現(xiàn)代傳質(zhì)理論與塔器技術(shù)課程論文

1、填料塔技術(shù)發(fā)展摘要：填料塔作為一種傳質(zhì)設(shè)備，具有效率高、壓降低、持液量小、構(gòu)造簡單、安裝容易、投資少等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于分離操作。本文論述了國內(nèi)外填料塔技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了各種散堆填料、規(guī)整填料，塔內(nèi)件等，同時展望了填料塔今后發(fā)展趨勢和技術(shù)開發(fā)方向。關(guān)鍵詞：填料塔、散裝填料、規(guī)整填料、液體分布裝置1.引言填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備，它是化工類企業(yè)中最常用的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一。而塔填料、塔內(nèi)件及工藝流程又是填料塔技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。近年來，隨著高效新型填料和其他高性能塔內(nèi)件的開發(fā)，以及人們對填料流體力學(xué)、放大效應(yīng)及傳質(zhì)機(jī)理的深入研究，使填料塔技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。2.填料

2、分類及發(fā)展2.1填料塔填料塔是氣、液呈逆流的連續(xù)性接觸的氣液傳質(zhì)設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)和安裝比板式塔簡單。塔的底部有支撐板用來支撐填料，并允許氣、液通過。支撐板上的填料有整砌和亂堆兩種方式。填料層的上方有液體分布裝置，從而使液體均勻噴灑于填料層上。填料層中的液體有向塔壁流動的“趨壁”傾向，因此填料層較高時往往將其分為幾段，每一段填料層上方設(shè)有液體再分布器，使流到壁面的液體集于液體在分布器作重新分布。2.2塔填料塔填料的發(fā)展，大致分四個階段：以焦炭、卵石、鐵屑等作為填料的初始階段；拉西環(huán)誕生和弧鞍填料的出現(xiàn)為第二階段；1948年鮑爾環(huán)問世，作為第三階段起點(diǎn)；70年代開始各種高效規(guī)整和散裝填料開發(fā)和應(yīng)用，

3、填料塔大型化為第四階段。填料的類型很多，按照制成填料的材料是實(shí)體還是網(wǎng)體可分為實(shí)體填料和網(wǎng)體填料兩類。實(shí)體填料有陶瓷、金屬或塑料等制成，如拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、弧鞍形和矩鞍填料等；網(wǎng)體填料有金屬絲制成，如形網(wǎng)環(huán)、網(wǎng)狀鞍形填料、網(wǎng)波紋填料等。按照填料在塔內(nèi)堆積的方法不同可分為亂堆填料和整砌填料兩類。亂堆填料有顆粒形填料如拉西環(huán)、鞍形填料、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)等作無規(guī)則推擠而成；整砌填料則常由規(guī)整的填料整齊砌成，也可由拉西環(huán)等顆粒填料砌成。（1）散裝填料矩鞍環(huán)：對弧鞍形環(huán)的改進(jìn)，主要區(qū)別在于將一對弧形面改為矩形面，且內(nèi)外曲率半徑不同，從而避免了容易疊套的缺陷，使床層孔隙率均勻，改善了液體分布性能與拉西

4、環(huán)相比液泛點(diǎn)高，壓降和傳質(zhì)單元高度較低。扁環(huán)填料：高徑比為1:2，取消了階梯環(huán)的翻邊，采用內(nèi)彎弧形筋片來提高填料的強(qiáng)度，在亂堆時能有序排列，流道更合理，壓降低。階梯環(huán)：吸取拉西環(huán)的優(yōu)點(diǎn)又對鮑爾環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，即環(huán)的高徑比僅為鮑爾環(huán)的一半，關(guān)在環(huán)的一端增加了錐形翻邊。這樣減少了氣體通量，填料的強(qiáng)度也提高了，由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使氣液分布均勻。勒辛環(huán)：拉西環(huán)的衍生物，在不中增加一隔板，以增大填料的比表面積，與拉西環(huán)無本質(zhì)區(qū)別，常用于塔內(nèi)整砌堆積。雙弧環(huán)：結(jié)合了開孔環(huán)形填料和矩鞍形填料的優(yōu)點(diǎn)開發(fā)出的新型填料，即將矩鞍環(huán)的實(shí)體變?yōu)閮擅嫒稐l環(huán)形筋，而鞍形內(nèi)側(cè)成為有兩個伸向中央的舌片的開孔環(huán)，因?yàn)樘盍蠈觾?nèi)滯液死區(qū)

