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分形理论分析填料塔内件的发展
2019-08-21 阅读：次
综述了散装填料、规整填料和气液分布装置的发展概况，应用分形理论分析填料的几何结构对气液传质的影响，并提出了今后填料塔设计研究的方向。
填料塔是重要的气一液、液一液传热、传质分离设备，它广泛应用于石油炼制、化学工业、精细化工、医药生物、等行业Ll ]的物系分离。但在20世纪 70年代以前，由于板式塔的研究历史较长，基础数据较多，同时易于放大、造价低、适应性强，板式塔在分离技术中占主导地位。随着研究者们对填料和塔内件的不断研究和开发，一些性能良的新型填料相继出现，尤其是解决了填料塔的放大效应，使填料塔的应用进入了一个崭新的时期。
填料塔由塔体、填料和塔内件构成，填料是塔的核心部件。为气液两相传热传质提供有效的传质表面，所以高性能的填料和良的塔内件，是填料塔分离能力和分离效率的保证。
分形理论的基本思想起源于 2O世纪初，发展于 2O世纪 60年代后。分形通过对不规则几何形状的研究，发现在大量无序的数据里存在着一种出乎意料的有序 q]，总存在着某种自相似性。分形维数是空间和客体 (集合 )的重要几何特征量，点的维数为 0，直线的维数为 1，平面的维数为2，立方体的维数为 3，而折曲线的维数为 1～2，粗糙平表面的维数介于 2～3。作者用分形理论分析填料塔内件的发展。
1．2 规整填料
规整填料是继散装填料之后在近 2O余年来发展的高效新型填料。主要由平行丝网波纹片或(开孔)板波纹片平行、垂直排列组装而成。规整填料有如下特点L8]：(1)气体通过能力大、压降小，因而适用于真空操作及精密精馏塔器；(2)比表面积大，且能在网体或板面上形成稳定的薄液层，使填料表面的润湿率提高，可避免沟流现象，从而可提高传质效率；(3)气液两相在填料中不断呈 Z 形曲线运动，流体分布良好、充分混合、无积液死角，因而放大效应很小，可适用于大直径塔设备。规整填料的这些特点，不减小了气体的压降，而且加大了填料表面液膜的分形维数，因而传质效率高。如张军保等针对硫酸干吸塔研制出了TJ160X型陶瓷规整填料，通过试验研究和分析证明该填料比传统的散堆填料通量提高 2倍以上 ，压降是散堆填料的 1／3，并且传质面积加大，传质效率提高 ]。李红等对整个合成氨工艺进行分析和研究，发现改扩建工程完成后，铜洗工序是整个合成氨系统的薄弱环节，对合成氨生产铜洗系统采用的规整填料和高效气液分布器，铜塔处量提高 75 ，每立方米铜液吸收 CO量提高 38 ，取得了显著效果[】。。黄应文通过对硫酸吸收塔进行分析，发现该塔扩能的瓶颈是分酸点过少和填料压降，经过改造分酸器和将吸收塔内部分填料(约 29 )更换为 IOOX型波纹规整填料，并新增少量 D76mm异鞍环填料(约 6．59，6)，其余的仍然是原有的 D50mm 异鞍环填料鞍环填料；更换新型填料后，吸收塔阻力下降效果十分明显，原始开车填料层本身阻力就下降 400Pa，使系统再增产 3000t／a，降低 了产品单耗，经济效益显著[】。这些都说明规整填料表面液体的分形维数比散堆填料的大，因而传质面积大，传质效果好 ；而且规整填料的空隙率大，压降小，为填料塔扩能提供了空间。
但 是，并不是填料的比表面积越大，分离效率越好，宋新月等对 4种高比表面积(分 别是 900，lt00，l700，2500m ／m。)的金属丝网波纹填料的流体力学和传质性能进行了研究u引，结果表明 ，虽然 2500Y型填料的比表面积大，但是其
阻力很高，并且传质效率较低；其它 3种填料的传
质效率随比表面积而提高，但 900Y和l100Y型填料的综合性能较好。因此，在选择填
料时，应对其流体力学性能和传质性能综合分析，
从液体在填料表面形成的分形维数、床层阻力和传质效率等方面综合考虑，得到的填料。
1．3 其它类型填料
