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1結構原理

填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備。

填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。

填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。

液體從塔頂經液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。

氣體從塔底送入，經氣體分布裝置（小直徑塔一般不設氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質。

填料塔屬于連續接觸式氣液傳質設備，兩相組成沿塔高連續變化，在正常操作狀態下，氣相為連續相，液相為分散相。

當液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現象稱為壁流。

壁流效應造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質效率下降。

因此，當填料層較高時，需要進行分段，中間設置再分布裝置。

液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經液體收集器收集后，送到液體再分布器，經重新分布后噴淋到下層填料上。

填料塔具有生產能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優點。

填料塔也有一些不足之處，如填料造價高；當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側線進料和出料等復雜精餾不太適合等。

2塔內裝置

塔內件和填料及塔體共同構成了一個完整的填料塔，塔內件是填料塔的組成部分。

塔內件的作用是為了使氣液在塔內有更好地接觸，以便于發揮填料塔的大生產能力和大效率，所以說塔內件設計的好壞直接影響到整個填料塔的操作運行和填料性能的發揮。

此外，填料塔的“放大效應”除了填料本身固有的因素之外，塔內件對它的影響也很大。
　　塔內件主要包括以下幾個部分：
　　一、液體分布裝置
　　二、填料壓緊裝置
　　三、填料支撐裝置
　　四、液體收集再分布及進出料裝置
　　五、氣體進料及分布裝置
　　六、除沫裝置

3發展歷史

填料塔70年代以前，在大型塔器中，板式塔占有優勢，出現過許多新型塔板。

70年代初能源危機的出現，突出了節能問題。

隨著石油化工的發展，填料塔日益受到人們的重視，此后的20多年間，填料塔技術有了長足的進步，涌現出不少填料與新型塔內件，特別是新型規整填料的不斷開發與應用，沖擊了蒸餾設備以板式塔為主的局面，且大有取代板式塔的趨勢。

大直徑規整填料塔已達14～20m，結束了填料塔只適用于小直徑塔的歷史。

這標志著填料塔的塔填料、塔內件及填料塔本身的綜合設計技術進入了一個新階段。

縱觀填料塔的發展，可以看出，直至80年代末，新型填料的研究始終十分活躍，尤其是新型規整填料不斷涌現，所以當時有人說是規整填料的世界。

但就其整體來說，塔填料結構的研究又始終是沿著兩個方面進行的，即同步開發散堆填料與規整填料。

另一個研究方向是進行填料材質的更換，以適應不同工藝要求，提高塔內氣液兩相間的傳質效果，以及對填料表面進行適當處理（包括在板片上碾壓細紋或麻點，在板片上粘接石英砂，表面化學改性等），以改變液相在填料表面的潤濕性。

填料塔從ACHEMA‘94和ACHEMA’97兩屆展覽會展出情況來看，進入90年代后，填料的發展較慢，仿佛進入一個相對穩定期，或者說是處于鞏固階段。

如1994年展出的具代表性的產品仍是Sulzer公司1991年展出的Optiflow規整填料，而1997年也只展出了一種新型填料的幾何形狀，即Raschig公司的Supekpak300型板式規整填料，其余都是一些老填料的新改進（如Rombopak改進型填料）。

