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    塔填料和塔內件分析及其標準化
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    塔填料和塔內件分析及其標準化

    2019-07-29      閱讀:
    塔器作為氣 -液、液 -液的傳質和傳熱設備 ,至今已發展成為典型的、十分重要的單元設備。 塔設備主要分板式塔及填料塔 , 70年代前板式塔占勢 ,近 20多年來填料塔由于具有制造和更換容易、材質范圍廣、適應能力強、壓降及滯液量小、傳質效率高、節能等點 ,使填料塔技術取得長足進步。 在化工、煉油、石油及氣加工、輕工、食品、醫藥、原子能、等工業部門的精餾、吸收、、化學交換、洗滌、冷卻等過程廣泛使用填料塔 , 特別是近十幾年來 ,大通量、低填料床層及低壓降、高效規整填料的開發應用 ,使填料塔進入一個新的歷史時期。 由于基本上解決了填料塔放大效應問題 , 目前國外使用的填料塔直徑已達 20m ,并在許多場合取代了板式塔。填料塔之所以有如此生機 ,也與新型高效塔內件的技術進步密切相關 ,因為要提高填料塔的效率 ,發揮其點 ,除采用高效填料外 , 必須有結構合理的塔內件相匹配 ,一臺采用高效填料的塔設備 ,如未能達到預期的效果 , 往往與其內件的選型、設計、制造、安裝密切相關 ,特別是液體的初始分布 ,填料效率越高 ,對其分布均勻性的要求也越高 ,所以填料塔中采用先進合理的塔內件具有重要意義。
     
    本文在對塔填料及重點對塔內件分析的基礎上 ,介紹化工部化學工程設計技術中心站在這兩方面的標準化工作 ,目的是為提高設計質量及水平、加快設計進度服務 ,同時也為滿足塔填料及塔內件加工業提高加工、安裝水平的需要。
     
    1      塔填料分析
     
    1. 1  塔填料技術開發現狀
     
    (  1)塔填料分為顆粒形填料 (散堆填料 ) 及規整填料。由于塔填料應用范圍越來越廣 ,裝置規模也越來越大 ,它在工業中的地位日趨重要 ,因此進一步開發研究高處理能力、低能耗的新型填料 ,擴大應用仍是當前各國努力的方向。
     
    ( 2)對塔填料性能及分離裝置經濟性的評定 ,包括比塔體積 (即在給定液體負荷下 , 每理論級和單位氣體流量的塔體積 ,其倒數即為填料的體積效率 )和比壓降 (即每理論級的壓力損失 )。 一般概念是 ,填料的比表面 a越大 ,則傳質效率越佳 ,而孔隙率 ε越大 ,則壓力損失越小。但研究結果表明 ,幾何表面積的利用程度隨幾何表面積的增加而減少 ,導致單位表面分離效果下降 ,而且金屬環矩鞍、階梯環和各種波紋填料已比較接近理想填料。因此 ,今后填料幾何尺寸的改進措施是有限的 ,除非填料傳質機理研究有重大突破。
     
    (  3)由于散堆填料、規整填料及塔板各有缺點 ,因此不同種類的填料組成填料復合塔 、或組成填料 -塔板復合塔也是一種新的開發途徑。

    4)非金屬填料由于有價格低、重度小、腐蝕、易加工等點 ,所以有更大的發展前途,但應在提高耐溫及強度、潤濕能力方面加強開發研究。

    5)在理論預測方面 ,填料中氣、液兩相的流動規律及其徑向和軸向反混的研究 ,以填料塔的穩態及非穩態模擬、填料塔的蒸 等餾傳質動力學等仍是今后開發研究的課題。

    1. 2  新型高效填料的應用

    我國自 60年代開始研制了精密精餾的高效填料 , 70年代開發了絲網波紋填料 , 80年代又研制出各種現代先進填料如環矩鞍、階梯環及各種板波紋、網孔板波紋填料等。

    填料塔應用范圍廣 , 相對于板式塔更適用于以下工況:

    1)傳質速率受氣膜控制的系統以及要求持液量小、停留時間短、壓降小的物系;

    ( 2)有腐蝕性、熱敏性、易起泡沫及粘性物料;

    3)難分離物系及要求塔板數很多、產品純度很高的場合;

