现代化学工业中填料塔技术的应用

姜 波 陈 杰

（浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310012）

0 前言

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。易产生聚合物处采用散堆填料层，便于清理维修。物料干净、要求高效率时往往选择规整填料层。普通板式塔属于逐级接触逆流操作，气相为分散相，液相为连续相。其传质是通过上升气流穿过塔板，与塔板上液体接触来实现。一般填料塔属于连续接触逆流操作，填料充满塔内有效空间，气相为连续相，液相为分散相。液体沿填料表面流下，与上升气体接触，在填料表面实现传质。

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，最主要的是考虑效率、通量和压降3个因素。塔板的开孔率一般为塔截面积的8％～15％，设计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50％塔截面积，空隙率都在90％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0.4～1.07kPa，散堆填料为0.13～0.27kPa，规整填料为0.0013～0.107kPa。压降小有利于节能。

1 塔型的选择

在塔设备设计时，首先遇到塔型选择的问题。选择填料塔的一般原则为：

（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。要求填料塔操作弹性大，分布器则要做特殊设计。

（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。

工业生产中塔型的比较和选择是较为复杂的问题，它直接影响分离任务的完成、设备投资以及操作费用。设计时需要对板式塔和填料塔的性能有个全面的认识。表1列出了塔型选择参考表［1］，由于选型的影响因素很多，故此表仅供参考。

表1 塔型选择参考表

2 填料的选取

填料塔为了实现高效的的传质过程，要求气、液两相流体在塔内任意截面上都能均匀分布。而其中填料的选取是否恰当，直接影响着塔的传质分离性能。

2.1 散堆填料

散堆填料是具有不同形状的几何体，在填料塔内以散堆形式堆积。散堆填料主要用在精馏、萃取、干燥、吸收、解吸等液/液或气/液接触的传质、传热过程。近年来发展的一些新型高效散装填料，成功应用于空气分离装置，烟气脱硫等新兴领域。最新科研成果发现，在液/液萃取、液气比较大的高压精馏及吸收条件下，散堆填料的应用性能较优于塔盘及规整填料。基于此，散装填料在石油化工、焦化及合成氨的气体净化处理等领域，得到了较广的应用。散装填料也应用于硫化干燥、反应蒸馏及超重力分离等多个领域。

2.1.1 MPAC填料

MPAC填料最先由美国著名的Lantc公司发明，MPAC填料同时具有环、扁、鞍的构造。因此可以将该填料视为多个Intalox填料组合构成，MPAC填料采用多皱壁面、多层筋片、消灭填料床内死区及单元嵌套等技术，该填料也具备了规整填料的某些性能。

该填料与一般填料相比，通量可提高10％～30％；单元传质高度下降5％～35％；压降可降低5％～15％；同时具有比表面积大、空隙率高、自分布性能优良、气液湍动能力强、安装、维修方便等特点。

2.1.2 阶梯短环填料

阶梯短环填料（C.M.R）是美国著名的Glitsch公司开发及推广的一种散堆填料。该填料由普通阶梯环演变而来，但与之相比，C.M.R高/径比由0.5减到了0.3。填料几何尺寸的改变，带来了性能的明显提升，显著领先于传统的筛板塔与鲍尔环。与拉西环相比，C.M.R压降比拉西环减小70％。传质系数提高了50％。

2.1.3 超级扁环填料［2］

内弯弧形扁环填料（QH－1型扁环填料［3］）是有我国清华大学开发成功的。其结构特点如下：（a）与常规的填料相比，该填料采用内弯弧形筋片形式的特异结构，该构造使得填料内部流径更加合理，增强了填料刚度，且提高了内部流体传质、传热效率；（b）填料高径比0.2～0.3，使得填料在乱堆时堆放有序，降低流阻，提高传质系数，增强处理能力。该填料处理液/液萃取过程，性能较鲍尔环、Intalox等填料显著提高，传质效率提升近20％以上。

在QH－1型扁环填料基础上，清华大学进一步发展出QH－2型扁环填料，其型性能更优异。参照传统鲍尔环，QH－2型填料处理能力提升15％～35％，传质系数提高15％～25％。

