散裝填料的發展歷程及傳質影響因素的分析

呂江平，王曉萍，金龍

（1.蘭州石化職業技術學院應用化學工程系，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州石化研究院應用分析所，甘肅 蘭州 730060)

填料塔具有結構簡單，安裝方便，壓降小，處理能力大，耐腐蝕性好等優點，已在石油化工行業廣泛應用，并有取代板式塔的趨勢。填料是填料塔的核心元件，能夠提供氣、液兩相接觸的場所，氣、液兩相傳質效果的好壞與填料的性能有著密切的關系。塔填料自誕生以來發展迅速，特別是20世紀60 年代，隨著理論的進步，塔填料朝著散裝化和規整化兩個方向并行發展[1]，先后出現了各種新型高效的塔填料，并且各具優勢。但是，近些年來，無論是散裝填料還是規整填料，都出現了停滯不前的狀況。

本文根據散裝塔填料的發展歷程，結合專業知識，經過歸納分析指出，散裝填料應朝著：改善填料床層均勻性，加速液體表面更新頻率，改進填料對液體的鋪展能力等方向發展。而選材合適的球形填料能夠滿足以上各項要求，是比較理想的散裝填料。因此，本文認為，球形填料將成為散裝填料的代表。

1 填料的發展歷程

散裝塔填料是一些具有一定幾何形狀、規格尺寸的顆粒體,它們以隨機方式堆積在塔內，能夠完成一定的傳質分離任務。

1.1 散裝填料的分類

散裝填料的分類方法有多種，根據幾何形狀和結構來劃分，有以下幾種不同的種類（見表1）。

表1 散裝填料幾何形狀分類[1]

1.2 散裝填料的發展歷程

散裝塔填料的發展大致經歷了三個階段[2]：

1.2.1 初始階段

這個階段的填料為焦炭、卵石、瓦礫、鐵屑等物體，內部完全封閉，填料本身占據了設備的大部分傳質空間，氣、液相接觸面積小，傳質效率低。

1.2.2 發展階段

1914 年誕生的拉西環、1931 年出現的弧鞍填料，在保證填料外表面積的基礎上，開始利用填料的內表面，氣、液接觸面積明顯增加，傳質效率大大改善，標志著填料的發展進入了科學的軌道。

1.2.3 成熟階段

拉西環隨機堆放時，會使兩個或幾個填料個體平行排列，呈線性接觸，在這些接觸部位，會形成液囊，液體和氣體有效接觸面積減小；如果幾個拉西環并排橫置，不但外表面相互重疊，存在液囊，氣、液接觸面積減小，而且接觸部位的液體及拉西環內部的流體幾乎處于停滯狀態，物質傳遞主要以分子擴散的方式進行，傳遞速率很低。

通過在拉西環側壁錯列開窗，將舌葉內彎，相互搭接而形成“鮑爾環”，可使填料內表面氣、液充分接觸，幾乎消除了流體的滯留狀況；而且填料間線性接觸長度變短，氣體通過填料床層的阻力減小，氣體通量增大，傳質效率提高。可以說，1948 年鮑爾環問世，對于塔填料的發展具有舉足輕重的作用[2]。

為了消除線性接觸，將鮑爾環一端擴大作成刺叭口，填料個體之間即呈點接觸，同時，液體自上向下流動的過程中，在交接點處匯聚—分散—匯聚……，既增加了氣、液有效接觸面積，又提高了氣、液湍流程度和表面更新頻率，傳質效率顯著提高；再將高徑比由1.0 縮至0.5，便得到“階梯環”散裝填料。由于高徑比縮小，填料重心下移，隨機堆放時，填料縱向取向幾率增大，可使填料層填充密度均勻，氣體分布合理，處理量增加，有利于傳質。階梯環是目前使用的環形填料中性能最為良好的一種[3]。

這一階段出現的鞍形填料，表面不分內外，氣、液體流道呈弧形，有利于液體均勻分布在填料表面，而且能夠使液體潤濕面積達到最大，但是由于填料一側封閉，因而氣體通量較小。在此填料弧背上開2 個細條，彎成弧形并拉出2 根筋，內彎成爪形，則形成環鞍形填料[4]，它既有弧形通道，有利于液體均勻分布，又有環形截面及側窗，強度高，阻力小，氣體通量大。

