填料塔发展与现状

王 闯 张客厅 刘孟杰 刘雪剑 刘明洋

(郑州大学，河南 郑州 450001)

在过程工业领域，由于塔设备具有大通量、低压降、高效率的特点，它被广泛应用于各种分离、提纯、干燥、精馏等工艺操作中。它是整个过程系统中，影响系统效益，决定系统能耗和产品质量的关键设备之一[1]。塔设备主要有板式塔和填料塔两类。填料塔的塔体为一圆筒，筒内放置一定高度填料。操作时，液体从塔体上部进入，通过液体分布器喷洒，在填料表面膜状流动，对于填料高度较高的填料塔，还需要加入液体再分布器进行液体的再收集分布。与传统的板式塔相比，填料塔具有生产能力大、分离效率高、压降小、操作弹性大、持液量小等优点[2]。近年来，人们对填料塔的研究取得了很多实质性突破，尤其是新型高效塔填料和塔内件的开发，使得填料塔在化工企业得到了很好的应用。

1 塔填料

使用填料塔的关键就是要选择合适的填料。气液两厢在填料表面接触，填料提供两相接触的传质表面，还促使液膜不断更新，填料塔在工业上一般有以下标准[3]:(1)填料需要具有高孔隙率和比表面积;(2)填料的几何结构能够为两相提供合适的通道，压降低;(3)填料要具有良好的机械性能，结构简单，制造安装方便，投资少;(4)填料要考虑到系统的腐蚀性、成膜性，在强腐蚀，高温高压情况下能够稳定的使用使用。

填料是填料塔的核心内件，它为气液两相接触的传热传质提供了表面，因此在设计塔时需要适当的选择填料，填料一般分为散装填料和规整填料。

1.1 散堆填料

散堆填料是在塔内以乱堆为主的填料，具有一定的外形结构，每种填料按照不同的结构和材质有不同的规格。散堆填料及其塔设备主要用在吸收、解吸、精馏、干燥和萃取等气液或液-液接触的传质传热过程[4]。1914年拉西环填料是使用最早的人造填料，它是一段高度与直径相等的短管，它的出现是填料塔的一个重大突破，有较大的表面积，结构简单，制造容易，但由于堆积时相邻环之间容易形成线接触、填料层的均匀性差，故逐渐被后来出现的其他填料所取代。鲍尔环属于第二代填料，是在拉西环的基础上发展起来的，鲍尔环是一种在环壁上开孔、环内带有舌片的填料。这种构造提高了环内的空间和表面积，使气液流动阻力大大降低，不会出现拉西环中的偏流和沟流现象。后来相继出现了矩鞍形填料、阶梯环填料等填料。1978年美国Norton公司推出的金属环矩鞍填料被开发出来，这种填料具有类似于开孔环形填料的圆环、环壁开孔和内伸的舌片，是薄的金属板经过冲压支撑，两侧还具有翻边结构，为增加填料的强度和刚度。因为这种填料的这种综合特殊的结构，从而流通量增加、气液的阻力减小、分布更均匀从而提高了传质性能。因此这种填料得到了广泛的使用，尤其是在石化行业的减压蒸馏中。

1.2 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。它是将金属丝网或者多孔板压制成波纹状叠成圆筒形整块放入塔内。由于规整填料按照均匀的几何图形规则整齐的堆砌，相当于认为的规定了填料层中气液两相的流动通道，从而减少了气液两相沿着壁面和填料之间形成的沟道流动的现象，大大降低了压降。规整填料具有以下特点:孔隙率高、通量及操作弹性大、阻力压降小、液体分布均匀、传质效率高，可降低塔径。本文对几种重要的规整填料进行介绍。

板波纹填料的材质包括金属、塑料和陶瓷等等。金属板波纹填料除了结构规则之外，改用表面具有沟纹、小孔的金属板波纹片。相邻的两波纹片间形成通道且流道呈90°交错，对小型塔整盘放入，对大型塔则可以分块装填。

网波纹填料，材料一般用金属，也有塑料与碳纤维制成。金属丝网波纹填料由相互垂直的不锈钢丝网波纹片组合成的规整填料。相邻两片的波纹方向垂直，因此在波纹片之间形成了一个三角形截面的通道，气液两相在流动过程中不断地、有规则的转向，获得较好的很想混合。又因为上下两层填料的板片方向交错90°，气液相经过丝网时相当于又进行一次气液的均匀分布。因此，网波纹填料可以到达很高的分离效率，特别适用于难分离的物系和大型塔中的应用。但是这种填料缺点是造价很高，抗污差，难以清洗。

