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國內(nèi)塔器化工填料技術(shù)的進(jìn)展研究
2019-10-09 閱讀：次
填料塔與板式塔相比,具有壓降低、效率高(指單位高度的分離效果,下同)、持液量小的點(diǎn)。進(jìn)入80年代以來,我國的填料塔技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,在工業(yè)生產(chǎn)上得到大量的應(yīng)用。填料塔主要包括塔填料和塔內(nèi)的液體分布器。
塔填料
塔填料簡稱填料,歸納起來主要有4種類型:環(huán)型、鞍型、球型、規(guī)整填料,如圖18所示。
我國對鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、矩鞍型、矩鞍環(huán)、波紋填料等進(jìn)行了大量的研究[53～57],并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了網(wǎng)孔波紋板、壓延孔波紋板、共軛環(huán)、改進(jìn)矩鞍環(huán)、扁環(huán)等[68～71]新型填料,獲得了成功的應(yīng)用。在眾多的塔填料中,波紋規(guī)整填料、矩鞍環(huán)以其良的綜合性能,在生產(chǎn)上應(yīng)用為廣泛。2.1.1 波紋規(guī)整填料 波紋規(guī)整填料可分為:絲網(wǎng)波紋填料、板波紋填料、網(wǎng)孔波紋填料、壓延孔波紋填料。材質(zhì)可根據(jù)不同的應(yīng)用場合,采用金屬、塑料、陶瓷、碳纖維等。圖19是波紋板片的形狀,圖20是波紋規(guī)整填料的形狀。從結(jié)構(gòu)上來看,波紋規(guī)整填料與散堆填料相比有許多點(diǎn),其
中大的點(diǎn)是波紋規(guī)整填料較好地處理了填料的比表面積和空隙率的關(guān)系。一般的散堆填料,空隙率大則比表面積小,通量大而效率低,比表面積大,則空隙率小、效率高而通量小。從表1的比較可知,250Y金屬波紋板填料比Dg50金屬鮑爾環(huán)的比表面積大一倍多,而空隙率不但沒有下降,還略
有提高。這是250Y填料比Dg50金屬鮑爾環(huán)傳質(zhì)效率提高70%左右的主要因素。盡管不同的應(yīng)用場合,效率和通量的數(shù)據(jù)會(huì)有所變化,但填料的結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定了250Y填料的效率和通量大于Dg50金屬鮑爾環(huán)。與板式塔相比,Dg50金屬鮑爾環(huán)除具有壓降低的勢以外,在效率方面,沒有勢。板間距500mm,板效80%的塔板,其HETP為0.625m,與Dg50金屬鮑爾環(huán)相當(dāng)。而250Y填料無論壓降還是效率與板式塔相比,勢非常明顯。因此,波紋規(guī)整填料問世以后,受到世界各國的重視,開展了廣泛的研究,在新塔設(shè)計(jì)和老塔改造中被大量采用。應(yīng)用范圍遍布于化工、石油化工、煉油、輕工、制藥、等行業(yè)?，F(xiàn)舉兩例具體說明波紋填料的越性。
(1)環(huán)己酮精餾塔的改造。某廠環(huán)己酮生產(chǎn)精餾塔塔徑1.6m,塔高40m,原安裝70塊浮閥塔板。
在原塔身中將全部70塊塔板改成25.5m的250Y金屬波紋板填料。每5m填料層安一只液體再分布器。改造前后各項(xiàng)指標(biāo)對比如表2。
由表2可知,250Y金屬波紋板填料具有以下點(diǎn)。
2.1.2 矩鞍環(huán)填料 環(huán)形填料和鞍形填料是主要的2類散堆填料,均已在生產(chǎn)上大量應(yīng)用。矩鞍環(huán)把環(huán)形和鞍形填料結(jié)合在一起,因此兼有兩者的點(diǎn)。金屬矩鞍環(huán)由美國諾頓(Norton)公司于1978年開發(fā)成功,在此基礎(chǔ)上,我國研制出了國產(chǎn)的矩鞍環(huán)填料[59],金屬矩鞍環(huán)填料的結(jié)構(gòu)形狀如圖21所示。
