填料塔發展與現狀

王 闖 張客廳 劉孟杰 劉雪劍 劉明洋

(鄭州大學，河南 鄭州 450001)

在過程工業領域，由于塔設備具有大通量、低壓降、高效率的特點，它被廣泛應用于各種分離、提純、干燥、精餾等工藝操作中。它是整個過程系統中，影響系統效益，決定系統能耗和產品質量的關鍵設備之一[1]。塔設備主要有板式塔和填料塔兩類。填料塔的塔體為一圓筒，筒內放置一定高度填料。操作時，液體從塔體上部進入，通過液體分布器噴灑，在填料表面膜狀流動，對于填料高度較高的填料塔，還需要加入液體再分布器進行液體的再收集分布。與傳統的板式塔相比，填料塔具有生產能力大、分離效率高、壓降小、操作彈性大、持液量小等優點[2]。近年來，人們對填料塔的研究取得了很多實質性突破，尤其是新型高效塔填料和塔內件的開發，使得填料塔在化工企業得到了很好的應用。

1 塔填料

使用填料塔的關鍵就是要選擇合適的填料。氣液兩廂在填料表面接觸，填料提供兩相接觸的傳質表面，還促使液膜不斷更新，填料塔在工業上一般有以下標準[3]:(1)填料需要具有高孔隙率和比表面積;(2)填料的幾何結構能夠為兩相提供合適的通道，壓降低;(3)填料要具有良好的機械性能，結構簡單，制造安裝方便，投資少;(4)填料要考慮到系統的腐蝕性、成膜性，在強腐蝕，高溫高壓情況下能夠穩定的使用使用。

填料是填料塔的核心內件，它為氣液兩相接觸的傳熱傳質提供了表面，因此在設計塔時需要適當的選擇填料，填料一般分為散裝填料和規整填料。

1.1 散堆填料

散堆填料是在塔內以亂堆為主的填料，具有一定的外形結構，每種填料按照不同的結構和材質有不同的規格。散堆填料及其塔設備主要用在吸收、解吸、精餾、干燥和萃取等氣液或液-液接觸的傳質傳熱過程[4]。1914年拉西環填料是使用最早的人造填料，它是一段高度與直徑相等的短管，它的出現是填料塔的一個重大突破，有較大的表面積，結構簡單，制造容易，但由于堆積時相鄰環之間容易形成線接觸、填料層的均勻性差，故逐漸被后來出現的其他填料所取代。鮑爾環屬于第二代填料，是在拉西環的基礎上發展起來的，鮑爾環是一種在環壁上開孔、環內帶有舌片的填料。這種構造提高了環內的空間和表面積，使氣液流動阻力大大降低，不會出現拉西環中的偏流和溝流現象。后來相繼出現了矩鞍形填料、階梯環填料等填料。1978年美國Norton公司推出的金屬環矩鞍填料被開發出來，這種填料具有類似于開孔環形填料的圓環、環壁開孔和內伸的舌片，是薄的金屬板經過沖壓支撐，兩側還具有翻邊結構，為增加填料的強度和剛度。因為這種填料的這種綜合特殊的結構，從而流通量增加、氣液的阻力減小、分布更均勻從而提高了傳質性能。因此這種填料得到了廣泛的使用，尤其是在石化行業的減壓蒸餾中。

1.2 規整填料

規整填料具有成塊的規整結構，可在塔內逐層疊放。它是將金屬絲網或者多孔板壓制成波紋狀疊成圓筒形整塊放入塔內。由于規整填料按照均勻的幾何圖形規則整齊的堆砌，相當于認為的規定了填料層中氣液兩相的流動通道，從而減少了氣液兩相沿著壁面和填料之間形成的溝道流動的現象，大大降低了壓降。規整填料具有以下特點:孔隙率高、通量及操作彈性大、阻力壓降小、液體分布均勻、傳質效率高，可降低塔徑。本文對幾種重要的規整填料進行介紹。

板波紋填料的材質包括金屬、塑料和陶瓷等等。金屬板波紋填料除了結構規則之外，改用表面具有溝紋、小孔的金屬板波紋片。相鄰的兩波紋片間形成通道且流道呈90°交錯，對小型塔整盤放入，對大型塔則可以分塊裝填。

網波紋填料，材料一般用金屬，也有塑料與碳纖維制成。金屬絲網波紋填料由相互垂直的不銹鋼絲網波紋片組合成的規整填料。相鄰兩片的波紋方向垂直，因此在波紋片之間形成了一個三角形截面的通道，氣液兩相在流動過程中不斷地、有規則的轉向，獲得較好的很想混合。又因為上下兩層填料的板片方向交錯90°，氣液相經過絲網時相當于又進行一次氣液的均勻分布。因此，網波紋填料可以到達很高的分離效率，特別適用于難分離的物系和大型塔中的應用。但是這種填料缺點是造價很高，抗污差，難以清洗。

