新型化工塔填料概述-天津大學傳質(zhì)作業(yè)

1、塔器作為汽液及液 液之間進行傳質(zhì)與傳熱的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煉油、石化、精細 化工、化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)的物系分離，涉及蒸（精）餡 、吸收、解吸、汽提及萃取等化工單元操作。塔器分為板式塔和填 料塔兩種。板式塔通常結(jié)構(gòu)較為簡單，易于放大，造價較低；但板 式塔普遍存在效率較低，壓降較高，持液量大等缺點。為了解決這 種問題，填料塔應(yīng)運而生，填料塔近年來發(fā)展很快，尤其是隨著各 種新型填料及其它新型塔內(nèi)件開發(fā)成功，應(yīng)用填料塔似乎成了一種 潮流。與傳統(tǒng)的板式塔相比，填料塔具有生產(chǎn)能力大、分離效率 高、壓降小、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點，而且新型填料、新型 塔內(nèi)件的開發(fā)應(yīng)用和基礎(chǔ)理論研究的不斷深入，

2、使填料塔的放大效 應(yīng)取得了實質(zhì)性的突破，填料塔在化工企業(yè)得到了很好的應(yīng)用， 使其與板式塔的競爭變得更為激烈。 二、適用范圍 填料塔應(yīng)用范圍極廣，相對于板式塔更適用于以下工況：傳 質(zhì)速率受氣膜控制的系統(tǒng)以及要求持液量小、停留時間短、壓降小 的物系；有腐蝕性、熱敏性、易起泡沫及粘性物料的條件；難 分離物系及產(chǎn)品純度要求很高的場合；與高效液體分布器相匹配 ,還可適用于10： 1以上的高操作彈性條件。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：煉 油廠常減壓塔，氣體分離塔，催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)、脫硫塔、烷 基苯分飾塔等；乙烯裝置汽油分離塔、乙烯/苯乙烯精懈塔的改 造及其他石汕化工產(chǎn)品的加工；化肥行業(yè)脫硫、脫碳、再生塔、 熱水飽和

3、塔、尿素除塵塔等；天然氣分離裝置、空氣分離裝置； 制藥、食品、環(huán)保、精細化工等行業(yè)。近幾年來，蒸懈裝置發(fā)展 趨勢是現(xiàn)代填料塔逐步取代傳統(tǒng)填料塔，并部分取代大型板式塔， 國外有專家預言，不就的將來采用規(guī)整填料將成為蒸懈操作唯一可 取的途徑。 三、新型散裝填料介紹 散裝填料是具有一定幾何尺寸的顆粒體，在塔內(nèi)以散堆方式堆 積。近年一些新型高效散裝填料的出現(xiàn)以及在一些行業(yè)的成功應(yīng) 用，如環(huán)保行業(yè)從煙氣中除去HC1和SO?等，說明散裝填料將在某些 領(lǐng)域得到新的發(fā)展。另外，國內(nèi)外最新的研究工作表明，在液液萃 取、液氣比很大的吸收和高壓精鐳的情況下，應(yīng)用散裝填料的操作 性能優(yōu)于規(guī)整填料和塔盤。因此在合成氨的

4、氣體凈化、石油化工和 焦化等領(lǐng)域，散裝填料得到了廣泛的應(yīng)用。 NJT型階梯環(huán)填料 第一代NJT型瓷質(zhì)階梯環(huán)（井）和瓷質(zhì)階梯環(huán)（米）填料較目前國內(nèi) 普遍使用的瓷質(zhì)拉西環(huán)填料和瓷質(zhì)矩鞍填料具有通量大、阻力小、 效率高、操作范圍寬等優(yōu)點。該填料早在1984年通過了原化工部科 技局技術(shù)鑒定。它是一種綜合性能較好的填料，可以在化工生產(chǎn)中 ,特別是在硫酸裝置的吸收塔中推廣應(yīng)用。在老廠挖潛改造中可以 增加設(shè)備生產(chǎn)能力、降低能量消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量。在新塔設(shè)計中 可以提高設(shè)備生產(chǎn)強度，降低塔填料層的高度。 第二代瓷階梯環(huán)填料比第一代瓷階梯環(huán)填料具有更大的比表面積、 更高的空隙率和機械強度。同時減少了壁流，從而提

5、高了干燥、吸 收塔的生產(chǎn)強度，在對老廠挖潛改造中可提高生產(chǎn)能力25%左右， 對新廠建設(shè)中可使填料阻力更低，能耗更低，塔設(shè)備投資更低 第二代瓷階梯環(huán)填料比第一代瓷階梯環(huán)填料阻力更小，在結(jié)構(gòu)上使 氣液兩相的接觸由面變?yōu)辄c，接觸面不斷更新，加大了吸收推動力 ,使干燥水分指標和吸收率指標比第一代瓷階梯環(huán)填料更優(yōu)，生產(chǎn) 操作更穩(wěn)定。 第二代瓷階梯環(huán)填料結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，制造工藝嚴謹，耐酸度高，經(jīng) 使用證實其破損率小于1%,使用壽命長，還可進一步降低填料塔的 填料高度，更有利于降低制造成木。 第二代瓷階梯環(huán)填料可在更高的氣流速度下操作，自清洗能力強， 霧沫夾帶更少，可延遲大修周期，保護了環(huán)境。 此種填料為硫酸