5、，這種結(jié)構(gòu)有利用液體分布和增加了氣體通道。散堆填料的研究方向主要集中在以下幾個方面:散堆填料的自規(guī)整化,如QH型扁環(huán)填料與鮑爾環(huán)比較,其重心降低很多,在塔內(nèi)裝填時,縱向取向幾率要大得多,因此填料表面的液膜更加均勻,壓降也大幅度地降低,傳質(zhì)效率提高;開發(fā)適用于新塔型的散堆填料,如用于硫化填料塔、旋轉(zhuǎn)填料塔等;填料功能復(fù)合化,如Koch-Glitsch公司發(fā)明了一種內(nèi)部填充催化劑的鞍形填料用于反應(yīng)蒸餾1 ,該填料兼有氣液傳質(zhì)和催化反應(yīng)兩種特性,且制造成本低廉;對填料表面加以改進(jìn)以提高傳質(zhì)效率。（2）規(guī)整填料規(guī)整填料塔以其處理能力大、效率高、壓降低、能耗小等特點(diǎn),在填料塔的應(yīng)用及塔盤的改造中得到廣泛

6、的應(yīng)用。規(guī)整填料上的網(wǎng)孔或波紋便于液膜形成,其波紋的導(dǎo)向性有良好的細(xì)分布作用,且使液體的溝流大大減少。規(guī)整填料塔中壁流仍是影響塔內(nèi)介質(zhì)反應(yīng)效率的主要因素之一，特別是填料層過高時尤其如此。所以掌握塔內(nèi)的壁流量并設(shè)法降低是十分必要的。Mellapak填料 (帶孔波紋板 ,材質(zhì)不銹鋼等 ,比表面積 700m2/m3)是瑞士 Sulzer公司的專利產(chǎn)品 , 它的問世是 20世紀(jì) 70年代規(guī)整填料史上一座重要里程碑5。此后 , 規(guī)整填料新品種層出不窮。近幾年瑞士 KUHN I公司的 Rombopak填料 , 德國 RASCH IG公司的 Ras2chig - Super pak填料開發(fā)應(yīng)用比較成功。國內(nèi)

7、在規(guī)整填料方面也有突破 , 如天津大學(xué)與英國Ast on大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的 Unpak脈沖規(guī)整填料、天津大學(xué)的 Zupak填料、天津博隆科技開發(fā)公司的 CH I NAPAK填料等、天津市天進(jìn)新技術(shù)開發(fā)公司開發(fā)的板花規(guī)整填料、清華大學(xué)開發(fā)的新型復(fù)合填料、分層填料等 , 都在工業(yè)中取得了成功的應(yīng)用 34 。Rombopak填料，該填料是瑞士 KUHN I4 公司 20世紀(jì) 80年代研究開發(fā)的一種垂直板網(wǎng)類規(guī)整填料。它率先開辟了按照氣液最佳流路設(shè)計規(guī)整填料的新途徑。據(jù)悉 , 該填料已推廣應(yīng)用于 400多座塔中 , 最大塔徑 4000mm。Raschig-Superpak填料，該填料是德國 Raschig

8、公司開發(fā)的高性能規(guī)整填料。據(jù)稱 Raschig-Superpak 300在比表面積和分離效率相同的條件下 , 與傳統(tǒng)的規(guī)整填料相比 , 通量提高了 26% , 壓力降降低了33%。 Optiflow填料，瑞士Sulzer公司推出了一種稱為高技術(shù)產(chǎn)品的一流結(jié)構(gòu)填料(Optiflow)。這種填料的基本原件是壓有橫向紋理液流溝糟的菱形薄片 , 并在其中開小孔 ,將菱形片搭成翼輪狀 , 由于這種填料有很好的幾何結(jié)構(gòu)形式和高度的對稱性 , 因而可以顯著提高填料的分離技術(shù)性能。2.3填料的選用填料的選用主要根據(jù)效率、通量及壓降三個重要的性能參數(shù)決定。它們決定了塔的大小及操作費(fèi)用。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到塔體的

9、投資，一般選用具有中等比表面積的填料比較經(jīng)濟(jì)。比表面積較小的填料空隙率大，可用于流體高通量、大液量及物料較臟的場合。在同一塔中，可根據(jù)塔中不同高度處兩相流量和分離難易而采用多種不同規(guī)格的填料。此外，在選擇填料時還應(yīng)考慮系統(tǒng)的腐蝕性、成膜性和是否含有顆粒等因素來選擇不同材料，不同種類的填料。3.填料塔的內(nèi)件填料塔的內(nèi)件是為了保證氣液更好的接觸，以便發(fā)揮填料塔的最大效率和生產(chǎn)能力。內(nèi)件主要有填料支承裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理地選擇和設(shè)計塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。3.1填料支承裝置：填料支承裝置安裝在填料層底部，其作用是防止填料穿過支承

