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  • 萍鄉化工填料廠生產拉西環、鮑爾環、多面空心球填料,瓷球、陶瓷波紋填料、陶瓷規整填料
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    扁環填料及其在高液氣比吸收過程中的應用前景
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    扁環填料及其在高液氣比吸收過程中的應用前景

    2019-08-06      閱讀:
    散堆填料是發展早的一類化工填料。隨著化學工業的發展和科學技術的進步, 散裝填料也在不斷地改進, 從簡單的拉西環鮑爾環、階梯環、矩鞍環等新型填料, 從陶瓷填料到各種金屬填料塑料填料等, 品種繁多, 不勝枚舉。由于散裝填料結構比較簡單, 制造和安裝比較方便, 易于用多種材質制造, 因而至今應用仍很廣泛。
     
    近年來, 有關散裝填料性能、設計方法和應用方面的報導很多。但是一些結構復雜的新型填料的性能并不理想, 而扁環填料卻顯示了異的性能。本文介紹扁環填料( QH- 1 型和 QH - 2 型等) 的新研究結果及其在合成氨廠氣體凈化等高液氣比吸收過程中的應用前景。

    扁環( SMR) 填料的研究和開發扁環( SMR) 填料針對我國石油化工裝置革新挖潛的迫切要求, 清華大學化工系根據國外塔器發展的新趨勢, 先后研制了內彎弧形筋片扁環填料( 商品名為QH- 1 型即清華 1 型扁環) 和撓性梅花扁環( 商品名QH- 2 型即清華 2 型扁環) , 這兩種填料結構新穎, 具有的異性能, 在國內得到了廣泛的應用。有關研究結果在會議上發表后, 引起國外同行大的興趣, 并把這兩種填料稱為扁環填料。在我國出口的大型石化裝置中, 也已采用扁環填料。QH- 1 型扁環填料QH- 1 型扁環填料是清華大學研制的一種新型散裝填料, 獲發明。于這種填料結構新穎, 性能異, 推廣應用效果顯著, 獲得了1995 年發明創造金獎和 44 屆布魯塞爾世界發明博覽會特別金獎, 并列為科委九五重點推廣項目。此種填料主要技術特點如下:
     
    ( 1) 采用和傳統填料不同的內彎弧形筋片結
     
    , 使填料內部的流道更為合理, 促進了液滴群的分散- 聚合- 再分散, 大大提高了填料的傳質效率。同時, 這種結構能夠提高填料的強度, 避免使用可能引起液滴聚結或物料結焦的翻邊。
     
    ( 2) 采用低的高徑比( 0. 3) , 使填料在亂堆時也能體現一定程度的有序排列的特點, 從而降低了填料的阻力降, 有效地兩相的非理想流動, 進一步提高處理能力和傳質效率。
     
    ( 3) 可以根據體系和生產要求, 采用碳鋼、不銹鋼、鋁材、塑料和陶瓷等多種材質加工。有16、 25、 38、 50、 75 等多種規格, 選用范圍寬、設計彈性大。
     
    系統的實驗研究和工業應用表明, 內彎弧形筋片扁環填料具有異的性能: 用于液- 液時, 此填料的性能明顯于鮑爾環、Intalox 鞍等從國外引進的新型填料, 軸向混合小、處理能力大、傳質效率提高 20% 以上; 用于氣- 液傳質過程時, 處理能力大、阻力降小、傳質效率高, 在大液體噴淋密度下, 性能于從國外引進的鮑爾環、Intalox 和Mellapak 等填料。
    目前 QH- 1 型扁環填料已在潤滑油精制、芳烴抽提、液化氣脫硫、合成氨廠脫碳塔和塔等過程的上百座工業裝置的技術改造中得到了成功的應用, 并獲得了很好的經濟效益和社會效益。

    1. 3  QH- 2 型扁環填料的研究和開發為了進一步提高扁環填料的性能, 開發了新的撓性梅花扁環填料。這種填料由開有矩形窗口的扁環和與矩形窗口的兩條短邊相連的內彎弧形筋片組成, 其特征在于扁環為梅花狀, 其中有一對相鄰的并且斷開的花瓣, 其端部的折邊間留有小間隙; 每片梅花瓣環壁的縱向中部開有一個矩形窗口; 在與矩形窗口的兩條短邊相連的各內彎弧形筋片開有一個矩形小窗口, 每個矩形小窗口的一端規則地連有一塊指向扁環中部并均勻分割填料內部通道的舌片; 填料的高徑比為 0. 2~ 0. 3。
     
    由于梅花形的填料增加了比表面積, 內彎弧形筋片及筋片上的指向填料中心的舌片可以促進分散相的表面更新和兩相的非理想流動, 撓性結構可以使用較薄的板材來加工填料, 進一步填料層的重量和降低填料成本。因此, QH-2 型扁環填料不具有傳質效率高, 處理能力大,阻力降小的特殊點, 而且重量輕, 成本較低, 比 QH- 1 型又有進一步提高。

