現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中填料塔技術(shù)的應(yīng)用

姜 波 陳 杰

（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江 杭州 310012）

0 前言

塔設(shè)備早已廣泛用于蒸餾、吸收、解吸、萃取、洗滌、冷卻等各種過(guò)程。塔設(shè)備根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為板式塔和填料塔兩大類。填料塔可細(xì)分為規(guī)整填料塔和散堆填料塔。有時(shí)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(guī)整填料層。易產(chǎn)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(shí)往往選擇規(guī)整填料層。普通板式塔屬于逐級(jí)接觸逆流操作，氣相為分散相，液相為連續(xù)相。其傳質(zhì)是通過(guò)上升氣流穿過(guò)塔板，與塔板上液體接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般填料塔屬于連續(xù)接觸逆流操作，填料充滿塔內(nèi)有效空間，氣相為連續(xù)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(shí)現(xiàn)傳質(zhì)。

由于板式塔和填料塔的傳質(zhì)機(jī)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(gè)因素。塔板的開孔率一般為塔截面積的8％～15％，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮塔板有效面積和降液管面積的權(quán)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(diǎn)都較高，故填料塔的生產(chǎn)能力較大。通常塔板的等板高度都大于500mm，即每米理論板數(shù)不超過(guò)2塊，而工業(yè)填料塔的當(dāng)量理論板數(shù)可達(dá)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(guī)整填料為0.0013～0.107kPa。壓降小有利于節(jié)能。

1 塔型的選擇

在塔設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，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(guò)熱而導(dǎo)致的物料聚集或分解。目前這個(gè)物系已普遍采用高效、低壓降的規(guī)整填料。其壓降小、持液量低。

（3）對(duì)難分離物系，采用熱泵技術(shù)可節(jié)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(huì)有更好的節(jié)能效果。

（4）現(xiàn)有塔器的增產(chǎn)、節(jié)能、降耗，一般可采用高效填料改造原有塔板，達(dá)到與其目標(biāo)。

（5）廠房高度受限場(chǎng)合或精密分離需要很多理論分離級(jí)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用高效填料塔。

（6）對(duì)腐蝕性介質(zhì)，宜采用填料塔，因?yàn)樘盍先菀讓?shí)現(xiàn)用各種防腐材料來(lái)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(zhì)效率較差。

（8）含固體顆粒或污濁的物料，不宜采用填料塔，因?yàn)槿菀讓⑻盍贤ǖ蓝氯?/p>

（9）在塔內(nèi)易產(chǎn)生聚合物，經(jīng)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(xiàng)目，一般板式塔造價(jià)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(quán)衡投資比較，填料塔的造價(jià)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(guī)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(shè)計(jì)。

（12）具有多側(cè)線進(jìn)料或出料的塔器，板式塔較易實(shí)現(xiàn)。填料塔則在每個(gè)側(cè)線口必須分段，各填料層之間，都應(yīng)設(shè)置液體收集和再分布裝置。

工業(yè)生產(chǎn)中塔型的比較和選擇是較為復(fù)雜的問題，它直接影響分離任務(wù)的完成、設(shè)備投資以及操作費(fèi)用。設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)板式塔和填料塔的性能有個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。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(shí)現(xiàn)高效的的傳質(zhì)過(guò)程，要求氣、液兩相流體在塔內(nèi)任意截面上都能均勻分布。而其中填料的選取是否恰當(dāng)，直接影響著塔的傳質(zhì)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(nèi)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(zhì)、傳熱過(guò)程。近年來(lái)發(fā)展的一些新型高效散裝填料，成功應(yīng)用于空氣分離裝置，煙氣脫硫等新興領(lǐng)域。最新科研成果發(fā)現(xiàn)，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(yīng)用性能較優(yōu)于塔盤及規(guī)整填料?；诖耍⒀b填料在石油化工、焦化及合成氨的氣體凈化處理等領(lǐng)域，得到了較廣的應(yīng)用。散裝填料也應(yīng)用于硫化干燥、反應(yīng)蒸餾及超重力分離等多個(gè)領(lǐng)域。

2.1.1 MPAC填料

MPAC填料最先由美國(guó)著名的Lantc公司發(fā)明，MPAC填料同時(shí)具有環(huán)、扁、鞍的構(gòu)造。因此可以將該填料視為多個(gè)Intalox填料組合構(gòu)成，MPAC填料采用多皺壁面、多層筋片、消滅填料床內(nèi)死區(qū)及單元嵌套等技術(shù)，該填料也具備了規(guī)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(zhì)高度下降5％～35％；壓降可降低5％～15％；同時(shí)具有比表面積大、空隙率高、自分布性能優(yōu)良、氣液湍動(dòng)能力強(qiáng)、安裝、維修方便等特點(diǎn)。

