散装填料的发展历程及传质影响因素的分析

2013-11-05吕江平王晓萍金龙

天津化工 2013年3期

吕江平，王晓萍，金龙

（1.兰州石化职业技术学院应用化学工程系，甘肃兰州 730060；2.兰州石化研究院应用分析所，甘肃兰州 730060)

填料塔具有结构简单，安装方便，压降小，处理能力大，耐腐蚀性好等优点，已在石油化工行业广泛应用，并有取代板式塔的趋势。填料是填料塔的核心元件，能够提供气、液两相接触的场所，气、液两相传质效果的好坏与填料的性能有着密切的关系。塔填料自诞生以来发展迅速，特别是20世纪60 年代，随着理论的进步，塔填料朝着散装化和规整化两个方向并行发展[1]，先后出现了各种新型高效的塔填料，并且各具优势。但是，近些年来，无论是散装填料还是规整填料，都出现了停滞不前的状况。

本文根据散装塔填料的发展历程，结合专业知识，经过归纳分析指出，散装填料应朝着：改善填料床层均匀性，加速液体表面更新频率，改进填料对液体的铺展能力等方向发展。而选材合适的球形填料能够满足以上各项要求，是比较理想的散装填料。因此，本文认为，球形填料将成为散装填料的代表。

1 填料的发展历程

散装塔填料是一些具有一定几何形状、规格尺寸的颗粒体,它们以随机方式堆积在塔内，能够完成一定的传质分离任务。

1.1 散装填料的分类

散装填料的分类方法有多种，根据几何形状和结构来划分，有以下几种不同的种类（见表1）。

表1 散装填料几何形状分类[1]

1.2 散装填料的发展历程

散装塔填料的发展大致经历了三个阶段[2]：

1.2.1 初始阶段

这个阶段的填料为焦炭、卵石、瓦砾、铁屑等物体，内部完全封闭，填料本身占据了设备的大部分传质空间，气、液相接触面积小，传质效率低。

1.2.2 发展阶段

1914 年诞生的拉西环、1931 年出现的弧鞍填料，在保证填料外表面积的基础上，开始利用填料的内表面，气、液接触面积明显增加，传质效率大大改善，标志着填料的发展进入了科学的轨道。

1.2.3 成熟阶段

拉西环随机堆放时，会使两个或几个填料个体平行排列，呈线性接触，在这些接触部位，会形成液囊，液体和气体有效接触面积减小；如果几个拉西环并排横置，不但外表面相互重叠，存在液囊，气、液接触面积减小，而且接触部位的液体及拉西环内部的流体几乎处于停滞状态，物质传递主要以分子扩散的方式进行，传递速率很低。

通过在拉西环侧壁错列开窗，将舌叶内弯，相互搭接而形成“鲍尔环”，可使填料内表面气、液充分接触，几乎消除了流体的滞留状况；而且填料间线性接触长度变短，气体通过填料床层的阻力减小，气体通量增大，传质效率提高。可以说，1948 年鲍尔环问世，对于塔填料的发展具有举足轻重的作用[2]。

为了消除线性接触，将鲍尔环一端扩大作成刺叭口，填料个体之间即呈点接触，同时，液体自上向下流动的过程中，在交接点处汇聚—分散—汇聚……，既增加了气、液有效接触面积，又提高了气、液湍流程度和表面更新频率，传质效率显著提高；再将高径比由1.0 缩至0.5，便得到“阶梯环”散装填料。由于高径比缩小，填料重心下移，随机堆放时，填料纵向取向几率增大，可使填料层填充密度均匀，气体分布合理，处理量增加，有利于传质。阶梯环是目前使用的环形填料中性能最为良好的一种[3]。

这一阶段出现的鞍形填料，表面不分内外，气、液体流道呈弧形，有利于液体均匀分布在填料表面，而且能够使液体润湿面积达到最大，但是由于填料一侧封闭，因而气体通量较小。在此填料弧背上开2 个细条，弯成弧形并拉出2 根筋，内弯成爪形，则形成环鞍形填料[4]，它既有弧形通道，有利于液体均匀分布，又有环形截面及侧窗，强度高，阻力小，气体通量大。

环鞍形填料是鞍形和环形填料的结合体，兼备二者的优点，是比较理想的散堆填料。

之后虽然又出现了一些新型的填料，如格型环、阶梯短环、高流环、诺派克环、扁环、共轭环、弹簧丝、莱佛厄派克环、刺孔环等[1]，但改进都不大。到目前为止，几乎所有的散装填料都是从拉西环和弧鞍这两个雏形演变而来的[2]。

1.3 理想散装填料的特点

由散装填料发展历程可以看出，理想的散装填料具备以下特点：①气、液接触表面积大；②填料对液体的铺展性能好；③填料几何形状好，结构开放，床层压降小，气体通量大，流体停滞不动的可能性小；④填料间为点接触有助于液体湍动及表面更新。

这些可以看作是气液传质的内因，要使传质快速稳定地进行还需具备一定的外界条件。

2 散装填料传质的影响因素

2.1 气液传质效率与有效接触面积有关

气体只有在流过液膜间隙的过程中，气液之间才能进行有效的传质和传热。如果液体处于停滞状况，即使有气体掠过液体表面，由于气液湍动程度小，主要依靠分子扩散方式传质，速率很小，因此，只有流动的液膜与气体接触才能进行有效的传质，并且有效接触面积越大，传质效果越好。一般情况下，有效接触面积＜润湿面积＜干填料表面积。