    4)與高效液體分布器相匹配 ,還可適用于 10 :1以上的高操作彈性條件。

    目前國內新型填料塔的應用已達數千座 ,涉及物系數百種 ,塔徑達 6. 8m ,并已設計塔徑為 10m的填料塔。主要應用有: ( 1)石油煉制的常、減壓塔 ,氣體分離塔 ,催化裂化吸收穩定系統; ( 2)乙烯裝置汽油分離塔及其它石油化工產品的加工; ( 3)化肥工業的脫硫、脫碳、熱水飽和塔; ( 4)氣分離裝置; ( 5)制藥工業; ( 6)精細化工產品; ( 7)食品工業 ;( 8)同位素分離; ( 9)工業; ( 10)空氣分離
    裝置等。
    應該注意 ,原則上沒有一種塔填料對任何工業應用場合都是的 ,同樣也不是任何場合都可以用填料塔代替板式塔。

    2.塔內件分析
    途 2. 1  填料塔內件及性能要求,填料塔內件包括氣體及液體分布器、填料壓板及床層限制器、填料支承裝置、液體收集器及再分布器、除霧器、液體出口消旋器及( 各種內件及塔填料構成填料塔整體 ,決定填料塔的流體力學及傳質性能。 一個成功的填料塔設計 ,必須同時具有合理的塔內件 ,其中液體回流及進料在塔截面上的均勻分布是有效傳質的基本條件 [6 ]。實驗表明 ,回流分布不均對理論板數可達成倍的影響 [5 ]。 因此在開發研究各種新型塔填料的同時 ,還必須重視與之配合的塔內件的開發研究。

    文重點分析液體分布器 ,其結構圖及( 其它塔內件的性能和結構圖可參閱有關專

    2. 1. 1 作用
    液體分布器的作用是把液體在填料頂部或某一高度上進行均勻的初始分布或再分布 ,用以提高傳質、傳熱的有效表面 ,改善相間接觸 ,從而提高塔的效率。

    實驗證明 ,在填料層內液體的流動不是均勻的柱塞流 ,而是存在溝流、偏流、壁流現象 ,這將造成填料塔的放大效應及端效應。合理設計選用液體初始分布器及再分布器目的是減少和填料塔的放大效應 ,從而減少塔高和塔徑 ,降低造價或操作費。液體在填料塔內的不良分布分為大規模和小規模的。 小規模不良分布由填料層內液體溝流引起 ,大規模不良分布由液體分布器引起 ,可使整個塔效率嚴重下降。 試驗表明 ,填料效率越高 ,液體分布質量對填料性能影響越大。 例如 ,當液體分布質量達到 50%時 ,每米填料理論板數等于 20的填料 ,實際理論板數 11. 5塊 ,而每米填料理論板數
    等于 8的填料 ,實際理論板數為 5. 5塊。

    2. 1. 2  要求
     
    (  1)液體分布均勻 ,并有一定的分布點密度 [7 ] ,液體流量不均勻度應 < 10% ;
     
    ( 2)操作彈性大 ,對高彈性液體分布器彈性可達 10 1以上;
     
    ( 3)結構緊湊 ,在塔內占據空間小 ,氣體流通面積大 (≥ 25% );
    ( 4)功能全 ,如具備液體收集、分布及氣體分布功能;
     
    ( 5)可用于含固體雜質的液體及有泡沫的物系;
     
    ( 6)氣體阻力小 ,操作壓降低;
     
    ( 7)液體濃度與溫度混合性能好;
     
    ( 8)防霧沫及升膜夾帶;
     
    ( 9)制造、安裝方便 ,耐腐蝕;
     
    ( 10)適用范圍廣 ,如蒸餾、吸收、等過程的常壓、加壓、真空操作。目前要想使液體分布器同時滿足上列條件比較困難 ,因此國內外都在競相開發、研制各種新型分布器 ,以達到更理想的程度。
     
    Zuiderw eg 等人[8 ]對散堆填料給出以下關系式:

     
     式中 PPD為液體分布點數; Dr 為填料對液體的分散系數: C為常數; Z為達到平衡分布的填料層高度 ,即代表端效應。
     
    從上式可見 , 對某一確定的填料 , Dr 為定值 ,為減小端效應 Z,應增加液體分布點數PPD,而小顆粒填料分散系數小 ,若要使端效應不變也需增加分布點數。 對于散堆填料一般  PPD取 20個 /m2。 對規整填料 ,液體流道沿每一板片有一定方向性 ,不易流入相鄰板片 ,所以要使一盤填料就能達到平衡分布 , 則需要更多的分布點數。 Sulzer公司建議對
     
