收稿日期:2004-11-21
作者简介：徐世民(1953-)，男，浙江天台人，研究员，主要从事化工传质与分离研究。联系人：徐世民，电话:(022)87402119,E 2mail :xusm2002@163 。 文章编号:1004-9533(2006)01-0075-06
徐世民
1,2
，张艳华2，任艳军
2
(11天津大学精馏技术国家工程研究中心，天津300072;21天津大学化工学院，天津300072)
摘要：论述了国内外填料塔技术的发展现状，介绍了新型散堆填料、规整填料和液体分布器的结构
特点。同时介绍了天津大学开发及应用新型填料塔技术的一些成功实例，最后展望了填料塔的发展方向。
关键词：填料塔；散堆填料；规整填料；液体分布器中图分类号:T Q05315 文献标识码:A
P ackings and Liquid Distributor in P acked Column
X U Shi 2min
1,2
,ZH ANG Y an 2hua 2,RE N Y an 2jun
2
(11National Engineering Research Center for Distillation T echnology ,T ianjin University ,T ianjin 300072,China ;
21School of Chem ical Engineering and T echnology ,T ianjin University ,T ianjin 300072,China )
Abstract :Present situation of packed column technology at home and abroad is summarized ,includi
ng the structure characteristics of s ome new packings ,random packing and structured packing ,and liquid distributors developed in recent years.Success ful industrial application of s ome packed column technologies developed by T ianjin University ,T ianjin ,China ,was als o introduced.Finally ,The orientation of technical development of packed column is put forward.
K ey w ords :packed column ;random packing ;structured packing ;liquid distributor
填料塔和板式塔是精馏塔设备的两种主要类型。由于板式塔的研究起步较早，其流体力学和传质模型比较成熟，数据可靠。因此在20世纪70年代以前的很长一段时间里，塔板的开发研究一直处于领先地位。到了70年代，出现了世界性的能源危机，在这之后，为了节能的目的，填料塔受到青睐，从而得到了蓬勃发展。近二、三十年以来，填料塔以其优良的综合性能不断地被推广应用于工业生产中，改变了板式塔长期占据统治地位的局面。K ister 对各类化工塔器的应用范围作了详尽地比较
[1]
。与板
式塔相比，新型的填料塔性能具有生产能力大、分离效率高、压力损失小、操作弹性大和持液量小等诸多特点。本文综述了国内外填料塔技术的发展现状。
1 散堆填料
散堆填料及塔设备主要用在吸收、解吸、精馏、干燥和萃取等气2液或液2液接触的传质传热过程。此外，反应蒸馏、流化干燥和超重力分离等领域也在使用散堆填料。
近年散堆填料的研究方向主要集中在以下几个
方面:1)散堆填料的自规整化，如QH 型扁环填料与鲍尔环比较，其重心降低很多，在塔内装填时，纵向取向几率要大得多，因而填料表面的液膜更加均匀，压降也大幅度降低，传质效率提高30%～50%;2)开发适用于新塔型的散堆填料，如应用于流化填料
2006年1月Jan.2006 化 学 工 业 与 工 程CHE MIC A L I NDUSTRY AND E NGI NEERI NG 第23卷 第1期