填料領域多的發展還是在氣液分布器方面。

國外大公司對液體分布裝置的研究較成熟，但對氣體分布器的研究是幾年前才起步的。與此相反的是，近五六年來，塔器中板式塔技術卻又有了明顯的進步。

盡管如此，新型填料的開發與應用仍將會有發展，其重點亦仍是規整填料。

預計今后填料塔的發展仍應歸結到以下三個方面：

①新型填料及塔內件的開發。

②填料塔的性能研究。

③填料塔的工業應用。

4基本分類

80年代后期和90年代初期，國外還是推出了一些新型填料，數量上雖不是很多，但也還有特色。

散堆填料

Envicon公司的新型Mc-Pac環金屬填料，有30mm×15mm和65mm×30mm這2種尺寸。據制造商介紹，與50mm鮑爾環相比，其較大型號的效率提高40%，壓降減小60%。Raschig公司的Raschig-Super-Ring塑料環，按照該公司的介紹，與50mm塑料鮑爾環相比，它的壓力損失減少了70%，負荷能力提高了50%。Lantc公司的Q-pacMetalHybridPacking（混合填料），具有規整填料的效率和能力，又有散堆填料的經濟性和通用性，能降低HETP（理論塔板等效高度）30%以上，壓力損失減少40%。Lantc公司的IMPAC工藝塔填料，其傳質效率比Intalox高出30%以上，其優良的綜合性能在現代散堆填料領域內*，對于精密分離、熱敏物系和節能改造十分有利。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5萬個的水滴。與現有填料相比，效率可提高40%以上，具有長達10年的使用壽命，有效地降低了操作成本。Lantc公司的LANPAC環保塔填料，與其他尺寸相同的填料相比，它可更有效地降低壓降，提高傳質效率，且現場作業證明不堵塞。Koch公司的K4GTM填料，自稱是從拉西環算起，鮑爾環是第二代，從前的其他各種散堆填料是第三代，它是第四代個散堆填料，具有更低的壓降和非常高的分離能力，經美國得克薩斯州大學能量研究中心試驗證明，其能力可比鮑爾環提高15%，該公司稱其是目前*的散堆填料之一。此外，還有日本的M-pak環和Koch公司的K-pak環。

規整填料

Sulzer公司的Katapak化學反應器用填料，是以雙層絲網制成的波紋填料，在絲網的夾層內裝有催化劑[5]。Sulzer公司的Optiflow規整填料，具有*的結構，由薄板片沖壓折疊和組裝而成，它改變了液相在Mellapak板渡填料表面上穩定流過較長距離的傳統模式，通過曲折而不斷改變方向的板片，促進液相的分散-聚合-再分散循環，保證與氣相的良好接觸，并使傳質表面不斷更新。它綜合了規整填料和散堆填料的優點，既具有很高的效率，又具有極大的通量。據稱，與常規塔板和填料相比，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，傳質效率可提高50%。Raschig公司的Supekpak300型板式規整填料的比表面積為300m2/m3。根據制造商提供的數據，與迄今在比表面上可相比擬的填料相比，它的負荷能力提高26%，壓力損耗降低33%。日本三菱商事（株）的Mc-pak規整填料，分為絲網和板材2類，絲網500目，比表面積為1000m2/m3。板材類有250S、350S、500S和500SL共4種，比表面積分別為250m2/m3、350m2/m3、500m2/m3，其中500SL為高液負荷和低壓降型。總的特點是壓力損耗小，操作范圍寬，HETP小，操作彈性大。Schott公司的Durapack玻璃纖維規整填料，是該公司的產品，為高抗腐產品，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%，網紋表面分為粗糙表面和光滑表面，裝入DN100～DN1000mm的塔內。此外，瑞土Kühni公司還將Rombopak系列擴展到12M型。它的比表面積為450m2/m3。制造商在一個內徑為DN50mm的實驗塔內用氯苯/乙苯試驗體系在6600Pa壓力下測得：當F因子為0.5Pa時，為10塊理論塔板；當F因子為2Pa時，為7塊理論塔板。Montz公司提供了他們的鉭質Montz-PakA300型填料，它的板厚為0.05mm。Nutter公司生產的BSH規整鎮料是介于網、板填料之間的新型填料，它*的可膨脹金屬織物結構彌補了金屬絲網和片狀金屬規整填料間的差距。BSH織物結構的毛細管作用，使填料在任何操作工況下都具有高的傳質效率。填料的開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，達到佳的氣液接觸和分離效果，其比表面積高達500m2/m3，可滿足任何分離工藝需要。它典型應用在煉油廠的粗餾塔、反應蒸餾、空氣分離和制藥化學塔。BSH填料配用Nutter公司液體分布器等全部塔內件，理論塔板數高、HETP低、壓降小。

毛細管填料

近年來發展起來的新技術，該填料利用毛細管來影響長程相互作用力，可使原需要共沸精餾等的物料在一個塔內完成且再也無需共沸劑等中間物料，大大提高精餾效率，有效降低塔高。

5歷史事記

自從1914年出現拉西環填料以后，填料塔的發展進入了科學的軌道。

1914年瓷質拉西環的問世，標志著填料塔進入了科學發展的年代。

1914年代有規填料拉西環（Raschingring）的出現，使填料

塔的發展進入了科學軌道。

1914年Rachig環問世，標志著代亂堆填料的誕生,但實際生產效果仍沒有很大的提高，人們開始意識到汽液分布性能對填料塔操作的重要性。

1937年斯特曼填料的出現，使填料和填料塔又進入了現代發展時期。

1950年后，填料塔進入了緩慢發展時期，在這個時期內，人們注意了對塔內件的研究，力圖解決填料塔的放大問題，但由于各種板式塔的出現及其成功應用，使填料塔倍受冷落。

1951年Danckwerts〔側針對滲透理論假定旋渦在界面上停留一個固定的時間的不合理性，特別對攪拌槽、亂堆填料塔、鼓泡塔、噴霧塔，其中的氣泡和液滴有較寬的尺度分布，對滲透理論進行改進，提出了表面更新理論。