    250Y板波填料 PPD應大于 100個 /m2 , 對BX、 CY型絲網波紋填料 PPD應大于 300個 /m2 ,可見填料性能越好 ,對液體分布器的要求也越高。 但對 PPD的選用目前還不統一。
     
    2. 1. 3  結構 [9 10 ]
     
    (  1)按分布器流體動力分: 重力型液體分布器 (孔型、堰型 ) ; 壓力型液體分布器 (噴淋式 、多孔管式 )。
     
    (  2)按分布器的形狀分: 管式、雙層排管式 、槽式、盤式、沖擊式、噴嘴式、寶塔式、蓮蓬式 、組合式等。
     
    ( 3)按液體離開分布器的形式分: 孔流型 、溢流型。
     
    (  4)按液體分布的次數分: 單級、多級。
     
    (  5)按分布器組合方式分: 管槽式、孔槽式 、槽盤式。
     
    由液體分布器的計算式看出 ,重力孔型分布器小孔排液量與液位壓頭 0. 5次方成正比 [11 ] ,而溢流型 U 型堰與 V 型堰的流量分別與液位壓頭的 1. 5次方及 2. 5次方成正比 [12 ] ,因此 ,液位不均引起分布不均較敏感 , 尤其是大塔對設計、制造、安裝要求嚴格。
     
    2. 2  液體分布器的研究動向
     
    隨著新型高效填料的出現及設備大型化 ,國內外對液體分布器的開發日益重視。液體分布過程是化學工程中較復雜的技術 ,有許多問題有待研究 ,近期的研究表現在:
     
    ( 1)開發新型、高效液體分布器 ,為大型高效填料塔的節能改造提供服務。 由于填料塔大型化 ,要求分布器具有更良的性能 ,如流量均、抗堵塞、防夾帶、低壓降、結構緊湊、彈性大、組合式、多功能以及分布器傳質化等。
     
    ( 2)研究新型分布器對不同填料和分離系統的性能比較。研究表明 ,高效填料對液體初始分布器的結構反應敏感 ,同一填料在不同工況下使用不同結構的分布器 ,填料效率也不相同。
     
    ( 3)研究液體分布器不良操作引起不良分配對填料效率的影響 ,如分布器不同程度的堵塞、變形、損壞等進行模擬試驗。 結果說明 ,分布器的傾斜、變形造成連續線性分布不均 ,在低液體負荷下才明顯影響填料性能。而分布器局部損壞造成局部嚴重分配不均對填料分離效率有很大影響 ,當造成填料大面積干涸時 ,隨面積的和液體負荷的增加 ,填料效率明顯下降。 至于自然堵塞造成的隨機分布不均影響則較小?傊 ,面分布不均較線性分布不均影響更大 ,中心部位的干涸對效率影響也很大。
     
    ( 4)對不同填料在不同分布點密度、不同分布點排列方式下的分離效率的研究 ,發現不同填料對液流分布點密度要求不同。 對任何填料 ,當液流點密度達一定值時其效率趨于穩定 , 而小于該定值時效率迅速下降 , 因此 ,每一規格的填料都對應一個小液流點密度和一個佳液流點密度。至于孔的排列 , 正三角形比矩形越。
     
