填料塔發(fā)展與現(xiàn)狀

王 闖 張客廳 劉孟杰 劉雪劍 劉明洋

(鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001)

在過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域，由于塔設(shè)備具有大通量、低壓降、高效率的特點(diǎn)，它被廣泛應(yīng)用于各種分離、提純、干燥、精餾等工藝操作中。它是整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)效益，決定系統(tǒng)能耗和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]。塔設(shè)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(nèi)放置一定高度填料。操作時(shí)，液體從塔體上部進(jìn)入，通過(guò)液體分布器噴灑，在填料表面膜狀流動(dòng)，對(duì)于填料高度較高的填料塔，還需要加入液體再分布器進(jìn)行液體的再收集分布。與傳統(tǒng)的板式塔相比，填料塔具有生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓降小、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點(diǎn)[2]。近年來(lái)，人們對(duì)填料塔的研究取得了很多實(shí)質(zhì)性突破，尤其是新型高效塔填料和塔內(nèi)件的開(kāi)發(fā)，使得填料塔在化工企業(yè)得到了很好的應(yīng)用。

1 塔填料

使用填料塔的關(guān)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(zhì)表面，還促使液膜不斷更新，填料塔在工業(yè)上一般有以下標(biāo)準(zhǔn)[3]:(1)填料需要具有高孔隙率和比表面積;(2)填料的幾何結(jié)構(gòu)能夠?yàn)閮上嗵峁┖线m的通道，壓降低;(3)填料要具有良好的機(jī)械性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造安裝方便，投資少;(4)填料要考慮到系統(tǒng)的腐蝕性、成膜性，在強(qiáng)腐蝕，高溫高壓情況下能夠穩(wěn)定的使用使用。

填料是填料塔的核心內(nèi)件，它為氣液兩相接觸的傳熱傳質(zhì)提供了表面，因此在設(shè)計(jì)塔時(shí)需要適當(dāng)?shù)倪x擇填料，填料一般分為散裝填料和規(guī)整填料。

1.1 散堆填料

散堆填料是在塔內(nèi)以亂堆為主的填料，具有一定的外形結(jié)構(gòu)，每種填料按照不同的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)有不同的規(guī)格。散堆填料及其塔設(shè)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(zhì)傳熱過(guò)程[4]。1914年拉西環(huán)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(xiàn)是填料塔的一個(gè)重大突破，有較大的表面積，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，但由于堆積時(shí)相鄰環(huán)之間容易形成線接觸、填料層的均勻性差，故逐漸被后來(lái)出現(xiàn)的其他填料所取代。鮑爾環(huán)屬于第二代填料，是在拉西環(huán)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，鮑爾環(huán)是一種在環(huán)壁上開(kāi)孔、環(huán)內(nèi)帶有舌片的填料。這種構(gòu)造提高了環(huán)內(nèi)的空間和表面積，使氣液流動(dòng)阻力大大降低，不會(huì)出現(xiàn)拉西環(huán)中的偏流和溝流現(xiàn)象。后來(lái)相繼出現(xiàn)了矩鞍形填料、階梯環(huán)填料等填料。1978年美國(guó)Norton公司推出的金屬環(huán)矩鞍填料被開(kāi)發(fā)出來(lái)，這種填料具有類似于開(kāi)孔環(huán)形填料的圓環(huán)、環(huán)壁開(kāi)孔和內(nèi)伸的舌片，是薄的金屬板經(jīng)過(guò)沖壓支撐，兩側(cè)還具有翻邊結(jié)構(gòu)，為增加填料的強(qiáng)度和剛度。因?yàn)檫@種填料的這種綜合特殊的結(jié)構(gòu)，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(zhì)性能。因此這種填料得到了廣泛的使用，尤其是在石化行業(yè)的減壓蒸餾中。

1.2 規(guī)整填料

規(guī)整填料具有成塊的規(guī)整結(jié)構(gòu)，可在塔內(nèi)逐層疊放。它是將金屬絲網(wǎng)或者多孔板壓制成波紋狀疊成圓筒形整塊放入塔內(nèi)。由于規(guī)整填料按照均勻的幾何圖形規(guī)則整齊的堆砌，相當(dāng)于認(rèn)為的規(guī)定了填料層中氣液兩相的流動(dòng)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(dòng)的現(xiàn)象，大大降低了壓降。規(guī)整填料具有以下特點(diǎn):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(zhì)效率高，可降低塔徑。本文對(duì)幾種重要的規(guī)整填料進(jìn)行介紹。