V ol.23 N o.1
塔、旋转填料塔等;3)填料功能复合化，如K och2 G litsch公司发明了一种内部填充催化剂的鞍形填料用于反应蒸馏[2]，该填料兼有气液传质和催化反应的两种特性，且制造成本低廉;4)对填料表面加以改性以提高传质效率。从近些年的理论研究和工业开发来看，散堆填料的发展趋势是朝增大空隙率和减少压降，增大比表面积，改善润湿性能，功能多样化的方向发展。
111 IMPAC填料
I MPAC填料最初由美国Lantc公司提出，它集扁、鞍和环结构于一体。可以看作由若干个Intalox 填料联体而成，采用多褶壁面，多层筋片，消除床内死角和单体互相嵌套。所以，从一个颗粒填料来看，应是多个“单个填料”的规则型，而从多个颗粒填料整体来看，又是散堆形式，所以该填料兼有规整填料和散堆填料之特性。
其特点如下:1)与一般散堆填料相比，通量可提高10%～30%;2)具有高的比表面积131m2/m3，与一般散堆填料相比，单元传质高度低，可下降5%～35%;3)无翻边结构，避免了汽液滞留;4)多层翅片，自分布性能优良，故对汽液分布器的要求远不如规整填料严格;5)压力降小，可比一般散堆填料下降5%～15%;6)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;7)既具有一般散堆填料拆装方便，维修改造灵活的特性，又具有规整填料比表面积大、空隙率高，流体分布均匀的长处。
112 阶梯短环填料
阶梯短环填料(Cascade Mini Ring,C MR)是美国G litsch公司兼并英国传质公司后大力推广的一种散堆填料，与其前身阶梯环相比，高径比从原有的015降到013。这种看似简单的几何特性却是C MR性能优越的关键。大量试验表明,C MR的性能确实明显优于鲍尔环和筛板塔，其压降约为拉西环的30%，
传质系数比拉西环大约提高50%。因此,C MR的应用很广泛，已在近千座工业塔中得到广泛应用。113 超级扁环填料
清华大学研制的内弯弧型筋片扁环填料(QH21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012～013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，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,QH21型扁环填料具有优异的性能：用于液液萃取时，此填料的性能明显优于鲍尔环、Intalox等填料，轴向混合小，处理能力大，压力降小，传质效率提高20%以上。
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(QH22型扁环填料)，比QH21型又有所提高。试验表明，与鲍尔环相比,QH22型扁环填料处理能力约高15%～35%，传质效率约高15%～25%。
114 双鞍环填料
北京化工大学开发的双鞍环新型高效填料具有如下特点:1)双鞍环在结构上属于开孔环、鞍环，既包含环矩鞍的构成，又融入纳特环的构思。由于突破一般填料的对称性，有利于构成较为均衡的床层，提
供良好的水力学和传质的硬件条件;2)双鞍环的基本性能全面优于环矩鞍。负载能力提高约10%；压力降减少10%～20%；分离效率提高约17%。尤其是传质单元压降减小近40%，这对于塔的节能改造、热敏性物系的分离以及真空精馏设计具有较高的实用价值;3)在若干技术经济指标的对比上，双鞍环不仅有较高的综合技术指标，而且在节省材耗和提高强度重量比等方面也呈现出较强的经济性，比环矩鞍更具竞争力。
115 其它
Envicon公司的Mc2Pac环金属填料，据称与50 mm鲍尔环相比，其效率提高40%，压降减小60%。Raschig公司的Raschig2Super2Ring塑料环，与50mm 塑料鲍尔环相比，它的压力损失减少了70%，负荷能力提高了50%。Lantc公司的Q2pac Metal Hybrid Packing(混合填料)，既有规整填料的效率和能力，又有散堆填料的经济性和通用性，能降低HETP(理论塔板等效高度)30%以上，压力损失减少40%。Lantc公司的LANPAC环保塔填料，与其他尺寸相同的填料相比，它可更有效地降低压降，提高传质效率，且现场作业证明不堵塞。K och公司的K