    ( 5)液體分布器傳統的布孔方式已不能很好地適用于新型高效規整填料 ,應開發由點發展到線 ,甚至在整個填料面上實現面分布的新型塔內件。
     
    ( 6)新型“分布填料”的研制將在分布器的開發中占重要地位。
     
    ( 7)為適應分布器的開發研究 ,尚應開發自動化程度高、測量精確的液體分布測試儀器。
     
    ( 8)對石油加工行業中定型的塔器 ,提供
     
    先進的標準分布器 ,以加快設計進度 ,提高生產效率 ,保證產量。
     
    3      塔填料及塔內件的標準化
     
    塔填料及塔內件的標準化包括塔填料及塔內件的制造標準以及性能評價標準化。 國外在 60年代已重視該標準化問題 ,但主要工作放在填料及內件的標準化上 ,對塔內件的性能評價 ,長期來不統一。 國內近 20年來由于對塔填料、塔內件的開發、研制取得飛速發展 ,填料塔在各有關行業 ,特別是煉油、化工等的大量推廣應用 ,并取得了顯著的經濟效益 ,致使塔填料及塔內件生產廠家與日俱增 , 由于缺乏統一的標準和標準 ,多數廠家也無可靠的技術依據及可遵循的行業標準 ,對生產廠的產品盲目使用的情況較多 ,產量問題也屢有發生。 為了便于各種填料性能的比較、驗收及選用 ,需要有統一的測試方法及評價標準。近年來 ,國內已建立一些測試研究裝置 ,如天津大學化學工程研究所、化工部上;ぱ芯吭、化工部六設計院、南京化工大學、吉林化工研究院、西安交通大學等 ,他們的測試結果具有一定的性 ,但仍缺少統一的標準 ,因此標準化是一件具有重要意義的工作。
     
    化工部化學工程中心站在化工部的下 ,開展了塔填料性能評價及塔填料、塔內件的標準化工作。 近年來已開展的標準化工作及主要內容如下:
     
    3. 1 散堆填料和規整填料流體力學及傳質性能測試規定 (標準號: HG / T26577. 1, HG /T 20577. 2)
     
    ( 1)塔填料幾何特性參數的測定 ,包括規格尺寸、體積參數、比表面積、空隙率、干填料等。
     
    ( 2)塔填料流體力學性能測試 ,包括測試裝置及流程 ,測試儀表及測量點 ,測試物系及測量范圍 ,壓降及泛點氣速、填料持液量的測試方法以及壓降曲線、載點、泛點、濕填料數據處理等。
    ( 3)塔填料傳質性能測試 ,包括液相、氣相傳質系數的測試方法 ,分析方法及數據處理 ,理論板當量高度測定方法 ,蒸餾塔測試物系。
     
    3. 2  填料標準
     
    ( 1)碳鋼、不銹鋼、聚丙烯、玻纖聚丙烯鮑爾環填料標準 , 標準號:  HG /T21556. 1~ 4。
     
    ( 2)碳鋼、不銹鋼階梯環填料標準 ,標準號: HG /T21557. 1~ 2。
     
    ( 3)碳鋼、不銹鋼環矩鞍填料標準 ,標準號: HG /T21558. 1~ 2。
     
    ( 4)不銹鋼網孔板波紋填料標準 ,標準號: HG / T 21559. 1。
     
    ( 5)不銹鋼孔板波紋及絲網波紋填料標準 ,標準號: HG /T21559. 2~ 3。標準中規定了填料的適用范圍、規格及特性、材質及制造要求、檢驗及驗收、包裝及貯運。
     
    3. 3  氣液分布器標準
     
    可拆式及焊接式槽盤氣液分布器標準 ,標準號: HG / T 21585. 1~ 2。該標準可用于氣液分布、液體分布及液體收集器和再分布器 ,直徑系列 DN 800~DN8000,并可根據需要擴展 ,液體噴淋密度范圍 0. 2~ 200m3 /m2· h ,噴淋點密度為 ( 100±     10)個 /m2 ,升氣管開孔面積分數>  30% ,操作彈性可達 10 1以上 ,還可以與百葉窗式導液板及自分布填料構成組合式氣液分布器 ,將多點式液體分布轉變為線分布及面分布 ,同時自分布填料還具有傳質作用。
     
    標準給出了全套分布器制造圖及選用方
     
    法 ,以及制造技術要求、安裝及檢驗 ,并附有分布器特性參數選用表等。
     
    3. 4  填料支承板標準
     
    梁型氣體噴射式填料支承板 , 標準號:HG /T21512, 直徑系列 DN 300~ 4000, 氣流通道自由截面大于塔截面的 90% 。標準給出了全套支承板制造圖及選用方法、制造技術要求、支承圈和支承梁結構尺寸、安裝及安裝用緊固件等。

    除沫器標準
     
    抽屜式絲網除沫器標準 , 標準號: HG / T21586。 直徑系列為 DN300~ 5000。
     
    標準規定了適用范圍、結構型式、絲網規格、壓降及效率計算、材質、技術要求以及選用方法等。

     

     
     

     
     
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