有基本相同的分離效率和處理能力。

（2）規整填料分離效率高于散堆填料約50％。

（3）當FP從0.02到0.1增長時，規整填料與散堆填料比，處理能力的優越性從高出30％～40％降到相同水平。

當FP從0.1～0.3時：

（1）規整填料的處理能力和散堆填料相同。

（2）當FP從0.1到0.3增長時，規整填料與散堆填料相比，分離效率從高出50％下降到高出20％。當FP從0.3～0.5時：

（1）散堆填料和規整填料的分離效率及處理能力均隨FP的增加而降低。

（2）規整填料的處理能力和分離效率下降速度最快，而散堆填料則最緩慢。

（3）當FP為0.5及壓力為絕壓2.76MPa時，散堆填料的分離效率和處理能力最高，而規整填料最低。

利用FP作為不同填料的選擇依據，可以作為設計工作中的一種重要參考方法。但工業生產中對于填料選型的影響因素很多，需聯系實際，結合各種因素綜合考慮。

3 液體分布器的選擇

液體分布器是保證液體在塔頂初始分布均勻的重要裝置。沒有好的液體分布器，再好的填料也不能發揮其性能，初始液體分布不均，等同于損失了一段填料層高度。

除了傳統的管式、盤式液體分布器，近年來發展了幾種新型的液體分布器。

3.1 多級槽式液體分布器

該液體分布器廣泛應用于大尺寸填料塔，結構常選用帶垂直液體分布板形式，根據其支承類型可概括成三類形式［9］：（1）壓圈托槽式；（2）懸槽式；（3）埋藏梁托槽式。國內外當前使用較多的是懸槽式液體分布器，歸因于填料堆積的變化不影響該液體分布器出液孔的水平度。

3.2 槽盤式液體分布器

該液體分布器是天大多年研究的成果。分布器結構組件分為5部分：改良的液體管、長方形氣體管、V型液體擋板、蓋板及連接組件等。該液體分布器目前發展出3種組成結構［10］：（1）全可拆型；（2）局部可拆型；（3）不可拆型。

該液體分布器優點在于在分布器內部增設了自動清污功能，對于易堵物料的處理能力加強。與普通槽式或盤式液體分布器相比，該分布器性能更加優異：抗堵塞能力強、液沫夾帶少、氣液分布均勻。

3.3 托盤式液體分布器

該液體分布器基于槽盤式發展而來，分布器尺寸小于塔內徑，每個分布器的規格參數均需由液體噴淋分布點的需要決定。在槽盤式液體分布器的收集槽上方增設了一個梅花型擋圈，用來匯集壁流流體。使塔內貼近塔壁的環形區域不僅可以通氣，又可以排布液體噴淋分布點的大通道。由此既提高了塔的分離效率，又增加了塔的允許通量。

4 氣體初始分布器的選取

隨著填料塔變得越來越大，傳統的簡單氣體初始分布器已經不能滿足現實需要。尤其在低/常/減壓操作的大型填料塔，氣體初始分布器對于氣液均勻接觸的作用尤為重要。

填料塔內氣體分布的研究目前處于比較初級的階段，對于其分布機理還未有透徹研究。故進一步深入探討填料塔內氣液接觸規律、建立氣體分布器流場模型，進而開發性能優異的氣體初始分布器，對于增進填料塔的整體性能的提升，都是極具可研及經濟價值的。

5 結束語

填料塔今后的發展方向有兩個，一個方面是繼續研究、開發結構簡單、性能優異的填料，即走理想塔填料的路子。理想塔填料的概念就是需要填料滿足傳質高效、通量大、阻力小和成本低的要求。另一個方面就是發展塔內件，像上述的液體分布/再分布器、氣體分布器，這亦是填料塔水平提升的核心技術之一。只有了解了填料塔的這類技術差異及發展，才能作出合理選擇，作用于實際工業化成果中，才能設計制造出工藝先進、價格低廉的填料塔系統。這也是化工設計院需要吸收、掌握的必要技術之一。

［1］王樹楹.現代填料塔技術指南［M］.北京：中國石化出版社，1998.

［2］張澤廷，王樹楹，余國琮.填料塔液相混合的研究（II）二維擴散模型［J］.化工學報.1988（3）：292-298.

［3］孫蘭義，費維揚，郭慶豐.QH－1型扁環填料用于高液氣比操作時的性能研究［J］.化學工程，2001，29（2）：7-12.

［4］徐世民，張艷華，任艷軍.塔填料及液體分布器［J］.化學工業與工程，2006，23（1）：75-80.

［5］褚雅志，朱炳根.導向板波紋填料：CN，ZL02258427.7［P］.2003-10-8.

［6］周偉，梁泰安，于長江，等.組片式波紋填料：CN，95217757.9［P］.1996-16-29.

［7］趙汝文，金浩禹，王立，等.彎曲導流波紋填料：CN，00250247.X［P］.2001-09-12.

［8］Kister H Z，Larson K F，Yanagi T.How do trays and packings stack up［J］.Chem Eng Progr，1994，90（2）：23-32.

［9］張敏華，呂惠生，李海平，等.高分布性液體分布器：CN，2625021［P］.2003-06-04.

［10］陳大昌，魏建華，劉乃鴻，等.塔填料的工業應用及評價［J］.化學工程，1995，23（3）：15-23.