除了散装填料和规整填料外，还有广泛应用于领域的软性填料、半软性填料和立体填料。
软 性填料比表面积大，孔隙可变性大，不易堵塞。半软性填料能良好散热，气体通过时阻力小，布水、布气性能好，易长膜，且能破碎气泡。立体弹
性填料孔隙可变性大，不堵塞，它不能使气、水、
生物膜之间充分接触进行传质，而且在运行过程中比表面积逐渐，同时能进行良好的，弹性填料是国内目前其它填料不可比拟的，是继各种硬性类填料、软性类填料和半软性填料后的四代高效节能新颖填料 。
2 内 件
2．1 液体分布装置
液体的分布装置是填料塔传热、传质能否顺利进行的基本要素之一，气相在床层内均布和液相在填料表面适宜分形是塔内传质过程得以顺利进行的必要条件。液体分布装置按照结构形状，可以分为喷头式、管式、槽式和盘式几种。各种分布器的使用场合通常根据塔径、填料的类型、堆积方 式、物料的性质和操作条件决定。
2．1．1 液体预分布装置
为 了能让液体充分润湿填料，并在填料表面适宜分形，使气体畅通流过和有足够的操作弹性，必然需要一个理想的液体喷淋装置。有报道表明不良的液体分布可能使填料的性能下降 5O％～ 7O ，因此液体喷淋装置的设计、制作和安装对填料塔的性能影响很大。若液体喷淋装置设计不当，液体预分布不均，填料层内液膜分形维数减小，偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。
宋海华等以分形几何为理论基础设计的新型液体分布器一一Fractal液体分布器，该分布器通过 实验验证了具有 Khmas分布质量良好、能够均匀分布小流率的液体及操作弹性较大等点。
杜玉萍等研究在大直径、大流量填料塔中槽式液体分布器预分布管流体分配的不均匀性，分析流体通过主进料管流到与之相贯通开孔的预分布管中的流动情况，借助流体力学计算软件，分析得出改变开孔直径，并加一卸压孔这种开孔方式能使各孔的出流量、管内的静压和湍动能分布均匀，从而可保证液体喷淋的均匀性，使填料表面液膜适宜分形，有利于气液两相的传质[1引。华南理工大学通过对液体分布装置的结构及流体力学性能的研究，设计开发出用于双氧水填料精馏塔的液体分布装置——双层多排管式液体分布器。我国南方某厂在 8000t／a双氧水装置中，使用该种液体分布器后，产量达到要求，精馏塔的操作弹性达到 8：1，每年因此增产浓品双氧水 6Ot，带来的经济效益 3O多万元L1。
2．1．2 液体再分布装置
液体沿填料表面往下流动时，有一种呈锥形逐渐散开和沿塔壁流动的趋势，这样在靠近喷淋点附近的填料表面液膜的分形维数小，即会造成塔的端效应[1；另一方面由于有壁流现象，填料层较高的应分段，设置液体再分布器，以保证整个填料高度范围内填料表面均有一适宜的液膜分形。
设计和制作液体再分布装置，应从它的结构、气体的通道、操作弹性、空间位置的可使用程度和造价等几方面来考虑。四川卢天化 400kt／a甲醇装置使用无锡市雪浪化工填料厂生产的网孔波纹填料和液体再分布器，开车获得成功，生产出了符合国的精甲醇产品。该厂设计、制作的液体再分布器已申请并在脂肪酸生产、无水乙醇生产等装置中成功应用，使生产能力提高、能耗降低n 。
2．2，气体分布装置
填料塔传质效率除了液体在填料表面适宜分形外，气体在填料层中的均匀分布也是非常关键的因素，而气体在进入填料之前是否均匀分布直接关系到气体在填料层中的均匀分布。有研究表明，由于气相的分布不均，导致塔两边的传质效率相差 3O9／6以上；当填料层高度高达上百米时，不同塔截面处的气速差别可达 3倍多，这样导致不同塔截面处液气比差别很大，整个填料塔的传质效率降低。这些事实说明，必须在进入填料前保证气体均匀分布。
天津大学对大型填料塔气体分布器做了研究，发现不同气体分布器的结构直接影响气体在填料层中的不均匀度、气体通过填料层的压降和传质效率。因此，气体分布装置应从气体分布器初始分布的均匀度、气体通过填料层的压降、液沫的夹带量等几方面综合考虑。
3 结 语