1964年國際蒸餾會議認為是填料塔放大以后液體分布不均所致。

1966年用于分離水和重水的個蘇爾壽填料塔在法國投產。

自1966年世界上建立起莽一批網波填料塔以來，十多年的實踐證明，風波填料具有效率高、負荷大、壓降低、滯液星小、幾乎無放大效應以及易于機械化加工等優點，因此其應用得到了迅速發展。

1969年，Viviantl將一個填料塔固定在大離心機的旋轉臂上，測定了離心加速度對傳質效率的影響。

1970年，我國建成座金屬絲網波紋填料塔，20多年來估計有數百座金

屬絲網波紋填料塔投人生產。

1971年SPAAY等采用不同材質、不同尺寸的拉西環較為詳盡地研究了脈沖填料塔的兩相流動、軸向混合和傳質特性，給出了特性速度、液滴直徑的經驗關聯式。

1972年蘇爾壽公司已建造了12個CY型填料塔，并且已成功地運轉著。

1972年以來，以歐美為中心的世界硫酸制造所用的填料塔逐漸改換成陶瓷階梯環，包括新建在內其總數可達100座。

故于1973年5月提出在石灰石填料塔內用水冼滌尾氣的方案。

湍球塔不僅可用于乙炔冷卻、清凈和中和，而且也可用于水洗塔，這在國聚氯乙烯生產上也是*，對防腐力量薄弱的地區也有很強的適應性。

1977年Simonsl介紹了脈沖填料塔在己內酚胺生產中的應用，并提出脈沖填料塔的傳質效率與塔徑和塔中是否存在反應無關，因而具有易于放大的優點。

1980年5月開始進行了階梯環填料塔的試驗，獲得成功。

1980年，Merchu曾將填料塔作為氧合器，對幾種較小尺寸的填料進行了傳質性能的測定，并進行了血液氧合過程的嘗。

1982年4月在直徑5.3米的油洗塔及直徑5.1米的水洗塔中，將上段的浮閥塔板改為充填英塔洛克斯金屬填料的填料塔。

在推廣新技術過程中，天津大學填料塔新技術公司也得到了迅速發展，從1985年資金為零，發展到擁有3000多萬元資產的中型企業，成立研究推廣中心后的1990年-1995年共創利稅3500萬元。

1986年底大檢修時，對部分設備進行了改造，用填料塔取代了浮閥塔。

1987年元旦試車成功后，投產運行一年證明填料塔確有許多優點，但也存在一些問題。“官、產、學”結合促進科技成果轉化天津大學“新型填料塔及填料研究推廣中心”天津大學填料塔新技術公司天津大學研究開發的“具有新型塔內件的填料塔”技術，1987年獲國家科技進步三等獎，1989年列為國家科委批全國重點推廣項目。

1988年將酚精制抽提塔改成新型填料后取得的經驗，也將轉盤塔改成了階梯環填料塔。

1989年對蘋取塔進行技術改造，由原內驅動轉盤塔改為短距階梯環填料塔。后經論證，1989年大修期間將板式塔改造為填料塔。

1990年經中國國家科委和國家教委批準，在天津大學成立了行業性研究推廣中心“新型填料塔和填料研究推廣中心”

1990年的年產8萬噸合成氨節能技術改造時，將脫碳的兩塔改為填料塔，改后脫碳的生產狀況大大改善。

1990年國家科委將國家填料塔及內件技術研究推廣中心設在天津大學填料新技術公司，并被列為國家“八五”九五”科技成果重點推廣項目依托單位。

1990年，國家科委將化工填料塔及內件技術推廣中心設在了天津大學填料新技術公司。

1991年初，填料塔都由于此種原因而發生“液泛”

1991年采用填料塔技術改造以后，排放水質達到標準，而且回收了甲醇，保護了環境，降低了甲醇的消耗。

天津大學填料塔新技術公司1991年引進了蘇爾壽公司的MELLAPAK自動生產線，并自已開發了碳鋼滲鋁板波紋填料；清華大學和上海化工研究院分別開發了壓延板網波紋填料；中石化洛陽工程公司開發了LH型規整填料。

