呂江平，王曉萍，金龍

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)工程系，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州石化研究院應(yīng)用分析所，甘肅 蘭州 730060)

填料塔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，壓降小，處理能力大，耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，已在石油化工行業(yè)廣泛應(yīng)用，并有取代板式塔的趨勢(shì)。填料是填料塔的核心元件，能夠提供氣、液兩相接觸的場(chǎng)所，氣、液兩相傳質(zhì)效果的好壞與填料的性能有著密切的關(guān)系。塔填料自誕生以來發(fā)展迅速，特別是20世紀(jì)60 年代，隨著理論的進(jìn)步，塔填料朝著散裝化和規(guī)整化兩個(gè)方向并行發(fā)展[1]，先后出現(xiàn)了各種新型高效的塔填料，并且各具優(yōu)勢(shì)。但是，近些年來，無論是散裝填料還是規(guī)整填料，都出現(xiàn)了停滯不前的狀況。

本文根據(jù)散裝塔填料的發(fā)展歷程，結(jié)合專業(yè)知識(shí)，經(jīng)過歸納分析指出，散裝填料應(yīng)朝著：改善填料床層均勻性，加速液體表面更新頻率，改進(jìn)填料對(duì)液體的鋪展能力等方向發(fā)展。而選材合適的球形填料能夠滿足以上各項(xiàng)要求，是比較理想的散裝填料。因此，本文認(rèn)為，球形填料將成為散裝填料的代表。

1 填料的發(fā)展歷程

散裝塔填料是一些具有一定幾何形狀、規(guī)格尺寸的顆粒體,它們以隨機(jī)方式堆積在塔內(nèi)，能夠完成一定的傳質(zhì)分離任務(wù)。

1.1 散裝填料的分類

散裝填料的分類方法有多種，根據(jù)幾何形狀和結(jié)構(gòu)來劃分，有以下幾種不同的種類（見表1）。

表1 散裝填料幾何形狀分類[1]

1.2 散裝填料的發(fā)展歷程

散裝塔填料的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段[2]：

1.2.1 初始階段

這個(gè)階段的填料為焦炭、卵石、瓦礫、鐵屑等物體，內(nèi)部完全封閉，填料本身占據(jù)了設(shè)備的大部分傳質(zhì)空間，氣、液相接觸面積小，傳質(zhì)效率低。

1.2.2 發(fā)展階段

1914 年誕生的拉西環(huán)、1931 年出現(xiàn)的弧鞍填料，在保證填料外表面積的基礎(chǔ)上，開始利用填料的內(nèi)表面，氣、液接觸面積明顯增加，傳質(zhì)效率大大改善，標(biāo)志著填料的發(fā)展進(jìn)入了科學(xué)的軌道。

1.2.3 成熟階段

拉西環(huán)隨機(jī)堆放時(shí)，會(huì)使兩個(gè)或幾個(gè)填料個(gè)體平行排列，呈線性接觸，在這些接觸部位，會(huì)形成液囊，液體和氣體有效接觸面積減??；如果幾個(gè)拉西環(huán)并排橫置，不但外表面相互重疊，存在液囊，氣、液接觸面積減小，而且接觸部位的液體及拉西環(huán)內(nèi)部的流體幾乎處于停滯狀態(tài)，物質(zhì)傳遞主要以分子擴(kuò)散的方式進(jìn)行，傳遞速率很低。

通過在拉西環(huán)側(cè)壁錯(cuò)列開窗，將舌葉內(nèi)彎，相互搭接而形成“鮑爾環(huán)”，可使填料內(nèi)表面氣、液充分接觸，幾乎消除了流體的滯留狀況；而且填料間線性接觸長(zhǎng)度變短，氣體通過填料床層的阻力減小，氣體通量增大，傳質(zhì)效率提高。可以說，1948 年鮑爾環(huán)問世，對(duì)于塔填料的發(fā)展具有舉足輕重的作用[2]。

