1、.填料塔填料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)xxx （北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029） 摘 要 ：填料塔是化工類企業(yè)中最常用的氣、液傳質(zhì)設(shè)備之一,具有效率高、壓降低、持液量小、構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝容易、 投資少等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于分離操作。而塔填料又是填料塔技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。本文論述了國(guó)內(nèi)外塔填料的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),詳細(xì)介紹了各種新型散堆填料、規(guī)整填料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能,并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn),說(shuō)明了塔填料在填料塔技術(shù)中的重要性。 關(guān)鍵詞 ：填料塔；散堆填料；規(guī)整填料 引言填料塔具有效率高、壓降低、持液量小、構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝容易、投資少等優(yōu)點(diǎn),是石油、化工、化纖、輕工、制藥及原子能等工業(yè)中廣泛應(yīng)用

2、的氣液接觸傳質(zhì)設(shè)備之一。塔填料是填料塔的核心構(gòu)件,是氣液兩相進(jìn)行熱和質(zhì)交換的場(chǎng)所,它為氣液兩相間熱、質(zhì)傳遞提供了有效的相界面。塔填料的性質(zhì)決定了填料塔的操作,只有性能優(yōu)良的塔填料再輔以理想的塔內(nèi)件,才有望構(gòu)成技術(shù)上先進(jìn)的填料塔。因此,人們對(duì)塔填料的研究十分活躍。對(duì)塔填料改進(jìn)與更新的目的在于:改善流體的均勻分布， 提高傳遞效率,減少流動(dòng)阻力,增大流體的流量以滿足降耗、節(jié)能、設(shè)備放大、高純產(chǎn)品制備等各種需要。本文就是對(duì)填料塔填料的一個(gè)綜述。1 塔填料分類及特點(diǎn) 塔填料主要分兩大類：散裝填料和規(guī)整填料。散堆填料是具有一定幾何尺寸的顆粒體,在塔內(nèi)以散堆方式堆積。散堆填料及其塔設(shè)備主要用在吸收、解吸、精

3、餾、干燥和萃取等氣-液或液-液接觸的傳質(zhì)傳熱過(guò)程。近年來(lái)一些新型高效散堆填料的出現(xiàn)以及在一些行業(yè)的成功應(yīng)用,說(shuō)明散堆填料將在某些領(lǐng)域得到新的發(fā)展1。另外,國(guó)內(nèi)外最新的研究表明,在液液萃取、液氣比很大的吸收和高壓精餾情況下,應(yīng)用散堆填料的操作性能優(yōu)于規(guī)整填料和塔盤2。因此在合成氨的氣體凈化、石油化工和焦化等領(lǐng)域,散堆填料得到廣泛的應(yīng)用。此外,反應(yīng)蒸餾、硫化干燥和超重力分離等領(lǐng)域也在使用散堆填料。 規(guī)整填料是一種在塔內(nèi)按均勻幾何圖形排布、整齊堆砌的填料。規(guī)整填料塔以其處理能力大、效率高、壓降低、能耗小等特點(diǎn),在填料塔的應(yīng)用及塔盤的改造中得到廣泛的應(yīng)用。規(guī)整填料塔不僅在一般情況下可提高分離效率,降低

4、能耗,而且尤其適合一些特殊情況,如難分離物系、熱敏物系、真空蒸餾等。規(guī)整填料上的網(wǎng)孔或波紋便于液膜形成,其波紋的導(dǎo)向性有良好的細(xì)分布作用,且使液體的溝流大大減少。規(guī)整填料塔中壁流仍是影響塔內(nèi)介質(zhì)反應(yīng)效率的主要因素之一,特別是填料層過(guò)高時(shí)尤其如此。所以,掌握塔內(nèi)的壁流量并設(shè)法降低是十分必要的。目前規(guī)整填料種類多、形狀不同、特性各異。但理想的規(guī)整填料應(yīng)具備以下特點(diǎn)：盡可能大的比表面積,填料表面均勻潤(rùn)濕,液膜能不斷更新,氣流可高度湍動(dòng),氣、液分布良好,阻力壓降小,通量大,操作彈性大,適應(yīng)性強(qiáng),放大效應(yīng)低3。2 最新填料的發(fā)展水平及主要性能2.1 散裝填料近年來(lái)散堆填料的研究方向主要集中在以下幾個(gè)方面

