簡要敘述散堆填料發(fā)展歷程，指出理想散堆填料自身發(fā)展的特點。 通過分析散堆填料傳質(zhì)的影響因素，指出影響散堆填料傳質(zhì)的外因主要是填料的表面能以及床層填充均勻度，并指出填料個體尺寸對床層填充均勻度的影響。 文章認(rèn)為，選材合適、內(nèi)部經(jīng)過處理、直徑足夠小的球形填料，具有潤濕性能好，床層填充均勻，比表面積大等點，因此球形填料將會成為未來散堆填料的代表。

填料塔具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，壓降小，處理能力大，耐腐蝕性好等點，已在石油化工行業(yè)廣泛應(yīng)用，并有取代板式塔的趨勢。填料是填料塔的核心元件，能夠提供氣、液兩相接觸的場所，氣、液兩相傳質(zhì)效果的好壞與填料的性能有著密切的關(guān)系。塔填料自誕生以來發(fā)展迅速，特別是 20 世紀(jì) 60 年代，隨著理論的進(jìn)步，塔填料朝著散堆化和規(guī)整化兩個方向并行發(fā)展 ^{[ 1 ]} ，先后出現(xiàn)了各種新型高效的塔填料，并且各具勢。但是，近些年來，無論是散堆填料還是規(guī)整填料，都出現(xiàn)了停滯不前的狀況。
本文根據(jù)散堆塔填料的發(fā)展歷程，結(jié)合知識，經(jīng)過歸納分析指出，散堆填料應(yīng)朝著：改善填料床層均勻性，加速液體表面更新頻率，改進(jìn)填料對液體的鋪展能力等方向發(fā)展。而選材合適的球形填料能夠滿足以上各項要求，是比較理想的散堆填料。因此，本文認(rèn)為，球形填料將成為散堆填料的代表。

1 化工填料的發(fā)展歷程

散堆塔填料是一些具有一定幾何形狀、規(guī)格尺寸的顆粒體,它們以隨機方式堆積在塔內(nèi)，能夠完成一定的傳質(zhì)分離任務(wù)。

1.1 散堆填料的分類

散堆填料的分類方法有多種，根據(jù)幾何形狀和結(jié)構(gòu)來劃分，有以下幾種不同的種類（見表1）。

1.2 散堆填料的發(fā)展歷程

散堆塔填料的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段^[2]：
1.2.1 初始階段
這個階段的填料為焦炭、卵石、瓦礫、鐵屑等物體，內(nèi)部完全封閉，填料本身占據(jù)了設(shè)備的大部分傳質(zhì)空間，氣、液相接觸面積小，傳質(zhì)效率低。
1.2.2 發(fā)展階段
1914 年誕生的拉西環(huán)、1931 年出現(xiàn)的弧鞍填料，在保證填料外表面積的基礎(chǔ)上，開始利用填料的內(nèi)表面，氣、液接觸面積明顯增加，傳質(zhì)效率大大改善，標(biāo)志著填料的發(fā)展進(jìn)入了科學(xué)的軌道。
1.2.3 成熟階段
拉西環(huán)隨機堆放時，會使兩個或幾個填料個體平行排列，呈線性接觸，在這些接觸部位，會形成液囊，液體和氣體有效接觸面積減?。蝗绻麕讉€拉西環(huán)并排橫置，不但外表面相互重疊，存在液囊，氣、液接觸面積減小，而且接觸部位的液體及拉西環(huán)內(nèi)部的流體幾乎處于停滯狀態(tài)，物質(zhì)傳遞主要以分子擴散的方式進(jìn)行，傳遞速率很低。 環(huán)鞍形填料是鞍形和環(huán)形填料的結(jié)合體，兼?zhèn)涠叩狞c，是比較理想的散堆填料。
之后雖然又出現(xiàn)了一些新型的填料，如格型環(huán)、階梯環(huán)、高流環(huán)、諾派克環(huán)、金屬扁環(huán)、共軛環(huán)、彈簧絲、萊佛厄派克環(huán)、刺孔環(huán)等^[1]，但改進(jìn)都不大。到目前為止，幾乎所有的散堆填料都是從拉西環(huán)和弧鞍這兩個雛形演變而來的^[2]。

