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填料塔技术及其应用

摘要：填料塔是化工工业中最常见气液分离设备之一，本文介绍了填料塔的塔型，填料选取，

填料塔内件，及其内部流体力学的模拟，并对填料塔的前景进行展望。

关键字：填料塔； 分离设备； 填料

Abstacat: Packed column is one of the most common liquid-vapor separation equipment in the

chemical industry , In this paper, it has introduced the column type , the packing selected , the packing internals, and its internal fluid dynamics simulation ,of the packed column. It also make a prospect of the packed column.

Key Words: Packed column Separation equiment Packings

塔设备早已广泛用于蒸馏、吸收、解吸、萃取、洗涤冷却等各种过程。塔设备根据结构不同可分为板式塔和填料塔两大类。填料塔可细分为规整填料塔和散堆填料塔。有时也采用混合型填料塔，即在同一座填料塔中，有散堆填料层，也有规整填料层。由于板式塔和填料塔的传质机理不同，故二者的性能有较大的差别。塔性能比较最主要考虑效率、通量、和压降三个因素[1]。塔板的开孔率一般为塔截面积的 8%~15%。时要考虑塔板有效面积和降液管面积的权衡。填料塔的开孔面积大于塔截面积空隙率都在50%以上。其液泛点都较高,故填料塔的生产能力较大。通常塔板的等板高度都大于500mm,即每米理论板数不超过2块,而工业填料塔的当量理论板数可达10块以上。因而填料塔效率较高。一般情况下塔的每块理论板压降塔式板为0.4~1.07kp散堆填料为0.13~0.27kp规整填料为0.0013~0.107kp。压降小有利于节能。

1 塔型的选择

在填料塔设计中，首要的是塔型的选择，填料塔塔型选择的一般原则为[1]：（1）易起泡沫的物系以选用填料塔为宜，填料能使泡沫破裂。而板式塔上泡沫易引起塔的液泛。（2）热敏性物料的分离，尽可能降低塔釜温度，避免由于过热而导致的物料聚集或分解。目前这个物系已普遍采用高效、低压降的规整填料。其压降小、持液量低。（3）对难分离物系，采用热泵技术可节能80%以上，宜采用填料塔难。分离物系的塔顶塔底温度较接近，采用低压降填料，会有更好的节能效果。（4）现有塔器的增产、节能、降耗一般可采用高效填料改造原有塔板，达到与其目标。（5）厂房高度受限场合或精密分离需要很多理论分离级时，应优先考虑采用高效填料塔。（6）对腐蚀性介质，宜采用填料塔，因为填料容易实现用各种防腐材料来制作。（7）粘度较大的物系，选用水力直径较大的填料，而板式塔的传质效率较差。（8）含固体颗粒或污浊的物料，不宜采用填料塔，因为容易将填料通道堵塞。（9）在塔内易产生聚合物，经常需要清洗的塔，以选用板式塔为宜，填料塔易堵，且填料表面的聚合物积聚清理困难。（10）新建项目，一般板式塔造价低于填料塔。只有在高压操作情况下，采用大通量填料，可减小塔径从而使塔壁厚减小。权衡投资比较填料塔的造价有可能低于板式塔，（11）一般而言，板式塔的操作弹性要大于填料塔。规整填料自身的操作弹性较大，但其弹性受制于液体分布器的操作弹性。（12）具有多侧线进料或出料的塔器，板式塔较易实现。填料塔则在每个侧线口必须分段，各填料层之间，都应设置液体收集和再分布装置。

2 填料的选取

规整填料应具备以下特点：（1）压降小；（2）分离效率高;（3）节能，可减小塔径；（4）液体滞留量少；（5）操作弹性大, 适应性强；（6）产品提取率高。

2.1散堆填料

散堆填料是具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，以散堆方式置于塔内。1914年拉西环[3]填料的出现是填料塔的一个重大突破,它结构简单，是一种具有内外表面的环状实壁填料，有较大的表面积，但由于气体通过能力低，阻力也大，液体到达环内部比较困难，因而湿润不易充分，传质效果差，故近年来逐渐被后来出现的其他填料所取代。第二代填料—鲍尔环是一种在环壁上开孔、环内带有舌片的填料。此后又出现了改进型鲍尔环、阶梯环, 特别是阶梯环的高径比为0.3，阻力小，通量大，性能优良。1978年美国Norton公司推出的金属环矩鞍填料集中了开槽填料鲍尔环、鞍型填料、低高径比填料阶梯环三者的优点，具有低压降、高通量、液体分布性能好、传质效率高、操作弹性大等优良性能，在现有的工业散堆填料中占有明显的优势，被称为第三代填料的标志。除此之外, 还有一种高效散堆填料，主要用于沸点非常接近的难分离物系，常用的有θ网环、鞍形网、压延孔环、螺线圈、网带卷等，因为其处理量非常小、价格昂贵, 一般不在工业上应用。表1列出了常见散堆填料（Dg50）的特性数据。 名称 拉西环 鲍尔环 阶梯环 矩鞍环 堆积密度（kg*m） 比表面积(m*m) 430 395 400 291 110 112 109 74 表一 常见散装填料特性数据