5、4:散堆填料的自規(guī)整化；開發(fā)適用于新塔型的散堆填料；填料功能復(fù)合化；對(duì)填料表面加以改性以提高傳質(zhì)效率；復(fù)合填料塔。從近些年的理論和工業(yè)開發(fā)來(lái)看,散堆填料的發(fā)展趨勢(shì)是朝增大空隙率和減少壓降、增大比表面積、改善潤(rùn)濕性能以及功能多樣化的方向發(fā)展。(1) IMPAC填料5 IMPAC填料采用多褶壁面、多層筋片、消除床內(nèi)死角和單體互相嵌套等技術(shù),所以該填料兼有規(guī)整填料和散堆填料之特性。與一般的散堆填料相比通量可以提高10%30%，具有高比表面積,單元傳質(zhì)高度低，無(wú)翻邊結(jié)構(gòu),避免了氣液滯留，多層翅片,自分布性能優(yōu)良,故對(duì)氣液分布器的要求遠(yuǎn)不如規(guī)整填料嚴(yán)格，壓降小，單位外形呈扁環(huán),填料單元立放最穩(wěn),有利于加

6、強(qiáng)氣液湍動(dòng),活化內(nèi)表面，既具有一般散堆填料拆裝方便、維修改造靈活的特性,又具有規(guī)整填料比表面積大、空隙率高、流體分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。(2)雙鞍環(huán)填料北京化工大學(xué)研發(fā)的雙鞍環(huán)新型填料具有如下特點(diǎn)：雙鞍環(huán)在結(jié)構(gòu)上屬于開孔環(huán)、鞍環(huán),既包含環(huán)矩鞍的構(gòu)成,又融入納特環(huán)的構(gòu)思。由于突破一般填料的對(duì)稱性,有利于構(gòu)成較為均衡的床層,提供良好的水力學(xué)和傳質(zhì)的硬件條件；雙鞍環(huán)的基本性能全面優(yōu)于環(huán)矩鞍,負(fù)載能力提高約10%,壓降減少10%20%,分離效率提高約17%。尤其是傳質(zhì)單元壓降減少近40%,這對(duì)于塔的節(jié)能改造、熱敏性物系的分離以及真空精餾設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)用價(jià)值；在若干技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對(duì)比上,雙鞍環(huán)不僅有較高的綜合

7、技術(shù)指標(biāo),而且在節(jié)省材耗和提高強(qiáng)度重量比等方面也呈現(xiàn)出較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性,比環(huán)矩鞍更具有競(jìng)爭(zhēng)力。（3）階梯短環(huán)填料階梯短環(huán)填料(Cascade Mini Ring,CMR)與其前身階梯環(huán)相比,高徑比從原有的0.5降到0.3。這種看似簡(jiǎn)單的幾何特性卻是CMR性能優(yōu)越的關(guān)鍵。大量試驗(yàn)表明,CMR的性能確實(shí)明顯優(yōu)于鮑爾環(huán)和篩板塔,其壓降約為拉西環(huán)的30%,傳質(zhì)系數(shù)比拉西環(huán)大約提高50%。因此,CMR的應(yīng)用很廣泛,已在近千座工業(yè)塔中得到廣泛應(yīng)用。(4)超級(jí)扁環(huán)填料6 清華大學(xué)研制的內(nèi)彎弧型筋片扁環(huán)填料(QU-1型),其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：采用和傳統(tǒng)填料不同的內(nèi)彎弧型筋片結(jié)構(gòu),使填料內(nèi)部的流道更為合理,提高了傳質(zhì)效率