由于大比表面积、大通气量、低压降的高效填料的成功开发和应用，以及填料塔工程放大技术的解决，使填料塔的分离技术得到更广泛的应用。但由于气液两相在填料层内流动状况和传质的复杂性，使得研究气液两相在填料表面流体流动行为和气液两相在填料表面分形的报道很少。
今后对填料塔的研究可能从以下几方面进行：(1)通过对液体在填料表面分形的研究，开发出更高效的理想填料；(2)研究气液两相在填料层内流体力学性能，开发模拟计算软件，用于开发与填料相匹配的气液分布装置；(3)结合工艺流程，化气液接触部件，可将填料和塔板组成复合塔；(4)延伸和拓展填料塔分离技术，21世纪填料塔将向行业化、复合化、节能化、大型化方向发展。
填料塔是重要的气一液、液一液传热、传质分离设备，它广泛应用于石油炼制、化学工业、精细化工、医药生物、等行业Ll ]的物系分离。但在20世纪 70年代以前，由于板式塔的研究历史较长，基础数据较多，同时易于放大、造价低、适应性强，板式塔在分离技术中占主导地位。随着研究者们对填料和塔内件的不断研究和开发，一些性能良的新型填料相继出现，尤其是解决了填料塔的放大效应，使填料塔的应用进入了一个崭新的时期。
填料塔由塔体、填料和塔内件构成，填料是塔的核心部件。为气液两相传热传质提供有效的传质表面，所以高性能的填料和良的塔内件，是填料塔分离能力和分离效率的保证。
分形理论的基本思想起源于 2O世纪初，发展于 2O世纪 60年代后。分形通过对不规则几何形状的研究，发现在大量无序的数据里存在着一种出乎意料的有序 q]，总存在着某种自相似性。分形维数是空间和客体 (集合 )的重要几何特征量，点的维数为 0，直线的维数为 1，平面的维数为2，立方体的维数为 3，而折曲线的维数为 1～2，粗糙平表面的维数介于 2～3。作者用分形理论分析填料塔内件的发展。
1 填料的发展概况
填料是填料塔重要的传质内件，填料的性能主要取决于液体在填料表面的润湿程度和气液两相流体分布的均匀程度。液体在填料表面流过时，在填料表面形成液膜，具有一定的分形维数，分形维数的大小，决定了气液两相传质面积的大小。因此，在设计、制造时必须考虑填料的结构，使之在液体流过时，有适宜的分形维数。
填料分为散堆和规整二种。
1．1 散堆填料
研究者通过研究塔内气液两相的传热、传质情况，发现在塔内零散堆积一些固体物质能改善气液两相的传热和传质，提高分离效率，从而出现了原始的填料——碎砖、卵石、瓦砾。随着对填料的不断研究，开发一代具有固定形状的环状填料——拉西环填料。拉西环结构简单，制作方便，但是散装的拉西环，导致气体流动的通道小，所受阻力大；同时环间接触是线接触，填料表面形成的液膜，不规则度小，因而填料表面液体的分形维数较小，这样传质表面积较小，传质效果差。为了增加填料表面液膜的分形维数，强化气液两相在填料表面的传质，对拉西环进行结构改性，得到各种类型的改性拉西环，如 0环、十字隔环、清华大学开发的 QH 型扁环填料等。在拉西环的基础上研制出二代散堆填料一一鲍尔环填料，气相通过鲍尔环压降小，且环表面形成的液膜分形维数大，传质效果好。
总之，散堆填料的发展从环形填料(拉西环、鲍 尔环、阶梯环)、鞍形填料、矩鞍环填料到球形填料等，都是从填料的结构来改善气液两相的流动通道，降低气体通过填料层的压降，增加填料表面液膜的分形维数，从而增加总体积传质系数。填料是填料塔重要的传质内件，填料的性能主要取决于液体在填料表面的润湿程度和气液两相流体分布的均匀程度。液体在填料表面流过时，在填料表面形成液膜，具有一定的分形维数，分形维数的大小，决定了气液两相传质面积的大小。因此，在设计、制造时必须考虑填料的结构，使之在液体流过时，有适宜的分形维数。
填料分为散堆和规整二种。
1．1 散堆填料
