圖1 規(guī)整填料發(fā)展歷史 但從ACHEMA’94和ACHEMA’97兩屆展覽會(huì)展出情況來(lái)看，進(jìn)入90年代后，填料的發(fā)展較慢，仿佛進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定期，或者說(shuō)是處于鞏固階段。如1994年展出的*具代表性的產(chǎn)品仍是Sulzer公司1991年展出的Optiflow規(guī)整填料，而1997年也只展出了1種新型填料的幾何形狀，即Raschig公司的Supekpak300型板式規(guī)整填料，其余都是一些老填料的新改進(jìn)(如Rombopak改進(jìn)型填料)。填料領(lǐng)域*多的發(fā)展還是在氣液分布器方面［7］。國(guó)外大公司對(duì)液體分布裝置的研究較成熟，但對(duì)氣體分布器的研究是幾年前才起步的［5］。與此相反的是，近五六年來(lái)，塔器中板式塔技術(shù)卻又有了明顯的進(jìn)步［8］。
盡管如此，新型填料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用仍將會(huì)有發(fā)展，其重點(diǎn)亦仍是規(guī)整填料［3］。預(yù)計(jì)今后填料塔的發(fā)展仍應(yīng)歸結(jié)到以下3個(gè)方面：①新型填料及塔內(nèi)件的開(kāi)發(fā)。②填料塔的性能研究。③填料塔的工業(yè)應(yīng)用［3］。 1 幾種新型填料介紹 80年代后期和90年代初期，國(guó)外還是推出了一些高效新型填料，數(shù)量上雖不是很多，但也還有特色。
(1)散堆填料 Envicon公司的新型Mc-Pac環(huán)金屬填料，有30mm×15mm和65mm×30mm這2種尺寸。據(jù)制造商介紹，與50mm鮑爾環(huán)相比，其較大型號(hào)的效率提高40%，壓降減小60%［9］。Raschig公司的Raschig-Super-Ring塑料環(huán)，按照該公司的介紹，與50mm塑料鮑爾環(huán)相比，它的壓力損失減少了70%，負(fù)荷能力提高了50%［9］。Lantc公司的Q-pacMetalHybridPacking(混合填料)，具有規(guī)整填料的效率和能力，又有散堆填料的經(jīng)濟(jì)性和通用性，能降低HETP(理論塔板等效高度)30%以上，壓力損失減少40%［10］。Lantc公司的IMPAC工藝塔填料，其傳質(zhì)效率比Intalox高出30%以上，其優(yōu)良的綜合性能在現(xiàn)代散堆填料領(lǐng)域內(nèi)一枝獨(dú)秀，對(duì)于精密分離、熱敏物系和節(jié)能改造十分有利［11］。Lantc公司的IMPAC冷卻塔填料，具有良好的水滴分散性能和自分布性能，每m3有多達(dá)5萬(wàn)個(gè)的水滴。與現(xiàn)有填料相比，效率可提高40%以上，具有長(zhǎng)達(dá)10年的使用壽命，有效地降低了操作成本［11］。Lantc公司的LANPAC環(huán)保塔填料，與其他尺寸相同的填料相比，它可更有效地降低壓降，提高傳質(zhì)效率，且現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)證明不堵塞［12］。Koch公司的K4GTM高效填料，自稱(chēng)是從拉西環(huán)算起，鮑爾環(huán)是**代，從前的其他各種散堆高效填料是第三代，它是第四代**個(gè)散堆填料，具有更低的壓降和非常高的分離能力，經(jīng)美國(guó)得克薩斯州大學(xué)能量研究中心試驗(yàn)證明，其能力可比鮑爾環(huán)提高15%，該公司稱(chēng)其是目前*先進(jìn)的散堆填料之一。此外，還有日本的M-pak環(huán)和Koch公司的K-pak環(huán)。
