新型化工塔填料概述 天津大学传质作业_化工填料塔课程设计
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一、前言
塔器作为汽-液及液-液之间进行传质与传热的重要设备，广泛应用于炼油、石化、精细化工、化肥、农药、医药、环保等行业的物系分离，涉及蒸(精)馏、吸收、解吸、汽提及萃取等化工单元操作。塔器分为板式塔和填料塔两种。板式塔通常结构较为简单，易于放大，造价较低；但板式塔普遍存在效率较低，压降较高，持液量大等缺点。为了解决这种问题，填料塔应运而生，填料塔近年来发展很快，尤其是随着各种新型填料及其它新型塔内件开发成功，应用填料塔似乎成了一种潮流。与传统的板式塔相比，填料塔具有生产能力大、分离效率高、压降小、操作弹性大、持液量小等优点，而且新型填料、新型塔内件的开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料塔的放大效应取得了实质性的突破，填料塔在化工企业得到了很好的应用，使其与板式塔的竞争变得更为激烈。
二、适用范围
填料塔应用范围极广，相对于板式塔更适用于以下工况：①传质速率受气膜控制的系统以及要求持液量小、停留时间短、压降小的物系；②有腐蚀性、热敏性、易起泡沫及粘性物料的条件；③难分离物系及产品纯度要求很高的场合；④与高效液体分布器相匹配，还可适用于10：1以上的高操作弹性条件。主要应用领域有：①炼油厂常减压塔，气体分离塔，催化裂化吸收稳定系统、脱硫塔、烷基苯分馏塔等；②乙烯装置汽油分离塔、乙烯／苯乙烯精馏塔的改造及其他石油化工产品的加工；③化肥行业脱硫、脱碳、再生塔、热水饱和塔、尿素除尘塔等；④天然气分离装置、空气分离装置；⑤制药、食品、环保、精细化工等行业。近几年来，蒸馏装置发展趋势是现代填料塔逐步取代传统填料塔，并部分取代大型板式塔，国外有专家预言，不就的将来采用规整填料将成为蒸馏操作唯一可取的途径。
三、新型散装填料介绍
散装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。近年一些新型高效散装填料的出现以及在一些行业的成功应用，如环保行业从烟气中除去HC1和S02等，说明散装填料将在某些领域得到新的发展。另外，国内外最新的研究工作表明，在液液萃取、液气比很大的吸收和高压精馏的情况下，应用散装填料的操作性能优于规整填料和塔盘。因此在合成氨的气体净化、石油化工和焦化等领域，散装填料得到了广泛的应用。
NJT型阶梯环填料
第一代NJT型瓷质阶梯环(井)和瓷质阶梯环(米)填料较目前国内普遍使用的瓷质拉西环填料和瓷质矩鞍填料具有通量大、阻力小、效率高、操作范围宽等优点。该填料早在1984年通过了原化工部科技局技术鉴定。它是一种综合性能较好的填料，可以在化工生产中，特别是在硫酸装置的吸收塔中推广应用。在老厂挖潜改造中可以增加设备生产能力、降低能量消耗、提高产品质量。在新塔设计中可以提高设备生产强度，降低塔填料层的高度。
①第二代瓷阶梯环填料比第一代瓷阶梯环填料具有更大的比表面积、更高的空隙率和机械强度。同时减少了壁流，从而提高了干燥、吸收塔的生产强度，在对老厂挖潜改造中可提高生产能力25％左右，对新厂建设中可使填料阻力更低，能耗更低，塔设备投资更低
②第二代瓷阶梯环填料比第一代瓷阶梯环填料阻力更小，在结构上使气液两相的接触由面变为点，接触面不断更新，加大了吸收推动力，使干燥水分指标和吸收率指标比第一代瓷阶梯环填料更优，生产操作更稳定。
③第二代瓷阶梯环填料结构设计合理，制造工艺严谨，耐酸度高，经使用证实其破损率小于1％，使用寿命长，还可进一步降低填料塔的填料高度，更有利于降低制造成本。
④第二代瓷阶梯环填料可在更高的气流速度下操作，自清洗能力强，雾沫夹带更少，可延迟大修周期，保护了环境。
此种填料为硫酸工业给予了很大的帮助。Impak填料
Impak填料最初由美国Lantacskan公司提出，后经北京化工大学等单位多年研究改进。是近一个世纪填料发展的新成果。构型特点是：①环鞍结合，既有鞍型结构的良好分布性能，又有环型结构高通量的特点；②开放壁面；③扁环结构。对不同高径比的环型填料对比研究表明：高径比越小，传质效率越高。Impak填料单体外形呈扁环，使填料单元立放最稳，有利于加强气液湍动，活化内表面。Impak填料集扁、鞍、环结构于一体，采用多褶壁面，多层筋片，强化了填料的整体性能，体现了现代散装填料构型正趋于成熟。实验对比表明：其负荷能力与DN50mm金属Intalox鞍环相当；在一般的气液流率下，传质效率比DN50mm金属Intalox鞍环高出30以上；传质单元压降很低，适合于精密分离、热敏物系和旧塔节能改造。阶梯短环填料
阶梯短环填料(CMR)是美国Glistch公司兼并英国传质公司后大力推广的一种散装填料，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。大量实验表明，CMR的性能确实明显优于鲍尔环和筛板塔，且可以用碳钢、不锈钢、非铁合金、塑料和陶瓷制造。因此，CMR的应用很广泛，已在近千座工业塔中得到广泛的应用。超级扁环填料