為了消除線性接觸，將鮑爾環(huán)一端擴(kuò)大作成刺叭口，填料個(gè)體之間即呈點(diǎn)接觸，同時(shí)，液體自上向下流動(dòng)的過程中，在交接點(diǎn)處匯聚—分散—匯聚……，既增加了氣、液有效接觸面積，又提高了氣、液湍流程度和表面更新頻率，傳質(zhì)效率顯著提高；再將高徑比由1.0 縮至0.5，便得到“階梯環(huán)”散裝填料。由于高徑比縮小，填料重心下移，隨機(jī)堆放時(shí)，填料縱向取向幾率增大，可使填料層填充密度均勻，氣體分布合理，處理量增加，有利于傳質(zhì)。階梯環(huán)是目前使用的環(huán)形填料中性能最為良好的一種[3]。

這一階段出現(xiàn)的鞍形填料，表面不分內(nèi)外，氣、液體流道呈弧形，有利于液體均勻分布在填料表面，而且能夠使液體潤(rùn)濕面積達(dá)到最大，但是由于填料一側(cè)封閉，因而氣體通量較小。在此填料弧背上開2 個(gè)細(xì)條，彎成弧形并拉出2 根筋，內(nèi)彎成爪形，則形成環(huán)鞍形填料[4]，它既有弧形通道，有利于液體均勻分布，又有環(huán)形截面及側(cè)窗，強(qiáng)度高，阻力小，氣體通量大。

環(huán)鞍形填料是鞍形和環(huán)形填料的結(jié)合體，兼?zhèn)涠叩膬?yōu)點(diǎn)，是比較理想的散堆填料。

之后雖然又出現(xiàn)了一些新型的填料，如格型環(huán)、階梯短環(huán)、高流環(huán)、諾派克環(huán)、扁環(huán)、共軛環(huán)、彈簧絲、萊佛厄派克環(huán)、刺孔環(huán)等[1]，但改進(jìn)都不大。到目前為止，幾乎所有的散裝填料都是從拉西環(huán)和弧鞍這兩個(gè)雛形演變而來的[2]。

1.3 理想散裝填料的特點(diǎn)

由散裝填料發(fā)展歷程可以看出，理想的散裝填料具備以下特點(diǎn)：①氣、液接觸表面積大；②填料對(duì)液體的鋪展性能好；③填料幾何形狀好，結(jié)構(gòu)開放，床層壓降小，氣體通量大，流體停滯不動(dòng)的可能性小；④填料間為點(diǎn)接觸有助于液體湍動(dòng)及表面更新。

這些可以看作是氣液傳質(zhì)的內(nèi)因，要使傳質(zhì)快速穩(wěn)定地進(jìn)行還需具備一定的外界條件。

2 散裝填料傳質(zhì)的影響因素

2.1 氣液傳質(zhì)效率與有效接觸面積有關(guān)

氣體只有在流過液膜間隙的過程中，氣液之間才能進(jìn)行有效的傳質(zhì)和傳熱。如果液體處于停滯狀況，即使有氣體掠過液體表面，由于氣液湍動(dòng)程度小，主要依靠分子擴(kuò)散方式傳質(zhì)，速率很小，因此，只有流動(dòng)的液膜與氣體接觸才能進(jìn)行有效的傳質(zhì)，并且有效接觸面積越大，傳質(zhì)效果越好。一般情況下，有效接觸面積＜潤(rùn)濕面積＜干填料表面積。

要增大氣、液相間的有效接觸面積，需滿足以下條件：

（1）填料本身比表面積大 對(duì)于同種類型的填料來說，填料個(gè)體尺寸越小，干填料的比表面積越大。

（2）填料對(duì)液體的鋪展能力強(qiáng) 單位體積填料層內(nèi)，填料對(duì)液體的鋪展能力強(qiáng)，氣、液相間的有效接觸面積便可接近于干填料的比表面積。

