填料塔作為傳質(zhì)分離設(shè)備，涉及蒸餾、吸收、解吸、、結(jié)晶、吸附、過(guò)濾、蒸發(fā)、干燥、離子交換和膜分離等單元操作過(guò)程，屬于量大面廣的重要單元設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于石油煉制、氣加工、石油化工、精細(xì)化工、化肥、醫(yī)藥及等領(lǐng)域，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。特別是在二十世紀(jì)七十年代初，能源危機(jī)的出現(xiàn)使得填料塔技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。近三十年來(lái)，多種新型高效填料的研究，特別是波紋填料的開(kāi)發(fā)成功及相關(guān)理論的發(fā)展，進(jìn)一步擴(kuò)大了填料塔技術(shù)更為廣泛的應(yīng)用。美國(guó)學(xué)者Fair教授認(rèn)為，近的十年內(nèi)，以氣液接觸的填料塔正在逐步取代板式塔；規(guī)整填料作為低壓降下具有高傳質(zhì)效率的裝置倍受青睞。在我國(guó)，隨著石油化工的不斷發(fā)展，傳質(zhì)分離工程學(xué)的研究日益深入填料塔技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)期。

填料塔作為氣液傳質(zhì)設(shè)備的歷史早可以追溯到1836年用來(lái)水吸收氯化氫的操作以及1881年用于蒸餾過(guò)程。1907年以焦炭、石礫、卵石等無(wú)定形的物體開(kāi)始了填料的發(fā)展;而1914年出現(xiàn)的陶瓷拉西環(huán)填料(RashingRing),引領(lǐng)著填料塔的發(fā)展進(jìn)入了科學(xué)軌道,標(biāo)志著填料塔的研究進(jìn)入了科學(xué)發(fā)展的年代。盡管其實(shí)際生產(chǎn)效果仍沒(méi)有很大的提高,卻引起人們意識(shí)到塔內(nèi)的氣液分布性能對(duì)填料塔操作的重要性。1937年斯特曼填料的出現(xiàn),使填料和填料塔又進(jìn)入了現(xiàn)代發(fā)展時(shí)期;20世紀(jì)30至50年代,由不同材質(zhì)(包括金屬、陶瓷和塑料)的各類散堆填料(拉西環(huán)、鮑爾環(huán))涌入市場(chǎng)。

1950年后,填料塔進(jìn)入了緩慢發(fā)展時(shí)期,在這個(gè)時(shí)期內(nèi),人們注意對(duì)塔內(nèi)件的研究,力圖解決填料塔的氣液分布不均和“放大效應(yīng)”的問(wèn)題,但由于同時(shí)期的各種板式塔的出現(xiàn)及其成功應(yīng)用,而使填料塔的應(yīng)用和發(fā)展倍受冷落。而此時(shí)瑞士蘇爾壽公司開(kāi)始對(duì)氣液分布不均的問(wèn)題開(kāi)始進(jìn)行了深入研究,并成功的解決了規(guī)整填料的放大效應(yīng)。1975年蘇爾壽公司成功開(kāi)發(fā)了一批塑料絲網(wǎng)波紋填料,之后并詳細(xì)報(bào)道了其性能與應(yīng)用,證明了它是一種現(xiàn)代新型高效吸收塔填料;此外,日本住友公司等也在經(jīng)銷塑料絲網(wǎng)波紋填料;在我國(guó),上?；ぱ芯吭河?977年研制成功尼龍和聚丙烯塑料絲網(wǎng)波紋填料同時(shí)也測(cè)定了它們的性能,終在工業(yè)應(yīng)用也取得了良好的效果。

至80年代末,新型填料的研究一直處于十分活躍的狀態(tài),尤其是各類新型規(guī)整填料不斷涌現(xiàn)市場(chǎng),使得填料發(fā)展進(jìn)入高峰期。整體來(lái)說(shuō),對(duì)于塔填料結(jié)構(gòu)的研究又始終是沿著兩個(gè)方面進(jìn)行的,即同步開(kāi)發(fā)散堆填料與規(guī)整填料。填料的另一個(gè)研究方向是填料進(jìn)行材質(zhì)的更換,以適應(yīng)不同下業(yè)應(yīng)用要求,從而達(dá)到提高填料塔內(nèi)氣液兩相間的傳質(zhì)效率的日標(biāo),或是對(duì)填料進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?以改變?cè)谔盍媳砻娴臐?rùn)濕性能,提高液相在填料表面鋪展?jié)櫇竦挠行娣e。