4G
T M高效填料，自称是从拉西环算起的第四代第一个散堆填料，具有更低的压降和非常高的分离能力，经美国得克萨斯州大学能量研究中心试验证明，其传质效率可比鲍尔环提高15%。过氧化氢异丙苯
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化 学 工 业 与 工 程2006年1月
2 规整填料
近年来，有关规整填料性能、设计方法和应用方面的报道很多[3～5]。规整填料塔不仅在一般情况下可提高分离效率，降低能耗，而且尤其适合一些特殊情况，如难分离物系、热敏物系、高纯产品要求等。国内近几年应用成功的领域有: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。目前规整填料种类多，形状不同，特性各异，但理想的规整填料均应具备以下特点：压力降小，分离效率高；操作弹性大，适应性强，放大效应低。
211 国外研究近况
自从20世纪70年代苏尔寿公司开发出具有划时代意义的Mellapak填料后，规整填料新品种层出不穷[6]。Sulzer公司的Optiflow规整填料是其在多年来开发BX金属丝网填料和Mellapak的基础上，采用计算机对流体在填料中流动行为的数值模拟而出的最优结构填料。它是由带沟纹的菱形薄片，搭成上
下有气流通道的空间八面体，再组合而成，整个填料结构有各方向高度的对称性，达到气液理想的流动、接触。据称，与常规塔板和填料相比，在相同的分离效率条件下，处理能力可提高20%～25%，而在相同的处理能力情况下，传质效率可提高50%。Sulzer公司的K atapak化学反应器用填料[7～9]，是以双层丝网制成的波纹填料，在丝网的夹层内装有催化剂。目前已开发出K atapak S和K atapak SP两种类型。后者相对于前者其优点在于设计成了标准组件。
德国Envicon公司的Jalousiepacking填料，由012 mm～013mm的金属板片冲压组装而成，是一种具有倾斜板的方格状栅格填料。这种填料操作弹性大，液体分布性能好，在相同填料几何表面积时，其压降比传统的散堆填料低得多，且不易堵塞。由于其优良的液体分布性能，特别适用于填料层要求高的场合。
Schott公司的Durapack玻璃纤维规整填料，是该公司的专利产品，为高抗腐产品，具有高通量、低压降及良好的分离性能。比表面积为280m2/m3和400m2/m3。空隙率分别为80%和72%，网纹表面分为粗糙表面和光滑表面。
M ontz公司生产的BSH规整镇料是介于网、板填料之间的新型高效填料，它独特的可膨胀金属织物结构弥补了金属丝网和片状金属规整填料间的差距。BSH织物结构的毛细管作用，使填料在任何操作工况下都具有最高的传质效率，每米填料理论板数高达8块理论板，比表面积可高达750m2/m3。它典型应用在反应蒸馏、空气分离和制药填料塔。
工笔画特殊技法
M ontz公司最新推出的M omz2pak M系列规整填料[11～13]，是由M ontz2pak B1系列规整填料进一步发展而来。试验证明其特有的波形能令其在分离效率保持不变的情况下处理能力比对应的B1系列填料提高大约30%。
此外,K uhni公司对原有R ombopak系列填料应用CFD优化设计改造成新的R ombopak S系列，据制造商介绍，目前推出的R ombopak S4M和S6M填料与对应的R ombopak4M和6M填料相比，在保持分离效率的情况下压力降减少30%，处理能力提高15%[14]。
212 国内研究近况
组片式(Zupak)和峰谷搭片式(Dapak)波纹填料都是天津大学开发的专利产品。Zupak的每一周期波纹由位于四个平面上的断续平面图形薄片相交所组成，其侧向投影形状为两条互相交错的波纹状折线。Dapak主要特征在于在填料波纹板片的波峰和波谷上，规则间断地开设截面形状呈三角形的谷段和峰段，构成谷段的两个谷面为上小下大的梯形，构成峰段的两个峰面为上大下小的梯形。Dapak与Zupak相比具有更加优良的流体力学和传质性能，与相应型号的Mellapak填料相比，分离效率提高约10%，通量提高20%，压力损失降低30%左右。目前两者都已有成功的工业应用。