板波紋填料的材質(zhì)包括金屬、塑料和陶瓷等等。金屬板波紋填料除了結(jié)構(gòu)規(guī)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(cuò)，對(duì)小型塔整盤放入，對(duì)大型塔則可以分塊裝填。

網(wǎng)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(wǎng)波紋填料由相互垂直的不銹鋼絲網(wǎng)波紋片組合成的規(guī)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(gè)三角形截面的通道，氣液兩相在流動(dòng)過(guò)程中不斷地、有規(guī)則的轉(zhuǎn)向，獲得較好的很想混合。又因?yàn)樯舷聝蓪犹盍系陌迤较蚪诲e(cuò)90°，氣液相經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)時(shí)相當(dāng)于又進(jìn)行一次氣液的均勻分布。因此，網(wǎng)波紋填料可以到達(dá)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(yīng)用。但是這種填料缺點(diǎn)是造價(jià)很高，抗污差，難以清洗。

2 塔內(nèi)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(fā)揮填料塔效率和生產(chǎn)力，塔內(nèi)件的好壞直接影響填料性能的發(fā)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(duì)于液相均勻分布的重要性，般對(duì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)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(duì)管式和槽式液體分布器進(jìn)行介紹。

管式液體分布器可分為重力型和壓力型，均由進(jìn)液口、液位管、液體分配管及布液管組成液體進(jìn)入之后，經(jīng)過(guò)布液管底部的打孔分布在填料層的上方，這種結(jié)構(gòu)即使在風(fēng)載荷的作用下也不會(huì)發(fā)生液體的濺出，擁有較高的液體分布質(zhì)量，易于安裝，空間小。

槽式液體分布器是靠液體的重力來(lái)分布液體，由主槽和分槽組成。液體在主槽中通過(guò)底部的布液孔或側(cè)向的溢流孔進(jìn)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(shè)備中。

隨著生產(chǎn)規(guī)模的大型化，塔設(shè)備的制造業(yè)出現(xiàn)大型化特點(diǎn)，對(duì)液體分布器的開(kāi)發(fā)日益重要，液體分布器的大型化、節(jié)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(diǎn)。

2.2 氣相初始分布器

氣體入塔分布裝置，對(duì)直徑小于3m塔并不重要，因?yàn)樗皆谳^小的情況下氣體從塔一側(cè)進(jìn)入，很容易分布均勻，無(wú)需設(shè)置氣體分布器即可滿足生產(chǎn)要求。但隨著大型填料塔的發(fā)展，其進(jìn)氣初始分布器的研究、設(shè)計(jì)及應(yīng)用越來(lái)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(jìn)氣初始分布器的作用較為重要。填料塔內(nèi)氣體分布的研究尚處于起步階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有液體分布的研究時(shí)間長(zhǎng)，因此氣體分布研究不透徹，理論不完善。氣體流動(dòng)性能遠(yuǎn)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(nèi)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(yùn)動(dòng)的規(guī)律，探索其合理結(jié)構(gòu)并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的氣體分布器，對(duì)大型填料塔的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，具有重要意義。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在由于化工行業(yè)的飛速發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模日趨擴(kuò)大，在大型化的進(jìn)程中，填料塔以較為滿意的綜合性能在化工行業(yè)中被越來(lái)越多的使用，尤其是20世紀(jì)70年代，一些大通量、低壓降、高效率填料和塔內(nèi)件的成功開(kāi)發(fā)及應(yīng)用使填料塔分離工程技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新階段，有取代板式塔的趨勢(shì)。從近年國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道來(lái)看，填料塔今后的發(fā)展有三個(gè)方面:一是不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用更簡(jiǎn)單、更高效的填料，即通過(guò)對(duì)塔填料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、加工方法的開(kāi)發(fā)、表面特性改進(jìn)和新材料的開(kāi)發(fā)研究，使得流體在填料層的流動(dòng)更加均勻，傳質(zhì)效率更高、流動(dòng)阻力更小;第二就是塔內(nèi)件的發(fā)展方向，是研究開(kāi)發(fā)與高效填料相匹配的低壓降氣液分布系統(tǒng)，設(shè)計(jì)最經(jīng)濟(jì)的氣液負(fù)荷結(jié)構(gòu)并在材質(zhì)上改進(jìn)或更新;第三是復(fù)合塔的研究開(kāi)發(fā)，即不同種類的填料(包括各種類型的散裝填料和規(guī)整填料)組成填料復(fù)合塔，而由不同形式塔板所組成填料塔板復(fù)合塔這種新的方式將繼續(xù)被人們大量研究。

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