2 塔内件

填料塔操作要求液体沿同一塔截面均匀分布。为保证气液更好的接触以便发挥填料塔效率和生产力，塔内件的好坏直接影响填料性能的发挥和填料塔的效率。

2.1 液体分布装置

液体分布装置安装于填料塔的上部，将也想均匀分布到填料表面，形成液体的初始分布。对于液相均匀分布的重要性，般对液体分布器的要求包括:自由面积大;分布均匀;有一定合适的操作弹性;结构简单、价格低廉。常用的液体分布装置有很多形式，一般有以下几类分布器，管式液体、槽式、喷洒式和盘式分布器。本文主要对管式和槽式液体分布器进行介绍。

管式液体分布器可分为重力型和压力型，均由进液口、液位管、液体分配管及布液管组成液体进入之后，经过布液管底部的打孔分布在填料层的上方，这种结构即使在风载荷的作用下也不会发生液体的溅出，拥有较高的液体分布质量，易于安装，空间小。

槽式液体分布器是靠液体的重力来分布液体，由主槽和分槽组成。液体在主槽中通过底部的布液孔或侧向的溢流孔进入到各分槽中，再由分槽均匀分布到填料表面。这种分布器主要用于散装填料和较脏的物料的塔设备中。

随着生产规模的大型化，塔设备的制造业出现大型化特点，对液体分布器的开发日益重要，液体分布器的大型化、节能化、抗污能力的提高、操作弹性的增加等都是今后研究的重点。

2.2 气相初始分布器

气体入塔分布装置，对直径小于3m塔并不重要，因为塔径在较小的情况下气体从塔一侧进入，很容易分布均匀，无需设置气体分布器即可满足生产要求。但随着大型填料塔的发展，其进气初始分布器的研究、设计及应用越来越受到重视，尤其在填料高度较低、操作压力较低的填料塔中，进气初始分布器的作用较为重要。填料塔内气体分布的研究尚处于起步阶段，远远没有液体分布的研究时间长，因此气体分布研究不透彻，理论不完善。气体流动性能远较液体为大，气相的横向混合速率至少3倍于液相，在填料层内气体流道的曲折性以及其形状的多变性给研究增加了困难。故研究气体分布器的性能，了解其中气液运动的规律，探索其合理结构并在此基础上开发性能优良的气体分布器，对大型填料塔的合理设计和优质高产，具有重要意义。

3 结语

现在由于化工行业的飞速发展，企业生产规模日趋扩大，在大型化的进程中，填料塔以较为满意的综合性能在化工行业中被越来越多的使用，尤其是20世纪70年代，一些大通量、低压降、高效率填料和塔内件的成功开发及应用使填料塔分离工程技术进入了一个崭新阶段，有取代板式塔的趋势。从近年国内外相关报道来看，填料塔今后的发展有三个方面:一是不断开发和应用更简单、更高效的填料，即通过对塔填料结构的优化、加工方法的开发、表面特性改进和新材料的开发研究，使得流体在填料层的流动更加均匀，传质效率更高、流动阻力更小;第二就是塔内件的发展方向，是研究开发与高效填料相匹配的低压降气液分布系统，设计最经济的气液负荷结构并在材质上改进或更新;第三是复合塔的研究开发，即不同种类的填料(包括各种类型的散装填料和规整填料)组成填料复合塔，而由不同形式塔板所组成填料塔板复合塔这种新的方式将继续被人们大量研究。

[1]张峰，金伟娅，方志明等.填料塔液泛性能的研究现状与发展趋势[J].轻工机械，2012，30(05):104-106.

[2]韩联国，杜刚，杜军峰.填料塔技术的现状与发展趋势[J].中氮肥.2009，06:32-37.

[3]刘真.填料吸收塔设计软件的开发[D].大连:大连理工大学.2012.

[4]晏莱，周三平.现代填料塔技术发展现状与展望[J].化工装备技术.2007，28(03):29-35.

[5]李学斌，李放，陈新等.填料塔中的液体分布器[J].2006，3:44-50.

[6]赵静妮.填料塔技术的现状与发展趋势[J].2002，2，(03):25-28.

[7]徐世民，张艳华，任艳军.填料塔及液体分布器[J].2006，23(01):76-80.