環鞍形填料是鞍形和環形填料的結合體，兼備二者的優點，是比較理想的散堆填料。

之后雖然又出現了一些新型的填料，如格型環、階梯短環、高流環、諾派克環、扁環、共軛環、彈簧絲、萊佛厄派克環、刺孔環等[1]，但改進都不大。到目前為止，幾乎所有的散裝填料都是從拉西環和弧鞍這兩個雛形演變而來的[2]。

1.3 理想散裝填料的特點

由散裝填料發展歷程可以看出，理想的散裝填料具備以下特點：①氣、液接觸表面積大；②填料對液體的鋪展性能好；③填料幾何形狀好，結構開放，床層壓降小，氣體通量大，流體停滯不動的可能性小；④填料間為點接觸有助于液體湍動及表面更新。

這些可以看作是氣液傳質的內因，要使傳質快速穩定地進行還需具備一定的外界條件。

2 散裝填料傳質的影響因素

2.1 氣液傳質效率與有效接觸面積有關

氣體只有在流過液膜間隙的過程中，氣液之間才能進行有效的傳質和傳熱。如果液體處于停滯狀況，即使有氣體掠過液體表面，由于氣液湍動程度小，主要依靠分子擴散方式傳質，速率很小，因此，只有流動的液膜與氣體接觸才能進行有效的傳質，并且有效接觸面積越大，傳質效果越好。一般情況下，有效接觸面積＜潤濕面積＜干填料表面積。

要增大氣、液相間的有效接觸面積，需滿足以下條件：

（1）填料本身比表面積大 對于同種類型的填料來說，填料個體尺寸越小，干填料的比表面積越大。

（2）填料對液體的鋪展能力強 單位體積填料層內，填料對液體的鋪展能力強，氣、液相間的有效接觸面積便可接近于干填料的比表面積。

填料的表面能高有助于液體潤濕，為了使液體能在所流經的填料表面充分鋪展，填料的表面能需足夠大，通常要求填料表面的臨界表面張力大于液體的表面張力[1]。采取如下幾種措施可增大填料的表面能[1]：a 表面粗糙化：用噴砂、磨砂及溶劑浸泡等方法，使填料的表面形成溝槽或花紋，減小接觸角，從而提高表面能；b 化學處理法：利用化學反應使填料表面形成中性親水層，以增大液體對填料的潤濕，或在填料表面發生氧化作用，生成含氧極性基團附著在填料表面，增大表面能；還有等離子處理法，輻射法，噴涂處理法等處理方法。

另外，填料對液體的鋪展能力強，一方面可減小液體噴淋量，降低再生裝置負荷，節約生產成本。另一方面可減小液膜厚度，增大氣體自由流通截面積，能夠提高處理能力。液膜薄，填料與液體的作用力大，即使氣速較大，也不會將液體吹離填料表面，能夠減小液體集聚形成“溝流”的可能性，塔內氣液兩相流徑穩定，有利于平穩操作，提高操作彈性。

2.2 氣液傳質效率與床層氣液分布均勻性有關

填料床層填充不均勻是大型填料塔傳質性能下降，即產生放大效應的主要原因。反之，床層橫截面上氣、液分布均勻，能夠減小塔橫截面上的濃度梯度，減小徑向返混，有利于提高傳質效率。

散裝填料隨機堆積排列，從少量填料來看，顯得雜亂無章。但如果考察的數量足夠大，如對于一定高度的填料層，則不論是床層的壓強降，還是液體分布的均勻度都會呈現出一定的規律性。這正如分子熱運動，單個來看毫無規則，但考察某個分子集團，則存在各向同性，能量均分的特點。因此，出現散裝填料床層氣液分布不均的現象，作者認為主要是由于填料數量不足造成的。只要數目足夠大，氣液分布均勻度便可得到改善，可基本消除“壁流”、“溝流”等不正常現象。目前已公認“為了減小壁流、溝流現象，應使塔徑與填料個體當量直徑之比大于8～10，對于幾何形狀差的拉西環填料，此值為20[3]。陳敏恒等[5]學者認為，工業上大型填料塔以取D/d＞30 為宜。

