綜述了散裝填料、規(guī)整填料和氣液分布裝置的發(fā)展概況，應用分形理論分析填料的幾何結構對氣液傳質的影響，并提出了今后填料塔設計研究的方向。

填料塔是重要的氣一液、液一液傳熱、傳質分離設備，它廣泛應用于石油煉制、化學工業(yè)、精細化工、醫(yī)藥生物、等行業(yè)Ll ]的物系分離。但在20世紀 70年代以前，由于板式塔的研究歷史較長，基礎數(shù)據(jù)較多，同時易于放大、造價低、適應性強，板式塔在分離技術中占主導地位。隨著研究者們對填料和塔內(nèi)件的不斷研究和開發(fā)，一些性能良的新型填料相繼出現(xiàn)，尤其是解決了填料塔的放大效應，使填料塔的應用進入了一個嶄新的時期。
 
填料塔由塔體、填料和塔內(nèi)件構成，填料是塔的核心部件。為氣液兩相傳熱傳質提供有效的傳質表面，所以高性能的填料和良的塔內(nèi)件，是填料塔分離能力和分離效率的保證。
 
分形理論的基本思想起源于 2O世紀初，發(fā)展于 2O世紀 60年代后。分形通過對不規(guī)則幾何形狀的研究，發(fā)現(xiàn)在大量無序的數(shù)據(jù)里存在著一種出乎意料的有序 q]，總存在著某種自相似性。分形維數(shù)是空間和客體 (集合 )的重要幾何特征量，點的維數(shù)為 0，直線的維數(shù)為 1，平面的維數(shù)為2，立方體的維數(shù)為 3，而折曲線的維數(shù)為 1～2，粗糙平表面的維數(shù)介于 2～3。作者用分形理論分析填料塔內(nèi)件的發(fā)展。

總之，散堆填料的發(fā)展從環(huán)形填料(拉西環(huán)、鮑 爾環(huán)、階梯環(huán))、鞍形填料、矩鞍環(huán)填料到球形填料等，都是從填料的結構來改善氣液兩相的流動通道，降低氣體通過填料層的壓降，增加填料表面液膜的分形維數(shù)，從而增加總體積傳質系數(shù)。
 
1．2 規(guī)整填料
 
規(guī)整填料是繼散裝填料之后在近 2O余年來發(fā)展的高效新型填料。主要由平行絲網(wǎng)波紋片或(開孔)板波紋片平行、垂直排列組裝而成。規(guī)整填料有如下特點L8]：(1)氣體通過能力大、壓降小，因而適用于真空操作及精密精餾塔器；(2)比表面積大，且能在網(wǎng)體或板面上形成穩(wěn)定的薄液層，使填料表面的潤濕率提高，可避免溝流現(xiàn)象，從而可提高傳質效率；(3)氣液兩相在填料中不斷呈 Z 形曲線運動，流體分布良好、充分混合、無積液死角，因而放大效應很小，可適用于大直徑塔設備。規(guī)整填料的這些特點，不減小了氣體的壓降，而且加大了填料表面液膜的分形維數(shù)，因而傳質效率高。如張軍保等針對硫酸干吸塔研制出了TJ160X型陶瓷規(guī)整填料，通過試驗研究和分析證明該填料比傳統(tǒng)的散堆填料通量提高 2倍以上 ，壓降是散堆填料的 1／3，并且傳質面積加大，傳質效率提高 ]。李紅等對整個合成氨工藝進行分析和研究，發(fā)現(xiàn)改擴建工程完成后，銅洗工序是整個合成氨系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，對合成氨生產(chǎn)銅洗系統(tǒng)采用的規(guī)整填料和高效氣液分布器，銅塔處量提高 75 ，每立方米銅液吸收 CO量提高 38 ，取得了顯著效果[】。。黃應文通過對硫酸吸收塔進行分析，發(fā)現(xiàn)該塔擴能的瓶頸是分酸點過少和填料壓降，經(jīng)過改造分酸器和將吸收塔內(nèi)部分填料(約 29 )更換為 IOOX型波紋規(guī)整填料，并新增少量 D76mm異鞍環(huán)填料(約 6．59，6)，其余的仍然是原有的 D50mm 異鞍環(huán)填料鞍環(huán)填料；更換新型填料后，吸收塔阻力下降效果十分明顯，原始開車填料層本身阻力就下降 400Pa，使系統(tǒng)再增產(chǎn) 3000t／a，降低 了產(chǎn)品單耗，經(jīng)濟效益顯著[】。這些都說明規(guī)整填料表面液體的分形維數(shù)比散堆填料的大，因而傳質面積大，傳質效果好 ；而且規(guī)整填料的空隙率大，壓降小，為填料塔擴能提供了空間。
 但 是，并不是填料的比表面積越大，分離效率越好，宋新月等對 4種高比表面積(分 別是 900，lt00，l700，2500m ／m。)的金屬絲網(wǎng)波紋填料的流體力學和傳質性能進行了研究u引，結果表明 ，雖然 2500Y型填料的比表面積大，但是其
 
阻力很高，并且傳質效率較低；其它 3種填料的傳
 
質效率隨比表面積而提高，但 900Y和l100Y型填料的綜合性能較好。因此，在選擇填
 
料時，應對其流體力學性能和傳質性能綜合分析，
 
從液體在填料表面形成的分形維數(shù)、床層阻力和傳質效率等方面綜合考慮，得到的填料。
 
1．3 其它類型填料
 
除了散裝填料和規(guī)整填料外，還有廣泛應用于領域的軟性填料、半軟性填料和立體填料。
 
軟 性填料比表面積大，孔隙可變性大，不易堵塞。半軟性填料能良好散熱，氣體通過時阻力小，布水、布氣性能好，易長膜，且能破碎氣泡。立體彈
 
性填料孔隙可變性大，不堵塞，它不能使氣、水、
 
生物膜之間充分接觸進行傳質，而且在運行過程中比表面積逐漸，同時能進行良好的，彈性填料是國內(nèi)目前其它填料不可比擬的，是繼各種硬性類填料、軟性類填料和半軟性填料后的四代高效節(jié)能新穎填料 。
 