2.1.4 双鞍环填料

此填料由国内北京化工大学开发成功，与环矩鞍相比，该填料处理能力提升10％，压力降下降10％～20％，分离性能升高约15％，特别是传质单元的压力降仅为原来的60％。这些性能对于对热敏感产品的分镏和真空精镏都有很强的应用价值。

除上述几种散装填料外，近年来，国内还购买、研发了多种高性能的填料，例如金属阶梯环、改进型金属鲍尔环（Hy－PAK）、金属矩鞍环（M.T.P）、共轭环、塑料鞍矩环等，这类填料都有着特异性的结构及性能。在不同的分离要求操作工况得到应用。

2.2 规整填料

规整填料的发展主要在20世纪60年代以后，著名的规整填料有Sulzer公司的Mellapak填料，原美国Glitsch公司的Gempak等。国内天津大学的双波板波纹填料［4］；思瑞迪精馏公司的导向板波纹填料［5］也都是对规整填料发展具有重大贡献的产品。

2.2.1 单向斜波填料

填料构造特点为：单向波纹、倾斜流道、斜交错排布，旋转90°安装。填料特性：阻力小、处理量大、分离效率高。250Y的单向斜波填料，1 m填料相当于2～3块理论板，压力降为0.1～0.3kPa。

该类填料国外的有：Mellapak，Flexipac，Gempak，Montzpak，Ralupak。

该类填料国内也在发展，例如我国的天大天久的JKB系列波纹填料、上海化工研究院的SM系列波纹填料、南京大学的SP系列波纹填料等。

2.2.2 双向斜波填料

填料构造特点为：双向波纹、倾斜流道、斜交错排布、旋转90°安装。填料特性：相比对应的单向斜波填料，达到相同分离要求的条件下，流道增加≥20％，压降减小≥30％。

该类填料国外的有：Intalox Structured Packing，Rasching Super－pak。

该类填料国内也在发展，例如Dapak，Zupak［6］等。

2.2.3 单向曲波填料

填料构造特点为：单向波纹、弯曲流道、斜交错排布、旋转90°安装。填料特性：相比对应的单向斜波填料，在分离效率稍许降低时，填料处理的通量能够增加20％～30％。

该类填料国外的有：Mellapakplus，Flexipac HC，Montzpak type M等。

2.2.4 双向曲波填料

该填料构造特点为：双向波纹、弯曲流道、斜交错排布、旋转90°安装。填料特性：

相比对应的单向斜波填料，在分离效率稍许降低时，填料处理的通量能够增加20％～30％。

该填料又称为Zhaopak［7］。与目前其他产品对比，填料达到世界先进水平，是具重要价值的的规整填料之一。

2.3 散堆/规整填料选择依据

H.Z.Kister等［8］在大量工业数据和试验基础上，对散堆填料和规整填料作了评估，评估以流动参数FP为基准，比较了流动参数在不同范围时的情况。流动参数用式（2-1）表示：

式中L，G分别为塔内液相和气相流率，kg/h；PG，PL分别为塔内液相和气相密度，kg/m3。

流动参数的物理意义是液相与气相动能之比的根号，常被用来做液量或压力影响的参数。当FP＜0.03时，处于真空或低液量操作；当FP＞0.3时，是处于高压或高液量操作。

Kister等人［8］对散堆填料和规整填料的比较均在最佳设计条件下进行实测，被比较的散堆填料的公称尺寸为50mm和65mm，规整填料的比表面积是200m2/g。对分离效率和处理能力的比较结果归纳如表2：

