填料塔填料发展现状与趋势

1、.填料塔填料发展现状与趋势xxx （北京化工大学化学工程学院，北京 100029） 摘 要 ：填料塔是化工类企业中最常用的气、液传质设备之一,具有效率高、压降低、持液量小、构造简单、安装容易、 投资少等优点,广泛用于分离操作。而塔填料又是填料塔技术发展的关键。本文论述了国内外塔填料的发展现状及发展趋势,详细介绍了各种新型散堆填料、规整填料结构特点、流体力学性能和传质性能,并比较了各自的优缺点,说明了塔填料在填料塔技术中的重要性。 关键词 ：填料塔；散堆填料；规整填料 引言填料塔具有效率高、压降低、持液量小、构造简单、安装容易、投资少等优点,是石油、化工、化纤、轻工、制药及原子能等工业中广泛应用

2、的气液接触传质设备之一。塔填料是填料塔的核心构件,是气液两相进行热和质交换的场所,它为气液两相间热、质传递提供了有效的相界面。塔填料的性质决定了填料塔的操作,只有性能优良的塔填料再辅以理想的塔内件,才有望构成技术上先进的填料塔。因此,人们对塔填料的研究十分活跃。对塔填料改进与更新的目的在于:改善流体的均匀分布， 提高传递效率,减少流动阻力,增大流体的流量以满足降耗、节能、设备放大、高纯产品制备等各种需要。本文就是对填料塔填料的一个综述。1 塔填料分类及特点 塔填料主要分两大类：散装填料和规整填料。散堆填料是具有一定几何尺寸的颗粒体,在塔内以散堆方式堆积。散堆填料及其塔设备主要用在吸收、解吸、精

3、馏、干燥和萃取等气-液或液-液接触的传质传热过程。近年来一些新型高效散堆填料的出现以及在一些行业的成功应用,说明散堆填料将在某些领域得到新的发展1。另外,国内外最新的研究表明,在液液萃取、液气比很大的吸收和高压精馏情况下,应用散堆填料的操作性能优于规整填料和塔盘2。因此在合成氨的气体净化、石油化工和焦化等领域,散堆填料得到广泛的应用。此外,反应蒸馏、硫化干燥和超重力分离等领域也在使用散堆填料。 规整填料是一种在塔内按均匀几何图形排布、整齐堆砌的填料。规整填料塔以其处理能力大、效率高、压降低、能耗小等特点,在填料塔的应用及塔盘的改造中得到广泛的应用。规整填料塔不仅在一般情况下可提高分离效率,降低

4、能耗,而且尤其适合一些特殊情况,如难分离物系、热敏物系、真空蒸馏等。规整填料上的网孔或波纹便于液膜形成,其波纹的导向性有良好的细分布作用,且使液体的沟流大大减少。规整填料塔中壁流仍是影响塔内介质反应效率的主要因素之一,特别是填料层过高时尤其如此。所以,掌握塔内的壁流量并设法降低是十分必要的。目前规整填料种类多、形状不同、特性各异。但理想的规整填料应具备以下特点：尽可能大的比表面积,填料表面均匀润湿,液膜能不断更新,气流可高度湍动,气、液分布良好,阻力压降小,通量大,操作弹性大,适应性强,放大效应低3。2 最新填料的发展水平及主要性能2.1 散装填料近年来散堆填料的研究方向主要集中在以下几个方面

5、4:散堆填料的自规整化；开发适用于新塔型的散堆填料；填料功能复合化；对填料表面加以改性以提高传质效率；复合填料塔。从近些年的理论和工业开发来看,散堆填料的发展趋势是朝增大空隙率和减少压降、增大比表面积、改善润湿性能以及功能多样化的方向发展。(1) IMPAC填料5 IMPAC填料采用多褶壁面、多层筋片、消除床内死角和单体互相嵌套等技术,所以该填料兼有规整填料和散堆填料之特性。与一般的散堆填料相比通量可以提高10%30%，具有高比表面积,单元传质高度低，无翻边结构,避免了气液滞留，多层翅片,自分布性能优良,故对气液分布器的要求远不如规整填料严格，压降小，单位外形呈扁环,填料单元立放最稳,有利于加

