填料塔的作用、分类、性能、发展

填料塔摘要塔设备有许多种类型，塔设备是化工、石油化工和炼油生产中最重要的设备之一。它可使气液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的作用。填料塔是塔设备的一种。塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。例如应用于气体吸收时，液体由塔的上部通过分布器进入，沿填料表面下降。气体则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上，与液体密切接触而相互作用。结构较简单，检修较方便。广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。为了强化生产，提高气流速度，使在乳化状态下操作时，称乳化填料塔或乳化塔(emulsifyingtower)。结构原理填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分

布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。Si-F（輯曲甲的悌护鼻盖內st**.

Si-F（輯曲甲的悌护鼻盖內st**.发展历史填料塔填料塔70年代以前，在大型塔器中，板式塔占有绝对优势，出现过许多新型塔板。70年代初能源危机的出现，突出了节能问题。随着石油化工的发展，填料塔日益受到人们的重视，此后的 20多年间，填料塔技术有了长足的进步，涌现出不少高效填料与新型塔内件，特别是新型高效规整填料的不断开发与应用，冲击了蒸馏设备以板式塔为主的局面，且大有取代板式塔的趋势。最大直径规整填料塔已达14〜20m，结束了填料塔只适用于小直径塔的历史。这标志着填料塔的塔填料、塔内件及填料塔本身的综合设计技术进入了一个新阶段。纵观填料塔的发展，可以看出，直至 80年代末，新型填料的研究始终十分活跃，尤其是新型规整填料不断涌现，所以当时有人说是规整填料的世界。但就其整体来说，塔填料结构的研究又始终是沿着两个方面进行的，即同步开发散堆填料与规整填料。另一个研究方向是进行填料材质的更换，以适应不同工艺要求，提高塔内气液两相间的传质效果，以及对填料表面进行适当处理（包括在板片上碾压细纹或麻点，在板片上粘接石英砂，表面化学改性等），以改变液相在填料表面的润湿性。填料塔从ACHEMA'94和ACHEMA'97两届展览会展出情况来看，进入90年代后，填料的发展较慢，仿佛进入一个相对稳定期，或者说是处于巩固阶段。如1994年展出的最具代表性的产品仍是Sulzer公司1991年展出的Optiflow规整填料，而1997年也只展出了一种新型填料的几何形状，即Raschig公司的Supekpak300型板式规整填料，其余都是一些老填料的

新改进（如Rombopak改进型填料）。填料领域最多的发展还是在气液分布器方面。国外大公司对液体分布装置的研究较成熟，但对气体分布器的研究是几年前才起步的。与此相反的是，近五六年来，塔器中板式塔技术却又有了明显的进步。尽管如此，新型填料的开发与应用仍将会有发展，其重点亦仍是规整填料。预计今后填料塔的发展仍应归结到以下三个方面：①新型填料及塔内件的开发。②填料塔的性能研究。③填料塔的工业应用。填料基本分类散堆填料填料塔Envicon公司的新型Mc-Pac环金属填料，有30mmX15mm和65mmX30mm这2种尺寸。据制造商介绍，与50mm鲍尔环相比，其较大型号的效率提高40%，压降减小60%。Raschig公司的Raschig-Super-Ring塑料环，按照该公司的介绍，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Q-pacMetalHybridPacking（混合填料），具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IMPAC工艺塔填料，其传质效率比Intalox高出30%以上，其优良的综合性能在现代散堆填料领域内一枝独秀，对于精密分离、热敏物系和节能改造十分有利。Lantc公司的IMPAC冷却塔填料，具有良好的水滴分散性能和自分布性能，每 m3

有多达5万个的水滴。与现有填料相比，效率可提高 40%以上，具有长达10年的使用寿命，有效地降低了操作成本。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。Koch公司的K4GTM高效填料，自称是从拉西环算起，鲍尔环是第二代，从前的其他各种散堆高效填料是第三代，它是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，其能力可比鲍尔环提高 15%，该公司称其是目前最先进的散堆填料之一。此外，还有日本的 M-pak环和Koch公司的K-pak环。规整填料填料塔Sulzer公司的Katapak化学反应器用填料，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［5］。Sulzer公司的Optiflow规整填料，具有独特的结构，由薄板片冲压折叠和组装而成，它改变了液相在Mellapak板渡填料表面上稳定流过较长距离的传统模式，通过曲折而不断改变方向的板片，促进液相的分散-聚合-再分散循环，保证与气相的良好接触，并使传质表面不断更新。它综合了规整填料和散堆填料的优点，既具有很高的效率，又具有极大的通量。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%。Raschig公司的Supekpak300型板式规整填料的比表面积为300m2/m3。根据制造商提供的数据，与迄今在比表面上可

