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    規整填料在應用中的問題
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    規整填料在應用中的問題

    2019-06-22      閱讀:
    規整填料以其于塔板和散堆填料的綜合性能, 廣泛用于煉油、 石化、 輕工等許多生產裝置的塔器中 , 化肥廠的許多氣體凈化塔器和有關塔器的技術更新也把應用規整填料作為選的技術措施 , 并已收到令人矚目的效果。 不少期刊也發表了大量有關規整填料的性能、 計算及應用改造實例。
     
    根據多年來推廣應用規整填料 (主要是金屬孔板波紋填料 , 瑞士蘇爾壽公司名為 Mellapak ) 的經驗 , 我們深切感到仍有一些問題是設計和應用中沒有得到足夠重視的 , 有些問題則未得到充分認識和探究。 這就必然造成這樣一種情況: 規整填料已得到普及和推廣 , 但對其認識仍帶有一定的片面性、 盲目性 , 有些問題甚至尚未完全搞透 , 這肯定會妨礙填料性能的充分發揮 , 塔設備的潛力也未能充分利用 , 給生產和投資帶來一定的負面影響。 我們認為以下一些問題是應該再進一步認識的。
     

    1 填料高度的選定

     
    按化工原理的計算方法 , 填料高度由以下兩式決定:
     
    Z= N T• HE TP或 Z=  HO G• N OG
     
    一般前者用于精餾 , 后者用于吸收。 我們則都用前一公式。 無論精餾還是吸收 , 應用工程軟件通過多級模擬計算得到理論板數 N T 是不困難的 , 并有足夠的精度。 但對一些較特殊的吸收過程(包括化學吸收 ) , 由于軟件中缺少相應的氣液數據 , 無法得出 N T。
     
    HET P是填料的理論板當量高度 , 即相當一個理論板所需的填料高度 ,應由傳質計算得出 ,決定此值較困難。 通常精餾過程都參考蘇爾壽公司的有關實驗數據 , 比如 250Y取 2~ 3塊板 /m[1 ]。對于吸收則缺少相應的數據。 由于吸收過程溫度低 , 液體粘度和表面張力均大 , 擴散系數較小 , 其傳質效率將較差。 雖然對散堆填料已提出了不少計算 N T 或 N OG的公式 , 的有恩田 ( Onda) 模型和 Mo nsanto 模型 , 但它們提出較早 , 誤差較大 [2 ]。對碳酸丙烯酯吸收 CO2、熱鉀堿法脫碳等化肥生產專有系統也提出了傳質系數計算公式 , 但也都缺少足夠的精度 , 且只是適用于較早的散堆填料 , 而無法用于規整填料。 至于規整填料的傳質計算 ,作者曾歸納過一些文獻上的公式[3 ] ,但未經實踐充分檢驗 , 而且其中物性參數的選取有時也較為困難 , 精度難以保證;谝陨侠碛 , 目前化肥廠規整填料高度大多是參照生產現場情況 , 比如不低于或稍低于原先的散堆填料層高度 , 在有些情況下 (比如預蒸餾塔、 塔等 ) 用之代替塔板是有把握的。 當用于除塵冷卻塔時 , 用 2~ 3 m板波填料即可收到降溫節水的效果 , 但考慮堵塞 , 常在填料層下設 1~ 2塊塔板 , 以預除較大粉塵 , 板波填料則用125Y型 , 可以防堵 , 又減少壓降。
     

    2 粘度對通量的影響

     
    規整填料與散堆填料一樣 , 其大通量由填料液泛氣速決定。 由于填料塔是否液泛直觀上不好判斷 , 若以壓降來判斷就較為可靠方便。 蘇爾壽公司的學者證實[4 ] , 各種類型金屬板波填料( M ellapak) 液泛時填料壓降為 1. 2 kPa /m, 此時填料效率急劇下降。 實際應不在液泛時操作。 故他們推薦設計氣速下填料壓降應不超過 0. 3k Pa /m,在此以后填料壓降將會陡升。目前這個準則已被普遍接受 , 可惜他們的實驗都是在真空或常壓精餾塔中得到的 , 這時液體溫度較高 , 粘度較小 , 粘度對通量的影響可以略去。 在化肥廠的許多吸收塔中 , 液體粘度較大 , 不能將之忽略 , 如銅洗塔銅液粘度約為 2 cP, 而 N HD脫碳液粘度要大于 5 c P。當前計算規整填料通量主要有以下幾個途徑 [5 ]: 由文獻提供的 ψ CG 曲線 , 按 Bain-Hongen公式、 由計算機軟件 (比如用于計算板波填料通量的軟件 ) 或由 Kister等提出的規整填料壓降通用關聯圖。 其中 ψ CG 曲線推薦只適用于粘度小于 2 cP的體系。 Bain-Ho ng en公式中含有粘度 μ, 在其他參數一定時 , 液泛氣速 wf 與 μ有關。通用壓降關聯圖的縱坐標為 C F0. 5γ0. 05 , 其中含Gp運動粘度 V, 它直接影響氣體通量 CG。 初步計算表明: 當液體粘度由 0. 6 cP增為 2 c P, 按 B H公式填料通量將下降 11. 1% , 由通用壓降關聯圖將下降 6. 3% ; 如由 0. 6 cP增為 6 c P, 則由上述兩法則計算的通量將下降 12. 2% 和 20. 3% , 所以當用規整填料處理較高粘度液體時 , 應注意塔的通量將會相應減小。
     

