塔填料的工业应用及评价 □陈大昌 魏建华 刘乃鸿 徐敬光 陆振民 填料塔作为传质分离设备被广泛应用于石油炼制、天然气加工、石油化工、精细
填料塔作为传质分离设备被广泛应用于石油炼制、天然气加工、石油化工、精细化工、化肥、医药及环保等部门。分离包括蒸馏、吸收、解吸、萃取、结晶、吸附、过滤、蒸发、干燥、离子交换和膜分离等。据报道，分离过程在许多工业中占去总投资费和操作费的４０％～７０％。在诸多分离过程中，蒸馏是最重要的，也是应用最广泛的。现在蒸馏技术在改进设计方法、开发新型蒸馏装置和扩大原有蒸馏装置的适用范围以及故障诊断技术三个方面均已取得了重要的进展。 塔器分为板式塔和填料塔两大类。填料塔有散堆填料塔和规则填料塔。 板式塔有
塔器分为板式塔和填料塔两大类。填料塔有散堆填料塔和规则填料塔。 板式塔有泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等。一般而言，板式塔结构较简单，适应性强，易于放大，造价较低，但效率较低，压降高，持液量大；而填料塔效率高，压降小，持液量小，有些填料价格较高，对初始分布敏感，隔一定高度需要安装收集分布器装置等，中、高压操作的传质性能较差。过去板式塔的开发及应用研究速度一直保持领先，然而最近２０年来填料塔的开发应用研究却加快了速度，各种新型高效填料特别是波纹填料的开发成功和基础理论研究的成果已基本上解决了填料塔工程放大问题，之后应用发展更迅速，日益大型化，取得了显著的经济效益和社会效益，这是当前国际上塔器研究与应用的一个重要突破。最近１０年蒸馏装置的发展趋势是汽液接触的填料塔逐步取代板式塔，规则填料作为低压降下具有高传质效率装置倍受青睐，这种评价是符合现代填料塔分离进展实际情况的。 塔填料的研制和工业应用已有１００多年的发展史，国外现代规整填料的主要类
塔填料的研制和工业应用已有１００多年的发展史，国外现代规整填料的主要类型与规格如下表所示。 目前最优的规整填料为优流结构填料（Ｏｐｔｉｆｌｏｗ），优流结构填料是瑞
目前最优的规整填料为优流结构填料（Ｏｐｔｉｆｌｏｗ），优流结构填料是瑞士苏尔寿公司在ＡＣＨＥＭＡ９４展览会上推出的一种称为高技术产品的规整填料，这种新型的最优流系统可以显著地提高填料的分离技术性能。采用最优流动结构填料及相应的塔内件，可大大提高分离塔的生产能力，降低压降和操作费用。所以能达到这样高的水平，主要是这种填料有完美的几何结构形式和高度的对称性，从而使所有的流动方向具有均匀的结构。 这种填料的基本元件是压有横向纹理液流沟槽菱形薄片，并在其中开小孔，将菱
这种填料的基本元件是压有横向纹理液流沟槽菱形薄片，并在其中开小孔，将菱形片搭成翼轮状。这种填料的特点是： ①每个菱形体的上下斜方体上有两侧交替地未被菱形片盖上，成为气流通道，而
①每个菱形体的上下斜方体上有两侧交替地未被菱形片盖上，成为气流通道，而相邻菱形体上气流通道也是互相错开。这种气流通道可减少气流旋流损失，并能达到对传质有利的理想的气体流动。 ②因为对角线方向均相通，故４个方向进入的主气流可达到理想的横向混合。
②因为对角线方向均相通，故４个方向进入的主气流可达到理想的横向混合。 ③因为在八面体顶端处液体不断地汇集又重新分散，故液体可达到不断的理想混
③因为在八面体顶端处液体不断地汇集又重新分散，故液体可达到不断的理想混合。 因它能使气液逆流接触时达到分散和混合的理想组合的填料，故称为最优流动结
因它能使气液逆流接触时达到分散和混合的理想组合的填料，故称为最优流动结构填料。 ④与一般规整填料相比，在真空蒸馏时，如保持相同的分离效率，则生产能力可