90年代蘇爾壽公司在ACHEMA’94 展覽會(huì)上推出了一種稱為高技術(shù)產(chǎn)品的Optiflow填料。這種填料的基本元件是壓有橫向紋理液流溝槽的菱形薄片，其中開(kāi)有小孔，菱形片被搭成翼輪狀。由于該填料有很好的幾何結(jié)構(gòu)形式和高度的對(duì)稱性，可以顯著提高填料的分離性能。

工業(yè)上常見(jiàn)的填料主要分規(guī)整填料和散堆填料兩大類：
規(guī)整填料：具有氣液分布均勻、傳質(zhì)（傳熱）效率高、生產(chǎn)能力大等點(diǎn)。通常概念的規(guī)整填料，是由金屬（不銹鋼）薄板或絲網(wǎng)經(jīng)特殊加工制作而成。雖有較高的傳質(zhì)（傳熱）效率，但因其結(jié)構(gòu)緊密孔隙小，一般應(yīng)用在介質(zhì)清潔的傳質(zhì)（傳熱） 設(shè)備或溶液精餾、霧沫分離等化工塔器中，由于固體懸浮物會(huì)很快在填料層內(nèi)淤積而堵塞通道，直接影響使用效果。所以不宜應(yīng)用于脫硫、煤氣除塵、除焦等富含固體懸浮物的生產(chǎn)上。應(yīng)用在脫硫、氣體除塵、洗滌、降溫或水處理領(lǐng)域的規(guī)整填料，常用木格子或塑料格子填料等。此類規(guī)整填料由于填料結(jié)構(gòu)規(guī)整，填料的流體通道的形式和大小易于選擇調(diào)整，氣、液流動(dòng)性能好，阻力小。但此類規(guī)整填料中木格子填料存在材料來(lái)源問(wèn)題及易堵塔、笨重易破損、開(kāi)車前漫長(zhǎng)的脫脂等問(wèn)題，已基本被陶汰；而塑料格柵填料存在比表面積小、凈化度難達(dá)標(biāo)、結(jié)構(gòu)不太合理、易變形坍塌等問(wèn)題。

散堆填料：有金屬、塑料或陶瓷制成的各種品種，具有比表面積大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、裝卸清洗方便等特點(diǎn)。在脫硫、煤氣除塵洗滌降溫等生產(chǎn)領(lǐng)域較為廣泛應(yīng)用的有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、矩鞍環(huán)等多種類型的塑料或金屬散堆填料。陶瓷散堆填料則適用于在較高溫度工況的氣體除塵、洗滌、降溫或水處理領(lǐng)域。由于散堆填料裝填不規(guī)則，氣、液在填料層內(nèi)是無(wú)序的流動(dòng)，因此易產(chǎn)生氣、液的偏流和溝流現(xiàn)象。特別是當(dāng)溶液中含有一定量的固體物、懸浮物時(shí)，易在填料層內(nèi)淤積而堵塞填料通道，嚴(yán)重影響填料塔的傳質(zhì)（傳熱）效率。散堆填料在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，存在阻力易、易偏流、易堵塔、生產(chǎn)周期短、清洗頻率高、填料易破碎等問(wèn)題，使用效果也不很理想。近年來(lái)散堆填料的研究方向主要集中在以下幾個(gè)方面：
①  散堆填料的自規(guī)整化；
②  開(kāi)發(fā)適用于新塔型的散堆填料；
③  填料功能復(fù)合化；
④  對(duì)填料表面加以改性以提高傳質(zhì)效率；
⑤復(fù)合填料塔。
從近些年的理論和工業(yè)開(kāi)發(fā)來(lái)看，散堆填料的發(fā)展趨勢(shì)是朝空隙率和減少壓降、比表面積、改善潤(rùn)濕性能以及功能多樣化的方向發(fā)展。
 