研究者通过研究塔内气液两相的传热、传质情况，发现在塔内零散堆积一些固体物质能改善气液两相的传热和传质，提高分离效率，从而出现了原始的填料——碎砖、卵石、瓦砾。随着对填料的不断研究，开发一代具有固定形状的环状填料——拉西环填料。拉西环结构简单，制作方便，但是散装的拉西环，导致气体流动的通道小，所受阻力大；同时环间接触是线接触，填料表面形成的液膜，不规则度小，因而填料表面液体的分形维数较小，这样传质表面积较小，传质效果差。为了增加填料表面液膜的分形维数，强化气液两相在填料表面的传质，对拉西环进行结构改性，得到各种类型的改性拉西环，如 0环、十字隔环、清华大学开发的 QH 型扁环填料等。在拉西环的基础上研制出二代散堆填料一一鲍尔环填料，气相通过鲍尔环压降小，且环表面形成的液膜分形维数大，传质效果好。
1．2 规整填料
规整填料是继散装填料之后在近 2O余年来发展的高效新型填料。主要由平行丝网波纹片或(开孔)板波纹片平行、垂直排列组装而成。规整填料有如下特点L8]：(1)气体通过能力大、压降小，因而适用于真空操作及精密精馏塔器；(2)比表面积大，且能在网体或板面上形成稳定的薄液层，使填料表面的润湿率提高，可避免沟流现象，从而可提高传质效率；(3)气液两相在填料中不断呈 Z 形曲线运动，流体分布良好、充分混合、无积液死角，因而放大效应很小，可适用于大直径塔设备。规整填料的这些特点，不减小了气体的压降，而且加大了填料表面液膜的分形维数，因而传质效率高。如张军保等针对硫酸干吸塔研制出了TJ160X型陶瓷规整填料，通过试验研究和分析证明该填料比传统的散堆填料通量提高 2倍以上 ，压降是散堆填料的 1／3，并且传质面积加大，传质效率提高 ]。李红等对整个合成氨工艺进行分析和研究，发现改扩建工程完成后，铜洗工序是整个合成氨系统的薄弱环节，对合成氨生产铜洗系统采用的规整填料和高效气液分布器，铜塔处量提高 75 ，每立方米铜液吸收 CO量提高 38 ，取得了显著效果[】。。黄应文通过对硫酸吸收塔进行分析，发现该塔扩能的瓶颈是分酸点过少和填料压降，经过改造分酸器和将吸收塔内部分填料(约 29 )更换为 IOOX型波纹规整填料，并新增少量 D76mm异鞍环填料(约 6．59，6)，其余的仍然是原有的 D50mm 异鞍环填料鞍环填料；更换新型填料后，吸收塔阻力下降效果十分明显，原始开车填料层本身阻力就下降 400Pa，使系统再增产 3000t／a，降低 了产品单耗，经济效益显著[】。这些都说明规整填料表面液体的分形维数比散堆填料的大，因而传质面积大，传质效果好 ；而且规整填料的空隙率大，压降小，为填料塔扩能提供了空间。
但 是，并不是填料的比表面积越大，分离效率越好，宋新月等对 4种高比表面积(分 别是 900，lt00，l700，2500m ／m。)的金属丝网波纹填料的流体力学和传质性能进行了研究u引，结果表明 ，虽然 2500Y型填料的比表面积大，但是其
阻力很高，并且传质效率较低；其它 3种填料的传
质效率随比表面积而提高，但 900Y和l100Y型填料的综合性能较好。因此，在选择填
料时，应对其流体力学性能和传质性能综合分析，
从液体在填料表面形成的分形维数、床层阻力和传质效率等方面综合考虑，得到的填料。
1．3 其它类型填料
除了散装填料和规整填料外，还有广泛应用于领域的软性填料、半软性填料和立体填料。
软 性填料比表面积大，孔隙可变性大，不易堵塞。半软性填料能良好散热，气体通过时阻力小，布水、布气性能好，易长膜，且能破碎气泡。立体弹
性填料孔隙可变性大，不堵塞，它不能使气、水、
生物膜之间充分接触进行传质，而且在运行过程中比表面积逐渐，同时能进行良好的，弹性填料是国内目前其它填料不可比拟的，是继各种硬性类填料、软性类填料和半软性填料后的四代高效节能新颖填料 。
2 内 件
2．1 液体分布装置
液体的分布装置是填料塔传热、传质能否顺利进行的基本要素之一，气相在床层内均布和液相在填料表面适宜分形是塔内传质过程得以顺利进行的必要条件。液体分布装置按照结构形状，可以分为喷头式、管式、槽式和盘式几种。各种分布器的使用场合通常根据塔径、填料的类型、堆积方 式、物料的性质和操作条件决定。
2．1．1 液体预分布装置
为 了能让液体充分润湿填料，并在填料表面适宜分形，使气体畅通流过和有足够的操作弹性，必然需要一个理想的液体喷淋装置。有报道表明不良的液体分布可能使填料的性能下降 5O％～ 7O ，因此液体喷淋装置的设计、制作和安装对填料塔的性能影响很大。若液体喷淋装置设计不当，液体预分布不均，填料层内液膜分形维数减小，偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。
宋海华等以分形几何为理论基础设计的新型液体分布器一一Fractal液体分布器，该分布器通过 实验验证了具有 Khmas分布质量良好、能够均匀分布小流率的液体及操作弹性较大等点。
杜玉萍等研究在大直径、大流量填料塔中槽式液体分布器预分布管流体分配的不均匀性，分析流体通过主进料管流到与之相贯通开孔的预分布管中的流动情况，借助流体力学计算软件，分析得出改变开孔直径，并加一卸压孔这种开孔方式能使各孔的出流量、管内的静压和湍动能分布均匀，从而可保证液体喷淋的均匀性，使填料表面液膜适宜分形，有利于气液两相的传质[1引。华南理工大学通过对液体分布装置的结构及流体力学性能的研究，设计开发出用于双氧水填料精馏塔的液体分布装置——双层多排管式液体分布器。我国南方某厂在 8000t／a双氧水装置中，使用该种液体分布器后，产量达到要求，精馏塔的操作弹性达到 8：1，每年因此增产浓品双氧水 6Ot，带来的经济效益 3O多万元L1。
2．1．2 液体再分布装置
液体沿填料表面往下流动时，有一种呈锥形逐渐散开和沿塔壁流动的趋势，这样在靠近喷淋点附近的填料表面液膜的分形维数小，即会造成塔的端效应[1；另一方面由于有壁流现象，填料层较高的应分段，设置液体再分布器，以保证整个填料高度范围内填料表面均有一适宜的液膜分形。
设计和制作液体再分布装置，应从它的结构、气体的通道、操作弹性、空间位置的可使用程度和造价等几方面来考虑。四川卢天化 400kt／a甲醇装置使用无锡市雪浪化工填料厂生产的网孔波纹填料和液体再分布器，开车获得成功，生产出了符合国的精甲醇产品。该厂设计、制作的液体再分布器已申请并在脂肪酸生产、无水乙醇生产等装置中成功应用，使生产能力提高、能耗降低n 。
2．2，气体分布装置
填料塔传质效率除了液体在填料表面适宜分形外，气体在填料层中的均匀分布也是非常关键的因素，而气体在进入填料之前是否均匀分布直接关系到气体在填料层中的均匀分布。有研究表明，由于气相的分布不均，导致塔两边的传质效率相差 3O9／6以上；当填料层高度高达上百米时，不同塔截面处的气速差别可达 3倍多，这样导致不同塔截面处液气比差别很大，整个填料塔的传质效率降低。这些事实说明，必须在进入填料前保证气体均匀分布。
天津大学对大型填料塔气体分布器做了研究，发现不同气体分布器的结构直接影响气体在填料层中的不均匀度、气体通过填料层的压降和传质效率。因此，气体分布装置应从气体分布器初始分布的均匀度、气体通过填料层的压降、液沫的夹带量等几方面综合考虑。
3 结 语
由于大比表面积、大通气量、低压降的高效填料的成功开发和应用，以及填料塔工程放大技术的解决，使填料塔的分离技术得到更广泛的应用。但由于气液两相在填料层内流动状况和传质的复杂性，使得研究气液两相在填料表面流体流动行为和气液两相在填料表面分形的报道很少。
今后对填料塔的研究可能从以下几方面进行：(1)通过对液体在填料表面分形的研究，开发出更高效的理想填料；(2)研究气液两相在填料层内流体力学性能，开发模拟计算软件，用于开发与填料相匹配的气液分布装置；(3)结合工艺流程，化气液接触部件，可将填料和塔板组成复合塔；(4)延伸和拓展填料塔分离技术，21世纪填料塔将向行业化、复合化、节能化、大型化方向发展。
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