早在1991年，天津大學依靠化學工程學科在填料技術方面的優勢，建立了天津大學填料塔新技術有限公司，在全國改造各類塔器近萬個，取得了巨大的經濟效益。

1993年三季度末主體設備由制造廠運抵本廠，同時聯苯爐，波型截止閥、減速器傳動裝置、變頻器、電器控制箱，鑄帶槽、工藝管道、計量泵、填料塔等輔助裝置也相繼到廠。但隨著植物油精煉工藝的發展和進步，FH公司自1993年起在植物油脫臭工藝上采用了新研制的結構填料塔。

1994年后我們又將原填料塔進行改造設計，設計時總結了原老系統設備浮閥，篩板復合塔板的改造和運行情況，并進行了改進，增設了一旋流除霧板。

1996年，經過考察研究，決定采用石家莊正元塔器開發公司的技術，利用大修機會，將變換工段飽和熱水塔由原來的填料塔改造為新型垂直板塔。

1996年初，雖用一臺金屬孔板我們在粗苯裝置的操作上采取了以下措施，取得了波紋填料塔代替了4臺木格塔,但由于蒸汽壓力低，較好的效果。

1997年9月，天津大學校辦企業天財資訊系統工程公司、天津大學填料塔新技術公司、天津華通*公司整體改制，再由天津大學、中國船舶工業總公司707研究所、天津大學事業發展總公司、天津經濟建設投資集團、海南瓊海農貿產品交易批發中心等7家機構共同籌組發起天大天財公司。

1997年，該公司對此作了改進：尾氣經冷卻后，經兩級緩沖和兩級填料塔過濾后進合成爐。

1997年天津大學作為主發起人，將天津大學填料塔新技術公司等公司的經營性凈資產6500萬元作為出資發起設立了天大天財，其中填料塔新技術公司凈資產2780萬元，占總投入的42.7%

1997年隨天大天財在深交所上市改制成為天津天大天財股份有限公司填料塔新技術分公司，2000年6月改制為天津天大天久科技股份有限公司。

1998年7月對填料塔進行改造，取得了明顯的效果。

1998年7月，將脫甲烷塔改為填料塔。

1998年8月，由天大天財公司填料塔新技術分公司和天大化工所、茂名石化公司設計院共同設計的我國大的500萬噸/年原油常減壓裝置，在廣東茂名一次開車成功，使茂名石化公司的煉油能力達到每年1350萬噸，成為我國個千萬噸級的煉油基地。

1999年，填料塔中的三相精餾過程在特定的條件下不會顯著降低傳質效率。

1999年，后洗苯塔阻力逐漸上升特別是花環填料塔阻力高達到3000Pa使煤氣鼓風機負荷增大鼓風機后煤氣壓升多次超出額定值須頻繁停塔清掃等強化操作。

2000年，生產乙苯的填料塔開車成本偏高，分離效率低，原因在于塔體內盤式分離器通透率低，每小時處理量只有4.25噸，沒有達到6噸的處理標準，其原因是塔壁流沒能得到利用。

2000年，南京煉油廠采用填料塔技術對偏*苯精餾塔進行了技術改造，擴大了裝置的生產能力，裝置處理量得到大幅度的提高。

2000年檢修時，對凈化系統的循環酸增加一級沉淀，溢流進人另一循環槽，通過泵打人板式冷卻器再進入填料塔。

遂于2000年4月對解吸塔進行了全面改造，將原浮閥塔改為填料塔。

2001年發現草甘膦生產過程中產生氯甲烷，提出了正確的反應機理，開發了DCS自動補氣平衡系統和以新型波紋填料塔為核心的多級水洗、堿洗、吸附、干燥技術，凈化回收率達95%以上，成功地解決了回收氯甲烷產氣點多、產氣不穩定以及含有大量雜質等問題。

2001年杭氧、開空、川空和中國空分設備公司等主要企業以填料塔、全精餾制氬、內壓縮流程為代表的新一代大型空分設備占據了國內2萬m~3/h以下空分設備市場。

6應用領域

聚炳烯槽填料塔隨著新型塔填料的相繼開發和應用，填料塔的優點更顯突出，應用范圍日益擴大。在煉油、石油化工、精細化工、化肥、制藥和原子能工業部門，以及環保領域的應用已趨于成熟。填料塔尤其適用于真空蒸餾、常壓及中壓下的蒸餾，當然還有大氣量的兩相接觸過程（如氣體的吸收、冷卻等），但在高壓精餾塔中應用時要特別謹慎。人們正在對高壓精餾填料塔進行研究，企圖從填料塔的結構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分離等。在突破高壓精餾塔應用填料的局限性方面已取得了一些進展，其關鍵是*弄清高壓（高液相負荷）對塔的處理能力和效率的影響，可利用淺床層和高性能塔構件（如氣體分布器、液體分布器及再分布器）。也有人建議開發適用于高壓蒸餾的組合式填料。