2 內(nèi) 件
 
2．1 液體分布裝置
 
液體的分布裝置是填料塔傳熱、傳質能否順利進行的基本要素之一，氣相在床層內(nèi)均布和液相在填料表面適宜分形是塔內(nèi)傳質過程得以順利進行的必要條件。液體分布裝置按照結構形狀，可以分為噴頭式、管式、槽式和盤式幾種。各種分布器的使用場合通常根據(jù)塔徑、填料的類型、堆積方 式、物料的性質和操作條件決定。
 
2．1．1 液體預分布裝置
 
為 了能讓液體充分潤濕填料，并在填料表面適宜分形，使氣體暢通流過和有足夠的操作彈性，必然需要一個理想的液體噴淋裝置。有報道表明不良的液體分布可能使填料的性能下降 5O％～ 7O ，因此液體噴淋裝置的設計、制作和安裝對填料塔的性能影響很大。若液體噴淋裝置設計不當，液體預分布不均，填料層內(nèi)液膜分形維數(shù)減小，偏流現(xiàn)象和溝流現(xiàn)象增加，即使填料性能再好也很難得到滿意的分離效果。
 
宋海華等以分形幾何為理論基礎設計的新型液體分布器一一Fractal液體分布器，該分布器通過 實驗驗證了具有 Khmas分布質量良好、能夠均勻分布小流率的液體及操作彈性較大等點。

杜玉萍等研究在大直徑、大流量填料塔中槽式液體分布器預分布管流體分配的不均勻性，分析流體通過主進料管流到與之相貫通開孔的預分布管中的流動情況，借助流體力學計算軟件，分析得出改變開孔直徑，并加一卸壓孔這種開孔方式能使各孔的出流量、管內(nèi)的靜壓和湍動能分布均勻，從而可保證液體噴淋的均勻性，使填料表面液膜適宜分形，有利于氣液兩相的傳質[1引。華南理工大學通過對液體分布裝置的結構及流體力學性能的研究，設計開發(fā)出用于雙氧水填料精餾塔的液體分布裝置——雙層多排管式液體分布器。我國南方某廠在 8000t／a雙氧水裝置中，使用該種液體分布器后，產(chǎn)量達到要求，精餾塔的操作彈性達到 8：1，每年因此增產(chǎn)濃品雙氧水 6Ot，帶來的經(jīng)濟效益 3O多萬元L1。
 
2．1．2 液體再分布裝置
 
液體沿填料表面往下流動時，有一種呈錐形逐漸散開和沿塔壁流動的趨勢，這樣在靠近噴淋點附近的填料表面液膜的分形維數(shù)小，即會造成塔的端效應[1；另一方面由于有壁流現(xiàn)象，填料層較高的應分段，設置液體再分布器，以保證整個填料高度范圍內(nèi)填料表面均有一適宜的液膜分形。
 
設計和制作液體再分布裝置，應從它的結構、氣體的通道、操作彈性、空間位置的可使用程度和造價等幾方面來考慮。四川盧天化 400kt／a甲醇裝置使用無錫市雪浪化工填料廠生產(chǎn)的網(wǎng)孔波紋填料和液體再分布器，開車獲得成功，生產(chǎn)出了符合國的精甲醇產(chǎn)品。該廠設計、制作的液體再分布器已申請并在脂肪酸生產(chǎn)、無水乙醇生產(chǎn)等裝置中成功應用，使生產(chǎn)能力提高、能耗降低n 。
 
2．2，氣體分布裝置
 
填料塔傳質效率除了液體在填料表面適宜分形外，氣體在填料層中的均勻分布也是非常關鍵的因素，而氣體在進入填料之前是否均勻分布直接關系到氣體在填料層中的均勻分布。有研究表明，由于氣相的分布不均，導致塔兩邊的傳質效率相差 3O9／6以上；當填料層高度高達上百米時，不同塔截面處的氣速差別可達 3倍多，這樣導致不同塔截面處液氣比差別很大，整個填料塔的傳質效率降低。這些事實說明，必須在進入填料前保證氣體均勻分布。   

天津大學對大型填料塔氣體分布器做了研究，發(fā)現(xiàn)不同氣體分布器的結構直接影響氣體在填料層中的不均勻度、氣體通過填料層的壓降和傳質效率。因此，氣體分布裝置應從氣體分布器初始分布的均勻度、氣體通過填料層的壓降、液沫的夾帶量等幾方面綜合考慮。
 
3 結 語
 
由于大比表面積、大通氣量、低壓降的高效填料的成功開發(fā)和應用，以及填料塔工程放大技術的解決，使填料塔的分離技術得到更廣泛的應用。但由于氣液兩相在填料層內(nèi)流動狀況和傳質的復雜性，使得研究氣液兩相在填料表面流體流動行為和氣液兩相在填料表面分形的報道很少。
 
今后對填料塔的研究可能從以下幾方面進行：(1)通過對液體在填料表面分形的研究，開發(fā)出更高效的理想填料；(2)研究氣液兩相在填料層內(nèi)流體力學性能，開發(fā)模擬計算軟件，用于開發(fā)與填料相匹配的氣液分布裝置；(3)結合工藝流程，化氣液接觸部件，可將填料和塔板組成復合塔；(4)延伸和拓展填料塔分離技術，21世紀填料塔將向行業(yè)化、復合化、節(jié)能化、大型化方向發(fā)展。