(2)規(guī)整填料 Sulzer公司的Katapak化學(xué)反應(yīng)器用填料，是以雙層絲網(wǎng)制成的波紋填料，在絲網(wǎng)的夾層內(nèi)裝有催化劑［5］。Sulzer公司的Optiflow規(guī)整填料，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，由薄板片沖壓折疊和組裝而成，它改變了液相在Mellapak板渡填料表面上穩(wěn)定流過(guò)較長(zhǎng)距離的傳統(tǒng)模式，通過(guò)曲折而不斷改變方向的板片，促進(jìn)液相的分散-聚合-再分散循環(huán)，保證與氣相的良好接觸，并使傳質(zhì)表面不斷更新。它綜合了規(guī)整填料和散堆填料的優(yōu)點(diǎn)，既具有很高的效率，又具有極大的通量。據(jù)稱(chēng)，與常規(guī)塔板和填料相比，在相同的分離效率條件下，處理能力可提高20%～25%，而在相同的處理能力情況下，傳質(zhì)效率可提高50%［13］。Raschig公司的Supekpak300型板式規(guī)整填料的比表面積為300m2/m3。根據(jù)制造商提供的數(shù)據(jù)，與迄今在比表面上可相比擬的填料相比，它的負(fù)荷能力提高26%，壓力損耗降低33%。日本三菱商事(株)的Mc-pak規(guī)整填料，分為絲網(wǎng)和板材2類(lèi)，絲網(wǎng)500目，比表面積為1000m2／m3。板材類(lèi)有250S、350S、500S和500SL共4種，比表面積分別為250m2／m3、350m2／m3、500m2／m3，其中500SL為高液負(fù)荷和低壓降型?？偟奶攸c(diǎn)是壓力損耗小，操作范圍寬，HETP小，操作彈性大［14］。Schott公司的Durapack玻璃纖維規(guī)整填料，是該公司的**產(chǎn)品，為高抗腐產(chǎn)品，具有高通量、低壓降及良好的分離性能。比表面積為280m2／m3和400m2／m3。空隙率分別為80%和72%，網(wǎng)紋表面分為粗糙表面和光滑表面，裝入DN100～DN1000mm的塔內(nèi)［15］。此外，瑞土Kühni公司還將Rombopak系列擴(kuò)展到12M型。它的比表面積為450m2/m3。制造商在一個(gè)內(nèi)徑為DN50mm的實(shí)驗(yàn)塔內(nèi)用氯苯/乙苯試驗(yàn)體系在6600Pa壓力下測(cè)得：當(dāng)F因子為0.5Pa時(shí)，為10塊理論塔板；當(dāng)F因子為2Pa時(shí)，為7塊理論塔板。Montz公司提供了他們的鉭質(zhì)Montz-PakA300型填料，它的板厚為0.05mm［9］。Nutter公司生產(chǎn)的BSH規(guī)整鎮(zhèn)料是介于網(wǎng)、板填料之間的新型高效填料，它獨(dú)特的可膨脹金屬織物結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了金屬絲網(wǎng)和片狀金屬規(guī)整填料間的差距。BSH織物結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管作用，使填料在任何操作工況下都具有*高的傳質(zhì)效率。填料的開(kāi)口處可保證填料有效表面不斷更新和填料兩邊液體的交換，達(dá)到*佳的氣液接觸和分離效果，其比表面積高達(dá)500m2/m3，可滿足任何分離工藝需要。它典型應(yīng)用在煉油廠的粗餾塔、反應(yīng)蒸餾、空氣分離和制藥化學(xué)塔［16］。BSH填料配用Nutter公司**液體分布器等全部塔內(nèi)件，理論塔板數(shù)高、HETP低、壓降小。 2 填料塔應(yīng)用新領(lǐng)域 隨著新型塔填料的相繼開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，填料塔的優(yōu)點(diǎn)更顯突出，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大［6］。在煉油、石油化工、精細(xì)化工、化肥、制藥和原子能工業(yè)部門(mén)，以及環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用已趨于成熟［5］。填料塔尤其適用于真空蒸餾、常壓及中壓下的蒸餾，當(dāng)然還有大氣量的兩相接觸過(guò)程(如氣體的吸收、冷卻等)［4］，但在高壓精餾塔中應(yīng)用時(shí)要特別謹(jǐn)慎［5］。人們正在對(duì)高壓精餾填料塔進(jìn)行研究，企圖從填料塔的結(jié)構(gòu)和操作方法上予以解決，例如有人提出填料層分段乳化操作或采用超重力場(chǎng)分離等［3］。近年來(lái)在突破高壓精餾塔應(yīng)用填料的局限性方面已取得了一些進(jìn)展，其關(guān)鍵是徹底弄清高壓(高液相負(fù)荷)對(duì)塔的處理能力和效率的影響，可利用淺床層和高性能塔構(gòu)件(如氣體分布器、液體分布器及再分布器)［13］。也有人建議開(kāi)發(fā)適用于高壓蒸餾的組合式填料［17］。