相比拟的填料相比，它的负荷能力提高 26%,压力损耗降低33%。日本三菱商事（株）的Mc-pak规整填料，分为丝网和板材2类，丝网500目，比表面积为1000m2/m3。板材类有250S、350S、500S和500SL共4种，比表面积分别为250m2/m3、350m2/m3、500m2/m3，其中500SL为高液负荷和低压降型。总的特点是压力损耗小，操作范围宽，HETP小，操作弹性大。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，装入DN100〜DNIOOOmm的塔内。此外，瑞土Kuhni公司还将Rombopak系列扩展到12M型。它的比表面积为450m2/m3。制造商在一个内径为DN50mm的实验塔内用氯苯/乙苯试验体系在6600Pa压力下测得：当F因子为0.5Pa时，为10块理论塔板；当F因子为2Pa时，为7块理论塔板。Montz公司提供了他们的钽质Montz-PakA300型填料，它的板厚为0.05mm。Nutter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。填料的开口处可保证填料有效表面不断更新和填料两边液体的交换，达到最佳的气液接触和分离效果，其比表面积高达 500m2/m3，可满足任何分离工艺需要。它典型应用在炼油厂的粗馏塔、反应蒸馏、空气分离和制药化学塔。BSH填料配用Nutter公司专利液体分布器等全部塔内件，理论塔板数高、HETP低、压降小。历史事记

自从1914年出现拉西环填料以后，填料塔的发展进入了科学的轨道。1914年瓷质拉西环的问世，标志着填料塔进入了科学发展的年代。1914年第一代有规填料拉西环(Raschingring)的出现，使填料塔的发展进入了科学轨道。1914年Rachig环问世,标志着第一代乱堆填料的诞生，但实际生产效果仍没有很大的提高，人们开始意识到汽液分布性能对填料塔操作的重要性。1937年斯特曼填料的出现，使填料和填料塔又进入了现代发展时期。1950年后，填料塔进入了缓慢发展时期，在这个时期内，人们注意了对塔内件的研究，力图解决填料塔的放大问题，但由于各种板式塔的出现及其成功应用，使填料塔倍受冷落。1950年以后，填料塔进入了缓慢发展时期，在这个时期内，人们注意了塔内件的研究，力图解决填料塔的放大问题，但由于各种板式塔的出现极其成功应用，使填料塔受到了冷落。1951年Danckwerts〔侧针对渗透理论假定旋涡在界面上停留一个固定的时间的不合理性，特别对搅拌槽、乱堆填料塔、鼓泡塔、喷雾塔，其中的气泡和液滴有较宽的尺度分布，对渗透理论进行改进，提出了表面更新理论。1964年国际蒸馏会议认为是填料塔放大以后液体分布不均所致。1966年用于分离水和重水的第一个苏尔采填料塔在法国投产。自1966年世界上建立起莽一批网波填料塔以来，十多年的实践证明，风波填料具有效率高、负荷大、压降低、滞液星小、几乎无放大效应以及易于机械化加工等优点，因此其应用得到了迅速发展。1969年，Viviantl将一个填料塔固定在大离心机的旋转臂上，首次测定了离心加速度对传质效率的影响。

1970年，我国建成第一座金属丝网波纹填料塔，20多年来估计有数百座金属丝网波纹填料塔投人生产。填料塔1971年SPAAY等采用不同材质、不同尺寸的拉西环较为详尽地研究了脉冲填料塔的两相流动、轴向混合和传质特性，给出了特性速度、液滴直径的经验关联式。1972年苏尔采公司已建造了12个CY堑填料塔，并且已成功地运转着。1972年以来，以欧美为中心的世界硫酸制造所用的填料塔逐渐改换成陶瓷阶梯环，包括新建在内其总数可达100座。故于1973年5月提出在石灰石填料塔内用水冼涤尾气的方案。从1973年开始使用到现在已近十三年，湍球塔不仅可用于乙炔冷却、清净和中和，而且也可用于水洗塔，这在国聚氯乙烯生产上也是首创，对防腐力量薄弱的地区也有很强的适应性。1977年Simonsl介绍了脉冲填料塔在己内酚胺生产中的应用，并提出脉冲填料塔的传质效率与塔径和塔中是否存在反应无关，因而具有易于放大的优点。1980年5月开始进行了阶梯环填料塔的试验，获得成功。1980年，Merchu曾将填料塔作为氧合器，对几种较小尺寸的填料进行了传质性能的测定，并进行了血液氧合过程的尝。

