幾種新型散裝填料結(jié)構(gòu)性能分析及其應(yīng)用

徐永杰

（南京工大環(huán)境科技有限公司，江蘇南京 210000）

在石油化工、輕工、食品、制藥、環(huán)保等工業(yè)中，填料塔主要應(yīng)用于分離和尾氣凈化的氣液傳質(zhì)、傳熱過(guò)程[1]。 填料塔是化工分離、環(huán)保尾氣凈化的最典型的設(shè)備。填料作為填料塔內(nèi)核心部件，它為氣液兩相間的傳熱、傳質(zhì)提供了有效的接觸場(chǎng)所，是分離效率的決定性因素[2]。為了改進(jìn)填料的性能，學(xué)者們不斷地研發(fā)新型填料，其目的在于：改善氣液兩相的分布情況，提高分離效率；增大通量，以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要；增加空隙率，以減少流動(dòng)阻力降；以及滿足高純度產(chǎn)品的制備、擴(kuò)產(chǎn)、設(shè)備放大、環(huán)保凈化等多種需要。

新型散裝填料的不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用可有效降低壓降，增加處理能力，提高填料強(qiáng)度和降低設(shè)備費(fèi)用。顯然，與規(guī)整填料和塔板相比，散裝填料的發(fā)展具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 套環(huán)填料的結(jié)構(gòu)性能及應(yīng)用

套環(huán)填料主要是由一個(gè)外環(huán)面和一個(gè)內(nèi)環(huán)面組合而成，內(nèi)環(huán)面套裝在外環(huán)面中心部位，如圖1所示。每個(gè)內(nèi)環(huán)面有一個(gè)長(zhǎng)圓柱面，其上設(shè)有1～5排孔洞，每排孔洞的數(shù)量2～9個(gè)，相鄰兩排孔洞交錯(cuò)排列，每個(gè)孔洞內(nèi)設(shè)有一個(gè)向長(zhǎng)圓柱面中心軸線彎曲的內(nèi)曲折片，在孔洞和內(nèi)曲折片的兩條長(zhǎng)邊上設(shè)有齒牙。每個(gè)外環(huán)面有兩個(gè)同軸的扁圓柱面，每個(gè)扁圓柱面的中部設(shè)有壓棱，在兩個(gè)扁圓柱面之間，用橢圓形的N個(gè)H狀外連接片、N個(gè)長(zhǎng)條狀內(nèi)連接片和2 N個(gè)短條狀內(nèi)連接片交錯(cuò)分布連接成一個(gè)整體，在兩個(gè)扁圓柱面的外側(cè)，各有N個(gè)正彎折片和N個(gè)斜彎折片間隔分布，上述數(shù)量代號(hào)N 的取值范圍是3°～20°正彎折片的根部為與扁圓柱面軸線垂直的水平折片，正彎折片的端部為與水平折片垂直且背離外環(huán)面中心方向的垂直折片，斜彎折片的根部為與扁圓柱面軸線成傾角30°～60°的長(zhǎng)斜折片，斜彎折片的端部為與長(zhǎng)斜折片成90°～120°角且趨向外環(huán)面中心方向的短斜折片。在外環(huán)面的H狀外連接片、長(zhǎng)條狀內(nèi)連接片、短條狀內(nèi)連接片、正彎折片和斜彎折片各長(zhǎng)邊上設(shè)有齒牙。

圖1 套環(huán)填料

某石化公司在重芳烴抽提裝置的技術(shù)改造中，利用套環(huán)填料替代了原有的扁環(huán)填料。更換新型套環(huán)填料的填料塔反抽提效果明顯優(yōu)于改造前，塔底含油量從3.5%左右降低到1.8%以下，滿足了工藝指標(biāo)的要求，并解決了原塔泄漏的問(wèn)題，達(dá)到了節(jié)能和環(huán)保的目的。改造后裝置的芳烴日產(chǎn)量提高約15%，生產(chǎn)能力提高9%左右，且有效降低了流體的軸向返混[3]。套環(huán)填料的應(yīng)用在多項(xiàng)改造中作用明顯，有效解決了分離效果不佳的情況。

2 多孔雙面填料的結(jié)構(gòu)性能及應(yīng)用

多孔雙面散裝填料為圓弧狀，填料體上開(kāi)有通槽，填料體上下分別沖有圓邊，填料體上開(kāi)有至少三個(gè)通量孔。該多孔雙面散裝填料加工方便，降低了機(jī)械沖壓后對(duì)填料的劃痕，保證原始材料的粗糙度，無(wú)坑洼，降低物料結(jié)聚的可能性，減少清洗周期，同時(shí)也節(jié)約了鋼材，大大減輕網(wǎng)狀環(huán)散堆填料的重力，同時(shí)減輕了塔體噸位質(zhì)量，同時(shí)極大地保留了原始材料的粗糙度[4]，見(jiàn)圖2。