①通量大,在塔體不變的條件下,環(huán)己酮產(chǎn)量從5000t/a擴(kuò)大至10000t/a。
②分離效率高,同樣的塔高,塔頂產(chǎn)品純度提高,塔釜環(huán)己酮濃度降低,使得返回系統(tǒng)的環(huán)己酮減少,而且回流比從5下降至2.7,下降將近一半。
③壓降低,在塔頂絕壓相同的情況下,釜溫從126℃下降至90℃。由于釜溫降低,可采用反應(yīng)的副產(chǎn)蒸汽加熱,而不再需要新鮮蒸汽加熱。
回流比下降,塔釜采用副產(chǎn)蒸汽加熱,蒸餾得 率3項(xiàng)的提高所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)每年201.6萬元。
(2)合成氨廠熱水飽和塔的改造[72]。大部分合成氨廠變換工段往往由于半水煤氣增濕不夠,不能滿足變換反應(yīng)的要求,需要外供大量蒸汽。一般供氣在900kg/t氨左右,理論計(jì)算可知,在保溫和熱量回收理想情況下,外供蒸汽量可降低到400kg/t氨以下,所以充分發(fā)揮飽和熱水塔的作用,提高效率,是變換節(jié)能的關(guān)鍵。目前大多數(shù)廠家都采用增加塔高、塔徑或采用雙飽和熱水塔的方法達(dá)到回收余熱的目的,既增加了投資,又增加了阻力。規(guī)整波紋填料用于飽和熱水塔,可以大大增加氣液兩相的傳質(zhì)及提高傳熱效率,較大程度的回收變換氣余熱自產(chǎn)蒸汽,在不增加塔高塔徑的條件下,通過采用板波紋填料更換原裝瓷環(huán)填料后,通量可提高70%左右,傳質(zhì)傳熱效率提高2倍以上。表3和表4是直徑1.4m熱水塔和飽和塔的改造比較。
2.1.2 矩鞍環(huán)填料 環(huán)形填料和鞍形填料是主要的2類散堆填料,均已在生產(chǎn)上大量應(yīng)用。矩鞍環(huán)把環(huán)形和鞍形填料結(jié)合在一起,因此兼有兩者的點(diǎn)。金屬矩鞍環(huán)由美國諾頓(Norton)公司于1978年開發(fā)成功,在此基礎(chǔ)上,我國研制出了國產(chǎn)的矩鞍環(huán)填料[59],金屬矩鞍環(huán)填料的結(jié)構(gòu)形狀如圖21所示。
從其結(jié)構(gòu)來看,這種填料大的特點(diǎn)是,整個(gè)填料是開放式的,幾乎是由幾條筋構(gòu)成的,因此,填料層的空隙高。
矩鞍環(huán)鞍形部分兩側(cè)的翻邊和另一側(cè)的環(huán)形結(jié)構(gòu),增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度,可以采用較薄的材料制造。諾頓公司生產(chǎn)的矩鞍環(huán)壁厚0.4mm,既節(jié)省材料,又增加了填料層的空隙率。例如Dg50的金屬矩鞍環(huán)空隙率達(dá)97.8%[72],大于Dg50鮑爾環(huán)(95%),甚至大于250Y金屬波紋板材料(97%)。
由于矩鞍環(huán)填料空隙率大,而且氣體在填料層的流動(dòng)通道曲折較少,所以這種填料具有壓降低、通量大的點(diǎn)。
從圖22[70]可看出,3種填料中,矩鞍環(huán)具有壓降低,液泛氣速大的點(diǎn);此外效率也較高。
從其結(jié)構(gòu)來看,這種填料大的特點(diǎn)是,整個(gè)填料是開放式的,幾乎是由幾條筋構(gòu)成的,因此,填料層的空隙高。
矩鞍環(huán)鞍形部分兩側(cè)的翻邊和另一側(cè)的環(huán)形結(jié)構(gòu),增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度,可以采用較薄的材料制造。諾頓公司生產(chǎn)的矩鞍環(huán)壁厚0.4mm,既節(jié)省材料,又增加了填料層的空隙率。例如Dg50的金屬矩鞍環(huán)空隙率達(dá)97.8%[72],大于Dg50鮑爾環(huán)(95%),甚至大于250Y金屬波紋板材料(97%)。
由于矩鞍環(huán)填料空隙率大,而且氣體在填料層的流動(dòng)通道曲折較少,所以這種填料具有壓降低、通量大的點(diǎn)。
從圖22[70]可看出,3種填料中,矩鞍環(huán)具有壓降低,液泛氣速大的點(diǎn);此外效率也較高。
圖22 三種填料的壓降比較
1—鮑爾環(huán);2—階梯環(huán);3—環(huán)矩鞍
從表5可知,相同公稱直徑的3種填料,矩鞍環(huán)的比表面積小,但其傳質(zhì)效率并未下降,與鮑爾環(huán)相比還略有提高。這可能是矩鞍環(huán)填料在塔內(nèi)相互之間是點(diǎn)接觸,使填料的表面積得到充分利用,與鮑爾環(huán)相比有效氣液接觸面積并未像比表面積那樣下降那么多,填料的結(jié)構(gòu)使得液體在填料上匯合和分散的點(diǎn)較多,有利于液體的表面更新,提高傳質(zhì)速率。
表5 3種國產(chǎn)填料的有關(guān)幾何特性參數(shù)
從壓降、通量、效率綜合考慮,矩鞍環(huán)是一種性能良的散堆填料。它已成功的應(yīng)用于化工、煉油等行業(yè)。
金屬矩鞍環(huán)[72]填料在減壓蒸餾塔的應(yīng)用實(shí)例:年處理能力分別為300×104t和250×104t的2套原油蒸餾裝置,其減壓塔均按生產(chǎn)潤滑油餾分類型設(shè)計(jì),2套裝置技術(shù)改造均采用環(huán)矩鞍填料代替了原塔頂4層圓形泡帽塔板,如表6所示。
改造后主要情況如下:
(1)在減壓塔 4.2m部位換熱板段,采用金屬環(huán)矩鞍填料代替原泡帽塔板后,壓降顯著下降,彈性大能適應(yīng)減壓塔各種操作條件,正常生產(chǎn)塔頂回流量為40t/h左右,而開工或遇到生產(chǎn)波動(dòng)時(shí)可達(dá)100t/h以上,減壓塔頂都能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到正常操作。
(2)填料高度:三蒸餾為1.72m,填料容積21.9m3;二蒸餾為1.3m,填料容積18m3,二蒸餾的處理量正常時(shí)比三蒸餾大,大達(dá)9500t/h,減壓塔頂?shù)牟僮魅蕴幱谡Ｇ闆r,表明金屬環(huán)矩鞍填料是一種性能較為良的填料,處理能力高、彈性大、壓降低。
(3)采用填料后減壓塔壓降減小,使減壓拔出率得到提高,三蒸餾改造后總拔出率由58.42%提高到60.32%,增加1.9%,除了塔頂塔板更換填料外,還有其他措施:如減壓塔進(jìn)料段上更換新型泡沫網(wǎng),增設(shè)減五線等共同取得。采用填料后塔頂負(fù)荷下降也包括調(diào)整減一中、二中段回流取熱比例的作用,使塔頂負(fù)荷降低,因此使用填料后的經(jīng)濟(jì)效益不能單獨(dú)計(jì)算。
(4)金屬環(huán)矩鞍填料制造材質(zhì)使用了普通碳鋼,經(jīng)幾年使用發(fā)現(xiàn)有減薄現(xiàn)象,填料環(huán)的機(jī)械強(qiáng)度不如新裝填料好,因此再繼續(xù)使用若干年,整個(gè)填料金屬和堆積密度將發(fā)生變化,因此新投用的填料應(yīng)采用耐腐蝕的材質(zhì)為好。
(5)液體分布器必須均布效果好,油品進(jìn)料前需要過濾器過濾,以防阻塞影響正常使用。
以上的應(yīng)用實(shí)例體現(xiàn)了矩鞍環(huán)低壓降、大通量的特點(diǎn)。
散堆填料種類很多,除上述3種以外,我國開發(fā)的共軛環(huán)填料,可用于液-液和氣液傳質(zhì)的扁環(huán)填料,也具有良的性能。
2.2 液體分布器
塔填料配以設(shè)計(jì)合理的氣液分布器,其良的性能才能得到發(fā)揮。填料塔分離效果的好壞,塔填料是基礎(chǔ),氣液分布器是保證。因此,人們在開發(fā)新填料的同時(shí),對氣液分布器作了大量的研究工作[72]。
液體分布器根據(jù)要求不同,結(jié)構(gòu)變化較多,基本的結(jié)構(gòu)形式有3種:管式、槽式和盤式。
2.2.1 管式液體分布器 管式液體分布器分為重力式和壓力式兩種,如圖23所示。兩型式的分布器,流體流出方式均為孔流。
圖23 管式液體分布器
這種型式的流體分布器,適合于中等液量以下的場合,故在精餾塔中較常用。液體依靠重力或壓力從小孔流出,對安裝的水平度要求沒有下述槽式高。對于高塔受風(fēng)載負(fù)搖動(dòng)時(shí),對液體分布的質(zhì)量影響較小。
管式液體分布器要求液體較為清潔,并在分布 器之前安裝過濾器,以免堵塞噴淋孔。一般要求噴淋孔直徑在2.5mm以上。對噴淋密度特別小的場合,又要求有足夠數(shù)量的噴淋孔,孔徑可取2.5mm以下,但提高對流體過濾的要求。
2.2.2 槽式液體分布器 槽式流體分布器分布主要分孔流型和溢流型兩種,如圖24所示。
圖24 槽式液體分布器
溢流型分布器,溢流口一般為倒三角形或矩形,它適合于大液量或較易堵物料。
孔流型分布器除了圖24所示以外,還有多種形式,目的為了提高分布器的操作彈性和改善液體分布質(zhì)量。槽式分布器清洗較為方便。對分布器安裝的水平度要求高。
2.2.3 盤式液體分布器 盤式分布器的結(jié)構(gòu)如圖25所示,噴淋孔設(shè)置在盤的底板上,升氣管口可加蓋板以防液體直接通過升氣孔進(jìn)入下一層填料。
這種分布器比較適合于塔徑較小的場合,作為流體再分布器所占用的空間較小。
2.2.4 液體再分布器 即使在液體初始分布較為均勻的情況下,由于填料的自分布作用和塔體不完全垂直,流體經(jīng)過一段填料后,將產(chǎn)生壁流、溝流和偏流,影響效率。所以在一定的填料層高度以后,要把塔截面上的液體收集起來,進(jìn)行流體再分布。再分布的作用有兩個(gè):一是把液體重新分布均勻;二是使整個(gè)塔截面濃度不均勻流體混合,使流體濃度均勻。
液體再分布器包括液體收集器和液體分布器。遮板式液體收集器是常用的收集器,如圖26所示。它具有壓降小,不影響氣體分布的點(diǎn)。液體分布器可根據(jù)要求采用管式或槽式。圖27是流體再分布器的結(jié)構(gòu)簡圖。
3 板式塔與填料塔的比較
從通量、效率、壓降三方面比較板式塔和填料塔如下。
(1)通量。在真空、常壓操作的條件下,一般來說,新型填料的通量大于傳統(tǒng)的板式塔;但高氣通量的旋流塔板、高液通量的DJ塔板等,通量大于填料塔。在高壓操作的條件下,填料會(huì)出現(xiàn)提前液泛或效率明顯下降的現(xiàn)象,經(jīng)合理設(shè)計(jì)的板式塔的通量大于填料塔。
(2)效率。填料塔的效率一般高于板式塔,但也有的新型塔板如復(fù)合塔板,并流噴射式塔板(其實(shí)也是一種復(fù)合塔板)的效率與波紋填料的相當(dāng)。
(3)壓降。填料塔的壓降遠(yuǎn)小于板式塔,所以填料塔在真空或?qū)λ航涤休^高要求的場合,有明顯的勢。
此外,板式塔還具有投資低、較易防堵、易檢修、側(cè)線出料方便等點(diǎn)。
4 結(jié)語
我國的塔器技術(shù)經(jīng)過幾十年,尤其近20年的發(fā)展,達(dá)到了的先進(jìn)水平。走過了一條根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道進(jìn)行研究開發(fā)和自主創(chuàng)新相結(jié)合的道路,開發(fā)出了許多性能良的板式塔和填料塔,并在生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用,滿足了國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。我國企業(yè)普遍面臨擴(kuò)大產(chǎn)量、節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)等問題,塔器技術(shù)作為主要的分離技術(shù)仍將在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛地應(yīng)用和繼續(xù)發(fā)展。
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