6、工業(yè)給予了很大的幫助。 Impak填料 Impak填料最初由美國Lantacskan公司提岀，后經(jīng)北京化工大學 等單位多年研究改進。是近一個世紀填料發(fā)展的新成果。構(gòu)型特點 是：環(huán)鞍結(jié)合，既有鞍型結(jié)構(gòu)的良好分布性能，又有環(huán)型結(jié)構(gòu)高 通量的特點；開放壁而；扁環(huán)結(jié)構(gòu)。對不同高徑比的環(huán)型填料 對比研究表明：高徑比越小，傳質(zhì)效率越高。Impak填料單體外形呈 扁環(huán)，使填料單元立放最穩(wěn)，有利于加強氣液湍動，活化內(nèi)表面。 Impak填料集扁、鞍、環(huán)結(jié)構(gòu)于一體，采用多褶壁面，多層筋 片，強化了填料的整體性能，體現(xiàn)了現(xiàn)代散裝填料構(gòu)型正趨于成 熟。實驗對比表明：其負荷能力與DN50mm金屬Intalox鞍環(huán)相當；

7、 在一般的氣液流率下，傳質(zhì)效率比DN50mm金屬Intalox鞍環(huán)高岀30 以上；傳質(zhì)單元壓降很低，適合于精密分離、熱敏物系和舊塔節(jié)能 改造。 階梯短環(huán)填料 階梯短環(huán)填料(CMR)是美國Glistch公司兼并英國傳質(zhì)公司后大 力推廣的一種散裝填料，與其前身階梯環(huán)相比，高徑比從原有的0.5 降到0.3。這種看似簡單的幾何特性卻是CMR性能優(yōu)越的關(guān)鍵。大量 實驗表明，CMR的性能確實明顯優(yōu)于鮑爾環(huán)和篩板塔，且可以用碳 鋼、不銹鋼、非鐵合金、塑料和陶瓷制造。因此，CMR的應(yīng)用很廣 泛，己在近千座工業(yè)塔中得到廣泛的應(yīng)用。 超級扁環(huán)填料 清華大學根據(jù)國外新型填料發(fā)展的動向。創(chuàng)新研制了內(nèi)彎弧型 筋片扁環(huán)填

8、料(QH-1型扁環(huán)填料)。其結(jié)構(gòu)特點為：采用和傳統(tǒng)填 料不同的內(nèi)彎弧型筋片結(jié)構(gòu)，使填料內(nèi)部的流道更為合理，提高了 傳質(zhì)效率，同時這種結(jié)構(gòu)可提高填料的強度；針對液液體系軸向 混合嚴重的特點，采用0.2-0.3極低的高徑比，使填料在亂堆時也能 體現(xiàn)一定程度的有序排列，從而降低了阻力降，有效抑制了兩相的 非理想流動，有助于進一步提髙處理能力和傳質(zhì)效率；可根據(jù)體 系和生產(chǎn)要求，采用多種材質(zhì)加工制造，且有多種規(guī)格，因而選用 范圍寬，操作彈性大。實驗研究和工業(yè)應(yīng)用表明，QH-1型扁環(huán)填料 用于液液萃取和在大液體噴淋密度下，性能超過鮑爾環(huán)、Intalox等 國外引進的新型填料，己在潤滑油精制、芳坯抽提、液化

9、氣脫硫、 合成氨廠脫碳塔和再生塔中得到成功的應(yīng)用。 為進一步提高扁環(huán)填料的性能，又開發(fā)了新的撓性梅花扁環(huán)填 料（QH2型扁環(huán)填料），不僅傳質(zhì)效率高、處理能力大、阻力降小， 而且質(zhì)量輕、成木較低，比QH-1型又有所提高。 近年來，中國還引進和吸收了許多高效、先進的散裝填料，如 金屬矩鞍環(huán)（IMTP）、改進型金屬鮑爾環(huán)（HY-PAK）、金屬階梯環(huán)、塑 料矩鞍環(huán)、共轆環(huán)等，也較接近理想填料，比規(guī)整填料具有更好的 自清理能力，不易堵塞。 四、新型規(guī)整填料介紹 目前規(guī)整填料種類多，形狀不同，性能各異。理想的規(guī)整填料應(yīng)具 備 下特點：（1）壓降小；（2）分離效率高；（3）節(jié)能，可減小塔徑；（4）液體 滯流

10、量少；（5）操作彈性大，適應(yīng)性強；（6）產(chǎn)品提取率高。 Zupak組片式波紋填料 Zupak組片式波紋填料填料是原天津大學填料塔新技術(shù)公司近年開發(fā) 出來的獲獎專利產(chǎn)品，目前有兩大類8種型號。Zupak填料和相應(yīng)型 號的Mellapak填料相比，比表而積增加了 10%左右，開孔率增加了 30%40%,分離效率提高約10%,通量提高20%,壓力降降低30% 左右。開發(fā)成功第一次就用在當時中國最大直徑的塔上（8400 mm）,目前正處于迅速推廣階段。 BH型高效填料 BH型高效填料是北京化工大學在對國內(nèi)外各種填料進行深入細 致研究的基礎(chǔ)上川，為滿足化工行業(yè)對超高純度產(chǎn)品的要求，克服 普通填料表而對甘

