散装填料的发展历程及传质影响因素的分析

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2019-08-03      阅读：次

简要叙述散堆填料发展历程，指出理想散堆填料自身发展的特点。 通过分析散堆填料传质的影响因素，指出影响散堆填料传质的外因主要是填料的表面能以及床层填充均匀度，并指出填料个体尺寸对床层填充均匀度的影响。 文章认为，选材合适、内部经过处理、直径足够小的球形填料，具有润湿性能好，床层填充均匀，比表面积大等点，因此球形填料将会成为未来散堆填料的代表。

填料塔具有结构简单，安装方便，压降小，处理能力大，耐腐蚀性好等点，已在石油化工行业广泛应用，并有取代板式塔的趋势。填料是填料塔的核心元件，能够提供气、液两相接触的场所，气、液两相传质效果的好坏与填料的性能有着密切的关系。塔填料自诞生以来发展迅速，特别是 20 世纪 60 年代，随着理论的进步，塔填料朝着散堆化和规整化两个方向并行发展 ^{[ 1 ]} ，先后出现了各种新型高效的塔填料，并且各具势。但是，近些年来，无论是散堆填料还是规整填料，都出现了停滞不前的状况。
本文根据散堆塔填料的发展历程，结合知识，经过归纳分析指出，散堆填料应朝着：改善填料床层均匀性，加速液体表面更新频率，改进填料对液体的铺展能力等方向发展。而选材合适的球形填料能够满足以上各项要求，是比较理想的散堆填料。因此，本文认为，球形填料将成为散堆填料的代表。

1 化工填料的发展历程

散堆塔填料是一些具有一定几何形状、规格尺寸的颗粒体,它们以随机方式堆积在塔内，能够完成一定的传质分离任务。

1.1 散堆填料的分类

散堆填料的分类方法有多种，根据几何形状和结构来划分，有以下几种不同的种类（见表1）。

1.2 散堆填料的发展历程

散堆塔填料的发展大致经历了三个阶段^[2]：
1.2.1 初始阶段
这个阶段的填料为焦炭、卵石、瓦砾、铁屑等物体，内部完全封闭，填料本身占据了设备的大部分传质空间，气、液相接触面积小，传质效率低。
1.2.2 发展阶段
1914 年诞生的拉西环、1931 年出现的弧鞍填料，在保证填料外表面积的基础上，开始利用填料的内表面，气、液接触面积明显增加，传质效率大大改善，标志着填料的发展进入了科学的轨道。
1.2.3 成熟阶段
拉西环随机堆放时，会使两个或几个填料个体平行排列，呈线性接触，在这些接触部位，会形成液囊，液体和气体有效接触面积减小；如果几个拉西环并排横置，不但外表面相互重叠，存在液囊，气、液接触面积减小，而且接触部位的液体及拉西环内部的流体几乎处于停滞状态，物质传递主要以分子扩散的方式进行，传递速率很低。 环鞍形填料是鞍形和环形填料的结合体，兼备二者的点，是比较理想的散堆填料。
之后虽然又出现了一些新型的填料，如格型环、阶梯环、高流环、诺派克环、金属扁环、共轭环、弹簧丝、莱佛厄派克环、刺孔环等^[1]，但改进都不大。到目前为止，几乎所有的散堆填料都是从拉西环和弧鞍这两个雏形演变而来的^[2]。

1.3 理想散堆填料的特点

由散堆填料发展历程可以看出，理想的散堆填料具备以下特点：
①气、液接触表面积大；
②填料对液体的铺展性能好；
③填料几何形状好，结构开放，床层压降小，气体通量大，流体停滞不动的可能性小；
④填料间为点接触有助于液体湍动及表面更新。这些可以看作是气液传质的内因，要使传质快速稳定地进行还需具备一定的外界条件。

2 散堆填料传质的影响因素

2.1 气液传质效率与有效接触面积有关

气体在流过液膜间隙的过程中，气液之间才能进行有效的传质和传热。如果液体处于停滞状况，即使有气体掠过液体表面，由于气液湍动程度小，主要依靠分子扩散方式传质，速率很小，因此，流动的液膜与气体接触才能进行有效的传质，并且有效接触面积越大，传质效果越好。一般情况下，有效接触面积＜润湿面积＜干填料表面积。
要气、液相间的有效接触面积，需满足以下条件：
（1）         填料本身比表面积大 对于同种类型的填料来说，填料个体尺寸越小，干填料的比表面积越大。
（2）         填料对液体的铺展能力强 单位体积填料层内，填料对液体的铺展能力强，气、液相间的有效接触面积便可接近于干填料的比表面积。
填料的表面能高有助于液体润湿，为了使液体能在所流经的填料表面充分铺展，填料的表面能需足够大，通常要求填料表面的临界表面张力大于液体的表面张力^[1]。采取如下几种措施可填料的表面能^[1]：a 表面粗糙化：用喷砂、磨砂及溶剂浸泡等方法，使填料的表面形成沟槽或花纹，减小接触角，从而提高表面能；b 化学处理法：利用化学反应使填料表面形成中性亲水层，以液体对填料的润湿，或在填料表面发生氧化作用，生成含氧性基团附着在填料表面，表面能；还有等离子处理法，辐射法，喷涂处理法等处理方法。
另外，填料对液体的铺展能力强，一方面可减小液体喷淋量，降低装置负荷，节约生产成本。另一方面可减小液膜厚度，气体自由流通截面积，能够提高处理能力。液膜薄，填料与液体的作用力大，即使气速较大，也不会将液体吹离填料表面，能够减小液体集聚形成“沟流”的可能性，塔内气液两相流径稳定，有利于平稳操作，提高操作弹性。