填料數目受到塔高、塔徑和填料自身規格尺寸的限制。在塔高、塔徑確定的情況下，縮小填料高徑比是改進填料尺寸的一項有力措施[2]。研究表明，適當降低亂堆填料的長徑比，使其按一定規律排列（規整化），可提高傳質效率[6]。階梯環由高徑比為1 的鮑爾環降到0.5，性能有了明顯提高[3]。20 世紀80 年代中期，美國Glitsch 公司對階梯環作了改進，將高徑比下調至0.3，稱為CMR 填料，此項改進使填料層的堆積密度更加均勻，更有利于液體均勻分布，傳質效率提高，阻力減小[2]。有文章報道[7]，CMR 填料壓降約為拉西環的30%，傳質系數比拉西環提高大約50%。有人進一步對不同高徑比的環形填料進行對比研究，得出結論：高徑比越小，傳質效率越高[8]。

由此可見，縮小填料尺寸有利于床層堆積均勻，提高傳質效率。但同時會帶來阻力增加的后果，因此所用填料個體通透性應足夠大。

3 討論

綜上所述，改善填料的表面性能，提高其對液體潤濕能力，減小填料尺寸以改善填料床層的堆積均勻性，改進填料個體之間接觸點的數目，加快液體表面更新頻率，是散裝填料發展的方向。這主要由填料的幾何結構所決定。

由于自身結構限制，流經環形填料的液體自分布能力較差，鞍形填料的氣體通量較小，環鞍結合，綜合兩者的優勢，開發新式填料，成為近年來填料研究的一個出發點。

成功的范例有：金屬環矩鞍、納特環等環鞍形填料。環鞍形填料雖然具有液體分布均勻，氣體通量大的優點，但由于環鞍形填料容易產生架橋、空穴，導致床層填充密度不均，影響了填料塔傳質的整體效果。

球形填料各個方向尺寸相等，不會產生架橋、空穴等現象。相對而言，數量不多的球形填料便可使床層填充均勻；另外，球形填料個體之間為嚴格的點接觸，接觸點不僅多而且分布均勻，通過增加填料個體間接觸點的數量，能夠加大液體匯集-分散的次數，減小液體停滯現象，使得流動的液膜發生突變性混合，加速液體表面更新。

與鞍形填料類似，氣液兩相在球形填料內的流道為弧形，有利于液體均勻分布，提高液體鋪展能力；球體內部采取措施可使流道方向一致，既能減小阻力，又能保證流向穩定，從而具有一定的“規整性”。整體來看，氣體自下向上運動，曲折上升，不會走水平路徑，而且空隙孔徑逐漸擴大或縮小，與脈沖填料類似，既能減小阻力損失，又能使流速發生變化，有利于提高流體湍動程度，減小液膜厚度，提高傳質效果。

4 結語

散裝塔填料具有易于加工，制作費用低，安裝方便、不易堵塞等特點，性能良好的散裝填料在今后相當長一段時間內在工業上仍將占有主要地位[1]。而選材合適、內部經過處理、表面能大，通透性好，個體尺寸小的球形填料，具有：潤濕性能好、填充均勻、比表面積大、處理能力大等特點，將會成為散裝填料的代表。

［1］李天文，劉鴻生.散裝填料的發展趨勢[J].化工設備與管道，2000，37（6）：17-20.

［2］董誼仁，侯章德.現代填料塔技術（一）-塔填料的發展和選擇[J].化工生產與技術，1996，2（2）：16-24.

［3］姚玉英.化工原理（下冊）[M].天津：天津大學出版社，1999：156-179.

［4］譚天恩,麥本熙,丁惠華.化工原理（下冊）[M].北京：化學工業出版社，1993,2:158.

［5］陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理[M].[M]北京：化學工業出版社,2000,2:195.

［6］張榮國，桑國平.塔填料幾何形狀對填料塔內液體流動與傳質性能的影響[J].石油化工設備，1994，23（1）：36-38.

［7］蔣慶哲，宋昭崢，彭洪湃，等.塔填料的最新研究現狀和發展趨勢[J].現代化工，2008，28 增刊（1）：51-62.

［8］葉詠恒，何建斌.高效散裝填料的新構型—Impac 填料性能分析[J].化學工程，1997，25（3）：27-31.