11、油、水等表而張力大的物系難以良好潤濕成膜的 缺點，并通過對各種填料網(wǎng)紋構(gòu)型進行深入研究、綜合比較，結(jié)合 填料流體力學性能與傳質(zhì)學的研究成果而研究開發(fā)出的一種新型高 效填料。BH型高效填料己在我國醋酸乙烯制備、甲醇精憎、丙烘醇 制備、水合脫生產(chǎn)等行業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用，達到了提高了產(chǎn)品質(zhì)量， 降低化學物料排放，提高這些行業(yè)的技術(shù)水平和產(chǎn)品競爭力的預期 目標。 SM、SW、SC、SB系列新型規(guī)整填料 上海化工研究院國家高效分離塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心于20 世紀70年代開發(fā)了SC、SB絲網(wǎng)波紋填料系列，80年代開發(fā)了SM系 列SL板波紋填料，90年代開發(fā)了SW系列網(wǎng)孔波紋填料并取得專利 證書。這些填

12、料己在國內(nèi)多座塔器中應(yīng)用，效果顯著。 SINOPAK 填料 該填料系南京大學開發(fā)的波紋型系列無壁流規(guī)整填料，采用了專門 的防壁流設(shè)計并獲得1996年國家專利。分離效率比其他普通波紋規(guī) 整填料高10%-25% ,其綜合性能完全達到和優(yōu)于國外同類填料產(chǎn) 品。 CHINAPAK 填料 該填料系天津市傅隆科技開發(fā)公司開發(fā)的規(guī)整填料專利產(chǎn)品，綜合 了金屬孔板波紋填料和金屬矩鞍環(huán)填料各自的優(yōu)點，克服了散堆填 料易于淘流的缺點，工業(yè)應(yīng)用獲得成功。 自分布填料和再分布填料 自分布填料是將特制的規(guī)整填料作為液體再分布器使用的，旨在改 善液體分布性能的填料。其作用是將多點式或多線式液體分布狀態(tài) 變成多線式或而分布

13、狀態(tài)，以減少液體分布的端效應(yīng)。這方面工作 美國Glitsch公司領(lǐng)先一步。中國在1990年后。由天津大學研制的自 分布填料在工程上得到了應(yīng)用。 相對于填料層兩端氣液分布的端效應(yīng)。填料層中部存在著“中效 應(yīng)。再分布填料就是為了消除“中效應(yīng)而專門設(shè)計的一種特制填 料。換言之，它不僅克服了壁流現(xiàn)象，重要的是它能將環(huán)塔壁區(qū)的 高液流量向塔心縮移，同時又將塔中心部位的高氣流量向環(huán)塔壁區(qū) 擴展，因而既是液體再分布器，又是氣體再分布器，同時還起傳質(zhì) 作用。自分布填料和再分布填料既適用于規(guī)整填料塔，也適用于散 裝填料塔。 新型復合填料 清華大學研究開發(fā)的新型復合填料是在規(guī)整填料基礎(chǔ)上采用交錯 90o排列的水平

14、波紋(PFG)組合而成。PFG本身是種填料，同時又起 到分布器的作用，具有良好的自分布性能，分離效果比規(guī)整填料提 高15%20%。每米填料的理論板數(shù)比同規(guī)格的Sulzer填料高15% 左右。在新型復合填料基礎(chǔ)上采用一定厚度的復合填料單元體作為 塔板，形成分層填料塔板。其傳質(zhì)效率高，填料用量少(降低填料成 木)，高效低阻，性能優(yōu)于一般塔板和填料，特別適用于真空精懈工 況條件下的高純度分離。 五、展望 由于波紋填料的開發(fā)成功和一些基礎(chǔ)理論研究成果在填料塔工程放 大問題上的突破，填料塔大型化帶來的放大效應(yīng)問題得到了一定程 度的解決，尤其是20世紀90年代，一些大通量、低壓降、高效率填 料和塔內(nèi)件的成功開發(fā)及應(yīng)用，使填料塔分離工程技術(shù)進入了一個 嶄新階段。21世紀的填料塔分離技術(shù)將向行業(yè)化、復合化、節(jié)能化 、大型化方向發(fā)展。不同種類的填料組成填料復合塔，或組成填料- 塔板復合塔是一種新的開發(fā)途徑。新型“分布填料” 也將在分布器的開發(fā)中占據(jù)重要地位。 參考文獻 1 孫東升填料塔分離技術(shù)新進展J化工進展,2002,21 (10) : 769-772. 2 韓聯(lián)國，杜剛，杜軍峰.填料塔技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J.中氮肥， 2009(11)： 32-34 3 高碧霞，李好管.新型規(guī)整填料及填料塔內(nèi)件J