清华大学根据国外新型填料发展的动向。创新研制了内弯弧型筋片扁环填料(QH-1型扁环填料)。其结构特点为：①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，同时这种结构可提高填料的强度；②针对液液体系轴向混合严重的特点，采用0.2-0.3极低的高径比，使填料在乱堆时也能体现一定程度的有序排列，从而降低了阻力降，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效率；③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。实验研究和工业应用表明，QH-1型扁环填料用于液液萃取和在大液体喷淋密度下，性能超过鲍尔环、Intalox等国外引进的新型填料，已在润滑油精制、芳烃抽提、液化气脱硫、合成氨厂脱碳塔和再生塔中得到成功的应用。
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)，不仅传质效率高、处理能力大、阻力降小，而且质量轻、成本较低，比QH-1型又有所提高。
近年来，中国还引进和吸收了许多高效、先进的散装填料，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。
四、新型规整填料介绍
目前规整填料种类多，形状不同，性能各异。理想的规整填料应具备 下特点：(1)压降小；(2)分离效率高；(3)节能，可减小塔径；(4)液体滞流量少；(5)操作弹性大，适应性强；(6)产品提取率高。
Zupak组片式波纹填料
Zupak组片式波纹填料填料是原天津大学填料塔新技术公司近年开发出来的获奖专利产品，目前有两大类8种型号。Zupak填料和相应型号的Mellapak填料相比，比表面积增加了10％左右，开孔率增加了30％-40％，分离效率提高约10％，通量提高20％，压力降降低30％左右。开发成功第一次就用在当时中国最大直径的塔上(8400 mm)，目前正处于迅速推广阶段。
BH型高效填料
BH型高效填料是北京化工大学在对国内外各种填料进行深入细致研究的基础上川，为满足化工行业对超高纯度产品的要求，克服普通填料表面对甘油、水等表面张力大的物系难以良好润湿成膜的缺点，并通过对各种填料网纹构型进行深入研究、综合比较，结合填料流体力学性能与传质学的研究成果而研究开发出的一种新型高效填料。BH型高效填料己在我国醋酸乙烯制备、甲醇精馏、丙炔醇制备、水合脱生产等行业中大规模应用，达到了提高了产品质量，降低化学物料排放，提高这些行业的技术水平和产品竞争力的预期目标。
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SL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。这些填料已在国内多座塔器中应用，效果显著。
SINOPAK填料
该填料系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并获得1996年国家专利。分离效率比其他普通波纹规整填料高10％-25％，其综合性能完全达到和优于国外同类填料产品。
CHINAPAK填料
该填料系天津市博隆科技开发公司开发的规整填料专利产品，综合了金属孔板波纹填料和金属矩鞍环填料各自的优点，克服了散堆填料易于淘流的缺点，工业应用获得成功。
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。这方面工作美国Glitsch公司领先一步。中国在1990年后。由天津大学研制的自分布填料在工程上得到了应用。
相对于填料层两端气液分布的端效应。填料层中部存在着“中效应”。再分布填料就是为了消除“中效应” 而专门设计的一种特制填料。换言之，它不仅克服了壁流现象，重要的是它能将环塔壁区的高液流量向塔心缩移，同时又将塔中心部位的高气流量向环塔壁区扩展，因而既是液体再分布器，又是气体再分布器，同时还起传质作用。自分布填料和再分布填料既适用于规整填料塔，也适用于散装填料塔。
新型复合填料
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90。排列的水平波纹(PFG)组合而成。PFG本身是种填料，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。在新型复合填料基础上采用一定厚度的复合填料单元体作为塔板，形成分层填料塔板。其传质效率高，填料用量少(降低填料成本)，高效低阻，性能优于一般塔板和填料，特别适用于真空精馏工况条件下的高纯度分离。
五、展望
由于波纹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程度的解决，尤其是20世纪90年代，一些大通量、低压降、高效率填料和塔内件的成功开发及应用，使填料塔分离工程技术进入了一个崭新阶段。21世纪的填料塔分离技术将向行业化、复合化、节能化、大型化方向发展。不同种类的填料组成填料复合塔，或组成填料-塔板复合塔是一种新的开发途径。新型“分布填料” 也将在分布器的开发中占据重要地位。
参考文献
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