 新型工業(yè)填料舉例
 
傳統(tǒng)的規(guī)整填料和散堆填料存在者一定問(wèn)題，所以，近些年來(lái)許多新型填料得以開(kāi)發(fā)。例如：蔡昌鳳等利用污泥為主要原料，采用燒結(jié)法研制陶粒填料，提出陶粒鋪設(shè)景觀水底，治理城市水體，并對(duì)其進(jìn)行了可行性分析，陶粒對(duì)水中氨氮和總磷吸附容重分別為0.03～0.05 mg/g 和0.01～0.02 mg/g。
^【1】熊開(kāi)生等通過(guò)添加親水性、生物親和性及磁性等物質(zhì)對(duì)普通聚氯乙烯生物填料進(jìn)行改性，研究表明改性PVC 生物填料的親水性、生物親和性有很大程度改善，完全可以用于各種類型生活污水的處理。
^【2】沈建沖研發(fā)的導(dǎo)流網(wǎng)格填料，，能廣泛應(yīng)用在氣液相傳質(zhì)（傳熱）、吸收、洗滌、降溫等化工過(guò)程，特別適合在生產(chǎn)過(guò)程中介質(zhì)富含懸浮物、膠狀物、副鹽結(jié)晶物或固體顆粒等的填料塔器中使用。比表面積是格柵填料的2.9～3.0倍，是聚丙烯鮑爾環(huán)的1.04～2.05倍、是聚丙烯階梯環(huán)的1.35～2.11倍、是聚丙烯矩鞍環(huán)的0.95～1.07倍。
^【3】周芬等人將塑料填料用混凝土包裹，，制得新型混凝土改性親水性塑料填料，污水平均處理效率為30%，比普通塑料填料處理效率提高5% ～10%。
^【4】天津市天進(jìn)新技術(shù)開(kāi)發(fā)公司開(kāi)發(fā)了高效廉價(jià)的板花規(guī)整填料，其80型（比表面積80m²/m³）的傳質(zhì)效率與Mellapak 350Y型（比表面積 350 m²/m³）相當(dāng).^[
5] 天津大學(xué)開(kāi)發(fā)研制出了Zupak組片式波紋填料，與同型號(hào)的Mellapak相比，比表面積提高了10％左右，開(kāi)孔率增加了30～40％，分離效率提高 10％以上，通量提高 20％以上，壓力降減少 30％左右.^[5]天津市博隆科技開(kāi)發(fā)公司開(kāi)發(fā)了CHINAPAK規(guī)整填料，其綜合了金屬孔板波紋填料和金屬矩鞍環(huán)填料各自的點(diǎn)，克服了散堆填料易于溝流的缺點(diǎn)。
^[6]王霞通過(guò)研發(fā)一種新型的微生物固定化材料一多孔一金屬微孔復(fù)合填料，大的改善其對(duì)生活污水的脫氮除磷效果。
^[7]朱仁成采用包埋固定技術(shù),將牛糞堆肥、水泥、珍珠巖、植物纖維等按比例混勻,通過(guò)平膜擠壓造粒技術(shù)生產(chǎn)出粒徑可控的圓柱狀復(fù)合填料，其復(fù)合填料負(fù)載有功能微生物，在較高進(jìn)氣負(fù)荷和較短氣體停留時(shí)間條件下,復(fù)合填料對(duì)NOx的性能較后的復(fù)合填料具有一定的勢(shì)。
^[8]方勇開(kāi)發(fā)了表面活性劑MCP改性的聚丙烯填料，傳質(zhì)性能提高了20%左右。
^【9】我浙江工業(yè)大學(xué)的金順利開(kāi)發(fā)了生物復(fù)合的聚丙烯填料。在污染物領(lǐng)域有較高應(yīng)用前景。
^[10]CN1935332
^[11]公開(kāi)的一種組合填料，將植物纖維或泡沫塑料嵌套在球形支撐架內(nèi)，具有空隙率高、壓降小、微生物掛載量大等特點(diǎn)，對(duì)甲苯率高于聚氨酯泡沫和空心多面球。
 