要增大气、液相间的有效接触面积，需满足以下条件：

（1）填料本身比表面积大对于同种类型的填料来说，填料个体尺寸越小，干填料的比表面积越大。

（2）填料对液体的铺展能力强单位体积填料层内，填料对液体的铺展能力强，气、液相间的有效接触面积便可接近于干填料的比表面积。

填料的表面能高有助于液体润湿，为了使液体能在所流经的填料表面充分铺展，填料的表面能需足够大，通常要求填料表面的临界表面张力大于液体的表面张力[1]。采取如下几种措施可增大填料的表面能[1]：a 表面粗糙化：用喷砂、磨砂及溶剂浸泡等方法，使填料的表面形成沟槽或花纹，减小接触角，从而提高表面能；b 化学处理法：利用化学反应使填料表面形成中性亲水层，以增大液体对填料的润湿，或在填料表面发生氧化作用，生成含氧极性基团附着在填料表面，增大表面能；还有等离子处理法，辐射法，喷涂处理法等处理方法。

另外，填料对液体的铺展能力强，一方面可减小液体喷淋量，降低再生装置负荷，节约生产成本。另一方面可减小液膜厚度，增大气体自由流通截面积，能够提高处理能力。液膜薄，填料与液体的作用力大，即使气速较大，也不会将液体吹离填料表面，能够减小液体集聚形成“沟流”的可能性，塔内气液两相流径稳定，有利于平稳操作，提高操作弹性。

2.2 气液传质效率与床层气液分布均匀性有关

填料床层填充不均匀是大型填料塔传质性能下降，即产生放大效应的主要原因。反之，床层横截面上气、液分布均匀，能够减小塔横截面上的浓度梯度，减小径向返混，有利于提高传质效率。

散装填料随机堆积排列，从少量填料来看，显得杂乱无章。但如果考察的数量足够大，如对于一定高度的填料层，则不论是床层的压强降，还是液体分布的均匀度都会呈现出一定的规律性。这正如分子热运动，单个来看毫无规则，但考察某个分子集团，则存在各向同性，能量均分的特点。因此，出现散装填料床层气液分布不均的现象，作者认为主要是由于填料数量不足造成的。只要数目足够大，气液分布均匀度便可得到改善，可基本消除“壁流”、“沟流”等不正常现象。目前已公认“为了减小壁流、沟流现象，应使塔径与填料个体当量直径之比大于8～10，对于几何形状差的拉西环填料，此值为20[3]。陈敏恒等[5]学者认为，工业上大型填料塔以取D/d＞30 为宜。

填料数目受到塔高、塔径和填料自身规格尺寸的限制。在塔高、塔径确定的情况下，缩小填料高径比是改进填料尺寸的一项有力措施[2]。研究表明，适当降低乱堆填料的长径比，使其按一定规律排列（规整化），可提高传质效率[6]。阶梯环由高径比为1 的鲍尔环降到0.5，性能有了明显提高[3]。20 世纪80 年代中期，美国Glitsch 公司对阶梯环作了改进，将高径比下调至0.3，称为CMR 填料，此项改进使填料层的堆积密度更加均匀，更有利于液体均匀分布，传质效率提高，阻力减小[2]。有文章报道[7]，CMR 填料压降约为拉西环的30%，传质系数比拉西环提高大约50%。有人进一步对不同高径比的环形填料进行对比研究，得出结论：高径比越小，传质效率越高[8]。

由此可见，缩小填料尺寸有利于床层堆积均匀，提高传质效率。但同时会带来阻力增加的后果，因此所用填料个体通透性应足够大。

3 讨论

综上所述，改善填料的表面性能，提高其对液体润湿能力，减小填料尺寸以改善填料床层的堆积均匀性，改进填料个体之间接触点的数目，加快液体表面更新频率，是散装填料发展的方向。这主要由填料的几何结构所决定。

由于自身结构限制，流经环形填料的液体自分布能力较差，鞍形填料的气体通量较小，环鞍结合，综合两者的优势，开发新式填料，成为近年来填料研究的一个出发点。

成功的范例有：金属环矩鞍、纳特环等环鞍形填料。环鞍形填料虽然具有液体分布均匀，气体通量大的优点，但由于环鞍形填料容易产生架桥、空穴，导致床层填充密度不均，影响了填料塔传质的整体效果。

球形填料各个方向尺寸相等，不会产生架桥、空穴等现象。相对而言，数量不多的球形填料便可使床层填充均匀；另外，球形填料个体之间为严格的点接触，接触点不仅多而且分布均匀，通过增加填料个体间接触点的数量，能够加大液体汇集-分散的次数，减小液体停滞现象，使得流动的液膜发生突变性混合，加速液体表面更新。

与鞍形填料类似，气液两相在球形填料内的流道为弧形，有利于液体均匀分布，提高液体铺展能力；球体内部采取措施可使流道方向一致，既能减小阻力，又能保证流向稳定，从而具有一定的“规整性”。整体来看，气体自下向上运动，曲折上升，不会走水平路径，而且空隙孔径逐渐扩大或缩小，与脉冲填料类似，既能减小阻力损失，又能使流速发生变化，有利于提高流体湍动程度，减小液膜厚度，提高传质效果。