2.1.2 階梯短環(huán)填料

階梯短環(huán)填料（C.M.R）是美國(guó)著名的Glitsch公司開發(fā)及推廣的一種散堆填料。該填料由普通階梯環(huán)演變而來(lái)，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(lái)了性能的明顯提升，顯著領(lǐng)先于傳統(tǒng)的篩板塔與鮑爾環(huán)。與拉西環(huán)相比，C.M.R壓降比拉西環(huán)減小70％。傳質(zhì)系數(shù)提高了50％。

2.1.3 超級(jí)扁環(huán)填料［2］

內(nèi)彎弧形扁環(huán)填料（QH－1型扁環(huán)填料［3］）是有我國(guó)清華大學(xué)開發(fā)成功的。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：（a）與常規(guī)的填料相比，該填料采用內(nèi)彎弧形筋片形式的特異結(jié)構(gòu)，該構(gòu)造使得填料內(nèi)部流徑更加合理，增強(qiáng)了填料剛度，且提高了內(nèi)部流體傳質(zhì)、傳熱效率；（b）填料高徑比0.2～0.3，使得填料在亂堆時(shí)堆放有序，降低流阻，提高傳質(zhì)系數(shù)，增強(qiáng)處理能力。該填料處理液/液萃取過(guò)程，性能較鮑爾環(huán)、Intalox等填料顯著提高，傳質(zhì)效率提升近20％以上。

在QH－1型扁環(huán)填料基礎(chǔ)上，清華大學(xué)進(jìn)一步發(fā)展出QH－2型扁環(huán)填料，其型性能更優(yōu)異。參照傳統(tǒng)鮑爾環(huán)，QH－2型填料處理能力提升15％～35％，傳質(zhì)系數(shù)提高15％～25％。

2.1.4 雙鞍環(huán)填料

此填料由國(guó)內(nèi)北京化工大學(xué)開發(fā)成功，與環(huán)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(zhì)單元的壓力降僅為原來(lái)的60％。這些性能對(duì)于對(duì)熱敏感產(chǎn)品的分鎦和真空精鎦都有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

除上述幾種散裝填料外，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)還購(gòu)買、研發(fā)了多種高性能的填料，例如金屬階梯環(huán)、改進(jìn)型金屬鮑爾環(huán)（Hy－PAK）、金屬矩鞍環(huán)（M.T.P）、共軛環(huán)、塑料鞍矩環(huán)等，這類填料都有著特異性的結(jié)構(gòu)及性能。在不同的分離要求操作工況得到應(yīng)用。

2.2 規(guī)整填料

規(guī)整填料的發(fā)展主要在20世紀(jì)60年代以后，著名的規(guī)整填料有Sulzer公司的Mellapak填料，原美國(guó)Glitsch公司的Gempak等。國(guó)內(nèi)天津大學(xué)的雙波板波紋填料［4］；思瑞迪精餾公司的導(dǎo)向板波紋填料［5］也都是對(duì)規(guī)整填料發(fā)展具有重大貢獻(xiàn)的產(chǎn)品。

2.2.1 單向斜波填料

填料構(gòu)造特點(diǎn)為：?jiǎn)蜗虿y、傾斜流道、斜交錯(cuò)排布，旋轉(zhuǎn)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(dāng)于2～3塊理論板，壓力降為0.1～0.3kPa。

該類填料國(guó)外的有：Mellapak，F(xiàn)lexipac，Gempak，Montzpak，Ralupak。

該類填料國(guó)內(nèi)也在發(fā)展，例如我國(guó)的天大天久的JKB系列波紋填料、上?；ぱ芯吭旱腟M系列波紋填料、南京大學(xué)的SP系列波紋填料等。

2.2.2 雙向斜波填料

填料構(gòu)造特點(diǎn)為：雙向波紋、傾斜流道、斜交錯(cuò)排布、旋轉(zhuǎn)90°安裝。填料特性：相比對(duì)應(yīng)的單向斜波填料，達(dá)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(guó)外的有：Intalox Structured Packing，Rasching Super－pak。

該類填料國(guó)內(nèi)也在發(fā)展，例如Dapak，Zupak［6］等。

2.2.3 單向曲波填料

填料構(gòu)造特點(diǎn)為：?jiǎn)蜗虿y、彎曲流道、斜交錯(cuò)排布、旋轉(zhuǎn)90°安裝。填料特性：相比對(duì)應(yīng)的單向斜波填料，在分離效率稍許降低時(shí)，填料處理的通量能夠增加20％～30％。