8、,同時(shí)這種結(jié)構(gòu)可提高填料的強(qiáng)度；針對(duì)液體系軸向混合嚴(yán)重的特點(diǎn),采用0.20.3的高徑比,使填料在亂堆時(shí)也能體現(xiàn)一定程度的有序排列,從而降低了阻力,在有效抑制了兩相的非理想流動(dòng),有助于進(jìn)一步提高處理能力和傳質(zhì)系數(shù)；可根據(jù)體系和生產(chǎn)要求,采用多種材質(zhì)加工制造,且有多種規(guī)格,因而選用范圍寬,操作彈性大。試驗(yàn)研究和工業(yè)應(yīng)用表明,QH-1型扁環(huán)填料具有優(yōu)異的性能；用于液液萃取時(shí),此填料的性能明顯優(yōu)于鮑爾環(huán)、Intalox等填料,軸向混合小,處理能力大,壓降小,傳質(zhì)效率提高20% 以上。為進(jìn)一步提高扁環(huán)填料的性能,又開發(fā)了新的撓性梅花扁環(huán)填料(QH-2型扁環(huán)填料),比QH-1型又有所提高。試驗(yàn)表明,與鮑爾

9、環(huán)相比, QH-2型扁環(huán)填料處理能力約提高15%35%,傳質(zhì)系數(shù)約提高15%25%。 近年來(lái),我國(guó)還引進(jìn)和吸收了許多高效、先進(jìn)的散堆填料。如金屬矩鞍環(huán)(IMTP)、改進(jìn)型金屬鮑爾環(huán)(Hy-PAK)、金屬階梯環(huán)、塑料矩鞍環(huán)、共軛環(huán)、H型網(wǎng)填料等,也較接近理想填料,比規(guī)整填料具有更好的自清理能力,不易堵塞。2.2 規(guī)整填料規(guī)整填料規(guī)定了氣液流路,改善了溝流和壁流現(xiàn)象,壓降小,可以提供更多的比表面積,在同等容積中可以達(dá)到更高的傳質(zhì)、傳熱效果3,7。規(guī)整填料的發(fā)展大體上經(jīng)歷了3個(gè)階段8:第一階段是早期出現(xiàn)的規(guī)整填料,如斯特曼填料(Stedman Packing)；第二階段主要是帕納帕克(Pana-pa

10、k)、古德洛(Goodloe)、海泊費(fèi)爾(Hyperfil)及柵格(Grid)填料等；第三階段是麥勒派克(Montzpak)、朗博派克(Rombopak)等。近些年又出現(xiàn)了新型規(guī)整填料,如SUPER X-PACK填料9,其特點(diǎn)是壓降和接觸面積可以通過(guò)填料尺寸來(lái)調(diào)節(jié),在改造傳統(tǒng)的精餾塔中獲得了良好效果。Mellapak填料(帶孔波紋板,材質(zhì)不銹鋼等,比表面積700 m2/m3)的問(wèn)世是20世紀(jì)70年代規(guī)整填料史上一座重要里程碑10。此后,規(guī)整填料新品種層出不窮。近幾年瑞士KUHNI公司的Rombopak填料,德國(guó)RASCHIG公司的Ras-chig-Superpak填料開發(fā)應(yīng)用比較成功。國(guó)內(nèi)在規(guī)