1982年4月在直径5.3米的油洗塔及直径5.1米的水洗塔中，将上段的浮阀塔板改为充填英塔洛克斯金属填料的填料塔。在推广新技术过程中，天津大学填料塔新技术公司也得到了迅速发展，从1985年资金为零，发展到拥有3000多万元资产的中型企业，成立研究推广中心后的1990年-1995年共创利税3500万元。填料塔1986年底大检修时，对部分设备进行了改造，用填料塔取代了浮阀塔。1987年元旦试车成功后，投产运行一年证明填料塔确有许多优点，但也存在一些问题。“官、产、学”结合促进科技成果转化天津大学“新型填料塔及高效填料研究推广中心”天津大学填料塔新技术公司天津大学研究开发的“具有新型塔内件的高效填料塔”技术，1987年获国家科技进步三等奖，1989年列为国家科委第一批全国重点推广项目。1988年将酚精制抽提塔改成新型填料后取得的经验，也将转盘塔改成了阶梯环填料塔。1989年对苹取塔进行技术改造，由原内驱动转盘塔改为短距阶梯环填料塔。后经论证，1989年大修期间将板式塔改造为高效填料塔。1990年经中国国家科委和国家教委批准，在天津大学成立了国家级行业性研究推广中心“新型填料塔和高效填料研究推广中心”1990年的年产8万吨合成氨节能技术改造时，将脱碳的两塔改为填料塔，改后脱碳的生产状况大大改善。

1990年国家科委将国家填料塔及内件技术研究推广中心设在天津大学填料新技术公司，并被列为国家“八五”九五”科技成果重点推广项目依托单位。1990年，国家科委将国家级化工填料塔及内件技术推广中心设在了天津大学填料新技术公司。1991年初，填料塔都由于此种原因而发生“液泛”1991年采用高效填料塔技术改造以后，排放水质达到标准，而且回收了甲醇，保护了环境，降低了甲醇的消耗。天津大学填料塔新技术公司1991年引进了苏尔寿公司的MELAPAK自动生产线，并自已开发了碳钢渗铝板波纹填料；清华大学和上海化工研究院分别开发了压延板网波纹填料；中石化洛阳工程公司开发了LH型规整填料。早在1991年，天津大学依靠化学工程学科在填料技术方面的优势，建立了天津大学填料塔新技术有限公司，在全国改造各类塔器近万个，取得了巨大的经济效益。1993年三季度末主体设备由制造厂运抵本厂，同时联苯炉，波型截止阀、减速器传动装置、变频器、电器控制箱，铸带槽、工艺管道、计量泵、填料塔等辅助装置也相继到厂。但随着植物油精炼工艺的发展和进步， FH公司自1993年起在植物油脱臭工艺上采用了最新研制的结构填料塔。1994年后我们又将原填料塔进行改造设计，设计时总结了原老系统设备浮阀，筛板复合塔板的改造和运行情况，并进行了改进，增设了一旋流除雾板。1996年，经过考察研究，决定采用石家庄正元塔器开发公司的专利技术，利用大修机会，将变换工段饱和热水塔由原来的填料塔改造为新型高效垂直板塔。

1996年初，虽用一台金属孔板我们在粗苯装置的操作上采取了以下措施，取得了波纹填料塔代替了4台木格塔，但由于蒸汽压力低，较好的效果。1997年9月，天津大学校办企业天财资讯系统工程公司、天津大学填料塔新技术公司、天津华通高新技术公司整体改制，再由天津大学、中国船舶工业总公司707研究所、天津大学事业发展总公司、天津经济建设投资集团、海南琼海农贸产品交易批发中心等 7家机构共同筹组发起天大天财公司。1997年，该公司对此作了改进：尾气经冷却后，经两级缓冲和两级填料塔过滤后进合成炉。1997年天津大学作为主发起人，将天津大学填料塔新技术公司等公司的经营性净资产6500万元作为出资发起设立了天大天财，其中填料塔新技术公司净资产2780万元，占总投入的42.7%1997年随天大天财在深交所上市改制成为天津天大天财股份有限公司填料塔新技术分公司，2000年6月改制为天津天大天久科技股份有限公司。1998年7月对填料塔进行改造，取得了明显的效果。填料塔1998年7月，将脱甲烷塔改为填料塔。1998年8月，由天大天财公司填料塔新技术分公司和天大化工所、茂名石化公司设计院共同设计的我国最大的 500万吨/年原油常减压装置，在广东茂名一次开车成功，使茂名石化公司的炼油能力达到每年1350万吨,成为我国第一个千万吨级的炼油基地。