圖2 多孔雙面填料

雙面散裝填料由于加有上下加強(qiáng)筋，在相同使用環(huán)境中比常規(guī)填料更加耐壓，因此該填料高度比常規(guī)散裝填料更加穩(wěn)定，極大地提高了填料的處理效率，該填料比常規(guī)散裝填料提高25%的處理能力。由于填料表面保持原始粗糙度，比常用散裝填料有更高的抗腐蝕性，且在加工過(guò)程中不需使用磨具反復(fù)維修，節(jié)省開(kāi)模費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本。

目前，多孔雙面填料已在液液萃取、原油減壓蒸餾、二氧化碳洗滌、脫甲烷等設(shè)備中使用。

某廠的二氧化碳吸收塔改用DN50 多孔雙面填料代替塔中原來(lái)的20 塊浮閥塔板，操作條件與改造前相同，改造后只用了16塊塔板的空間，這樣氣液速率比原先提高35%，且依然可以利用原有塔板作為填料的支承板，二氧化碳的脫除效果與原來(lái)板式塔相同。

3 改進(jìn)矩鞍環(huán)填料的結(jié)構(gòu)性能及應(yīng)用

改進(jìn)型矩鞍形散裝填料本體上開(kāi)設(shè)有矩形窗口，每個(gè)矩形窗口上連接一內(nèi)彎圓弧筋片，內(nèi)彎圓弧筋片的兩端分別連接在矩形窗口的兩側(cè)。內(nèi)彎圓弧筋片的上下邊沿為具有圓弧形波紋的波浪型結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，在每個(gè)內(nèi)彎圓弧筋片對(duì)應(yīng)的矩形窗口上下邊沿內(nèi)側(cè)也具有與該內(nèi)彎圓弧筋片對(duì)應(yīng)的圓弧形波紋。其獨(dú)特的內(nèi)彎圓弧筋片結(jié)構(gòu)，使填料內(nèi)部通道更為合理，不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度，更加有效地增強(qiáng)了液相分散度，由它裝填的填料塔比現(xiàn)有技術(shù)的矩鞍環(huán)通量大、阻力小、效率高[5]，見(jiàn)圖3。

圖3 改進(jìn)矩鞍環(huán)

許多化工公司采用改進(jìn)矩鞍填料替換原先的拉西環(huán)填料，這樣不僅可以提高生產(chǎn)能力以及提高塔的吸收效果，還有效降低了壓降。天津某硫酸廠采用改進(jìn)矩鞍填料代替原先的拉西環(huán)填料，吸收效果比原先提高45%，系統(tǒng)壓降降低了31.7%。

4 菊花型填料的結(jié)構(gòu)性能及應(yīng)用

菊花型填料包括若干個(gè)菊花花瓣弧片，菊花花瓣弧片通過(guò)內(nèi)圓弧片連接成菊花型填料主體，相鄰菊花花瓣弧片之間連接有弧形連接片，弧形連接片在菊花型填料主體上對(duì)應(yīng)設(shè)有長(zhǎng)條型開(kāi)窗，菊花花瓣弧片的兩側(cè)面連接有若干短筋片，短筋片對(duì)應(yīng)在菊花花瓣弧片的兩側(cè)面設(shè)有方形開(kāi)窗。菊花型填料兼有規(guī)整、散裝填料之特性。與普通填料相比，菊花型填料通量大，流通量可比普通填料高約10%；壓降小，比普通填料降低5%～15%左右；由于菊花型填料結(jié)構(gòu)為無(wú)翻邊結(jié)構(gòu)，避免了汽液滯留，且自分布性能優(yōu)良，對(duì)汽液分布器要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)整填料[6]，見(jiàn)圖4。

圖4 菊花型填料

安徽某公司脫硫脫碳?xì)怏w凈化工藝采用的脫硫塔內(nèi)裝5 層?50 mm 菊花型填料，塔總高約40 m，每層安置氣液分布器。采用菊花型填料替代拉西環(huán)填料后，發(fā)現(xiàn)脫硫塔壓降明顯下降，下降幅度達(dá)25%左右，且設(shè)備費(fèi)用下降約10%左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的四種新型散裝填料，套環(huán)填料可以有效降低流體的軸向返混；菊花型和多孔雙面填料可以提高傳質(zhì)效率，降低阻力降，改善氣、液分布狀況，提高填料的承載能力；改進(jìn)矩鞍環(huán)可以增加填料之間接觸的空隙，使液體和氣體的流動(dòng)通道增加，提高傳質(zhì)速率以及具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，為塔填料選型提供參考。