 
新型填料選擇考量標(biāo)準(zhǔn)
 
散堆填料的結(jié)構(gòu)、形狀及堆砌方式將影響流體在床層的流動(dòng)和分布以及氣液接觸狀態(tài), 因此認(rèn)真研究填料的本體結(jié)構(gòu)和它在填料層內(nèi)的作用, 通過(guò)改進(jìn)填料結(jié)構(gòu), 可以提高相接觸面積, 增加空隙率, 減小壓降, 從而達(dá)到氣液兩相在整個(gè)塔截面上的均勻分布, 使填料塔的性能得到改進(jìn)。
填料主要是用來(lái)擴(kuò)大液相與氣相之間接觸面積和提高塔傳質(zhì)效率和分離效率的重要塔內(nèi)件設(shè)備。它提供塔內(nèi)的氣一液兩相接觸進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱的表面。其性能往往決定了塔器的應(yīng)用,因此,對(duì)塔填料的研究一直十分活躍。填料塔結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、阻力小、裝置靈活,特別是新型填料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,顯著的提高了分離效率并基本解決了“放大效應(yīng)”問(wèn)題后,使得填料塔在工業(yè)應(yīng)用上日益擴(kuò)大。近年來(lái)新型填料研究比較活躍,各種填料不斷涌現(xiàn)。新型高效填料塔取代舊有填料及部分塔板,在技術(shù)改造中己取得顯著效果。目前新型填料的開(kāi)發(fā)主要還是集中在通過(guò)填料宏觀結(jié)構(gòu)化以及填料表面的微觀結(jié)構(gòu)改變,以求達(dá)到改善填料的傳質(zhì)效率的效果。
填料塔裝填的填料種類通常需要考慮實(shí)際操作時(shí)的分離工藝要求,一般考慮以下幾個(gè)方面：

1. 傳質(zhì)效率要高，一般而言,規(guī)整填料的傳質(zhì)效率高于散裝填料；
2. 通量要大,在具有較高傳質(zhì)效率的前提下，應(yīng)選擇具有較高泛點(diǎn)氣速或氣相動(dòng)能的填料；
3. 填料層的壓降要低；
4. 填料抗污堵性能強(qiáng),拆裝、檢修方便。

即從傳質(zhì)性能和流體力學(xué)兩個(gè)角度考量新型填料。
填料的幾何特性數(shù)據(jù)主要包括比表面積、空隙率、填料等,是評(píng)價(jià)填料性能的基本參數(shù);填料塔對(duì)填料材質(zhì)的基本要求有:傳質(zhì)效率高,要求填料能提供較大的氣液接觸面,即要求填料具有大的比表面積,同時(shí)填料的表面還要易于被液體潤(rùn)濕,因?yàn)闈?rùn)濕的表面才可能是氣液接觸表面,而氣液接觸的表面才是有效的比表面積,一般而言,填料的比表面積不等于填料的有效比表面積;填料具有較大的生產(chǎn)能力,氣體在填料塔中壓力降小,因此要求填料層的空隙率大,不易引起液體在填料表面的偏流和溝流。總結(jié)，即從傳質(zhì)性能和流體力學(xué)兩個(gè)角度考量新型填料。此外，還應(yīng)要求制備填料的材質(zhì)能夠經(jīng)久耐用,具有良好的耐腐蝕性和較長(zhǎng)的使用壽命。以及較高的機(jī)械強(qiáng)度和必要的耐熱性,同時(shí)取材容易,價(jià)格便宜。
 