④与一般规整填料相比，在真空蒸馏时，如保持相同的分离效率，则生产能力可提高２５％；如保持相同的处理量，则分离效率可提高５０％。 ８０年代后由于板波规整填料的成功应用，填料及其相关内件的开发研究速度明
８０年代后由于板波规整填料的成功应用，填料及其相关内件的开发研究速度明显快于板式塔。未来几年中，以下几方面将得到重视和发展：工艺条件与塔内件的一体化匹配；结构与材质的改进或更新；整塔的精心设计、制造、安装和操作；故障检测和诊断技术现代化；设计模型的理论化和普遍化；小型热模大型冷模计算机模拟放大相结合的放大策略；工业经验和数据的积累及分析。在某些场合，当需要提高分离效率和塔的处理能力时，采用规则填料是一个好方案，或者可以弥补塔板和乱堆填料的不足。 在石油和天然气加工工业中已有２００多座精馏塔和吸收塔应用了规则填料Ｍｅ
在石油和天然气加工工业中已有２００多座精馏塔和吸收塔应用了规则填料Ｍｅｌｌａｐａｋ。这些塔的操作证明，与其它的传质设备相比，采用该填料是经济的选择。 板式塔和填料塔处理量及分离效率的差别主要有４个因素：①差别在于一个最优
板式塔和填料塔处理量及分离效率的差别主要有４个因素：①差别在于一个最优化的板式塔和一个最优化的填料塔设计的通量和分离效率的分别。最优化的塔板是板和降液管面积的平衡不引起通量限制。最优化的填料设计涉及分布器、支撑器、床层高度没有不良分布引起的效率下降和过度的通量限制产生。②偏离塔板、填料和其它塔内件（如分布器等）的优化设计。③独特的系统特性和特别的设计特点。“独特的系统特性”包括结垢腐蚀性、起泡和化学反应。“特别的设计特点”指非金属材料构型、阻垢剂的结构、特殊停留时间和高操作弹性的需要以及附加的复杂性，如多进料点、内（中间）再沸器、泵回流和侧线采出。④由于低压降的填料产生的通量和分离结果，使填料的压降典型地比板式塔低３～５倍，当压降超过塔顶绝压的一半时，压降的减少明显地减小了平均塔压。在多数系统，较低的压力使相对挥发度上升，因而改善分离。这种分离的改善用于减小回流和再沸器负荷，使得更多的进料有余地因而有较高的通量。但这种结果取决于多个变量，例如相对挥发度以及它随压力的变化速率、塔板数、压力、压力降、对最小回流比或狭点的靠近程度和其它。一般来说，真空精馏时填料的低压降提高分离效率和通量明显，特别当压力降／顶压大于１～２∶１和随压力下降相对挥发度迅速上升时。压力降是顶压４．３倍的真空板式塔用填料改造，由于填料的较低压降，塔的平均绝对压力以２．２的系数下降，而使得顶压不变，这个改造导致回流比以１．４系数减少，相反，通量以１．５系数增加。流动参数ＦＰ为００２～０．１时，塔板和散堆填料有大致相同的效率和通量，规整填料效率比塔板或散堆填料高５０％。ＦＰ从０．０２增加到０．１，规整填料通量优于塔板或散堆填料的百分比从３０％～４０％降至零。ＦＰ为０１～０．３时，塔板和散堆填料有大致相同的效率和通量，规整填料与塔板和散堆填料有大致相同的通量。ＦＰ从０．１增加到０．３，规整填料效率优于散堆填料和塔板的百分比从５０％降至２０％。ＦＰ为０．３～０．５时，塔板、散堆填料和规整填料的效率和通量随流动参数的增加而减少，规整填料的通量和效率下降趋势变化较陡，散堆填料的通量和效率下降趋势较平缓。在ＦＰ为０．５和压力为４００Ｐｓｉａ时，散堆填料有最高的通量和效率，规整填料的通量和效率最小。 以上这些结果建立在理想的试验条件和最优化的设计基础数据上，在实际工程中，
以上这些结果建立在理想的试验条件和最优化的设计基础数据上，在实际工程中，液体和气体不良分布对效率的负面影响，填料比塔板更严重。另外，内构件的优化对通量的负面影响，塔板比填料更严重，还需考虑其它必需考虑的因素。 对塔填料发展的几点看法：１．开发新型填料要沿着理想塔填料方向努力，所谓