填料塔應(yīng)用的另一個(gè)新領(lǐng)域是空氣分離裝置。30年代以前的空分設(shè)備，主要是滿足焊接、切割用氧及化工用氮。由于現(xiàn)代鋼鐵、氮肥、化工及火箭等技術(shù)的發(fā)展，氧、氮及稀有氣體的用量迅速增加。國(guó)外一些大公司，如德國(guó)的Linde公司，美國(guó)的APCI公司(空氣制品與化學(xué)品公司)、英國(guó)的BOC公司(氧氣公司)和法國(guó)的空氣液化公司等，均已開(kāi)始把填料塔應(yīng)用于空分方面的研究，瑞士Sulzer公司作為填料生產(chǎn)廠商與上述公司積極合作，已取得可喜成績(jī)［5］。
空分裝置中規(guī)整填料的另一個(gè)用途是在粗氬塔中使用［1］。過(guò)去的粗氬塔為篩板塔，無(wú)法得到氧含量小于2×10-6的純氬。改用填料塔，便可取消過(guò)去生產(chǎn)純氬產(chǎn)品時(shí)使用的下游工藝［5］。 3 填料塔設(shè)計(jì)新發(fā)展 (1)復(fù)合填料塔 人們發(fā)現(xiàn)，為了滿足塔器技術(shù)改造和高壓蒸餾的需要，應(yīng)根據(jù)塔內(nèi)各段的不同分離要求和兩相負(fù)荷沿塔高的分布，選用不同類(lèi)型的*合適的填料，并優(yōu)選其結(jié)構(gòu)參數(shù)，組成復(fù)合填料塔，再匹配以高效塔內(nèi)件(氣／液分布器、填料支承和液體再分布器等)，以強(qiáng)化氣液兩相間的傳質(zhì)過(guò)程，提高塔的處理能力和分離效率。同時(shí)，人們也著眼開(kāi)發(fā)適用于高壓蒸餾用的組合式填料，即分布填料、傳質(zhì)填料和隔離填料的組合，從而用盡可能少的塔內(nèi)件，在提高效率與通量的基礎(chǔ)上，降低塔的造價(jià)［17］。
(2)流化床填料塔 在一些環(huán)境工程工藝中，懸浮于氣相和液相中的固體顆粒有時(shí)會(huì)堵塞填料床，解決的辦法是采用流態(tài)化填料床。
盡管流態(tài)化能實(shí)現(xiàn)更高的氣流速率和傳質(zhì)速率，但因?yàn)槿鄙僭O(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)式，且底部的格柵有時(shí)會(huì)伴隨產(chǎn)生高壓力降，故要使填料床均勻流化有不少困難，因而過(guò)去人們?cè)趯⑵鋺?yīng)用于工業(yè)規(guī)模的填料塔方面，一直徘徊不前。
近年來(lái)，國(guó)外推出一種EUROMATIC填料，為塑料橢球形空心薄壁填料，尺寸為30mm、50mm、110mm，它的開(kāi)發(fā)促使人們對(duì)流態(tài)化填料床的研究更加深入。由于這種填料的性能特點(diǎn)，預(yù)計(jì)其在工業(yè)中的應(yīng)用前景光明。
流態(tài)化床層的設(shè)計(jì)，是將空心橢球填料擱置在支撐格柵上，上方安置壓環(huán)、液體分布器和除沫器。液相由除沫器下方送入，由塔底排出，而氣相由支撐擱柵下方進(jìn)入，由塔頂排出。流化狀態(tài)在壓環(huán)與支撐擱柵之間進(jìn)行。作用于氣體、液體和填料間的剪切力使流經(jīng)空隙的氣流產(chǎn)生壓降，當(dāng)壓降與單位橫截面積上的填料和液體的質(zhì)量平衡時(shí)，填料床就開(kāi)始膨脹，這就是初始流態(tài)化。當(dāng)氣流速率高于平衡態(tài)速率時(shí)，填料床松散且填料元件自由流動(dòng)，可使傳質(zhì)的界面面積隨之更新。
實(shí)踐證明，由于填料床隨著氣體流速的增加繼續(xù)膨脹，因此避免了高的局部流速，并且壓降幾乎保持恒定。而當(dāng)氣相負(fù)荷高于初始流態(tài)化的氣相負(fù)荷時(shí)，床層由于在較高氣相負(fù)荷時(shí)填料元件的運(yùn)動(dòng)，在氣流速率增加的條件下，傳質(zhì)效率幾乎保持恒定［18］。 (王編)■ 參考文獻(xiàn)： ［1］袁孝競(jìng)，余國(guó)琮.填料塔技術(shù)的現(xiàn)狀與展望［R］.天津：天津 大學(xué)，1997.
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