 
填料應(yīng)用前景展望
 
隨著新型塔填料的相繼開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，填料塔的點(diǎn)更顯突出，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。在煉油、石油化工、精細(xì)化工、化肥、制藥和原子能工業(yè)部門，以及領(lǐng)域的應(yīng)用已趨于成熟。填料塔尤其適用于真空蒸餾、常壓及中壓下的蒸餾，當(dāng)然還有大氣量的兩相接觸過(guò)程(如氣體的吸收、冷卻等)，但在高壓精餾塔中應(yīng)用時(shí)要特別謹(jǐn)慎。人們正在對(duì)高壓精餾填料塔進(jìn)行研究，企圖從填料塔的結(jié)構(gòu)和操作方法上予以解決，例如有人提出填料層分段乳化操作或采用超重力場(chǎng)分離等。近年來(lái)在突破高壓精餾塔應(yīng)用填料的局限性方面已取得了一些進(jìn)展，其關(guān)鍵是弄清高壓(高液相負(fù)荷)對(duì)塔的處理能力和效率的影響，可利用淺床層和高性能塔構(gòu)件(如氣體分布器、液體分布器及再分布器)。也有人建議開(kāi)發(fā)適用于高壓蒸餾的組合式填料。
填料應(yīng)用的另一個(gè)新領(lǐng)域是空氣分離裝置。30年代以前的空分設(shè)備，主要是滿足焊接、切割用氧及化工用氮。由于現(xiàn)代鋼鐵、氮肥、化工及火箭等技術(shù)的發(fā)展，氧、氮及稀有氣體的用量迅速增加。國(guó)外一些大公司，如德國(guó)的Linde公司，美國(guó)的APCI公司(空氣制品與化學(xué)品公司)、英國(guó)的BOC公司(氧氣公司)和法國(guó)的空氣液化公司等，均已開(kāi)始把填料塔應(yīng)用于空分方面的研究，瑞士Sulzer公司作為填料生產(chǎn)廠商與上述公司積合作，已取得可喜成績(jī)?？辗盅b置中規(guī)整填料的另一個(gè)用途是在粗氬塔中使用。過(guò)去的粗氬塔為篩板塔，無(wú)法得到
氧含量小于2×10-6的純氬。改用填料塔，便可取消過(guò)去生產(chǎn)純氬產(chǎn)品時(shí)使用的下游工藝。
在生物工程，環(huán)境工程領(lǐng)域填料也發(fā)揮著重要作用，良的生物填料同樣要求有強(qiáng)度高、空隙大、比表面積大，不堵塞等等。新型生物填料將具有以下特點(diǎn)：
1)        通過(guò)對(duì)礦粉的固定、包埋，其營(yíng)養(yǎng)成分可以緩慢而穩(wěn)定的方式釋放，提高養(yǎng)分的利用率；
2)        漿料水分蒸發(fā)干燥過(guò)程中，涂層體積收縮，表面出現(xiàn)無(wú)規(guī)則皺褶，形成適于微生物掛載的粗糙表面；
3)        選擇惰性的網(wǎng)狀纖維骨架和耐水耐腐的高分子膠黏劑，可有效避免填料腐爛、解體及床層塌陷等問(wèn)題；
4)        網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)可提供足夠高的空隙率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小氣流阻力。
同時(shí)，近期出現(xiàn)的薄壁篩板填料^[12]也是填料發(fā)展一大前景。薄密篩板填料是一種綜合了板式塔和填料塔兩者點(diǎn)而削減兩者缺點(diǎn)的傳質(zhì)裝置。薄密篩板填料的工作原理既不同于板式塔中的篩板塔，也不同于填料中的實(shí)體填料和網(wǎng)體填料，它的氣液接觸方式類似于噴淋式換熱設(shè)備中的淋降板直接接觸冷凝器，只不過(guò)篩板間距更為緊密，篩板更薄，篩板的液層也更為淺薄。在淋降板式冷凝器中，由于液體在下落過(guò)程中是自由落體，是勻加速運(yùn)動(dòng)，因而液柱或液滴在空問(wèn)分布是不均勻的：自上而下液柱由粗變細(xì)，變?yōu)橐旱?，液滴由密變疏，而薄密篩板填料的結(jié)構(gòu)排布方式則充分地利用了液柱(或液滴)密布的空間。由于篩板排布較密，氣液兩相界面的更新也更為頻繁。
綜合近期報(bào)道，填料未來(lái)的發(fā)展方向應(yīng)該是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，功能高效化。目標(biāo)沿著理想填料發(fā)展。