1.3 理想散堆填料的特點

由散堆填料發(fā)展歷程可以看出，理想的散堆填料具備以下特點：
①氣、液接觸表面積大；
②填料對液體的鋪展性能好；
③填料幾何形狀好，結(jié)構(gòu)開放，床層壓降小，氣體通量大，流體停滯不動的可能性??；
④填料間為點接觸有助于液體湍動及表面更新。這些可以看作是氣液傳質(zhì)的內(nèi)因，要使傳質(zhì)快速穩(wěn)定地進(jìn)行還需具備一定的外界條件。

2 散堆填料傳質(zhì)的影響因素

2.1 氣液傳質(zhì)效率與有效接觸面積有關(guān)

氣體在流過液膜間隙的過程中，氣液之間才能進(jìn)行有效的傳質(zhì)和傳熱。如果液體處于停滯狀況，即使有氣體掠過液體表面，由于氣液湍動程度小，主要依靠分子擴散方式傳質(zhì)，速率很小，因此，流動的液膜與氣體接觸才能進(jìn)行有效的傳質(zhì)，并且有效接觸面積越大，傳質(zhì)效果越好。一般情況下，有效接觸面積＜潤濕面積＜干填料表面積。
要氣、液相間的有效接觸面積，需滿足以下條件：
（1）         填料本身比表面積大 對于同種類型的填料來說，填料個體尺寸越小，干填料的比表面積越大。
（2）         填料對液體的鋪展能力強 單位體積填料層內(nèi)，填料對液體的鋪展能力強，氣、液相間的有效接觸面積便可接近于干填料的比表面積。
填料的表面能高有助于液體潤濕，為了使液體能在所流經(jīng)的填料表面充分鋪展，填料的表面能需足夠大，通常要求填料表面的臨界表面張力大于液體的表面張力^[1]。采取如下幾種措施可填料的表面能^[1]：a 表面粗糙化：用噴砂、磨砂及溶劑浸泡等方法，使填料的表面形成溝槽或花紋，減小接觸角，從而提高表面能；b 化學(xué)處理法：利用化學(xué)反應(yīng)使填料表面形成中性親水層，以液體對填料的潤濕，或在填料表面發(fā)生氧化作用，生成含氧性基團附著在填料表面，表面能；還有等離子處理法，輻射法，噴涂處理法等處理方法。
另外，填料對液體的鋪展能力強，一方面可減小液體噴淋量，降低裝置負(fù)荷，節(jié)約生產(chǎn)成本。另一方面可減小液膜厚度，氣體自由流通截面積，能夠提高處理能力。液膜薄，填料與液體的作用力大，即使氣速較大，也不會將液體吹離填料表面，能夠減小液體集聚形成“溝流”的可能性，塔內(nèi)氣液兩相流徑穩(wěn)定，有利于平穩(wěn)操作，提高操作彈性。

2.2 氣液傳質(zhì)效率與床層氣液分布均勻性有關(guān)