填料的表面能高有助于液體潤(rùn)濕，為了使液體能在所流經(jīng)的填料表面充分鋪展，填料的表面能需足夠大，通常要求填料表面的臨界表面張力大于液體的表面張力[1]。采取如下幾種措施可增大填料的表面能[1]：a 表面粗糙化：用噴砂、磨砂及溶劑浸泡等方法，使填料的表面形成溝槽或花紋，減小接觸角，從而提高表面能；b 化學(xué)處理法：利用化學(xué)反應(yīng)使填料表面形成中性親水層，以增大液體對(duì)填料的潤(rùn)濕，或在填料表面發(fā)生氧化作用，生成含氧極性基團(tuán)附著在填料表面，增大表面能；還有等離子處理法，輻射法，噴涂處理法等處理方法。

另外，填料對(duì)液體的鋪展能力強(qiáng)，一方面可減小液體噴淋量，降低再生裝置負(fù)荷，節(jié)約生產(chǎn)成本。另一方面可減小液膜厚度，增大氣體自由流通截面積，能夠提高處理能力。液膜薄，填料與液體的作用力大，即使氣速較大，也不會(huì)將液體吹離填料表面，能夠減小液體集聚形成“溝流”的可能性，塔內(nèi)氣液兩相流徑穩(wěn)定，有利于平穩(wěn)操作，提高操作彈性。

2.2 氣液傳質(zhì)效率與床層氣液分布均勻性有關(guān)

填料床層填充不均勻是大型填料塔傳質(zhì)性能下降，即產(chǎn)生放大效應(yīng)的主要原因。反之，床層橫截面上氣、液分布均勻，能夠減小塔橫截面上的濃度梯度，減小徑向返混，有利于提高傳質(zhì)效率。

散裝填料隨機(jī)堆積排列，從少量填料來看，顯得雜亂無章。但如果考察的數(shù)量足夠大，如對(duì)于一定高度的填料層，則不論是床層的壓強(qiáng)降，還是液體分布的均勻度都會(huì)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。這正如分子熱運(yùn)動(dòng)，單個(gè)來看毫無規(guī)則，但考察某個(gè)分子集團(tuán)，則存在各向同性，能量均分的特點(diǎn)。因此，出現(xiàn)散裝填料床層氣液分布不均的現(xiàn)象，作者認(rèn)為主要是由于填料數(shù)量不足造成的。只要數(shù)目足夠大，氣液分布均勻度便可得到改善，可基本消除“壁流”、“溝流”等不正?，F(xiàn)象。目前已公認(rèn)“為了減小壁流、溝流現(xiàn)象，應(yīng)使塔徑與填料個(gè)體當(dāng)量直徑之比大于8～10，對(duì)于幾何形狀差的拉西環(huán)填料，此值為20[3]。陳敏恒等[5]學(xué)者認(rèn)為，工業(yè)上大型填料塔以取D/d＞30 為宜。

填料數(shù)目受到塔高、塔徑和填料自身規(guī)格尺寸的限制。在塔高、塔徑確定的情況下，縮小填料高徑比是改進(jìn)填料尺寸的一項(xiàng)有力措施[2]。研究表明，適當(dāng)降低亂堆填料的長(zhǎng)徑比，使其按一定規(guī)律排列（規(guī)整化），可提高傳質(zhì)效率[6]。階梯環(huán)由高徑比為1 的鮑爾環(huán)降到0.5，性能有了明顯提高[3]。20 世紀(jì)80 年代中期，美國(guó)Glitsch 公司對(duì)階梯環(huán)作了改進(jìn)，將高徑比下調(diào)至0.3，稱為CMR 填料，此項(xiàng)改進(jìn)使填料層的堆積密度更加均勻，更有利于液體均勻分布，傳質(zhì)效率提高，阻力減小[2]。有文章報(bào)道[7]，CMR 填料壓降約為拉西環(huán)的30%，傳質(zhì)系數(shù)比拉西環(huán)提高大約50%。有人進(jìn)一步對(duì)不同高徑比的環(huán)形填料進(jìn)行對(duì)比研究，得出結(jié)論：高徑比越小，傳質(zhì)效率越高[8]。

由此可見，縮小填料尺寸有利于床層堆積均勻，提高傳質(zhì)效率。但同時(shí)會(huì)帶來阻力增加的后果，因此所用填料個(gè)體通透性應(yīng)足夠大。

