填料塔的發(fā)展情況

　　70年代以前，在大型塔器中，板式塔占有**優(yōu)勢，出現(xiàn)過許多新型塔板［1］。70年代初能源危機的出現(xiàn)，突出了節(jié)能問題。隨著石油化工的發(fā)展，填料塔日益受到人們的重視，此后的20多年間，填料塔技術有了長足的進步，涌現(xiàn)出不少高效填料與新型塔內件，特別是新型高效規(guī)整填料的不斷開發(fā)與應用，沖擊了蒸餾設備以板式塔為主的局面，且大有取代板式塔的趨勢［2，3］。*大直徑規(guī)整填料塔已達14～20m［4］，結束了填料塔只適用于小直徑塔的歷史。這標志著填料塔的塔填料、塔內件及填料塔本身的綜合設計技術進入了一個新階段［2］。圖1是規(guī)整填料的發(fā)展歷史示圖?？v觀填料塔的發(fā)展，可以看出，直至80年代末，新型填料的研究始終十分活躍，尤其是新型規(guī)整填料不斷涌現(xiàn)，所以當時有人說是規(guī)整填料的世界［5］。但就其整體來說，塔填料結構的研究又始終是沿著2個方面進行的，即同步開發(fā)散堆填料與規(guī)整填料。另一個研究方向是進行填料材質的更換，以適應不同工藝要求，提高塔內氣液兩相間的傳質效果，以及對填料表面進行適當處理(包括在板片上碾壓細紋或麻點，在板片上粘接石英砂，表面化學改性等)，以改變液相在填料表面的潤濕性［4，6］。

　　圖1規(guī)整填料發(fā)展歷史

　　但從ACHEMA’94和ACHEMA’97兩屆展覽會展出情況來看，進入90年代后，填料的發(fā)展較慢，仿佛進入一個相對穩(wěn)定期，或者說是處于鞏固階段。如1994年展出的*具代表性的產品仍是Sulzer公司1991年展出的Optiflow規(guī)整填料，而1997年也只展出了1種新型填料的幾何形狀，即Raschig公司的Supekpak300型板式規(guī)整填料，其余都是一些老填料的新改進(如Rombopak改進型填料)。填料領域*多的發(fā)展還是在氣液分布器方面［7］。國外大公司對液體分布裝置的研究較成熟，但對氣體分布器的研究是幾年前才起步的［5］。與此相反的是，近五六年來，塔器中板式塔技術卻又有了明顯的進步［8］。

　　盡管如此，新型填料的開發(fā)與應用仍將會有發(fā)展，其重點亦仍是規(guī)整填料［3］。預計今后填料塔的發(fā)展仍應歸結到以下3個方面：①新型填料及塔內件的開發(fā)。②填料塔的性能研究。③填料塔的工業(yè)應用［3］。

　　1幾種新型填料介紹

　　80年代后期和90年代初期，國外還是推出了一些高效新型填料，數(shù)量上雖不是很多，但也還有特色。

　　(1)散堆填料Envicon公司的新型Mc-Pac環(huán)金屬填料，有30mm×15mm和65mm×30mm這2種尺寸。據(jù)制造商介紹，與50mm鮑爾環(huán)相比，其較大型號的效率提高40%，壓降減小60%［9］。Raschig公司的Raschig-Super-Ring塑料環(huán)，按照該公司的介紹，與50mm塑料鮑爾環(huán)相比，它的壓力損失減少了70%，負荷能力提高了50%［9］。Lantc公司的Q-pacMetalHybridPacking(混合填料)，具有規(guī)整填料的效率和能力，又有散堆填料的經濟性和通用性，能降低HETP(理論塔板等效高度)30%以上，壓力損失減少40%［10］。Lantc公司的IMPAC工藝塔填料，其傳質效率比Intalox高出30%以上，其優(yōu)良的綜合性能在現(xiàn)代散堆填料領域內一枝獨秀，對于精密分離、熱敏物系和節(jié)能改造十分有利［11］。Lantc公司的IMPAC冷卻塔填料，具有良好的水滴分散性能和自分布性能，每m3有多達5萬個的水滴。與現(xiàn)有填料相比，效率可提高40%以上，具有長達10年的使用壽命，有效地降低了操作成本［11］。Lantc公司的LANPAC環(huán)保塔填料，與其他尺寸相同的填料相比，它可更有效地降低壓降，提高傳質效率，且現(xiàn)場作業(yè)證明不堵塞［12］。Koch公司的K4GTM高效填料，自稱是從拉西環(huán)算起，鮑爾環(huán)是**代，從前的其他各種散堆高效填料是第三代，它是第四代**個散堆填料，具有更低的壓降和非常高的分離能力，經美國得克薩斯州大學能量研究中心試驗證明，其能力可比鮑爾環(huán)提高15%，該公司稱其是目前*先進的散堆填料之一。此外，還有日本的M-pak環(huán)和Koch公司的K-pak環(huán)。