    3 高壓下的應用

     
    規整填料在高壓精餾塔中的應用研究已日漸增多 , 一般認為此時應更為慎重。 1980年前后曾用規整填料改造一些 C2、 C3 分離塔 , 均不甚成功 , 主要是 HET P太大 , 通量減小。 Ghelfi等則提供了若干成功應用的實例 [6 ]。 Kister等 [7 ]根據大量數據 , 經適當歸一后 , 對塔板、 散堆填料和規整填料的性能進行了對比 , 給出了流動參數 ψ和氣相通量 CG 的關系圖 , 如圖 1。 其中:
     
     
    規整填料在應用中的問題
    由圖可見 ,當 ψ> 0. 3, 規整填料的 CG 下降很快 , 表示此時它的允許通量 wG 將不如塔板和散堆填料 ,與此同時它的分離效率也將急劇下降。產生這種高壓精餾下的反常情況 (此時 ψ均較大 )是由于: ①塔操作溫度高 , 致使液體粘度低 , 擴散性提高 , 而氣體因高壓密度增加 , 溶解度相應增加; ②液體噴淋密度較大 , 液相向下的動量較氣相大 , 故較多的氣相被液體帶下 , 造成嚴重氣相返混 , 這是分離效率下降的主要原因; ③由于液相噴淋量大 , 在填料表面不能形成均勻的膜狀流
    動 , 液體充塞填料空間 , 既不利于傳質 , 也了氣相的流動。 為此應在設計中采用合適、 的液體分布器 , 并采取較淺的填料層等 , 以以上不利因素[8 ]。規整填料用于高壓吸收則情況不同 , 如在 12 M Pa 壓力下的銅洗塔采用全規整填料改造散堆填料已有大量成功實例 , 1. 7 M Pa的碳丙脫碳塔也有用全規整填料的報道。 可以認為 , 這是由于吸收在常溫下 , 且銅洗塔屬化學吸收。 此外 , 其噴淋密度尚不算大 , ψ值也不太大 (約 0. 7左右 )。脫碳塔情況要特殊些 , 碳丙脫碳的噴淋密度超過 100 m3 / ( m2• h ) , ψ值在 3以上 , 此時用規整填料反不如散堆填料 , 因為這時規整填料的勢很難發揮。 在實踐中我們采用以散堆填料為主 , 配合新型液體分布器和少部分規整填料 , 形成一種散堆填料— 規整填料— 新型液體分布器的組合技術 , 對大量脫碳塔改造均取得了成功 [9 ]。 4 規整填料的操作彈性規整填料的操作彈性即氣、 液相負荷上下限的研究報道很少 , 作者曾就此發表專文[ 10]。如前所述 , 氣相負荷上限受填料液泛的制約 , 液相負荷上限除受液泛決定外 , 還受噴淋密度或 ψ值(不能太大 ) 的影響。但氣、 液相負荷的下限則討論很少 , 主要是缺乏有根據的具體數據。 當氣相負荷過小時 , 在規整填料表面難于形成激烈的氣液傳質 , 同時氣相分布也會不均 , 這些都將使填料分離效率下降。但有關 Mellapak填料的實驗均沒有明確給出下限值 , 在資料 [10] 中只能根據蘇爾壽公司學者提供的實驗數據 , 建議小氣相空塔動能 F 取 0. 5~ 0. 6,因為 F 值過小就沒有可靠數據可供應用了。 空塔氣速過小的情況常不受注意 , 此時建議減小塔徑以保證填料能在較高的氣相負荷下操作 , 分離效率才可保證。
     
    液相負荷也不宜過小 , 規整填料對液體噴淋密度應有下限要求。 液體噴淋不足肯定不能保證填料表面的充分潤濕 , 甚至形成干區 , 使填料有效表面積和幾何表面積之比 ( ae /a ) 減小 , 而填料效率直接與 ae 有關。在資料 [10 ] 中推薦了計算 ae /a的相關公式和試驗曲線 , 可以看出 ae 與噴淋密度密切相關 , 在此文所舉例題中建議的小噴淋密度為 4. 7 m3 / ( m2• h)。小噴淋密度還與液體分布器的設計有關。分布器的孔徑 d 與噴淋量 Q有以下關系:,其中 h 是噴淋孔以上液位高度 , 有推薦 h> 15m m 即可 ,但考慮安裝和制造的水平度、孔的堵塞及操作彈性 , 我們設計中多取 h= 100~ 150 mm, 在噴淋密度較小時 , 此值也可取小些。n是噴淋孔數目 , 按推薦 Mellapak 應為 100點 /m2 , BX 為200點 /m2 , CY為 300點 /m2 [11 ]。若噴淋密度取 3 m3 / ( m2• h) , h= 40 mm , 則噴淋孔的直徑將分別為 4. 4、 3. 1和 2. 5 m m, 當噴淋密度再小 , 孔徑將更小 , 此種情況下很易發生堵孔 , 如在真空精餾塔又用絲網波紋填料 ( BX或 CY) 時將難以避免。 這時應采取適當的措施 , 比如適當減少噴淋點數目 , 并使由孔淋降的液流重新分布 , 如有些文獻提到的由點分布變為線分布。
     