表2 塔不同类型填料塔性能评估

当FP为0.02～0.1时：

（1）散堆填料同塔板具有基本相同的分离效率和处理能力。

（2）规整填料分离效率高于散堆填料约50％。

（3）当FP从0.02到0.1增长时，规整填料与散堆填料比，处理能力的优越性从高出30％～40％降到相同水平。

当FP从0.1～0.3时：

（1）规整填料的处理能力和散堆填料相同。

（2）当FP从0.1到0.3增长时，规整填料与散堆填料相比，分离效率从高出50％下降到高出20％。当FP从0.3～0.5时：

（1）散堆填料和规整填料的分离效率及处理能力均随FP的增加而降低。

（2）规整填料的处理能力和分离效率下降速度最快，而散堆填料则最缓慢。

（3）当FP为0.5及压力为绝压2.76MPa时，散堆填料的分离效率和处理能力最高，而规整填料最低。

利用FP作为不同填料的选择依据，可以作为设计工作中的一种重要参考方法。但工业生产中对于填料选型的影响因素很多，需联系实际，结合各种因素综合考虑。

3 液体分布器的选择

液体分布器是保证液体在塔顶初始分布均匀的重要装置。没有好的液体分布器，再好的填料也不能发挥其性能，初始液体分布不均，等同于损失了一段填料层高度。

除了传统的管式、盘式液体分布器，近年来发展了几种新型的液体分布器。

3.1 多级槽式液体分布器

该液体分布器广泛应用于大尺寸填料塔，结构常选用带垂直液体分布板形式，根据其支承类型可概括成三类形式［9］：（1）压圈托槽式；（2）悬槽式；（3）埋藏梁托槽式。国内外当前使用较多的是悬槽式液体分布器，归因于填料堆积的变化不影响该液体分布器出液孔的水平度。

3.2 槽盘式液体分布器

该液体分布器是天大多年研究的成果。分布器结构组件分为5部分：改良的液体管、长方形气体管、V型液体挡板、盖板及连接组件等。该液体分布器目前发展出3种组成结构［10］：（1）全可拆型；（2）局部可拆型；（3）不可拆型。

该液体分布器优点在于在分布器内部增设了自动清污功能，对于易堵物料的处理能力加强。与普通槽式或盘式液体分布器相比，该分布器性能更加优异：抗堵塞能力强、液沫夹带少、气液分布均匀。

3.3 托盘式液体分布器

该液体分布器基于槽盘式发展而来，分布器尺寸小于塔内径，每个分布器的规格参数均需由液体喷淋分布点的需要决定。在槽盘式液体分布器的收集槽上方增设了一个梅花型挡圈，用来汇集壁流流体。使塔内贴近塔壁的环形区域不仅可以通气，又可以排布液体喷淋分布点的大通道。由此既提高了塔的分离效率，又增加了塔的允许通量。

4 气体初始分布器的选取

随着填料塔变得越来越大，传统的简单气体初始分布器已经不能满足现实需要。尤其在低/常/减压操作的大型填料塔，气体初始分布器对于气液均匀接触的作用尤为重要。

填料塔内气体分布的研究目前处于比较初级的阶段，对于其分布机理还未有透彻研究。故进一步深入探讨填料塔内气液接触规律、建立气体分布器流场模型，进而开发性能优异的气体初始分布器，对于增进填料塔的整体性能的提升，都是极具可研及经济价值的。

5 结束语

填料塔今后的发展方向有两个，一个方面是继续研究、开发结构简单、性能优异的填料，即走理想塔填料的路子。理想塔填料的概念就是需要填料满足传质高效、通量大、阻力小和成本低的要求。另一个方面就是发展塔内件，像上述的液体分布/再分布器、气体分布器，这亦是填料塔水平提升的核心技术之一。只有了解了填料塔的这类技术差异及发展，才能作出合理选择，作用于实际工业化成果中，才能设计制造出工艺先进、价格低廉的填料塔系统。这也是化工设计院需要吸收、掌握的必要技术之一。

［1］王树楹.现代填料塔技术指南［M］.北京：中国石化出版社，1998.

［2］张泽廷，王树楹，余国琮.填料塔液相混合的研究（II）二维扩散模型［J］.化工学报.1988（3）：292-298.

［3］孙兰义，费维扬，郭庆丰.QH－1型扁环填料用于高液气比操作时的性能研究［J］.化学工程，2001，29（2）：7-12.

［4］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.

［5］褚雅志，朱炳根.导向板波纹填料：CN，ZL02258427.7［P］.2003-10-8.

［6］周伟，梁泰安，于长江，等.组片式波纹填料：CN，95217757.9［P］.1996-16-29.

［7］赵汝文，金浩禹，王立，等.弯曲导流波纹填料：CN，00250247.X［P］.2001-09-12.

［8］Kister H Z，Larson K F，Yanagi T.How do trays and packings stack up［J］.Chem Eng Progr，1994，90（2）：23-32.

［9］张敏华，吕惠生，李海平，等.高分布性液体分布器：CN，2625021［P］.2003-06-04.

［10］陈大昌，魏建华，刘乃鸿，等.塔填料的工业应用及评价［J］.化学工程，1995，23（3）：15-23.