10、裝置而落下；支承操作時填料層的重量；保證足夠的開孔率，使氣液兩相能自由通過。支承裝置具備足夠的強(qiáng)度及剛度，而且要求結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，所用的材料耐介質(zhì)的腐蝕。常用的填料支承裝置有柵板型、波紋型、孔管型、駝峰型等。支承裝置的選擇，主要的依據(jù)是塔徑、填料種類及型號、塔體及填料的材質(zhì)、氣液流率等。3.2填料壓緊裝置：填料上方安裝壓緊裝置可防止在氣流的作用下填料床層發(fā)生松動和跳動。填料壓緊裝置分為填料壓緊器和床層限位器兩大類。3.3液體分布裝置：液體分布器安裝由于填料上部，它將液相加料及回流液均勻的分布到填料的表面上，形成液體的初始分布。液體分布裝置的種類多樣，有噴頭式、盤式、管式、槽式及槽盤式等。液

11、體分布器的安裝位置一般高于填料層表面150300mm，以提供足夠的空間讓上升氣體不受約束的穿過分布器。63.4液體收集及再分布裝置：液體沿填料層向下流動時，有偏向塔壁流動的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流將導(dǎo)致填料層內(nèi)氣液分布不均，使傳質(zhì)效率下降，嚴(yán)重時使塔心的填料不能被也液體潤濕而形成干錐。為減小壁流現(xiàn)象，可間隔一定高度在填料層內(nèi)設(shè)置液體再分布裝置。最簡單的液體再分布裝置為截錐式再分布器。截錐式再分布器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，但它只起到將壁流向中心匯集的作用，無液體再分布的功能，一般用于直徑小于0.6m的塔中。在通常情況下，一般將液體收集器及液體分布器同時使用，構(gòu)成液體收集及再分布裝置。液體收集器的

12、作用是將上層填料流下的液體收集，然后送至液體分布器進(jìn)行液體再分布。常用的液體收集器為斜板式液體收集器。4.填料塔的研究及改進(jìn)隨著化工生產(chǎn)向大型化發(fā)展，近來直徑超過1m的屢見不鮮，填料塔只適用于小直徑的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，正在經(jīng)受挑戰(zhàn)。因此，人們一直重視填料塔的放大規(guī)律，并且把注意力集中在改善氣體和液體的分布，以及改進(jìn)填料的性能兩個方面。一般認(rèn)為拉西環(huán)有較嚴(yán)重的流體分布不良效應(yīng)，自從出現(xiàn)了鮑爾環(huán)、矩鞍形填料和階梯環(huán)之后，近年來又特別重視液體噴淋裝置和再分布器的改進(jìn)，使填料塔放大的可能性比過去有所提高。通過對大直徑實(shí)驗(yàn)塔的測定，證明壓降數(shù)據(jù)與?？颂氐耐ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖很相符合，40mm瓷質(zhì)拉西環(huán)亂堆填料的泛點(diǎn)數(shù)據(jù)也

13、與該圖相符合，其他尺寸的幾種填料的泛點(diǎn)數(shù)據(jù)則與圖線符合稍差，至于傳質(zhì)單元高度的數(shù)據(jù)與多數(shù)從小塔所得的的關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果相比，都存在較大誤差。試驗(yàn)還表明大塔的氣、液體通過能力、流體力學(xué)性能和傳質(zhì)效率均與填料層高度無關(guān)，還表明在大直徑填料塔中只要液體開始分布均勻，則填料層中流體分布可不受填料層高度的影響。規(guī)整填料比亂堆填料的放大效應(yīng)要小，因?yàn)椴皇且?guī)整填料，如網(wǎng)波透露了等形狀本身具有液體再分布的能力。5.結(jié)語填料塔成套設(shè)備中，填料和塔內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計和選用相當(dāng)重要。特別是液體分布器，能夠減少和防止放大效應(yīng)，從而使填料塔的塔高、塔徑減小，造價和操作費(fèi)用降低。參考文獻(xiàn)1 魏建華, 伍昭化, 陳大昌, 等. 高

14、效填料塔成套分離 工程 J . 現(xiàn)代化工, 1996, 16 (10) : 2933.2 陳強(qiáng), 王樹楹. 塔器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望 J . 現(xiàn)代化工, 1997, 17 (11) : 1619. 3 Sher wood T K, Pigford . Abs or p tion and extraction J . McGraw Hill, NY, 1995, 23 (12) : 248250. 4 Bllingham J F, BonaquistD P, LockettM J . Character2 izati on of the performance of packed distillati on column liquid distributors A . In: