引言

填料塔是化工和炼油等工业应用中常用的一种重要的传质与分离单元设备，其用途广泛，在精馏、吸收与解吸、萃取、化学交换、洗涤、冷却、混合反应和生化处理等过程中都不可或缺^[1]。相较于板式塔，填料塔具有通量大、压降低、持液量小、传质效率高、节约能耗等优点，具有极大的工业应用潜力^[2]。因此，填料塔的合理设计与新型高效填料及塔内件的开发应用一直是国内外研究的热点^[3]。填料主要分为散堆填料和规整填料。其中，规整填料具备规则的几何结构，通常交错地堆叠在塔内，这样的规整结构限定了气液两相的流动通道，有助于降低由沟流和壁流带来的压降^[4]。更为关键的是规整填料也完美地解决了传统散堆填料通量小的问题，并兼具能耗小、传质效率高的诸多优点^[5]，在一些分离要求高或真空蒸馏及热敏性物料分离的场合受到极大青睐^[2-4]。

经过几十年的不断探索与研究，新型规整填料层出不穷，综合性能也在不断提高^[6-7]，如国外公司研发的Mellapak系列直线型板波纹填料^[8]、Optiflow优流填料^[9]、Montz-pak孔板波纹填料^[10]、Intalox双重波纹片填料^[11]等，国内大学和科研院所开发的BH型折线形填料^[12]、Zupak组片式断续波纹填料^[13]、Dapak峰谷搭片式填料^[14]、Unapak脉冲式填料^[15]、Sinopak无壁流型填料^[16]等。这些常用填料的设计绝大部分遵循如下过程：先针对填料内气液传质的其中一个缺陷进行分析，再对填料结构进行相应的优化改进，最后在工业生产中应用。但从传统的直线型填料和新开发的多种结构填料来看，压降、通量与传质效率似乎不可兼得^[17]。本文研究开发了一种新开发的高效规整填料—直线与弧线交替(SCA)型填料，其特殊的直线与弧线交替式结构使得它在保持较高通量与较小压降的同时，也具备了很好的传质效果。文中研究了3种大比表面积的SCA型金属丝网波纹填料的流体力学性能与传质性能，并在相应的实验条件下与传统的CY700型填料性能进行比较。

1 实验部分 1.1 SCA型填料的结构特点

SCA型填料是一种高效的新型规整填料，其几何结构如图 1、2所示。

不同于传统的规整填料，SCA型填料结构非常独特：填料上下两端为小段竖直直线，中段为与竖直方向成30°的折线，直线之间用与竖直方向相切且圆心角为60°的弧线连接，上下弧线凹凸性相反，整个填料呈现直线与弧线交替的特殊构型。

填料的结构特点决定了其流体力学性能与传质性能。SCA型填料弧线与直线交替式的独特构型使它兼具了多种典型规整填料的优点：填料上下两端各有一段竖直直线且与内弧线相切，这种结构不仅保证了填料层间的气液通道流畅，减小压降，而且还增强了填料的自清洁能力，使填料塔不易堵塞；中段折线与竖直方向夹角为30°，与X型直线填料相同，使得此填料具备与直线填料类似的液泛气速较高与操作压降较低的优点。传统直线型填料气液流动变化小、层流底层厚，传质效率难以进一步提高。与之相比，SCA型填料结构优势明显，流体在折线与弧线拐角处流向发生改变，内层层流变薄，湍动效果增强，降低了传质阻力，提高了气液传质速率。类似于脉冲填料，弧线与直线交替排布形成了气液通道缩放的结构，有助于加快液体微团在气液相界面的更新速率，使得SCA型填料具有非常高的传质效率。

表 1为实验填料的几何特性参数。本文测定了3种不同比表面积的SCA型填料的流体力学性能与传质效率，并与传统的CY700型填料的实验值进行比较。

1.2 实验装置及测试方法

实验条件为常温常压，以水-空气-氧气作为介质，在内径为476 mm的实验塔内装入单层高度为125 mm的8层填料后进行冷态模型实验。选用盘式液体分布器均布进液，操作装置如图 3所示。

实验内容包括填料的流体力学性能测试与传质性能测试两大部分，其中流体力学性能测试分为干塔、湿塔的压降测试与液泛气速的测试。通过富氧水解吸实验测得进、出口水中含氧浓度，再计算出等板高度(HETP)值，以此来对填料的传质性能进行描述。采用成都锐新仪器仪表有限公司的YSI550A型溶氧仪读取溶氧量。

2 结果与分析 2.1 流体力学性能 2.1.1 干塔压降

在不同进气量的条件下，对3种不同比表面积的SCA型填料与传统CY700型填料的干塔压降进行测试，并作出不同类型填料的干塔压降随气相动能因子F变化的关系曲线，如图 4所示。