11、整填料方面也有突破,如天津大學(xué)與英國(guó)Aston大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的Unpak脈沖規(guī)整填料、天津大學(xué)的Zupak填料、天津博隆科技開發(fā)公司的CHINAPAK填料等、天津市天進(jìn)新技術(shù)開發(fā)公司開發(fā)的板花規(guī)整填料、清華大學(xué)開發(fā)的新型復(fù)合填料、分層填料等,都在工業(yè)中取得了成功的應(yīng)用11,12。(1) SINOPAK填料 該填料是南京大學(xué)開發(fā)的波紋型系列無(wú)壁流規(guī)整填料,采用了專門的防壁流設(shè)計(jì)。1996年取得中國(guó)專利,分離效率比其他普通波紋規(guī)整填料高10%25%,綜合性能達(dá)到或優(yōu)于國(guó)外同類填料產(chǎn)品。(2) Rombopak填料 該填料是瑞士KUHNI13公司20世紀(jì)80年代研究開發(fā)的一種垂直板網(wǎng)類規(guī)整填料。它率先

12、開辟了按照氣液最佳流路設(shè)計(jì)規(guī)整填料的新途徑。(3) Raschig-Superpak填料該填料是德國(guó)Raschig公司開發(fā)的高性能規(guī)整填料。據(jù)稱Raschig-Superpak 300在比表面積和分離效率相同的條件下,與傳統(tǒng)的規(guī)整填料相比,通量提高了26%,壓力降降低了33%。(4) SM、SW、SC、SB系列新型規(guī)整填料 上?；ぱ芯吭簢?guó)家高效分離塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心于20世紀(jì)70年代開發(fā)了SC、SB絲網(wǎng)波紋填料系列, 80年代開發(fā)了SM系列孔板波紋填料；90年代開發(fā)了SW系列網(wǎng)孔波紋填料并取得專利證書。己在國(guó)內(nèi)多座塔器中應(yīng)用,效果顯著。(5) Optiflow填料 瑞士Sulzer

13、公司推出了一種稱為高技術(shù)產(chǎn)品的一流結(jié)構(gòu)填料(Optiflow)。這種填料的基本原件是壓有橫向紋理液流溝糟的菱形薄片,并在其中開小孔,將菱形片搭成翼輪狀,由于這種填料有很好的幾何結(jié)構(gòu)形式和高度的對(duì)稱性,因而可以顯著提高填料的分離技術(shù)性能。(6)組片式波紋填料(Zupak)14 Zupak填料是天津大學(xué)近年開發(fā)的獲獎(jiǎng)專利產(chǎn)品,目前有兩大類8種型號(hào)。Zupak填料和相應(yīng)型號(hào)的Mellapak填料相比,比表面積增加10%左右,開孔率增加30%40%,分離效率提高約10%,通量提高20%,壓力降降低30%左右。(7)自分布填料和再分布填料自分布填料是將特制的規(guī)整填料作為液體再分布器使用的旨在改善液體分布

14、性能的填料,其作用是將多點(diǎn)式或多線式液體分布狀態(tài)變成多線式或面分布狀態(tài),以減少液體分布的端效應(yīng)。(8)新型復(fù)合填料15 清華大學(xué)研究開發(fā)的新型復(fù)合填料是在規(guī)整填料基礎(chǔ)上采用交錯(cuò)90b排列的水平波紋(PFG)組合而成。PFG本身是一種填料,同時(shí)又起到分布器的作用,具有良好的自分布性能。分離效果比規(guī)整填料提高15%20%,每米填料的理論板數(shù)比同規(guī)格的Sulzer填料高15%左右。尤其適合于要求精密分離的精餾塔,特別是高純度產(chǎn)品的分離。(9)分層填料16在新型復(fù)合填料基礎(chǔ)上采用一定厚度的復(fù)合填料單元體為塔板,形成分層填料塔板。傳質(zhì)效率高、填料用量少、高效低阻,性能優(yōu)于一般塔板和填料。特別適用于真空精