2.2 气液传质效率与床层气液分布均匀性有关

填料床层填充不均匀是大型填料塔传质性能下降，即产生放大效应的主要原因。反之，床层横截面上气、液分布均匀，能够减小塔横截面上的浓度梯度，减小径向返混，有利于提高传质效率。
散堆填料随机堆积排列，从少量填料来看，显得杂乱无章。但如果考察的数量足够大，如对于一定高度的填料层，则不论是床层的压强降，还是液体分布的均匀度都会呈现出一定的规律性。这正如分子热运动，单个来看规则，但考察某个分子集团，则存在各向同性，均分的特点。因此，出现散堆填料床层气液分布不均的现象，作者认为主要是由于填料数量不足造成的。只要数目足够大，气液分布均匀度便可得到改善，可基本消除“壁流”、“沟流”等不正常现象。目前已“为了减小壁流、沟流现象，应使塔径与填料个体当量直径之比大于 8～10，对于几何形状差的拉西环填料，此值为 20^[3]。陈敏恒等^[5]学者认为，工业上大型填料塔以取 D/d>30 为宜。
填料数目受到塔高、塔径和填料自身规格尺寸的限制。在塔高、塔径确定的情况下，缩小填料高径比是改进填料尺寸的一项有力措施^[2]。研究表明，适当降低乱堆填料的长径比，使其按一定规律排列（规整化），可提高传质效率^[6]。阶梯环由高径比为1的鲍尔环降到0.5，性能有了明显提高^[3]。20 世纪 80 年代中期，美国 Glitsch 公司对阶梯环作了改进，将高径比下调至 0.3，称为 CMR 填料，此项改进使填料层的堆积密度更加均匀，更有利于液体均匀分布，传质效率提高，阻力减小^[2]。有文章报道^[7]，CMR 填料压降约为拉西环的 30%，传质系数比拉西环提高大约 50%。

有人进一步对不同高径比的环形填料进行对比研究，得出结论：高径比越小，传质效率越高^[8]。
由此可见，缩小填料尺寸有利于床层堆积均匀，提高传质效率。但同时会带来阻力增加的后果，因此所用填料个体通透性应足够大。

3 讨论

综上所述，改善填料的表面性能，提高其对液体润湿能力，减小填料尺寸以改善填料床层的堆积均匀性，改进填料个体之间接触点的数目，加快液体表面更新频率，是散堆填料发展的方向。这主要由填料的几何结构所决定。
由于自身结构限制，流经环形填料的液体自分布能力较差，鞍形填料的气体通量较小，环鞍结合，综合两者的势，开发新式填料，成为近年来填料研究的一个出发点。
成功的范例有：金属矩鞍环、纳特环等环鞍形填料。环鞍形填料虽然具有液体分布均匀，气体通量大的点，但由于环鞍形填料容易产生架桥、空穴，导致床层填充密度不均，影响了填料塔传质的整体效果。
球形填料(如瓷球)各个方向尺寸相等，不会产生架桥、空穴等现象。相对而言，数量不多的球形填料便可使床层填充均匀；另外，球形填料个体之间为严格的点接触，接触点不多而且分布均匀，通过增加填料个体间接触点的数量，能够加大液体汇集-分散的次数，减小液体停滞现象，使得流动的液膜发生突变性混合，加速液体表面更新。
与鞍形填料类似，气液两相在球形填料内的流道为弧形，有利于液体均匀分布，提高液体铺展能力；球体内部采取措施可使流道方向一致，既能减小阻力，又能保证流向稳定，从而具有一定的“规整性”。整体来看，气体自下向上运动，曲折上升，不会走水平路径，而且空隙孔径逐渐扩大或缩小，与脉冲填料类似，既能减小阻力损失，又能使流速发生变化，有利于提高流体湍动程度，减小液膜厚度，提高传质效果。

4 结语

散堆塔填料具有易于加工，制作费用低，安装方便、不易堵塞等特点，性能良好的散堆填料在今后相当长一段时间内在工业上仍将占有主要地位。而选材合适、内部经过处理、表面能大，通透性好，个体尺寸小的球形填料，具有：润湿性能好、填充均匀、比表面积大、处理能力大等特点，将会成为散堆填料的代表。

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