2.4　金屬結構填料

2.4.1　波紋填料——開放錯流結構

早期的波紋填料如BX網填料，用于分離熱敏感產品。20世紀70年代，Mellapak結構填料開始了在化學、石油化學、石油煉制和吸收領域的廣泛應用。表2-7總結了不同類型波紋填料的有代表性的幾何性質，它們也能夠被用作催化劑載體或催化劑。由于波紋填料出色的徑向混合特性，液體分布也不是一個問題，因此即便分布器設計不好也能在很短的距離內達到完全發展的流體分布。在波紋結構填料中有三個主要的流體流動路徑：首先遵從波紋片中的“谷底”方向，流體從一個反應器壁傳輸到同一層中對面器壁，并與反應器進行熱交換，再從左邊折向傳輸到鄰近層的右邊［圖2-14（a）］；第二個重要的流體流動路徑在結構內，自行回繞波紋結構片的交叉點波動，以確保流體有好的混合和使流體和結構表面間具有良好的傳熱［圖2-14（c）］；第三個路徑是在結構和反應器壁間的間隙短路中流動［圖2-14（b）］。對兩相順流，可能存在三個流區：低液體流速時的環形流區；較高液體流速時的分層波動流區；大液體流速時的氣泡流區。如果以不同液體流動速度對氣體流動速度作圖，則能夠說明液體流速對流區的過渡有很大的影響，而氣體流速的影響是不大的，只是使過渡時的液體流速稍有減小。對波紋填料，界面面積有可能遠大于幾何表面積。氣液界面面積與幾何表面積之比a0/ap隨液體流速的增加而增加，但是有一個極限值。對不同填料，該值有很大不同，Mellapak型和有波紋板的填料有比較大的值，這是因為它們具有孔眼形式的粗糙結構。

由于波紋填料主要用作蒸餾塔填料，因此對其的傳質研究都是來自蒸餾體系，結構填料的傳質除與液體和氣體性質有關外也與結構填料性質有關。

2.4.2　波紋填料——封閉錯流結構（CCFS）

封閉錯流結構（CCFS）也是由薄波紋金屬片做成的，其排列是邊挨著邊，通道相對定向，但有平金屬片嵌入波紋片之間，如圖2-15所示。于是開放通道填料幾何體轉變成由封閉彎曲三角形通道束組成的類似于獨居石結構那樣的結構，這樣可以使其比表面積有相當多的增加。與開放錯流結構填料一樣，在封閉錯流結構填料上也能夠進行多孔介質的涂層。由于其通道之間無法進行質量交換，封閉通道結構中的初始液體分布的重要性與蜂窩獨居石是一樣的。其流動形式也與獨居石一樣，很少有徑向返混的問題。該結構之所以如此特別，在于它在壁上是開放的，由于流體被定向在鄰接層中從左向右或從右向左流動，它會直接撞擊反應器管壁，使管壁上的靜止流體層發生擾動。如果通道足夠小且氣體液體流速比在正確的范圍內，能夠產生所謂的Tayler流（栓流）。因此，傳熱性能得以改進，且壓力降也是比較低的。Tayler流還能夠導致高的傳質速率。在封閉通道填料中的壓力降要低于標準填料，即便閉合通道有較大的幾何表面積。通過在兩波紋板間插入一平板，氣體-氣體相互作用的高能量消耗被能量消耗較低的氣液摩擦所代替。在壁上開放的封閉通道填料能有效地擾動填料各個壁表面上的層流膜，因為流體流動被定向為從結構通道到壁。這樣一來，有可能產生湍流，從而使從填料到壁的傳熱得以改進。與蜂窩獨居石不一樣，封閉通道填料對填料表面與壁的間隙大小不太敏感。實驗也證明，波紋片間的平板能夠使流體更有效地在反應器壁內流動，從而提高了總的傳熱系數。實驗測量證明，與開放錯流結構填料和球形顆粒床層比較，封閉通道填料的傳熱系數在低壓力降時是有所提高的。

2.4.3　反應蒸餾用結構填料

對反應蒸餾塔中使用的結構填料需要滿足如下要求：①固體催化劑顆粒大小一般應在0.2～3mm范圍；②催化劑與液體間有很有效的接觸；③能夠調節氣體和液體反應物的停留時間；④具有足夠的機械穩定性和抗溶脹的能力。已經發展出能夠滿足這些要求的結構填料有：①CDTech（Catalytic Distillation Technologies）的所謂“催化劑包”，由內含催化劑（如生產MTBE、MTBE、TAME和TAEE的催化劑）的玻璃纖維布和一層不銹鋼防護器的線網一起被卷成包形的一種結構，在蒸餾塔中裝入催化劑包形成反應區域；②Sulzer Chemtech和Kock Engineering公司開發的反應蒸餾填料KATAPAK-S和KATAMAX。在這些結構中，催化劑被固定在兩片金屬線網之間，形成“口袋”。每個線網片是被波紋化的，具有確定的角和水力直徑的通道結構。而“口袋”由流動方向相反的通道裝配成，得到的是具有開放錯流結構特征的組合結構。其中的KATAPAK-SP結構填料具有在寬范圍內按工藝要求來調節結構填料性能，如分離效率和催化劑分數。

通過組合含催化劑的線網層（催化劑層）和Metalpak、Metalpak Plus填料或線網填料BX、CY，能夠獲得分離效率（NTSM）（每米催化劑層的理論板數目）和催化劑體積分數50％的反應蒸餾填料。在KATAPAK-SP中，固定有催化劑顆粒，如離子交換樹脂、氧化鋁上的貴金屬、活性炭載體等。如圖2-16所示為中間工廠和實驗室用KATAPAK-SP 12型填料。在表2-8中，給出了KATAPAK-SP 12型填料中分離層對催化劑體積分數和分離效率（NTSM）的影響。這個反應蒸餾填料每個催化劑層由兩層MetalpakPlus構成，而催化劑層用玻璃球充滿，詳細描述給于表2-9中。

做成的反應蒸餾結構填料要適合于任何塔直徑，實驗室規模的起始尺寸最小直徑為50mm，也能夠制造出直徑高達700mm的單片結構填料（圖2-16）。對較大直徑的反應蒸餾塔，選擇分段布局以便于管理和安裝，可以選擇分段布局（圖2-17）。

2.4.4　編織線結構填料

廣泛應用于蒸餾（如果需要在限定高度內有很高的理論板數目時）的編織線是一組結構塔填料，其特征是一束編織好的金屬絲網。編織形式分為平的、卷曲和卷筒狀以獲得所需要圓柱形填料直徑。對低表面張力的液體用它可以同時獲得低壓力降和良好的潤濕特性。由于細線的毛細作用使液體分散和與氣體接觸都很好，因此可以有低壓力降條件下的非常好的傳輸效率。遺憾的是沒有傳熱數據，也很少進行催化涂層研究。表2-10列舉了這些填料的幾何性質。

上述的金屬結構填料如果涂漬催化活性組分就成為結構催化劑。例如貴金屬絲編織成的金屬線編織材料是最早使用作為硝酸生產中的氨氧化催化劑。

2.4.5　發泡體

固體發泡填料是同時具有高表面積和低壓力降的新一代填料，主要特征是由具有高至97％空隙率的開放池結構構成的。固體發泡體可以用多種材料如金屬、陶瓷、碳、碳化硅和高分子化合物等制造。特別是金屬如鋁發泡體，由于其特別出色的性能近來獲得了廣泛實際應用，以增強對傳熱和流動的控制，但在化學工業中的應用還不多。