从图 4可以明显看出：不同填料的干塔压降均随着气相动能因子F的增大而增大，且曲线的斜率呈增加趋势，说明压降增大得越来越快。在同一F值下比较纵坐标的值，可以得出：在低气速下3种不同SCA型填料的干塔压降都很小，且相差不大，均低于CY700型填料的干塔压降，即(Δp/Z)_SCA1000≈(Δp/Z)_SCA800≈(Δp/Z)_SCA700＜(Δp/Z)_CY700；当气速逐渐升高，不同类型与比表面积的填料间的干塔压降差值也逐渐增加，即(Δp/Z)_CY700＞(Δp/Z)_SCA1000＞(Δp/Z)_SCA800＞(Δp/Z)_SCA700。实验结果表明，对于同种类型的规整填料，比表面积的增加缩小了气液的流动通道，使得流动阻力加大，压降随之上升，且随着气速加大，阻力加速增大，比表面积大的填料压降更大。对比同一比表面积的SCA700型与CY700型填料的干塔压降，前者的压降约为后者的67.8%，降低了近32.2%，SCA型填料结构的优势得到体现。

2.1.2 湿塔压降

实验测定了3种不同比表面积的SCA型填料与CY700型填料在不同的喷淋密度L与进气气速下的湿塔压降，进而得到实验填料的湿塔压降随F因子变化趋势，如图 5所示。

从图 5(a)、(b)、(c)、(d)中可以明显观察到，4种填料的湿塔压降随F因子变化的趋势具有类似规律，即对于同一种填料，固定喷淋密度时，湿板压降随着气相动能因子的增加而不断增大，且增大的趋势越来越明显。这是由于喷淋密度不变时，随着气速增加，液体遇到的阻力变大，造成了填料表面液膜变厚，气液通道变窄，导致湿板压降逐渐增大。显而易见同一气相动能因子下，喷淋密度越大，湿板压降也越大。这是由于随着液体流量的增加，填料持液量加大，气体通过填料结构的阻力增加，导致损耗的动能增加，湿板压降增大。SCA型填料的湿塔压降随F因子的变化趋势也符合规整填料压降变化的一般性规律^[18]。

为验证SCA型填料良好的流体力学性能，选取喷淋密度L=22.49 m³/(m²·h)时其与传统CY700型填料的湿塔压降进行比较，如图 6所示。从图中可以观察得出，在低气速下，SCA700型与SCA800型湿塔压降较为接近，但低于SCA1000型与CY700型填料的压降；气速逐渐增大，不同填料间的压降差也在逐渐加大，且由大到小顺序为(Δp/Z)_CY700＞(Δp/Z)_SCA1000＞(Δp/Z)_SCA800＞(Δp/Z)_SCA700。经过计算，SCA700型填料的湿塔压降仅为传统CY700型填料的65%，平均降低35%，证明了SCA型填料两端的直线结构在减小压降方面具有极大优势。

2.1.3 液泛气速

液泛气速u_f是填料塔设计的一个重要参数，它直接决定了填料塔的操作极限^[1-2]。当出现液泛现象时，液相不能顺利流下而造成淹塔、压降猛增以及传质效率急剧下降^[19]。因此，工业应用中一般以液泛气速来表征填料的操作弹性。实验测得了不同填料的液泛气速进行比较，如图 7所示。

从图 7可以看出，4种填料的液泛气速随喷淋密度变化的趋势是一致的，即随着喷淋密度的增加液泛气速不断减小。这是由于持液量的增加压缩了气体上升的通道，气液流动阻力增加，导致液体下流困难，更容易出现液泛。在同一喷淋密度下，3种比表面积的SCA型填料均大于传统CY700型填料的液泛气速，其中比表面积同为700 m²/m³的SCA型填料的液泛气速与CY型填料相比平均高出近20%，说明SCA型填料结构气液流道通畅，不易积液，具有更大的操作弹性。

2.1.4 液泛气速模型参数的拟合

为进一步指导SCA型填料的工业应用，采用Bain-Haugen液泛气速模型关联式^[20]对3种不同比表面积的SCA型填料的相关参数进行拟合，关联式为

$ \lg \left[ {\left( {\frac{{u_{\rm{f}}^2}}{g}} \right)\left( {\frac{a}{{{\varepsilon ^3}}}} \right)\left( {\frac{{{\rho _{\rm{G}}}}}{{{\rho _{\rm{L}}}}}} \right)\mu _{\rm{L}}^{0.2}} \right] = A + B{\left( {\frac{{{L_{\rm{m}}}}}{{{G_{\rm{m}}}}}} \right)^{0.25}}{\left( {\frac{{{\rho _{\rm{G}}}}}{{{\rho _{\rm{L}}}}}} \right)^{0.125}} $

(1)