15、餾工況條件下的高純度分離。3.結(jié)束語(yǔ)近年來(lái)石油化工行業(yè)高速發(fā)展,生產(chǎn)規(guī)模趨于大型化,這就要求塔器設(shè)備具有高通量、高效率和低壓降等優(yōu)良的綜合性能?，F(xiàn)代填料塔技術(shù)能很好地滿足這些要求,不僅在大規(guī)模生產(chǎn)中廣被采用,而且還有取代板式塔的趨勢(shì)?，F(xiàn)在由于填料的開發(fā)成功和一些基礎(chǔ)理論研究成果在填料塔工程放大問(wèn)題上的突破,填料塔大型化帶來(lái)的放大效應(yīng)問(wèn)題得到了一定的解決。因此塔填料今后將從兩個(gè)方面得到發(fā)展17:一是不斷開發(fā)和應(yīng)用更簡(jiǎn)單、更高效的填料,即沿著理想填料的方向發(fā)展；二是各種不同種類的填料組成填料復(fù)合塔,或組成填料-塔板復(fù)合塔。隨著一些新型塔板及大通量、低壓降、高效規(guī)整填料和塔內(nèi)件的開發(fā)應(yīng)用成功,塔器成

16、套分離工程技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新階段。可以預(yù)測(cè), 21世紀(jì)的塔器分離技術(shù)將向行業(yè)化、復(fù)合化、節(jié)能化、大型化方向發(fā)展18。 參 考 文 獻(xiàn)1 劉乃鴻.塔技術(shù)的最新發(fā)展與新型填料的開發(fā)應(yīng)用J.石油化工設(shè)備, 1991, 20 (2): 4448.2 Cihla Z, Schmidt O Col.l Behavior of liquids tricking through the packing in a cylindrical column J. Czech Chem Comn, 1957, 22 (3): 896897.3 李群生,馬文濤,張澤廷.塔填料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.化工進(jìn)展, 2005,

17、 24(6):619650.4李天文,劉鴻生.散裝填料的發(fā)展趨勢(shì)J.化工設(shè)備與管道,2000,37(6):19-20.5 Le GoffP, Lespinasee B. Hydrodynamies of packed columns J. Rev InstFrPet, 1962, 17 (1): 2128.6 張澤廷,王樹楹,余國(guó)琮.填料塔液相混合的研究(II)二維擴(kuò)散模型J.化工學(xué)報(bào), 1988 (3):292298.7 李群生,田原銘,常秋連.新型高效規(guī)整填料性能研究J.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,35(1):14.8 徐世民,張艷華,任艷軍.塔填料及液體分布器J.化學(xué)工業(yè)與工

18、程, 2006, 23 (1): 7580.9 張敏華,呂惠生,李海平,等.高分布性液體分布器P. CN: 2625021, 2003-06-04.10 喻冬秀,程江,楊卓如.填料塔的理論研究J.石油化工設(shè)備, 2003, 32 (4): 4650.11 白鵬,劉建新,王世昌.規(guī)整填料塔的設(shè)計(jì)計(jì)算模型J.化工機(jī)械, 2001, 28 (4): 232236.12 陳強(qiáng),王樹楹.塔器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望J.現(xiàn)代化工, 1997, 17 (11): 1619.13 Sherwood TK, Pigford. Absorption and extraction J.McGrawHil,l NY, 1

19、995, 23 (12): 248250.14 孫東升.填料塔分離技術(shù)新進(jìn)展J.化工進(jìn)展,2002, 21 (10): 769772.15 趙靜妮.填料塔技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)J.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 2 (3): 2528.16 晏 萊,周三平.現(xiàn)代填料塔技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望J.化工裝備技術(shù), 2007, 28(3): 2934.17 蔣慶哲,宋昭崢,彭洪湃,董瑩.塔填料的最新研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)J.現(xiàn)代化工,2008,28(1): 5964.18 李好管.填料塔開發(fā)應(yīng)用新進(jìn)展J.現(xiàn)代化工, 2000, 20 (8): 1924.Research and Development Trend of Column Packingxxx( College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)Abstract: Packed tower is commonly used in the chemical enterprise, one of the gas and liquid mass transfer equipment with high efficiency, lower pr