　　(2)規(guī)整填料Sulzer公司的Katapak化學反應器用填料，是以雙層絲網制成的波紋填料，在絲網的夾層內裝有催化劑［5］。Sulzer公司的Optiflow規(guī)整填料，具有獨特的結構，由薄板片沖壓折疊和組裝而成，它改變了液相在Mellapak板渡填料表面上穩(wěn)定流過較長距離的傳統(tǒng)模式，通過曲折而不斷改變方向的板片，促進液相的分散-聚合-再分散循環(huán)，保證與氣相的良好接觸，并使傳質表面不斷更新。它綜合了規(guī)整填料和散堆填料的優(yōu)點，既具有很高的效率，又具有極大的通量。據(jù)稱，與常規(guī)塔板和填料相比，在相同的分離效率條件下，處理能力可提高20%～25%，而在相同的處理能力情況下，傳質效率可提高50%［13］。Raschig公司的Supekpak300型板式規(guī)整填料的比表面積為300m2/m3。根據(jù)制造商提供的數(shù)據(jù)，與迄今在比表面上可相比擬的填料相比，它的負荷能力提高26%，壓力損耗降低33%。日本三菱商事(株)的Mc-pak規(guī)整填料，分為絲網和板材2類，絲網500目，比表面積為1000m2／m3。板材類有250S、350S、500S和500SL共4種，比表面積分別為250m2／m3、350m2／m3、500m2／m3，其中500SL為高液負荷和低壓降型?？偟奶攸c是壓力損耗小，操作范圍寬，HETP小，操作彈性大［14］。Schott公司的Durapack玻璃纖維規(guī)整填料，是該公司的**產品，為高抗腐產品，具有高通量、低壓降及良好的分離性能。比表面積為280m2／m3和400m2／m3。空隙率分別為80%和72%，網紋表面分為粗糙表面和光滑表面，裝入DN100～DN1000mm的塔內［15］。此外，瑞土Kühni公司還將Rombopak系列擴展到12M型。它的比表面積為450m2/m3。制造商在一個內徑為DN50mm的實驗塔內用氯苯/乙苯試驗體系在6600Pa壓力下測得：當F因子為0.5Pa時，為10塊理論塔板；當F因子為2Pa時，為7塊理論塔板。Montz公司提供了他們的鉭質Montz-PakA300型填料，它的板厚為0.05mm［9］。Nutter公司生產的BSH規(guī)整鎮(zhèn)料是介于網、板填料之間的新型高效填料，它獨特的可膨脹金屬織物結構彌補了金屬絲網和片狀金屬規(guī)整填料間的差距。BSH織物結構的毛細管作用，使填料在任何操作工況下都具有*高的傳質效率。填料的開口處可保證填料有效表面不斷更新和填料兩邊液體的交換，達到*佳的氣液接觸和分離效果，其比表面積高達500m2/m3，可滿足任何分離工藝需要。它典型應用在煉油廠的粗餾塔、反應蒸餾、空氣分離和制藥化學塔［16］。BSH填料配用Nutter公司**液體分布器等全部塔內件，理論塔板數(shù)高、HETP低、壓降小。