填料床層填充不均勻是大型填料塔傳質(zhì)性能下降，即產(chǎn)生放大效應(yīng)的主要原因。反之，床層橫截面上氣、液分布均勻，能夠減小塔橫截面上的濃度梯度，減小徑向返混，有利于提高傳質(zhì)效率。
散堆填料隨機堆積排列，從少量填料來看，顯得雜亂無章。但如果考察的數(shù)量足夠大，如對于一定高度的填料層，則不論是床層的壓強降，還是液體分布的均勻度都會呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。這正如分子熱運動，單個來看規(guī)則，但考察某個分子集團，則存在各向同性，均分的特點。因此，出現(xiàn)散堆填料床層氣液分布不均的現(xiàn)象，作者認(rèn)為主要是由于填料數(shù)量不足造成的。只要數(shù)目足夠大，氣液分布均勻度便可得到改善，可基本消除“壁流”、“溝流”等不正?，F(xiàn)象。目前已“為了減小壁流、溝流現(xiàn)象，應(yīng)使塔徑與填料個體當(dāng)量直徑之比大于 8～10，對于幾何形狀差的拉西環(huán)填料，此值為 20^[3]。陳敏恒等^[5]學(xué)者認(rèn)為，工業(yè)上大型填料塔以取 D/d>30 為宜。
填料數(shù)目受到塔高、塔徑和填料自身規(guī)格尺寸的限制。在塔高、塔徑確定的情況下，縮小填料高徑比是改進(jìn)填料尺寸的一項有力措施^[2]。研究表明，適當(dāng)降低亂堆填料的長徑比，使其按一定規(guī)律排列（規(guī)整化），可提高傳質(zhì)效率^[6]。階梯環(huán)由高徑比為1的鮑爾環(huán)降到0.5，性能有了明顯提高^[3]。20 世紀(jì) 80 年代中期，美國 Glitsch 公司對階梯環(huán)作了改進(jìn)，將高徑比下調(diào)至 0.3，稱為 CMR 填料，此項改進(jìn)使填料層的堆積密度更加均勻，更有利于液體均勻分布，傳質(zhì)效率提高，阻力減小^[2]。有文章報道^[7]，CMR 填料壓降約為拉西環(huán)的 30%，傳質(zhì)系數(shù)比拉西環(huán)提高大約 50%。

有人進(jìn)一步對不同高徑比的環(huán)形填料進(jìn)行對比研究，得出結(jié)論：高徑比越小，傳質(zhì)效率越高^[8]。
由此可見，縮小填料尺寸有利于床層堆積均勻，提高傳質(zhì)效率。但同時會帶來阻力增加的后果，因此所用填料個體通透性應(yīng)足夠大。

3 討論

綜上所述，改善填料的表面性能，提高其對液體潤濕能力，減小填料尺寸以改善填料床層的堆積均勻性，改進(jìn)填料個體之間接觸點的數(shù)目，加快液體表面更新頻率，是散堆填料發(fā)展的方向。這主要由填料的幾何結(jié)構(gòu)所決定。
由于自身結(jié)構(gòu)限制，流經(jīng)環(huán)形填料的液體自分布能力較差，鞍形填料的氣體通量較小，環(huán)鞍結(jié)合，綜合兩者的勢，開發(fā)新式填料，成為近年來填料研究的一個出發(fā)點。
成功的范例有：金屬矩鞍環(huán)、納特環(huán)等環(huán)鞍形填料。環(huán)鞍形填料雖然具有液體分布均勻，氣體通量大的點，但由于環(huán)鞍形填料容易產(chǎn)生架橋、空穴，導(dǎo)致床層填充密度不均，影響了填料塔傳質(zhì)的整體效果。
球形填料(如瓷球)各個方向尺寸相等，不會產(chǎn)生架橋、空穴等現(xiàn)象。相對而言，數(shù)量不多的球形填料便可使床層填充均勻；另外，球形填料個體之間為嚴(yán)格的點接觸，接觸點不多而且分布均勻，通過增加填料個體間接觸點的數(shù)量，能夠加大液體匯集-分散的次數(shù)，減小液體停滯現(xiàn)象，使得流動的液膜發(fā)生突變性混合，加速液體表面更新。
與鞍形填料類似，氣液兩相在球形填料內(nèi)的流道為弧形，有利于液體均勻分布，提高液體鋪展能力；球體內(nèi)部采取措施可使流道方向一致，既能減小阻力，又能保證流向穩(wěn)定，從而具有一定的“規(guī)整性”。整體來看，氣體自下向上運動，曲折上升，不會走水平路徑，而且空隙孔徑逐漸擴大或縮小，與脈沖填料類似，既能減小阻力損失，又能使流速發(fā)生變化，有利于提高流體湍動程度，減小液膜厚度，提高傳質(zhì)效果。

4 結(jié)語

散堆塔填料具有易于加工，制作費用低，安裝方便、不易堵塞等特點，性能良好的散堆填料在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)在工業(yè)上仍將占有主要地位。而選材合適、內(nèi)部經(jīng)過處理、表面能大，通透性好，個體尺寸小的球形填料，具有：潤濕性能好、填充均勻、比表面積大、處理能力大等特點，將會成為散堆填料的代表。