散裝填料的發(fā)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(yè)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(yōu)點，已在石油化工行業(yè)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(fā)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(guī)整化兩個方向并行發(fā)展[1]，先后出現(xiàn)了各種新型高效的塔填料，并且各具優(yōu)勢。但是，近些年來，無論是散裝填料還是規(guī)整填料，都出現(xiàn)了停滯不前的狀況。

本文根據散裝塔填料的發(fā)展歷程，結合專業(yè)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(fā)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(fā)展歷程

散裝塔填料是一些具有一定幾何形狀、規(guī)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(fā)展歷程

散裝塔填料的發(fā)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(fā)展階段

1914 年誕生的拉西環(huán)、1931 年出現(xiàn)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(fā)展進入了科學的軌道。

1.2.3 成熟階段

拉西環(huán)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??；如果幾個拉西環(huán)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(huán)內部的流體幾乎處于停滯狀態(tài)，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(huán)側壁錯列開窗，將舌葉內彎，相互搭接而形成“鮑爾環(huán)”，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?？梢哉f，1948 年鮑爾環(huán)問世，對于塔填料的發(fā)展具有舉足輕重的作用[2]。

為了消除線性接觸，將鮑爾環(huán)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(huán)”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(huán)是目前使用的環(huán)形填料中性能最為良好的一種[3]。

這一階段出現(xiàn)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(huán)鞍形填料[4]，它既有弧形通道，有利于液體均勻分布，又有環(huán)形截面及側窗，強度高，阻力小，氣體通量大。

環(huán)鞍形填料是鞍形和環(huán)形填料的結合體，兼?zhèn)涠叩膬?yōu)點，是比較理想的散堆填料。

之后雖然又出現(xiàn)了一些新型的填料，如格型環(huán)、階梯短環(huán)、高流環(huán)、諾派克環(huán)、扁環(huán)、共軛環(huán)、彈簧絲、萊佛厄派克環(huán)、刺孔環(huán)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(huán)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(fā)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?。虎芴盍祥g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(wěn)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(fā)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(jié)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(wěn)定，有利于平穩(wěn)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(xiàn)出一定的規(guī)律性。這正如分子熱運動，單個來看毫無規(guī)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(xiàn)散裝填料床層氣液分布不均的現(xiàn)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(xiàn)象。目前已公認“為了減小壁流、溝流現(xiàn)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(huán)填料，此值為20[3]。陳敏恒等[5]學者認為，工業(yè)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(guī)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(guī)律排列（規(guī)整化），可提高傳質效率[6]。階梯環(huán)由高徑比為1 的鮑爾環(huán)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(huán)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(huán)的30%，傳質系數比拉西環(huán)提高大約50%。有人進一步對不同高徑比的環(huán)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(fā)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(huán)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(huán)鞍結合，綜合兩者的優(yōu)勢，開發(fā)新式填料，成為近年來填料研究的一個出發(fā)點。

成功的范例有：金屬環(huán)矩鞍、納特環(huán)等環(huán)鞍形填料。環(huán)鞍形填料雖然具有液體分布均勻，氣體通量大的優(yōu)點，但由于環(huán)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(xiàn)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(xiàn)象，使得流動的液膜發(fā)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(wěn)定，從而具有一定的“規(guī)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(fā)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(yè)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。

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［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(yè)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(yè)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(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)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.