1999年，填料塔中的三相精馏过程在特定的条件下不会显著降低传质效率。1999年，后洗苯塔阻力逐渐上升特别是花环填料塔阻力最高达到3000Pa使煤气鼓风机负荷增大鼓风机后煤气压升多次超出额定值须频繁停塔清扫等强化操作。2000年，生产乙苯的填料塔开车成本偏高，分离效率低，原因在于塔体内盘式分离器通透率低，每小时处理量只有 4.25吨，没有达到6吨的处理标准，其原因是塔壁流没能得到利用。2000年，南京炼油厂采用填料塔技术对偏三甲苯精馏塔进行了技术改造，扩大了装置的生产能力，装置处理量得到大幅度的提高。2000年检修时，对净化系统的循环酸增加一级沉淀，溢流进人另一循环槽，通过泵打人板式冷却器再进入填料塔。遂于2000年4月对解吸塔进行了全面改造，将原浮阀塔改为填料塔。2001年首次发现草甘膦生产过程中产生氯甲烷，提出了正确的反应机理，开发了DCS自动补气平衡系统和以新型波纹填料塔为核心的多级水洗、碱洗、吸附、干燥技术，净化回收率达95%以上，成功地解决了回收氯甲烷产气点多、产气不稳定以及含有大量杂质等问题。2001年杭氧、开空、川空和中国空分设备公司等主要企业以填料塔、全精馏制氩、内压缩流程为代表的新一代大型空分设备占据了国内 2万m~3/h以下空分设备市场。应用领域聚炳烯槽填料塔随着新型塔填料的相继开发和应用，填料塔的优点更显突出，应用范围日益扩大。在炼油、石油化工、精细化工、化肥、制药和原子能工业部门，以及环保领域的应用已趋于成熟。填料塔尤其适用于真空蒸馏、常压及中压下的蒸馏，当然还有大气量的两相接触过程（如气体的吸收、冷却等），但在高压精馏塔中应用时要特别谨慎。人们正在对高压

精馏填料塔进行研究，企图从填料塔的结构和操作方法上予以解决，例如有人提出填料层分段乳化操作或采用超重力场分离等。近年来在突破高压精馏塔应用填料的局限性方面已取得了一些进展，其关键是彻底弄清高压（高液相负荷）对塔的处理能力和效率的影响，可利用浅床层和高性能塔构件（如气体分布器、液体分布器及再分布器）。也有人建议开发适用于高压蒸馏的组合式填料。填料塔应用的另一个新领域是空气分离装置。30年代以前的空分设备，主要是满足焊接、切割用氧及化工用氮。由于现代钢铁、氮肥、化工及火箭等技术的发展，氧、氮及稀有气体的用量迅速增加。国外一些大公司，如德国的Linde公司，美国的APCI公司（空气制品与化学品公司）、英国的BOC公司（氧气公司）和法国的空气液化公司等，均已开始把填料塔应用于空分方面的研究，瑞士Sulzer公司作为填料生产厂商与上述公司积极合作，已取得可喜成绩。空分装置中规整填料的另一个用途是在粗氩塔中使用。过去的粗氩塔为筛板塔，无法得到氧含量小于2X10-6的纯氩。改用填料塔，便可取消过去生产纯氩产品时使用的下游工艺。发展状况复合填料塔人们发现，为了满足塔器技术改造和高压蒸馏的需要，应根据塔内各段的不同分离要求和两相负荷沿塔高的分布，选用不同类型的最合适的填料，并优选其结构参数，组成复合填料塔，再匹配以高效塔内件 （气/液分布器、填料支承和液体再分布器等），以强化气液两相间的传质过程，提高塔的处理能力和分离效率。同时，人们也着眼开发适用于高压蒸馏用的