填料塔技术发展摘要：填料塔作为一种传质设备，具有效率高、压降低、持液量小、构造简单、安装容易、投资少等优点，广泛用于分离操作。

本文论述了国内外填料塔技术的发展现状，详细介绍了各种散堆填料、规整填料，塔内件等，同时展望了填料塔今后发展趋势和技术开发方向。

关键词：填料塔、散装填料、规整填料、液体分布装臵1.引言填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，它是化工类企业中最常用的气液传质设备之一。

而塔填料、塔内件及工艺流程又是填料塔技术发展的关键。

近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速的发展。

2.填料分类及发展2.1填料塔填料塔是气、液呈逆流的连续性接触的气液传质设备，它的结构和安装比板式塔简单。

塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气、液通过。

支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。

填料层的上方有液体分布装臵，从而使液体均匀喷洒于填料层上。

填料层中的液体有向塔壁流动的“趋壁”倾向，因此填料层较高时往往将其分为几段，每一段填料层上方设有液体再分布器，使流到壁面的液体集于液体在分布器作重新分布。

2.2塔填料塔填料的发展，大致分四个阶段：以焦炭、卵石、铁屑等作为填料的初始阶段；拉西环诞生和弧鞍填料的出现为第二阶段；1948年鲍尔环问世，作为第三阶段起点；70年代开始各种高效规整和散装填料开发和应用，填料塔大型化为第四阶段。

填料的类型很多，按照制成填料的材料是实体还是网体可分为实体填料和网体填料两类。

实体填料有陶瓷、金属或塑料等制成，如拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍形和矩鞍填料等；网体填料有金属丝制成，如形网环、网状鞍形填料、网波纹填料等。

按照填料在塔内堆积的方法不同可分为乱堆填料和整砌填料两类。

乱堆填料有颗粒形填料如拉西环、鞍形填料、鲍尔环、阶梯环等作无规则推挤而成；整砌填料则常由规整的填料整齐砌成，也可由拉西环等颗粒填料砌成。

（1）散装填料矩鞍环：对弧鞍形环的改进，主要区别在于将一对弧形面改为矩形面，且内外曲率半径不同，从而避免了容易叠套的缺陷，使床层孔隙率均匀，改善了液体分布性能与拉西环相比液泛点高，压降和传质单元高度较低。

扁环填料：高径比为1:2，取消了阶梯环的翻边，采用内弯弧形筋片来提高填料的强度，在乱堆时能有序排列，流道更合理，压降低。

阶梯环：吸取拉西环的优点又对鲍尔环进行改进，即环的高径比仅为鲍尔环的一半，关在环的一端增加了锥形翻边。

这样减少了气体通量，填料的强度也提高了，由于结构特点，使气液分布均匀。

勒辛环：拉西环的衍生物，在不中增加一隔板，以增大填料的比表面积，与拉西环无本质区别，常用于塔内整砌堆积。

双弧环：结合了开孔环形填料和矩鞍形填料的优点开发出的新型填料，即将矩鞍环的实体变为两面三刀条环形筋，而鞍形内侧成为有两个伸向中央的舌片的开孔环，因为填料层内滞液死区，这种结构有利用液体分布和增加了气体通道。

散堆填料的研究方向主要集中在以下几个方面:散堆填料的自规整化,如QH型扁环填料与鲍尔环比较,其重心降低很多,在塔内装填时,纵向取向几率要大得多,因此填料表面的液膜更加均匀,压降也大幅度地降低,传质效率提高;开发适用于新塔型的散堆填料,如用于硫化填料塔、旋转填料塔等;填料功能复合化,如Koch-Glitsch公司发明了一种内部填充催化剂的鞍形填料用于反应蒸馏[1] ,该填料兼有气液传质和催化反应两种特性,且制造成本低廉;对填料表面加以改进以提高传质效率。

（2）规整填料规整填料塔以其处理能力大、效率高、压降低、能耗小等特点,在填料塔的应用及塔盘的改造中得到广泛的应用。

规整填料上的网孔或波纹便于液膜形成,其波纹的导向性有良好的细分布作用,且使液体的沟流大大减少。

规整填料塔中壁流仍是影响塔内介质反应效率的主要因素之一，特别是填料层过高时尤其如此。

所以掌握塔内的壁流量并设法降低是十分必要的。

Mellapak填料(带孔波纹板,材质不锈钢等,比表面积700m2/m3)是瑞士 Sulzer公司的专利产品 , 它的问世是 20世纪70年代规整填料史上一座重要里程碑[5]。

此后 , 规整填料新品种层出不穷。

近几年瑞士 KUHN I公司的 Rombopak填料 , 德国RASCH IG公司的 Ras2chig - Super pak填料开发应用比较成功。

国内在规整填料方面也有突破 , 如天津大学与英国Ast on大学联合开发的 Unpak脉冲规整填料、天津大学的 Zupak填料、天津博隆科技开发公司的 CH I NAPAK填料等、天津市天进新技术开发公司开发的板花规整填料、清华大学开发的新型复合填料、分层填料等 , 都在工业中取得了成功的应用[ 3～4 ]。