对塔填料发展的几点看法：１．开发新型填料要沿着理想塔填料方向努力，所谓理想塔填料的基本要求是传质效率高、分离能力大、压降低和成本合理，要达到这些要求，填料表面积尽可能大，气液均布，液膜不断更新，气体湍动较大，可以说，阶梯环、环矩鞍，朗博帕克（Ｒｏｍｂｏｐａｋ）和各种波纹填料比较接近理想塔填料。今后填料结构和几何尺寸仍然有改进的余地，不会太大，除非填料传质机理研究取得重大突破，否则还是鞍环型和波纹型填料占主导地位。 ２．填料塔的分离性能首先取决于填料，其次取决于塔内件等。从理论上讲，采
２．填料塔的分离性能首先取决于填料，其次取决于塔内件等。从理论上讲，采取有效措施确保塔内气液两相均布，就可以使放大效率不明显。有效措施包括增强填料润湿性，填料高度合理分段，液体分布器不良分布度小，填料、内件和塔设备的设计、制造、安装正确，保温良好，不产生冷回流和过热现象等等。 ３．填料塔放大技术研究已获得重大进展，填料塔大型化，已与板式塔抗衡。据
３．填料塔放大技术研究已获得重大进展，填料塔大型化，已与板式塔抗衡。据报道，美国诺尔顿公司的金属环矩鞍填料塔最大直径达２０米。瑞士苏尔寿公司和美国格利希公司的板波纹填料塔最大直径也达１４米，几米直径的填料塔已得到普遍应用。 ４．新型填料塔应用范围从一般化工扩大到炼油和石油化工，从精馏、吸收操作
４．新型填料塔应用范围从一般化工扩大到炼油和石油化工，从精馏、吸收操作单元扩大到生化处理和环境保护，从提高产品产量扩大到降低能量和原料单耗，形成了大规模取代传统散堆填料塔和部分板式塔的新局面。 ５．散堆填料和规则填料各有长短，在各自的适用范围内充分发挥本身优势。在
５．散堆填料和规则填料各有长短，在各自的适用范围内充分发挥本身优势。在某些特殊场合，不同种类的填料组成填料复合塔，或者组成填料塔板复合塔，使它们性能相互补充，应用范围扩大。实用表明，规则填料的综合性能比较好，散堆填料即使装进塔内也希望能定向排列，气液两相流动规则化，从而减少阻力，提高分离效率。在规则填料中，许多学者认为波纹填料较佳。 目前新型填料塔大型化的开发应用仍以金属环矩鞍和波纹填料为主，普遍看法是
目前新型填料塔大型化的开发应用仍以金属环矩鞍和波纹填料为主，普遍看法是规则填料比散堆填料贵３５％～５０％，但生产能力和分离效率则比前者提高１０％～２０％。从塔器技术改造费用看，采用规整填料要多一些，但从缩小塔体积和节能的收益看，费用可以很快回收。虽然目前规整填料尚未成为一种蒸馏操作的理想填料，但最近国外专家预言：“１０年后采用规整填料将成为蒸馏操作唯一可取的途泾。” ６．塑料填料有待进一步开发和扩大应用范围。塑料填料与金属填料相比，具有
６．塑料填料有待进一步开发和扩大应用范围。塑料填料与金属填料相比，具有价格便宜、堆比重小、耐腐蚀和加工简便等优点，然而耐温不高，强度较差，不容易润湿，若能克服这些缺陷，塑料填料将会有更大的发展。 ７．填料专业公司大多建立了中试装置及大型液体分布器冷模装置。应为用户提供以
７．填料专业公司大多建立了中试装置及大型液体分布器冷模装置。应为用户提供以试验设计加工安装投产一条龙技术服务，销售整套塔装置，以确保用户的产量和质量。 ８．重视软件开发，充分发挥软件和硬件结合的作用。例如建立物料的热力学、
８．重视软件开发，充分发挥软件和硬件结合的作用。例如建立物料的热力学、填料流体力学和传质力学数据库，用ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅＩｎｃ的Ｐｒｏｃｅｓｓ软件模拟过程和优化计算，实施计算机辅助设计（ＣＡＤ），在中试装置及生产装置采用计算机控制和调优等。 综上所述，金属环矩鞍（ＩＭＴＰ）、阶梯环（ＣＭＲ）和各种波纹填料比较接
