填料塔技術及其工業(yè)化應用

羅 娟

新疆石河子職業(yè)技術學院，新疆石河子 832000

填料塔技術及其工業(yè)化應用

羅 娟

新疆石河子職業(yè)技術學院，新疆石河子 832000

填料塔是一種重要的化工設備，也是化工工藝實驗經常使用的設備之一。本文簡要探討了填料塔的作用機理和塔填料，并對填料塔的工業(yè)化應用做了簡要介紹。

填料塔；塔填料；工業(yè)化

0 引言

塔設備類型較多，是化工、石油化工和煉油生產中最重要的設備之一。它可使氣液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際傳質及傳熱的目的?？稍谒O備中完成常見的比如精餾、吸收、解吸和萃取等的單元操作。填料塔是塔設備的一種，塔內填充適當高度的填料，以增加兩種流體間的接觸表面。例如：應用于氣體吸收時，液體由塔的上部通過分布器進入，沿填料表面下降。氣體則由塔的下部通過填料孔隙逆流而上，與液體密切接觸而相互作用。結構較簡單，檢修較方便。可廣泛應用于氣體吸收、蒸餾、萃取等操作。

1 填料塔的作用機理和特點

填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經氣體分布裝置（小直徑塔一般不設氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質設備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。

當液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現象稱為壁流。壁流效應造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質效率下降。因此，當填料層較高時，需要進行分段，中間設置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經液體收集器收集后，送到液體再分布器，經重新分布后噴淋到下層填料上。

填料塔具有生產能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點。填料塔也有一些不足之處，如填料造價高；當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側線進料和出料等復雜精餾不太適合等。

2 塔填料及其種類

填料泛指被填充于其他物體中的物料。在化學工程中，填料指裝于填充塔內的惰性固體物料，例如鮑爾環(huán)和拉西環(huán)等，其作用是增大氣液的接觸面，使其相互強烈混合。在化工產品中，填料又稱填充劑，是指用以改善加工性能、制品力學性能并（或）降低成本的固體物料。

2.1 散堆填料

散堆填料是具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，以散堆方式置于塔內。1914年拉西環(huán)填料的出現是填料塔的一個重大突破，它結構簡單是一種具有內外表面的環(huán)狀實壁填料，有較大的表面積，但由于氣體通過能力低，阻力也大，液體到達環(huán)內部比較困難，因而濕潤不充分，傳質效果差，故近年來逐漸被后來出現的其他填料所取代。第二代填料——鮑爾環(huán)是一種在環(huán)壁上開孔、環(huán)內帶有舌片的填料。此后又出現了改進型鮑爾環(huán)、階梯環(huán)，特別是階梯環(huán)的高徑比為0.3，阻力小，通量大，性能優(yōu)良。1978年美國Norton公司推出的金屬環(huán)矩鞍填料集中了開槽填料鮑爾環(huán)、鞍型填料、低高徑比填料階梯環(huán)三者的優(yōu)點，具有低壓降、高通量、液體分布性能好、傳質效率高、操作彈性大等優(yōu)良性能，在現有的工業(yè)散堆填料中占有明顯的優(yōu)勢，被稱為第三代填料的標志。除此之外，還有一種高效散堆填料，主要用于沸點非常接近的難分離物系，但其處理量非常小、價格昂貴，一般不在工業(yè)上應用。

2.2 規(guī)整填料

規(guī)整填料是按一定的幾何構形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據其幾何結構可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。目前，規(guī)整填料種類多、形狀不同、特性各異，理想的規(guī)整填料應具備阻力壓降小、分離效率高、通量大、操作彈性大、適應性強、放大效應低等的特點。

3 填料塔的應用

目前，蒸餾裝置的發(fā)展趨勢是現代填料塔逐步取代傳統(tǒng)填料塔，且部分取代大型板式塔。大型填料塔共有5大關鍵部件：高效填料、液體分布器、氣體分布器、進氣初始分布器和支承結構。填料塔的直徑增大以后，其效率就會下降，產生所謂的 “放大效應”，填料塔大型化的難點在于如何解決好放大效應問題以及長周期運轉的堵塞問題。目前填料塔技術大型化存在的問題包括大型化發(fā)展帶來的氣液分布、流體力學、傳質、傳熱等工程問題；長周期運轉中的設備堵塞結焦問題；圍繞大型和超大型塔器中新型填料、氣液分布器、支承梁的開發(fā)和應用問題。

填料塔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。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。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，但在高壓精餾塔中應用時要特別謹慎。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。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)。也有人建議開發(fā)適用于高壓蒸餾的組合式填料。

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，均已開始把填料塔應用于空分方面的研究?？辗盅b置中規(guī)整填料的另一個用途是在粗氬塔中使用。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。

[1]孫東升.填料塔分離技術新進展[J].化工進展，2002(10).

[2]李群生，馬文濤，張澤廷.塔填料的研究現狀及發(fā)展趨勢[J].化工進展，2005(6).

[3]趙汝文.填料塔氣液分布器優(yōu)化設計規(guī)律[J].化學工程，2006(7).

TQ053

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1674-6708（2010）30-0192-02

羅娟，助教，工作單位：新疆石河子職業(yè)技術學院輕工分院化工教研室，研究方向：化學工程與工藝

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