Rombopak填料，该填料是瑞士 KUHN I[4 ]公司 20世纪 80年代研究开发的一种垂直板网类规整填料。

它率先开辟了按照气液最佳流路设计规整填料的新途径。

据悉 , 该填料已推广应用于 400多座塔中 , 最大塔径 4000mm。

Raschig-Superpak填料，该填料是德国 Raschig公司开发的高性能规整填料。

据称 Raschig-Superpak 300在比表面积和分离效率相同的条件下 , 与传统的规整填料相比 , 通量提高了 26% , 压力降降低了33%。

Optiflow填料，瑞士Sulzer公司推出了一种称为高技术产品的一流结构填料(Optiflow)。

这种填料的基本原件是压有横向纹理液流沟糟的菱形薄片 , 并在其中开小孔 ,将菱形片搭成翼轮状 , 由于这种填料有很好的几何结构形式和高度的对称性 , 因而可以显著提高填料的分离技术性能。

2.3填料的选用填料的选用主要根据效率、通量及压降三个重要的性能参数决定。

它们决定了塔的大小及操作费用。

在实际应用中，考虑到塔体的投资，一般选用具有中等比表面积的填料比较经济。

比表面积较小的填料空隙率大，可用于流体高通量、大液量及物料较脏的场合。

在同一塔中，可根据塔中不同高度处两相流量和分离难易而采用多种不同规格的填料。

此外，在选择填料时还应考虑系统的腐蚀性、成膜性和是否含有颗粒等因素来选择不同材料，不同种类的填料。

3.填料塔的内件填料塔的内件是为了保证气液更好的接触，以便发挥填料塔的最大效率和生产能力。

内件主要有填料支承装臵、填料压紧装臵、液体分布装臵、液体收集再分布装臵等。

合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。

3.1填料支承装臵：填料支承装臵安装在填料层底部，其作用是防止填料穿过支承装臵而落下；支承操作时填料层的重量；保证足够的开孔率，使气液两相能自由通过。

支承装臵具备足够的强度及刚度，而且要求结构简单，便于安装，所用的材料耐介质的腐蚀。

常用的填料支承装臵有栅板型、波纹型、孔管型、驼峰型等。

支承装臵的选择，主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流率等。

3.2填料压紧装臵：填料上方安装压紧装臵可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。

填料压紧装臵分为填料压紧器和床层限位器两大类。

3.3液体分布装臵：液体分布器安装由于填料上部，它将液相加料及回流液均匀的分布到填料的表面上，形成液体的初始分布。

液体分布装臵的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。

液体分布器的安装位臵一般高于填料层表面150～300mm，以提供足够的空间让上升气体不受约束的穿过分布器。

[6]3.4液体收集及再分布装臵：液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，这种现象称为壁流。

壁流将导致填料层内气液分布不均，使传质效率下降，严重时使塔心的填料不能被也液体润湿而形成干锥。

为减小壁流现象，可间隔一定高度在填料层内设臵液体再分布装臵。

最简单的液体再分布装臵为截锥式再分布器。

截锥式再分布器结构简单，安装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径小于0.6m的塔中。

在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装臵。

液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。

常用的液体收集器为斜板式液体收集器。

4.填料塔的研究及改进随着化工生产向大型化发展，近来直径超过1m的屡见不鲜，填料塔只适用于小直径的传统观点，正在经受挑战。

因此，人们一直重视填料塔的放大规律，并且把注意力集中在改善气体和液体的分布，以及改进填料的性能两个方面。

一般认为拉西环有较严重的流体分布不良效应，自从出现了鲍尔环、矩鞍形填料和阶梯环之后，近年来又特别重视液体喷淋装臵和再分布器的改进，使填料塔放大的可能性比过去有所提高。

通过对大直径实验塔的测定，证明压降数据与埃克特的通用关联图很相符合，40mm瓷质拉西环乱堆填料的泛点数据也与该图相符合，其他尺寸的几种填料的泛点数据则与图线符合稍差，至于传质单元高度的数据与多数从小塔所得的的关联式计算结果相比，都存在较大误差。

试验还表明大塔的气、液体通过能力、流体力学性能和传质效率均与填料层高度无关，还表明在大直径填料塔中只要液体开始分布均匀，则填料层中流体分布可不受填料层高度的影响。

规整填料比乱堆填料的放大效应要小，因为不是规整填料，如网波透露了等形状本身具有液体再分布的能力。

5.结语填料塔成套设备中，填料和塔内构件的设计和选用相当重要。

特别是液体分布器，能够减少和防止放大效应，从而使填料塔的塔高、塔径减小，造价和操作费用降低。

参考文献[1] 魏建华, 伍昭化, 陈大昌, 等. 高效填料塔成套分离工程[ J ]. 现代化工, 1996, 16 (10) : 29～33.[2] 陈强, 王树楹. 塔器技术的发展现状与展望 [ J ]. 现代化工, 1997, 17 (11) : 16～19.[3] Sher wood T K, Pigford . Abs or p tion and extraction [ J ].McGraw Hill, NY, 1995, 23 (12) : 248～250.[4] Bllingham J F, BonaquistD P, LockettM J . Character2 izati on of the performance of packed distillati on column liquid distributors [A ]. In: I nstitution of Chemical En2 gineers Symposium Series [ C ]. Maastricht : I ChemE, 1997, 142 (2) : 841～851.[5]白鹏, 刘建新, 王世昌. 规整填料塔的设计计算模型 [ J ]. 化工机械, 2001, 28 (4) : 232～236.[6]徐世民, 张艳华, 任艳军. 塔填料及液体分布器 [ J ]. 化学工业与工程, 2006, 23 (1) : 75～80.。