    5  其

     
    5. 1  填料層分段高度
     
    雖然規整填料有較好的液體分布性能 , 與散堆填料相比 , 壁流較小 , 也即放大效應較小 , 但仍不可能完全避免氣、液流產生壁流和分布不均 , 特別當初始分布不良時更難以避免。 故填料層亦不能太高 , 在每層之間設置氣、 液再分布器。 散堆填料應用較久 , 它的每層填料高度按塔徑有較多推薦 ,規整填料的填料分層高度則較少報導。資料[11 ]推薦 Mellapak 250Y每層大高度為 6m , BX 絲網為 3 m, CY絲網為 2 m。 250Y的 6 m 推薦值據信參考了蘇爾壽公司的有關資料 [12 ] , 這些學者在 1 m 塔中分別以 1. 4、 4. 4和 6. 6 m 的填料高度用三種物系進行精餾試驗 , 證明填料層高度不同 , 塔的分離效率差別很小 , 故認為每層填料高度可達 6. 6 m。 雖然塔徑不同應稍有區別, 但考慮到分層太多結構復雜 , 以及規整填料壁流效應較小 , 對 M ella pak取每層填料高度 5 m 左右是恰當的。有些設計采取更高的填料層高度 , 這時往往要采取一些防壁流措施。 至于絲網填料分離高度較低主要與它們自分布徑向分布系數較小有關。
     
    5. 2  噴淋點密度
     
    每層填料的液體初始分布十分重要 , 應有足夠的噴淋點密度 , 散堆填料可以較少 , 如有的推薦可在 40~ 50點 /m2 , 而規整填料則要求較多 , 如前提及的要 100~ 300點 /m2。有足夠噴淋點密度的目的是使液體能盡快沿整個填料塔截面均勻分布 , 使之有良好的氣液接觸 , 減小端效應。 若噴淋點較少 , 將會使填料層頂部有一部分填料起再分布作用而無法充分潤濕。 噴淋點密度大小與填料自身的液體徑向分布系數直接有關。 這一系數較大 , 液體越容易沿塔截面自然擴散分布 , 同時從壁面返回主體區的可能性也較大 , 此時采用較少的噴淋點密度就可以減少端效應的不良影響。 散堆填料徑向分布系數的實驗表明 , 新型散堆填料較老式散堆填料具有較小的徑向分布系數。規整填料因盤較高 , 一般為 200 mm , 液體又沿一定波紋流動 ,故它們的徑向分布系數更小 ,要求的噴淋點密度更大。 比表面積越大 , 波紋板片愈密 , 徑向擴散愈難 , 對初始分布的要求也越高 , 噴淋點密度更要大。
     
    5. 3  新型規整填料
     
    規整填料的種類很多 , 根據幾何結構可分為波紋填料、 格柵填料、 脈沖填料等 , 現在國內應用多的規整填料是金屬孔板波紋填料 , 雖然各廠產品有自己的品種或型號 , 但基本與瑞士蘇爾壽公司的 Mellapak相同或相近 , 主要原因是它應用時間長、 設計數據較多、 應用成熟、 制造較易、 成本較低。 70年代末 M ellapak問世以后 , 各種波紋型規整填料的品種層出不窮[ 14]。它們有各自的特點 , 但不外包括如下幾個方面: 對波紋板進行表面處理或加工以提高液體浸潤性和液膜湍動, 改善傳質 ; 改變板片的幾何結構和參數以增加傳質面積; 加強氣、 液在板片間流動以增加濕潤面積和改善液體橫向分布; 改善液氣的分布并使之更規整和有效流動 , 終提高填料的有效面積 , 減少壁流、 溝流和放大效應。
     
    近幾年 , 國內在普遍推廣國外新填料技術的基礎上 , 發揮自己的技術勢 , 陸續提出了自己的新產品或 , 它們也多是從以上某幾個方面進行研究和改進 , 顯示各自的特點 , 有些新產品已在一些塔器中應用 , 效果很好。 但是 , 這些產品缺少足夠令人信服的實驗數據 , 熱試或工廠應用的具體對比也不充分 , 說明這些并沒有下很大的氣力使自己的產品系列化、 規范化 , 而只是滿足于推出新產品以新奇取勝。 我們應以國外一些大公司的經驗為鑒 , 鍥而不舍地投入必要的資金和人力 ,進行較長期細致的工作 , 使自己的產品性能更完善、 更全面、 更可信 , 進而提出可靠的設計方法 , 其中更要收集工廠應用的具體結果以完善和補充實驗室和理論研究數據。 在這樣持之以恒的工作后 , 可以期望我們自己的一些規整填料新產品必將占領國內更大的市場份額 , 進而走向世界。
     

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