上海化工研究院将金属薄带经适当处理，冲制拉伸成特定规格的压延网孔制成波纹填料，开发出SW系列网孔波纹填料，综合了丝网与孔板波纹填料的优点，分离效率大约为每米(7～8)块理论板，已成
功应用于分离甲醇、甲醛、硝基氯苯等等。
蜂窝型格栅是清华大学近年开发的一种新型规整填料，经试验对比，蜂窝型塔的比负荷约为Filip 型填料塔的114倍。实践表明，该填料具有处理能力大、压力降小、传质效率高及易于加工制造和安装
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第23卷第1期徐世民等：塔填料及液体分布器
维修等优点，在汽油脱硫醇、溶剂脱沥青、润滑油糠醛精制等液2液抽提过程中得到成功的应用。
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本身是填料，同时又起到分布器的作用，具有良好的自分布性能，传质效率比规整填料提高15%～20%。每米填料的理论板数比同规格的Sulzer填料高15%左右。
此外，清华大学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下的高纯度分离。
3 液体分布器
一个高性能的填料塔，必须同时具有高性能的填料和设计合理的塔内件，其中液体回流及进料在塔截面上的均匀分布是有效传质的基本条件。实验表明，回流分布不均对理论板数可达成倍的影响。因此在开发研究各种新型塔填料的同时，还必须重视与之配合的塔内件的开发研究。
311 填料塔液体分布器的分类
在长期的生产经验基础上，人们总结设计出了种类繁多的液体分布器，它们结构各异，适用的对象也不尽相同。从最初的压力喷头到现在性能较高的槽式液体分布器，分布质量越来越高，结构也越来越精细[15]。
目前液体分布器分类主要有如下5种分类方法。1)按分布器流体动力分：重力型液体分布器(孔型、堰型)，压力型液体分布器(喷淋式、多孔管式);
2)按分布器的形状分：管式、双层排管式、槽式、盘式、冲击式、喷嘴式、宝塔式、莲蓬式和组合式等;3)按液体离开分布器的形式分：孔流型和溢流型;4)按液体分布的次数分：单级和多级;5)按分布器组合方式分：管槽式、孔槽式和槽盘式。
312 液体分布器的研究动向
随着新型高效填料的出现及设备大型化，国内外对液体分布器的开发日益重视。液体分布过程是化学
工程中较复杂的技术，有许多问题有待研究。
1)开发新型、高效的液体分布器：为大型高效填料塔的节能改造提供服务。由于填料塔大型化，要求分布器具有更优良的性能，如流量均匀、抗堵塞、
防夹带、低压降、结构紧凑、弹性大、多功能以及分布器传质化等。
2)新型分布器的比较：用于不同填料和分离系统的性能的研究表明，高效填料对液体初始分布器的结构敏感，同一填料在不同工况下使用不同结构的分布器，填料效率也不相同。
3)不良操作：研究液体分布器不良操作引起的不良分配对填料效率的影响[16～18]，如对分布器不同程度的堵塞、变形、损坏等进行模拟试验。结果表明，面分布不均较线性分布不均影响大；中心部位的干涸对效率影响大。
4)分离效率：研究不同填料在不同喷淋点密度、不同喷淋点排列方式下的分离效率。对任何填料，当喷淋点密度达一定值时其效率趋于稳定，而小于该定值时效率迅速下降，因此，每一规格的填料都对应一个最小喷淋点密度和一个最佳喷淋点密度。至于孔的排列，正三角形比矩形优越。
5)新型分布填料：开发由点到线，直至在整个填料面上实现面分布的新型分布器。如天津大学最新专利“高分布性液体分布器”[19]。布液槽侧壁设布液孔，布液孔外侧设布液板，布液板受液表面上为均布
的凹凸物。在填料塔操作过程中，通过毛细管等作用，使布液板上液体呈膜均匀状流下，将液体初始分步由点分布变成近似无限多点均匀分布到填料表面。
其新型自分布填料。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。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。