综上所述，金属环矩鞍（ＩＭＴＰ）、阶梯环（ＣＭＲ）和各种波纹填料比较接近理想填料，具有传质效率高、通量大、压降低和价格合理等特点，性能优于传统填料，集中代表了现代塔填料水平。填料塔的放大技术取得重大突破，出现了现代填料塔不仅逐步取代传统填料塔，而且也部分代替大型板式塔，乃至出现了在炼油和石油化工行业中与板式塔相抗衡的新局面。板式塔和填料塔、散堆填料塔和规则填料塔都各有长短，都在各自的适用范围内充分发挥自身优势，致力克服不足之处，它们将会长期存在，共同发展，估计国内外应用现代填料塔在万座以上。现代填料塔开发应用方兴未艾，预计还会持续发展。我国应紧紧跟踪国外填料塔分离技术最新发展动向，在已有基础上及时赶上和达到国际先进水平，以创造更大经济效益和社会效益。
〖STHZ〗〖JZ〗〖HT5”H〗国外现代规整填料的主要类型与规格〖STBZ〗〖HT6SS〗〖BG(〗〖BHDFG3，WK2，WK7，WK8，WK7*2，WK5*2，WK5，WK11W〗序号〖〗研制单位〖〗填料牌号〖〗填料类型〖〗材质〖〗比表面积(m2/m2)〖〗备〓〓〓〓注〖BHDG6*2，WK2，WK7，WK8ZQ*4，WK7*2ZQ*4，WK5*2ZQ*4，WK5，WK11ZQ*4W〗1[]〖HJ0〗Sulzzr(瑞士)(苏尔寿)〖〗AXBXCYMellapakKerapakDXEX〖〗带孔波纹丝网带孔波纹丝网带孔波纹丝网带孔波纹板陶瓷波纹板波纹丝网〖〗不锈钢等不锈钢等不锈钢等不锈钢等硅酸盐不锈钢〖〗250500〓700125～500450〖〗要求理论板不多而通量分离效率高，压降小效率最高，压降较小一般应用腐蚀介质分离用于实验室小塔〖BHDWG3*2〗2〖〗Glitsch(美)(格利希)〖〗GempakGempak 2AGlitschgrid〖〗带孔波纹网(板)格栅〖〗不锈钢等不锈钢等〖〗45～450233〖〗有C型和FF—25A型〖BH〗3〖〗Koch(美)〖〗FlexipacFlexipac\|2Flexigrid〖〗带孔波纹板带孔波纹板格栅〖〗不锈钢等不锈钢等〖〗125～500233〖〗与Melllapak相同〖BHDWG1*3〗4[]Kuhni(瑞士)〖〗Rmbopak〖〗网板〖〗不锈钢等〖〗230〖BHDWG5*2〗5〖〗Montz〓〓〓〖〗Montz\|Pak A3Montz\|Pak B1Montz\|Pak BsMontz\|Pak C1〖〗带孔波纹网波纹状穿孔板波纹状穿孔板板片〖〗不锈钢等不锈钢等不锈钢等聚四氟乙烯〖〗500100～300500300〖〗主要用于真空精馏用于一般蒸馏介于A3与B1之间用于一般蒸馏用于分离腐蚀介质〖BHDWG2〗6〖〗Norton(美)(诺尔顿)〖〗Intalox 2TIntalox 3T[]波纹状穿孔板〖〗不锈钢〖〗210〓〖BH〗7〖〗Nutter(英)(纳特)〖〗Snap\|Grid*3〖〗开槽条片〖〗不锈钢〖〗〖〗Nutter 公司在美国也被许可生产Montz B1填料〖BHDWG1*2〗8[]Raschig(德)〖〗Ralu\|pak250 YC〖〗带缝隙波纹板〖〗不锈钢碳钢〖〗250〖BHDWG3*2〗9〖〗DDR(德)〖〗Pyrapak GPyrapak FPerform Grld〖〗板网片板波〖〗不锈钢等不锈钢〖〗1803502950〖BH〗10〖〗日本住友公司日本月岛机械日挥公司〓〓〖〗各种sulzer填料RombopakPerformgrid〖BHDWG2〗11〖〗CCCP(原苏联)〖〗各种波纹填料〖〗〖〗〖〗〖〗网和板状均有〖BG)F〗