式(1)中，u_f为填料的液泛气速，a为比表面积，ε为填料层孔隙率，μ_L为液相黏度，L_m与G_m分别为液体和气体的质量流量，ρ_G与ρ_L分别气体和液体密度，A、B为填料模型参数。实验操作条件一定时，式(1)可简化为式(2)

$ Y=A+BX $

(2)

式中，

$ X = {\left( {\frac{{{L_{\rm{m}}}}}{{{G_{\rm{m}}}}}} \right)^{0.25}}{\left( {\frac{{{\rho _{\rm{G}}}}}{{{\rho _{\rm{L}}}}}} \right)^{0.125}} $

(3)

$ Y = \lg \left[ {\left( {\frac{{u_{\rm{f}}^2}}{g}} \right)\left( {\frac{a}{{{\varepsilon ^3}}}} \right)\left( {\frac{{{\rho _{\rm{G}}}}}{{{\rho _{\rm{L}}}}}} \right)\mu _{\rm{L}}^{0.2}} \right] $

(4)

通过实验中测得的3种比表面积SCA型填料的液泛数据，分别计算出对应的X、Y后，带入式(2)中回归得到A、B参数的值，结果如表 2所示。

利用表 2中不同比表面积SCA型填料的液泛气速模型关联式，计算出模型值并与实验值进行比较，结果如表 3所示。

从表 3数据可以看到，除个别数据外，模型计算值与实验值相对偏差均在3%以内，说明文中得到的SCA型填料液泛气速模型关联式准确可靠，可用于进一步指导工业应用。

2.2 传质性能

通过计算填料层的有效高度，来表征填料的传质性能^[21]。本文选用理论当量高度(HETP)法^[2]计算SCA型填料的传质效率，并与传统填料进行比较。HETP值的计算公式为

$ H = {H_{{\rm{OL}}}}S\ln S/\left( {S - 1} \right) $

(5)

$ {H_{{\rm{OL}}}} = Z/\ln [({x_2} - {x^*}_2)/({x_1} - {x^*}_1)] $

(6)

$ S=mG/L $

(7)

式(5)中，H_OL表示液相总传质单元高度，S为解吸因子，其计算方法见式(6)、(7)，其中Z为填料高度，x₁、x₂分别为进塔和出塔溶氧量，x₁^*与x₂^*为对应的平衡溶氧量，m为相平衡常数^[7]。

实验测得3种比表面积SCA型填料与CY700型填料的等板高度值在不同的喷淋密度下与气相动能因子F的关系，如图 8所示。

从图 8(a)、(b)、(c)、(d)中可观察到，实验填料的等板高度随F的变化规律与常规CY型填料的规律是类似的^[22-23]，即对于不同比表面积SCA型填料的等板高度与F因子的关系具有相似规律性：同一喷淋密度下，随着气相动能F因子的提高，HETP值也在逐渐增大。这是由于气速增加使得气液接触时间变短，阻力的增加使得液膜增厚，导致传质效果变差，接近液泛点时，传质效果最差。固定F因子不变，即在同一气速的条件下，喷淋密度越大, HETP值越小。这是由于随着喷淋密度的增加，填料表面液膜更容易形成，气液相界面增大使得气液接触更充分，传质性能越好。

为验证SCA型填料优良的传质性能，将喷淋密度L=28.11 m³ /(m²·h)下测得的不同填料的HETP值进行对比，如图 9所示。

从图 9可以看出，对于不同的SCA型填料，比表面积越大HETP值越小，符合一般规律。比表面积的提高增加了气液接触面积，传质效率也就越高。更为明显的是，在同一F因子下，3种比表面积SCA型填料的HETP值远低于传统的CY700型填料。经过计算，相比于CY700型填料，SCA700型填料的HETP值平均降低了近24%。这是由于弧线与直线交替排布的填料结构使得流体在填料折线与弧线结合处流向改变，层流减薄降低了传质阻力，湍动效果增强，大大提高了气液传质速率，使得SCA型填料传质性能增强，从而在传统规整填料的基础上得到了较大提升。

3 结论

(1) SCA型规整填料独特的弧线与直线交替式结构兼顾了填料的传质性能与流体力学性能，在减小压降、增大操作弹性与传质效率方面均有较大进步。与传统填料(CY型)相比，SCA型填料的干塔、湿塔压降均明显降低；SCA700型填料的干塔压降平均降低了32.2%；在喷淋密度相同的条件下，载液区内的SCA700型填料的湿塔压降仅为传统填料的65%，平均降低了35%。

(2) 相同操作条件下，相比于传统(CY700型)填料，SCA700型填料的液泛气速平均高出近20%，表明SCA型填料的操作弹性更大，气液流动更通畅。

(3) 选取相同喷淋密度(L=28.11 m³/(m²·h))下的实验值进行比较，SCA700型填料的HETP值相较于CY700型填料平均减小了近24%，填料的传质性能得到显著提升。