2 塔內件

填料塔操作要求液體沿同一塔截面均勻分布。為保證氣液更好的接觸以便發揮填料塔效率和生產力，塔內件的好壞直接影響填料性能的發揮和填料塔的效率。

2.1 液體分布裝置

液體分布裝置安裝于填料塔的上部，將也想均勻分布到填料表面，形成液體的初始分布。對于液相均勻分布的重要性，般對液體分布器的要求包括:自由面積大;分布均勻;有一定合適的操作彈性;結構簡單、價格低廉。常用的液體分布裝置有很多形式，一般有以下幾類分布器，管式液體、槽式、噴灑式和盤式分布器。本文主要對管式和槽式液體分布器進行介紹。

管式液體分布器可分為重力型和壓力型，均由進液口、液位管、液體分配管及布液管組成液體進入之后，經過布液管底部的打孔分布在填料層的上方，這種結構即使在風載荷的作用下也不會發生液體的濺出，擁有較高的液體分布質量，易于安裝，空間小。

槽式液體分布器是靠液體的重力來分布液體，由主槽和分槽組成。液體在主槽中通過底部的布液孔或側向的溢流孔進入到各分槽中，再由分槽均勻分布到填料表面。這種分布器主要用于散裝填料和較臟的物料的塔設備中。

隨著生產規模的大型化，塔設備的制造業出現大型化特點，對液體分布器的開發日益重要，液體分布器的大型化、節能化、抗污能力的提高、操作彈性的增加等都是今后研究的重點。

2.2 氣相初始分布器

氣體入塔分布裝置，對直徑小于3m塔并不重要，因為塔徑在較小的情況下氣體從塔一側進入，很容易分布均勻，無需設置氣體分布器即可滿足生產要求。但隨著大型填料塔的發展，其進氣初始分布器的研究、設計及應用越來越受到重視，尤其在填料高度較低、操作壓力較低的填料塔中，進氣初始分布器的作用較為重要。填料塔內氣體分布的研究尚處于起步階段，遠遠沒有液體分布的研究時間長，因此氣體分布研究不透徹，理論不完善。氣體流動性能遠較液體為大，氣相的橫向混合速率至少3倍于液相，在填料層內氣體流道的曲折性以及其形狀的多變性給研究增加了困難。故研究氣體分布器的性能，了解其中氣液運動的規律，探索其合理結構并在此基礎上開發性能優良的氣體分布器，對大型填料塔的合理設計和優質高產，具有重要意義。

3 結語

現在由于化工行業的飛速發展，企業生產規模日趨擴大，在大型化的進程中，填料塔以較為滿意的綜合性能在化工行業中被越來越多的使用，尤其是20世紀70年代，一些大通量、低壓降、高效率填料和塔內件的成功開發及應用使填料塔分離工程技術進入了一個嶄新階段，有取代板式塔的趨勢。從近年國內外相關報道來看，填料塔今后的發展有三個方面:一是不斷開發和應用更簡單、更高效的填料，即通過對塔填料結構的優化、加工方法的開發、表面特性改進和新材料的開發研究，使得流體在填料層的流動更加均勻，傳質效率更高、流動阻力更小;第二就是塔內件的發展方向，是研究開發與高效填料相匹配的低壓降氣液分布系統，設計最經濟的氣液負荷結構并在材質上改進或更新;第三是復合塔的研究開發，即不同種類的填料(包括各種類型的散裝填料和規整填料)組成填料復合塔，而由不同形式塔板所組成填料塔板復合塔這種新的方式將繼續被人們大量研究。

[1]張峰，金偉婭，方志明等.填料塔液泛性能的研究現狀與發展趨勢[J].輕工機械，2012，30(05):104-106.

[2]韓聯國，杜剛，杜軍峰.填料塔技術的現狀與發展趨勢[J].中氮肥.2009，06:32-37.

[3]劉真.填料吸收塔設計軟件的開發[D].大連:大連理工大學.2012.

[4]晏萊，周三平.現代填料塔技術發展現狀與展望[J].化工裝備技術.2007，28(03):29-35.

[5]李學斌，李放，陳新等.填料塔中的液體分布器[J].2006，3:44-50.

[6]趙靜妮.填料塔技術的現狀與發展趨勢[J].2002，2，(03):25-28.

[7]徐世民，張艷華，任艷軍.填料塔及液體分布器[J].2006，23(01):76-80.