6、强气液湍动,活化内表面，既具有一般散堆填料拆装方便、维修改造灵活的特性,又具有规整填料比表面积大、空隙率高、流体分布均匀的优点。(2)双鞍环填料北京化工大学研发的双鞍环新型填料具有如下特点：双鞍环在结构上属于开孔环、鞍环,既包含环矩鞍的构成,又融入纳特环的构思。由于突破一般填料的对称性,有利于构成较为均衡的床层,提供良好的水力学和传质的硬件条件；双鞍环的基本性能全面优于环矩鞍,负载能力提高约10%,压降减少10%20%,分离效率提高约17%。尤其是传质单元压降减少近40%,这对于塔的节能改造、热敏性物系的分离以及真空精馏设计具有较高的实用价值；在若干技术经济指标的对比上,双鞍环不仅有较高的综合

7、技术指标,而且在节省材耗和提高强度重量比等方面也呈现出较强的经济性,比环矩鞍更具有竞争力。（3）阶梯短环填料阶梯短环填料(Cascade Mini Ring,CMR)与其前身阶梯环相比,高径比从原有的0.5降到0.3。这种看似简单的几何特性却是CMR性能优越的关键。大量试验表明,CMR的性能确实明显优于鲍尔环和筛板塔,其压降约为拉西环的30%,传质系数比拉西环大约提高50%。因此,CMR的应用很广泛,已在近千座工业塔中得到广泛应用。(4)超级扁环填料6 清华大学研制的内弯弧型筋片扁环填料(QU-1型),其结构特点为：采用和传统填料不同的内弯弧型筋片结构,使填料内部的流道更为合理,提高了传质效率

8、,同时这种结构可提高填料的强度；针对液体系轴向混合严重的特点,采用0.20.3的高径比,使填料在乱堆时也能体现一定程度的有序排列,从而降低了阻力,在有效抑制了两相的非理想流动,有助于进一步提高处理能力和传质系数；可根据体系和生产要求,采用多种材质加工制造,且有多种规格,因而选用范围宽,操作弹性大。试验研究和工业应用表明,QH-1型扁环填料具有优异的性能；用于液液萃取时,此填料的性能明显优于鲍尔环、Intalox等填料,轴向混合小,处理能力大,压降小,传质效率提高20% 以上。为进一步提高扁环填料的性能,又开发了新的挠性梅花扁环填料(QH-2型扁环填料),比QH-1型又有所提高。试验表明,与鲍尔

9、环相比, QH-2型扁环填料处理能力约提高15%35%,传质系数约提高15%25%。 近年来,我国还引进和吸收了许多高效、先进的散堆填料。如金属矩鞍环(IMTP)、改进型金属鲍尔环(Hy-PAK)、金属阶梯环、塑料矩鞍环、共轭环、H型网填料等,也较接近理想填料,比规整填料具有更好的自清理能力,不易堵塞。2.2 规整填料规整填料规定了气液流路,改善了沟流和壁流现象,压降小,可以提供更多的比表面积,在同等容积中可以达到更高的传质、传热效果3,7。规整填料的发展大体上经历了3个阶段8:第一阶段是早期出现的规整填料,如斯特曼填料(Stedman Packing)；第二阶段主要是帕纳帕克(Pana-pa

10、k)、古德洛(Goodloe)、海泊费尔(Hyperfil)及栅格(Grid)填料等；第三阶段是麦勒派克(Montzpak)、朗博派克(Rombopak)等。近些年又出现了新型规整填料,如SUPER X-PACK填料9,其特点是压降和接触面积可以通过填料尺寸来调节,在改造传统的精馏塔中获得了良好效果。Mellapak填料(带孔波纹板,材质不锈钢等,比表面积700 m2/m3)的问世是20世纪70年代规整填料史上一座重要里程碑10。此后,规整填料新品种层出不穷。近几年瑞士KUHNI公司的Rombopak填料,德国RASCHIG公司的Ras-chig-Superpak填料开发应用比较成功。国内在规