填料塔應用的另一個新領域是空氣分離裝置。30年代以前的空分設備，主要是滿足焊接、切割用氧及化工用氮。由于現代鋼鐵、氮肥、化工及火箭等技術的發展，氧、氮及稀有氣體的用量迅速增加。國外一些大公司，如德國的Linde公司，美國的APCI公司（空氣制品與化學品公司）、英國的BOC公司（氧氣公司）和法國的空氣液化公司等，均已開始把填料塔應用于空分方面的研究，瑞士Sulzer公司作為填料生產廠商與上述公司積極合作，已取得可喜成績。

空分裝置中規整填料的另一個用途是在粗氬塔中使用。過去的粗氬塔為篩板塔，無法得到氧含量小于2×10-6的純氬。改用填料塔，便可取消過去生產純氬產品時使用的下游工藝。

7發展狀況

復合填料塔

人們發現，為了滿足塔器技術改造和高壓蒸餾的需要，應根據塔內各段的不同分離要求和兩相負荷沿塔高的分布，選用不同類型的合適的填料，并優選其結構參數，組成復合填料塔，再匹配以塔內件（氣/液分布器、填料支承和液體再分布器等），以強化氣液兩相間的傳質過程，提高塔的處理能力和分離效率。同時，人們也著眼開發適用于高壓蒸餾用的組合式填料，即分布填料、傳質填料和隔離填料的組合，從而用盡可能少的塔內件，在提率與通量的基礎上，降低塔的造價。

流化床填料塔

在一些環境工程工藝中，懸浮于氣相和液相中的固體顆粒有時會堵塞填料床，解決的辦法是采用流態化填料床。盡管流態化能實現更高的氣流速率和傳質速率，但因為缺少設計關聯式，且底部的格柵有時會伴隨產生高壓力降，故要使填料床均勻流化有不少困難，因而過去人們在將其應用于工業規模的填料塔方面，一直徘徊不前。

國外推出一種EUROMATIC填料，為塑料橢球形空心薄壁填料，尺寸為30mm、50mm、110mm，它的開發促使人們對流態化填料床的研究更加深入。由于這種填料的性能特點，預計其在工業中的應用前景光明。

流態化床層的設計，是將空心橢球填料擱置在支撐格柵上，上方安置壓環、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入，由塔頂排出。流化狀態在壓環與支撐擱柵之間進行。作用于氣體、液體和填料間的剪切力使流經空隙的氣流產生壓降，當壓降與單位橫截面積上的填料和液體的質量平衡時，填料床就開始膨脹，這就是初始流態化。當氣流速率高于平衡態速率時，填料床松散且填料元件自由流動，可使傳質的界面面積隨之更新。

實踐證明，由于填料床隨著氣體流速的增加繼續膨脹，因此避免了高的局部流速，并且壓降幾乎保持恒定。而當氣相負荷高于初始流態化的氣相負荷時，床層由于在較高氣相負荷時填料元件的運動，在氣流速率增加的條件下，傳質效率幾乎保持恒定。

8工業應用

為解決廢氣中有機胺類物質的惡臭污染問題，采用自制生物填料塔處理*胺廢氣，考察了生物填料塔運行的主要影響因素及對*胺廢氣的凈化效果。實驗結果表明，在進氣中*胺質量濃度為80.00mg/m3、氣體流量為0.3m3/h（停留時間不小于30s）、循環液噴淋密度為0.5m3/（m2?h）的條件下，*胺去除率達99.9%，凈化后氣體能達到國家二級排放標準；生物填料塔對*胺的總去除與容積負荷呈直線關系，相關系數達0.9949，表明*胺廢氣的生物凈化*。

摘要

塔設備有許多種類型，塔設備是化工、石油化工和煉油生產中重要的設備之一。它可使氣液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際傳質及傳熱的目的。可在塔設備中完成常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業氣體的冷卻與回收、氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質和傳熱的增