2.2 规整填料

规整填料具有成块的规整结构，可在塔内逐层叠放。最早出现的规整填料是由机木板条排列成的栅板，后来也有用金属条或塑料板条做的。栅板填料气流阻力小，传质效果却比较差，现已不用于气液传质设备，但在凉水塔中仍有使用。20世纪60年代以后开发出来的丝网波纹填料和板波纹填料是目前使用比较广泛的规整填料[4]。由于规整填料是一种按照几何图形均匀排布，规整堆砌的填料，它规定了气液走向，很好地解决了发生壁流的可能性，具有比表面积大，空隙率、流通量大、压降小、操作弹性大的优点。

现代规整填料应首推苏尔寿公司。20世纪60年代，该公司开发了金属丝网波纹填料，1977年又推出了板片波纹型的Mellapak填料，1994年又开发了一种结构新颖、多通道的优流规整Optiflow填料, 显示规整填料的研究与开发工作仍在继续。日本三菱商社推出的Mc-pak填料, 多以Mellapak填料为雏形。

我国从20世纪60年代开始对规整填料进行系统的研究研制工作， 已经形成了较为完整的科研生产体系[5-7]。天津大学与英国Aston大学联合开发出了以Unapak命名的脉冲规整填料；天津市天久新技术开发公司开发了高效廉价的板花规整填料，其80型(比表面积

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80m2/m3)的传质效率与MellaPak-350Y型（比表面积350m/m）相当; 天津大学填料塔新技术公司1991年引进了苏尔寿公司的Mellapak自动生产线, 并自主开发了碳钢渗铝板波纹填料; 清华大学和上海化工研究院分别开发了压延板网波纹填料; 中石化洛阳工程公司开发了LH型规整填料。这些成果都在工业生产中取得了成功的应用。天津大学精馏技术国家工程研究中心已在高效填料的基础上开发出新型高效波纹填料—双向波纹填料。它是在金属孔板波纹填料和Intolax散堆填料基础上开发的新一代规整填料，兼有金属孔板波纹填料和Intolax散堆填料的优点，其结构特点是在波纹填料的楞线上按一定间距冲有反向波纹，每一波纹片上形成方向相反、大小不同的波纹组装成填料盘。由于板片上不冲孔，而是开有反

-32-3空隙率(%) 0.95 0.949 0.95 0.95 向波纹环，因此比孔板波纹填料比表面积增加8%~12%，纵向开孔率却比后者大大提高（约40%）。该种填料的传质比表面积大，气、液流路得到优化，横向扩散能力强，并且在抗堵塞能力、刚度、压力降及通过能力方面都大大优于金属孔板波纹填料。

3 塔内件

3.1 液体分布装置

填料塔操作要求液体沿同一塔截面均匀分布。为使液流分布均匀，液体在塔顶的初始分布须均匀。经验表明, 对塔径为750mm以上的塔, 塔截面的喷淋点密度应达到40~ 50个/m2；塔径在750mm以下的塔, 喷淋点密度至少应为160个/m2。性能优良的液体分布器必须满足以下几点：操作可行，液体分布均匀，合适的操作弹性，足够的气流通道。常见的液体喷淋装置按出液推动力可分为重力型和压力型2种；按结构形式可分为槽式、管式、喷射式和盘式等。

3.1.1 孔管式液体分布器

按照结构形式分为排管和环管，常用的是排管，其优点在于结构简单，气流通道大，通道面积可超过70%的塔截面, 造价低廉; 但缺点是喷淋密度要控制在25m3/( m2*h), 操作弹性小, 对于进料要求比较严格[物料中不许有固体杂质、夹带气(汽) 体, 以防介质对孔口的 腐蚀和侵蚀使孔径变大]。 3.1.2孔盘式液体分布器

分为孔盘式和堰盘式2种，液体流动推动力均为重力, 其重要构件有液体分布盘和升气管。该类分布器均布性能优良，操作弹性较高，液体通量大，最大喷淋密度可达到75m3/( m2*h)，气液分流，流动互不干扰; 其不足之处在于结构比较复杂，孔口容易被杂物堵塞。 3.1.3堰槽式液体分布器

由加料管、分流盒和多条相互保持一定间距、平行地布置于塔内的堰槽组成。槽间的空隙处为气流通道，气体自下而上流动, 流体通过进料管经开在分流盒底面的通道，根据一定比例从合适位置加入堰槽，而后经过设置于槽壁上端，于同一水平上的开口堰溢流而下，均匀分布于填料顶层。溢流槽的形状有V形和矩形两种，常用的是V形和矩形两种。其结构特点决定了其喷淋密度要小于孔盘式液体分布器，每平方米塔截面一般只能达到32~43点，且难以均匀分布。 3.2填料压板

最常用的填料压板为栅板形，放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。其作用是防止在高气速和负荷突然波动时，填料出现相对运动，造成气液流动的不均匀。 3.3 填料支撑装置

图一为几种常见填料