2.4　金属结构填料

2.4.1　波纹填料——开放错流结构

早期的波纹填料如BX网填料，用于分离热敏感产品。20世纪70年代，Mellapak结构填料开始了在化学、石油化学、石油炼制和吸收领域的广泛应用。表2-7总结了不同类型波纹填料的有代表性的几何性质，它们也能够被用作催化剂载体或催化剂。由于波纹填料出色的径向混合特性，液体分布也不是一个问题，因此即便分布器设计不好也能在很短的距离内达到完全发展的流体分布。在波纹结构填料中有三个主要的流体流动路径：首先遵从波纹片中的“谷底”方向，流体从一个反应器壁传输到同一层中对面器壁，并与反应器进行热交换，再从左边折向传输到邻近层的右边［图2-14（a）］；第二个重要的流体流动路径在结构内，自行回绕波纹结构片的交叉点波动，以确保流体有好的混合和使流体和结构表面间具有良好的传热［图2-14（c）］；第三个路径是在结构和反应器壁间的间隙短路中流动［图2-14（b）］。对两相顺流，可能存在三个流区：低液体流速时的环形流区；较高液体流速时的分层波动流区；大液体流速时的气泡流区。如果以不同液体流动速度对气体流动速度作图，则能够说明液体流速对流区的过渡有很大的影响，而气体流速的影响是不大的，只是使过渡时的液体流速稍有减小。对波纹填料，界面面积有可能远大于几何表面积。气液界面面积与几何表面积之比a0/ap随液体流速的增加而增加，但是有一个极限值。对不同填料，该值有很大不同，Mellapak型和有波纹板的填料有比较大的值，这是因为它们具有孔眼形式的粗糙结构。

由于波纹填料主要用作蒸馏塔填料，因此对其的传质研究都是来自蒸馏体系，结构填料的传质除与液体和气体性质有关外也与结构填料性质有关。

2.4.2　波纹填料——封闭错流结构（CCFS）

封闭错流结构（CCFS）也是由薄波纹金属片做成的，其排列是边挨着边，通道相对定向，但有平金属片嵌入波纹片之间，如图2-15所示。于是开放通道填料几何体转变成由封闭弯曲三角形通道束组成的类似于独居石结构那样的结构，这样可以使其比表面积有相当多的增加。与开放错流结构填料一样，在封闭错流结构填料上也能够进行多孔介质的涂层。由于其通道之间无法进行质量交换，封闭通道结构中的初始液体分布的重要性与蜂窝独居石是一样的。其流动形式也与独居石一样，很少有径向返混的问题。该结构之所以如此特别，在于它在壁上是开放的，由于流体被定向在邻接层中从左向右或从右向左流动，它会直接撞击反应器管壁，使管壁上的静止流体层发生扰动。如果通道足够小且气体液体流速比在正确的范围内，能够产生所谓的Tayler流（栓流）。因此，传热性能得以改进，且压力降也是比较低的。Tayler流还能够导致高的传质速率。在封闭通道填料中的压力降要低于标准填料，即便闭合通道有较大的几何表面积。通过在两波纹板间插入一平板，气体-气体相互作用的高能量消耗被能量消耗较低的气液摩擦所代替。在壁上开放的封闭通道填料能有效地扰动填料各个壁表面上的层流膜，因为流体流动被定向为从结构通道到壁。这样一来，有可能产生湍流，从而使从填料到壁的传热得以改进。与蜂窝独居石不一样，封闭通道填料对填料表面与壁的间隙大小不太敏感。实验也证明，波纹片间的平板能够使流体更有效地在反应器壁内流动，从而提高了总的传热系数。实验测量证明，与开放错流结构填料和球形颗粒床层比较，封闭通道填料的传热系数在低压力降时是有所提高的。

2.4.3　反应蒸馏用结构填料

对反应蒸馏塔中使用的结构填料需要满足如下要求：①固体催化剂颗粒大小一般应在0.2～3mm范围；②催化剂与液体间有很有效的接触；③能够调节气体和液体反应物的停留时间；④具有足够的机械稳定性和抗溶胀的能力。已经发展出能够满足这些要求的结构填料有：①CDTech（Catalytic Distillation Technologies）的所谓“催化剂包”，由内含催化剂（如生产MTBE、MTBE、TAME和TAEE的催化剂）的玻璃纤维布和一层不锈钢防护器的线网一起被卷成包形的一种结构，在蒸馏塔中装入催化剂包形成反应区域；②Sulzer Chemtech和Kock Engineering公司开发的反应蒸馏填料KATAPAK-S和KATAMAX。在这些结构中，催化剂被固定在两片金属线网之间，形成“口袋”。每个线网片是被波纹化的，具有确定的角和水力直径的通道结构。而“口袋”由流动方向相反的通道装配成，得到的是具有开放错流结构特征的组合结构。其中的KATAPAK-SP结构填料具有在宽范围内按工艺要求来调节结构填料性能，如分离效率和催化剂分数。

通过组合含催化剂的线网层（催化剂层）和Metalpak、Metalpak Plus填料或线网填料BX、CY，能够获得分离效率（NTSM）（每米催化剂层的理论板数目）和催化剂体积分数50％的反应蒸馏填料。在KATAPAK-SP中，固定有催化剂颗粒，如离子交换树脂、氧化铝上的贵金属、活性炭载体等。如图2-16所示为中间工厂和实验室用KATAPAK-SP 12型填料。在表2-8中，给出了KATAPAK-SP 12型填料中分离层对催化剂体积分数和分离效率（NTSM）的影响。这个反应蒸馏填料每个催化剂层由两层MetalpakPlus构成，而催化剂层用玻璃球充满，详细描述给于表2-9中。

做成的反应蒸馏结构填料要适合于任何塔直径，实验室规模的起始尺寸最小直径为50mm，也能够制造出直径高达700mm的单片结构填料（图2-16）。对较大直径的反应蒸馏塔，选择分段布局以便于管理和安装，可以选择分段布局（图2-17）。

2.4.4　编织线结构填料

广泛应用于蒸馏（如果需要在限定高度内有很高的理论板数目时）的编织线是一组结构塔填料，其特征是一束编织好的金属丝网。编织形式分为平的、卷曲和卷筒状以获得所需要圆柱形填料直径。对低表面张力的液体用它可以同时获得低压力降和良好的润湿特性。由于细线的毛细作用使液体分散和与气体接触都很好，因此可以有低压力降条件下的非常好的传输效率。遗憾的是没有传热数据，也很少进行催化涂层研究。表2-10列举了这些填料的几何性质。

上述的金属结构填料如果涂渍催化活性组分就成为结构催化剂。例如贵金属丝编织成的金属线编织材料是最早使用作为硝酸生产中的氨氧化催化剂。

2.4.5　发泡体

固体发泡填料是同时具有高表面积和低压力降的新一代填料，主要特征是由具有高至97％空隙率的开放池结构构成的。固体发泡体可以用多种材料如金属、陶瓷、碳、碳化硅和高分子化合物等制造。特别是金属如铝发泡体，由于其特别出色的性能近来获得了广泛实际应用，以增强对传热和流动的控制，但在化学工业中的应用还不多。