3 討論

綜上所述，改善填料的表面性能，提高其對(duì)液體潤(rùn)濕能力，減小填料尺寸以改善填料床層的堆積均勻性，改進(jìn)填料個(gè)體之間接觸點(diǎn)的數(shù)目，加快液體表面更新頻率，是散裝填料發(fā)展的方向。這主要由填料的幾何結(jié)構(gòu)所決定。

由于自身結(jié)構(gòu)限制，流經(jīng)環(huán)形填料的液體自分布能力較差，鞍形填料的氣體通量較小，環(huán)鞍結(jié)合，綜合兩者的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)新式填料，成為近年來填料研究的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)。

成功的范例有：金屬環(huán)矩鞍、納特環(huán)等環(huán)鞍形填料。環(huán)鞍形填料雖然具有液體分布均勻，氣體通量大的優(yōu)點(diǎn)，但由于環(huán)鞍形填料容易產(chǎn)生架橋、空穴，導(dǎo)致床層填充密度不均，影響了填料塔傳質(zhì)的整體效果。

球形填料各個(gè)方向尺寸相等，不會(huì)產(chǎn)生架橋、空穴等現(xiàn)象。相對(duì)而言，數(shù)量不多的球形填料便可使床層填充均勻；另外，球形填料個(gè)體之間為嚴(yán)格的點(diǎn)接觸，接觸點(diǎn)不僅多而且分布均勻，通過增加填料個(gè)體間接觸點(diǎn)的數(shù)量，能夠加大液體匯集-分散的次數(shù)，減小液體停滯現(xiàn)象，使得流動(dòng)的液膜發(fā)生突變性混合，加速液體表面更新。

與鞍形填料類似，氣液兩相在球形填料內(nèi)的流道為弧形，有利于液體均勻分布，提高液體鋪展能力；球體內(nèi)部采取措施可使流道方向一致，既能減小阻力，又能保證流向穩(wěn)定，從而具有一定的“規(guī)整性”。整體來看，氣體自下向上運(yùn)動(dòng)，曲折上升，不會(huì)走水平路徑，而且空隙孔徑逐漸擴(kuò)大或縮小，與脈沖填料類似，既能減小阻力損失，又能使流速發(fā)生變化，有利于提高流體湍動(dòng)程度，減小液膜厚度，提高傳質(zhì)效果。

4 結(jié)語

散裝塔填料具有易于加工，制作費(fèi)用低，安裝方便、不易堵塞等特點(diǎn)，性能良好的散裝填料在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)在工業(yè)上仍將占有主要地位[1]。而選材合適、內(nèi)部經(jīng)過處理、表面能大，通透性好，個(gè)體尺寸小的球形填料，具有：潤(rùn)濕性能好、填充均勻、比表面積大、處理能力大等特點(diǎn)，將會(huì)成為散裝填料的代表。

［1］李天文，劉鴻生.散裝填料的發(fā)展趨勢(shì)[J].化工設(shè)備與管道，2000，37（6）：17-20.

［2］董誼仁，侯章德.現(xiàn)代填料塔技術(shù)（一）-塔填料的發(fā)展和選擇[J].化工生產(chǎn)與技術(shù)，1996，2（2）：16-24.

［3］姚玉英.化工原理（下冊(cè)）[M].天津：天津大學(xué)出版社，1999：156-179.

［4］譚天恩,麥本熙,丁惠華.化工原理（下冊(cè)）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993,2:158.

［5］陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理[M].[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000,2:195.

［6］張榮國(guó)，桑國(guó)平.塔填料幾何形狀對(duì)填料塔內(nèi)液體流動(dòng)與傳質(zhì)性能的影響[J].石油化工設(shè)備，1994，23（1）：36-38.

［7］蔣慶哲，宋昭崢，彭洪湃，等.塔填料的最新研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代化工，2008，28 增刊（1）：51-62.

［8］葉詠恒，何建斌.高效散裝填料的新構(gòu)型—Impac 填料性能分析[J].化學(xué)工程，1997，25（3）：27-31.