11、整填料方面也有突破,如天津大学与英国Aston大学联合开发的Unpak脉冲规整填料、天津大学的Zupak填料、天津博隆科技开发公司的CHINAPAK填料等、天津市天进新技术开发公司开发的板花规整填料、清华大学开发的新型复合填料、分层填料等,都在工业中取得了成功的应用11,12。(1) SINOPAK填料 该填料是南京大学开发的波纹型系列无壁流规整填料,采用了专门的防壁流设计。1996年取得中国专利,分离效率比其他普通波纹规整填料高10%25%,综合性能达到或优于国外同类填料产品。(2) Rombopak填料 该填料是瑞士KUHNI13公司20世纪80年代研究开发的一种垂直板网类规整填料。它率先

12、开辟了按照气液最佳流路设计规整填料的新途径。(3) Raschig-Superpak填料该填料是德国Raschig公司开发的高性能规整填料。据称Raschig-Superpak 300在比表面积和分离效率相同的条件下,与传统的规整填料相比,通量提高了26%,压力降降低了33%。(4) SM、SW、SC、SB系列新型规整填料 上海化工研究院国家高效分离塔填料及装置技术研究推广中心于20世纪70年代开发了SC、SB丝网波纹填料系列, 80年代开发了SM系列孔板波纹填料；90年代开发了SW系列网孔波纹填料并取得专利证书。己在国内多座塔器中应用,效果显著。(5) Optiflow填料 瑞士Sulzer

13、公司推出了一种称为高技术产品的一流结构填料(Optiflow)。这种填料的基本原件是压有横向纹理液流沟糟的菱形薄片,并在其中开小孔,将菱形片搭成翼轮状,由于这种填料有很好的几何结构形式和高度的对称性,因而可以显著提高填料的分离技术性能。(6)组片式波纹填料(Zupak)14 Zupak填料是天津大学近年开发的获奖专利产品,目前有两大类8种型号。Zupak填料和相应型号的Mellapak填料相比,比表面积增加10%左右,开孔率增加30%40%,分离效率提高约10%,通量提高20%,压力降降低30%左右。(7)自分布填料和再分布填料自分布填料是将特制的规整填料作为液体再分布器使用的旨在改善液体分布

14、性能的填料,其作用是将多点式或多线式液体分布状态变成多线式或面分布状态,以减少液体分布的端效应。(8)新型复合填料15 清华大学研究开发的新型复合填料是在规整填料基础上采用交错90b排列的水平波纹(PFG)组合而成。PFG本身是一种填料,同时又起到分布器的作用,具有良好的自分布性能。分离效果比规整填料提高15%20%,每米填料的理论板数比同规格的Sulzer填料高15%左右。尤其适合于要求精密分离的精馏塔,特别是高纯度产品的分离。(9)分层填料16在新型复合填料基础上采用一定厚度的复合填料单元体为塔板,形成分层填料塔板。传质效率高、填料用量少、高效低阻,性能优于一般塔板和填料。特别适用于真空精

15、馏工况条件下的高纯度分离。3.结束语近年来石油化工行业高速发展,生产规模趋于大型化,这就要求塔器设备具有高通量、高效率和低压降等优良的综合性能。现代填料塔技术能很好地满足这些要求,不仅在大规模生产中广被采用,而且还有取代板式塔的趋势。现在由于填料的开发成功和一些基础理论研究成果在填料塔工程放大问题上的突破,填料塔大型化带来的放大效应问题得到了一定的解决。因此塔填料今后将从两个方面得到发展17:一是不断开发和应用更简单、更高效的填料,即沿着理想填料的方向发展；二是各种不同种类的填料组成填料复合塔,或组成填料-塔板复合塔。随着一些新型塔板及大通量、低压降、高效规整填料和塔内件的开发应用成功,塔器成

16、套分离工程技术进入了一个崭新阶段。可以预测, 21世纪的塔器分离技术将向行业化、复合化、节能化、大型化方向发展18。 参 考 文 献1 刘乃鸿.塔技术的最新发展与新型填料的开发应用J.石油化工设备, 1991, 20 (2): 4448.2 Cihla Z, Schmidt O Col.l Behavior of liquids tricking through the packing in a cylindrical column J. Czech Chem Comn, 1957, 22 (3): 896897.3 李群生,马文涛,张泽廷.塔填料的研究现状及发展趋势J.化工进展, 2005,

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