6)提高自动化程度：开发自动化程度高、测量精确的辅助设计及安装测试仪器。如天津大学的专利“自动测量液体分布器喷淋量的装置[20]”。该装置由一个受液杯及活动杯底盖所构成。通过电磁铁生磁、断磁实现杯底盖口开、关，达到盛液和放液，并通过重力传感器计算液体质量，完成测量液体分布器的喷淋量。
另外，天津大学还研制出液体分布器水平度的检测装置[21]。该检测装置是由软体透明管、管接头、管接头连接直角形固定支架及带螺纹的调节支架构成，使用前调节标尺指零，然后可对不同槽体进行水平检测，检测省力、精度高。
7)设备改造：对石油加工行业中定型的塔器，提
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化 学 工 业 与 工 程2006年1月
供先进的标准化分布器，以加快设计进度，提高生产效率，保证产品质量。
4 天津大学开发及应用新型填料塔技术情况简介[22]
竹镂舟蛾
天津大学开发了很多具有自主知识产权的新型规整填料和气、液分布器技术，在大型塔工业化方面取得很大进展。在计算流体力学、分离过程非平衡级模拟、气液分布技术研究的基础上,1997年自行设计和制造了当时国内直径最大的原油减压蒸馏塔(直径814m),2002年李鑫钢等设计和制造了国内直径最大的润滑油型原减压蒸馏塔，使中国的塔器技术上了更高台阶。
1)高效规整填料塔在苯酐装置的扩产改造：天津大学化学工程研究所多年来致力于蒸馏过程和高效规整填料塔新技术的开发与应用，自1990年与北京化工二厂共同开发设计的10ktΠa苯酐精制装置投入运行以来,1996年、1999年又先后为铜陵化工集团有机化工厂5kt/a。南京金陵石化公司化工一厂40kt/a设计改造了苯酐精制装置，均取得了优异效果。在10kt产量以下规模，应用天津大学“多变参数分批精馏技术”，提高了间歇苯酐精制装置的优级品率，并实现节能降耗的目的；采用天津大学“具有新型塔内件的高效填料塔技术”对年产40kt国外引进装置进行改造，可将产量提高至55kt/a以上，产品质量能满足高档增塑剂和高档树脂的要求，同时残渣排放量大幅下降。
2)精馏塔的改造：规整填料具有压降低、通量大、传质效率高等优点，特别适用于减压或常压下操作的不易堵塞的难分离物系的分离。干爱华等采用天津大学的高效填料塔技术对独山子石化公司炼油厂
200kt/a芳烃抽提及溶剂油生产联合装置C2501进行改造，解决了窄馏分己烷溶剂油产品馏程及苯含量不合格的问题，生产出了合格的工业己烷产品。塔内压力降低，操作弹性大，回流比较小，节能效果显著。
3)炼油厂减压塔的改造：李鑫钢、姜斌等采用新型高效规整填料、槽盘式气液分布器和槽式液体分布器及带捕液吸能器的双切向环流进料分布器对乌鲁木齐石油化工公司炼油厂的燃料油型减压塔进行改造，使常减压蒸馏装置处理量由215MtΠa提高到310Mt/a，在近210Mt/a的标定处理量下，压力降由4kPa下降到1kPa，蜡油收率提高2142%，蜡油残炭由0165%下降到0125%，渣油软化点由30℃提高到50℃，经济效益可观。
此外，天津大学规整填料技术还在炼油厂催化裂化吸收稳定装置、脱硫塔、解吸塔、烷基苯分馏塔、丁醇Π辛醇塔等许多场合得到了成功的应用。
天津大学近年来在填料塔的基础理论方面也取得了许多进展，不仅包括对填料塔流体力学性能的研究、传质性能及其影响因素的研究，而且还包括较为深入的填料床内液体流动机理的研究，有些已用于指导填料塔的设计与运行。
5 结束语
近年来，由于石油化工生产飞速发展，生产规模趋于大型化，要求塔器设备具有高通量、高效率和低压降等优良的综合性能。现代填料塔技术能很好地满足这些要求，不仅在大规模生产中广被采用，而且有取代板式塔的趋势。
展望未来，填料塔将从两个方面得到发展：一是不断开发和应用更简单更高效的填料；二是开发先进的与高效填料相匹配的塔内构件(包括根据塔内不同截面的气液负荷设计最经济有效的内件以及两相分布器等)。不同种类的填料组成填料复合塔或组成填料2塔板复合塔是一种新的应用途径。
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