該類填料國(guó)外的有：Mellapakplus，F(xiàn)lexipac HC，Montzpak type M等。

2.2.4 雙向曲波填料

該填料構(gòu)造特點(diǎn)為：雙向波紋、彎曲流道、斜交錯(cuò)排布、旋轉(zhuǎn)90°安裝。填料特性：

相比對(duì)應(yīng)的單向斜波填料，在分離效率稍許降低時(shí)，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(chǎn)品對(duì)比，填料達(dá)到世界先進(jìn)水平，是具重要價(jià)值的的規(guī)整填料之一。

2.3 散堆/規(guī)整填料選擇依據(jù)

H.Z.Kister等［8］在大量工業(yè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)散堆填料和規(guī)整填料作了評(píng)估，評(píng)估以流動(dòng)參數(shù)FP為基準(zhǔn)，比較了流動(dòng)參數(shù)在不同范圍時(shí)的情況。流動(dòng)參數(shù)用式（2-1）表示：

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

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

Kister等人［8］對(duì)散堆填料和規(guī)整填料的比較均在最佳設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行實(shí)測(cè)，被比較的散堆填料的公稱尺寸為50mm和65mm，規(guī)整填料的比表面積是200m2/g。對(duì)分離效率和處理能力的比較結(jié)果歸納如表2：

表2 塔不同類型填料塔性能評(píng)估

當(dāng)FP為0.02～0.1時(shí)：

（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(guī)整填料分離效率高于散堆填料約50％。

（3）當(dāng)FP從0.02到0.1增長(zhǎng)時(shí)，規(guī)整填料與散堆填料比，處理能力的優(yōu)越性從高出30％～40％降到相同水平。

當(dāng)FP從0.1～0.3時(shí)：

（1）規(guī)整填料的處理能力和散堆填料相同。

（2）當(dāng)FP從0.1到0.3增長(zhǎng)時(shí)，規(guī)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(dāng)FP從0.3～0.5時(shí)：

（1）散堆填料和規(guī)整填料的分離效率及處理能力均隨FP的增加而降低。

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

利用FP作為不同填料的選擇依據(jù)，可以作為設(shè)計(jì)工作中的一種重要參考方法。但工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于填料選型的影響因素很多，需聯(lián)系實(shí)際，結(jié)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(fā)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(tǒng)的管式、盤式液體分布器，近年來(lái)發(fā)展了幾種新型的液體分布器。

3.1 多級(jí)槽式液體分布器

該液體分布器廣泛應(yīng)用于大尺寸填料塔，結(jié)構(gòu)常選用帶垂直液體分布板形式，根據(jù)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(guó)內(nèi)外當(dāng)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(jié)構(gòu)組件分為5部分：改良的液體管、長(zhǎng)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(fā)展出3種組成結(jié)構(gòu)［10］：（1）全可拆型；（2）局部可拆型；（3）不可拆型。

該液體分布器優(yōu)點(diǎn)在于在分布器內(nèi)部增設(shè)了自動(dòng)清污功能，對(duì)于易堵物料的處理能力加強(qiáng)。與普通槽式或盤式液體分布器相比，該分布器性能更加優(yōu)異：抗堵塞能力強(qiáng)、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(fā)展而來(lái)，分布器尺寸小于塔內(nèi)徑，每個(gè)分布器的規(guī)格參數(shù)均需由液體噴淋分布點(diǎn)的需要決定。在槽盤式液體分布器的收集槽上方增設(shè)了一個(gè)梅花型擋圈，用來(lái)匯集壁流流體。使塔內(nèi)貼近塔壁的環(huán)形區(qū)域不僅可以通氣，又可以排布液體噴淋分布點(diǎn)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(lái)越大，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單氣體初始分布器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)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(duì)于氣液均勻接觸的作用尤為重要。

填料塔內(nèi)氣體分布的研究目前處于比較初級(jí)的階段，對(duì)于其分布機(jī)理還未有透徹研究。故進(jìn)一步深入探討填料塔內(nèi)氣液接觸規(guī)律、建立氣體分布器流場(chǎng)模型，進(jìn)而開發(fā)性能優(yōu)異的氣體初始分布器，對(duì)于增進(jìn)填料塔的整體性能的提升，都是極具可研及經(jīng)濟(jì)價(jià)值的。

5 結(jié)束語(yǔ)

填料塔今后的發(fā)展方向有兩個(gè)，一個(gè)方面是繼續(xù)研究、開發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)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(zhì)高效、通量大、阻力小和成本低的要求。另一個(gè)方面就是發(fā)展塔內(nèi)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(shù)之一。只有了解了填料塔的這類技術(shù)差異及發(fā)展，才能作出合理選擇，作用于實(shí)際工業(yè)化成果中，才能設(shè)計(jì)制造出工藝先進(jìn)、價(jià)格低廉的填料塔系統(tǒng)。這也是化工設(shè)計(jì)院需要吸收、掌握的必要技術(shù)之一。

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