　　2填料塔應用新領域

　　隨著新型塔填料的相繼開發(fā)和應用，填料塔的優(yōu)點更顯突出，應用范圍日益擴大［6］。在煉油、石油化工、精細化工、化肥、制藥和原子能工業(yè)部門，以及環(huán)保領域的應用已趨于成熟［5］。填料塔尤其適用于真空蒸餾、常壓及中壓下的蒸餾，當然還有大氣量的兩相接觸過程(如氣體的吸收、冷卻等)［4］，但在高壓精餾塔中應用時要特別謹慎［5］。人們正在對高壓精餾填料塔進行研究，企圖從填料塔的結構和操作方法上予以解決，例如有人提出填料層分段乳化操作或采用超重力場分離等［3］。近年來在突破高壓精餾塔應用填料的局限性方面已取得了一些進展，其關鍵是徹底弄清高壓(高液相負荷)對塔的處理能力和效率的影響，可利用淺床層和高性能塔構件(如氣體分布器、液體分布器及再分布器)［13］。也有人建議開發(fā)適用于高壓蒸餾的組合式填料［17］。

　　填料塔應用的另一個新領域是空氣分離裝置。30年代以前的空分設備，主要是滿足焊接、切割用氧及化工用氮。由于現(xiàn)代鋼鐵、氮肥、化工及火箭等技術的發(fā)展，氧、氮及稀有氣體的用量迅速增加。國外一些大公司，如德國的Linde公司，美國的APCI公司(空氣制品與化學品公司)、英國的BOC公司(氧氣公司)和法國的空氣液化公司等，均已開始把填料塔應用于空分方面的研究，瑞士Sulzer公司作為填料生產廠商與上述公司積極合作，已取得可喜成績［5］。

　　空分裝置中規(guī)整填料的另一個用途是在粗氬塔中使用［1］。過去的粗氬塔為篩板塔，無法得到氧含量小于2×10-6的純氬。改用填料塔，便可取消過去生產純氬產品時使用的下游工藝［5］。

　　3填料塔設計新發(fā)展

　　(1)復合填料塔人們發(fā)現(xiàn)，為了滿足塔器技術改造和高壓蒸餾的需要，應根據(jù)塔內各段的不同分離要求和兩相負荷沿塔高的分布，選用不同類型的*合適的填料，并優(yōu)選其結構參數(shù)，組成復合填料塔，再匹配以高效塔內件(氣／液分布器、填料支承和液體再分布器等)，以強化氣液兩相間的傳質過程，提高塔的處理能力和分離效率。同時，人們也著眼開發(fā)適用于高壓蒸餾用的組合式填料，即分布填料、傳質填料和隔離填料的組合，從而用盡可能少的塔內件，在提高效率與通量的基礎上，降低塔的造價［17］。

　　(2)流化床填料塔在一些環(huán)境工程工藝中，懸浮于氣相和液相中的固體顆粒有時會堵塞填料床，解決的辦法是采用流態(tài)化填料床。

　　盡管流態(tài)化能實現(xiàn)更高的氣流速率和傳質速率，但因為缺少設計關聯(lián)式，且底部的格柵有時會伴隨產生高壓力降，故要使填料床均勻流化有不少困難，因而過去人們在將其應用于工業(yè)規(guī)模的填料塔方面，一直徘徊不前。

　　近年來，國外推出一種EUROMATIC填料，為塑料橢球形空心薄壁填料，尺寸為30mm、50mm、110mm，它的開發(fā)促使人們對流態(tài)化填料床的研究更加深入。由于這種填料的性能特點，預計其在工業(yè)中的應用前景光明。

　　流態(tài)化床層的設計，是將空心橢球填料擱置在支撐格柵上，上方安置壓環(huán)、液體分布器和除沫器。液相由除沫器下方送入，由塔底排出，而氣相由支撐擱柵下方進入，由塔頂排出。流化狀態(tài)在壓環(huán)與支撐擱柵之間進行。作用于氣體、液體和填料間的剪切力使流經空隙的氣流產生壓降，當壓降與單位橫截面積上的填料和液體的質量平衡時，填料床就開始膨脹，這就是初始流態(tài)化。當氣流速率高于平衡態(tài)速率時，填料床松散且填料元件自由流動，可使傳質的界面面積隨之更新。

　　實踐證明，由于填料床隨著氣體流速的增加繼續(xù)膨脹，因此避免了高的局部流速，并且壓降幾乎保持恒定。而當氣相負荷高于初始流態(tài)化的氣相負荷時，床層由于在較高氣相負荷時填料元件的運動，在氣流速率增加的條件下，傳質效率幾乎保持恒定