    2 實驗裝置與實法
     
    實驗裝置及其流程見圖 1。實驗塔體內徑為0. 6 m, 填料層高度為 1. 5 m, 實驗段為 1 m。塔頂采用盤式液體分布器, 塔底采用柵板支撐, 入塔氣體流量采用皮托管測量, 入塔液體流量采用轉子流量計測量, 填料層壓降用 U 型管水柱壓差計測量。實驗采用空氣- 富氧水系統, 在常溫、常壓下進行。傳質測試的液樣用德國 WTW 公司制造的InoLab Oxi Level 2 精密溶氧測定儀測量。
    扁環填料及其在高液氣比吸收過程中的應用前景
    實驗中所用的填料由萍鄉化工填料廠采用 1Cr18Ni19 鋼板加工而成。 50 QH - 2 扁環填料、 63 QH- 2 扁環填料、Mellapak 125X 填料與38 鮑爾環填料的幾何參數見表 1。 實驗研究表明, QH- 2 型扁環填料的性能比國外引進裝置大量采用的鮑爾環有了大幅度的提高 , 而且綜合性能也明顯于近年來一些外國工程公司推薦的 Mellapak 填料。典型的實驗結果如圖 2~ 圖5 所示。

    從圖 2 38 鮑爾環填料的壓降曲線可以看 出, 在大液體噴淋密度下 , 填料層的壓降大, 在 140 m3/ m2  h 和 160 m3/m2  h 的噴淋密度下, 操作 不穩定。而從圖 3  50 QH- 2 扁環填料的壓降曲 線可以看出, 50 QH - 2 型扁環填料的壓降比 38 鮑爾環降低了約 70% 。從圖 4 和圖 5 的結果 可以看出, 與 38 鮑爾環相比,  38 QH- 2 型扁環 填料的泛點氣速上升約 15% , 傳質單元高度降低 25% ;  50 QH- 2 型扁環填料的泛點氣速上升約 35% , 傳質單元高度降低約 15%; 而 63 QH-2 型扁環填料的泛點氣速上升 50% 以上, 在大噴淋密度下的傳質單元高度與 38 鮑爾環填料相當。一些外國工程公司推薦的 Mellapak 125X 填料雖然通量很大, 但傳質效率低, 性能很不理想。
    扁環填料及其在高液氣比吸收過程中的應用前景
    在大量實驗數據的基礎上, 總結了 QH - 1 和 QH- 2 型填料的數學模型, 可供設計計算使用。
     
    3 討論
     
    3. 1  填料結構對其性能具有重要影響
     
    填料結構對其性能具有重要影響, 是塔填料強化的關鍵。高液體負荷下鮑爾環的操作出現了不穩定現象, 原因在于高徑比為 1 的鮑爾環裝填入塔后, 其軸線方向與水平面的夾角在 0 ~ 90 之間隨機分布, 在塔界面特別是塔底支撐處, 一些橫臥或基本上橫臥的填料由于外表面的屏蔽作用,了兩相的流動, 產生較大的形體阻力, 并使填料的內表面難以得到充分潤濕, 影響其發揮作用,不增加了兩相的流動阻力, 影響處理能力, 也降低了傳質效率。
     
    扁環填料則克服了上述缺點, 其高徑比
     
    為 0. 2~ 0. 3, 這樣填料散裝時也有趨向有序排列的特點, 大部分扁環填料與水平面的夾角較小, 這是扁環填料阻力下降與通量上升的主要原因; 另外, 由于扁環填料的內外表面均能與液相接觸, 其較小的高徑比有利于流動液膜的表面更新, 因此這種填料的傳質效率較高。CFD模擬和 PIV 測量的結果也說明了環形填料高徑比對其性能的重要影響。
     
    高液體負荷下 Mellapak 125X 填料的傳質效率較低。這是由于當液體噴淋密度較大時, 填料中的一部分通道完全被液體占據, 無法與氣體接觸, 嚴重影響了氣液兩相之間的傳質。
     
    3. 2  應用舉例
     
    扁環填料已在數 10 項中小化肥廠凈化系統的技術改造中得到成功的應用, 并開始在大化肥裝置的改造中應用。以浩良河化肥廠脫碳塔的改造為例, 原設計合成氨生產能力為 5 萬 t/ a, 原料為重油, 變換氣中 CO2 含量高達 32. 2% 。 1996 年, 以脫碳系統的改造為重點, 確定運用南化公司化工研究院的復合催化法脫碳及清華大學開發的QH- 1 型扁環填料技術。脫碳塔塔徑為 2 200, 原設計內裝拉西瓷環, 后改為 38 金屬鮑爾環, 但仍遠不能滿足技術改造要求。經計算, 選用 38 QH- 1 型扁環填料后滿足了生產要求, 改造于 1997 年大修實施, 裝置投入運行后取得成功。表 2 列出了脫碳塔改造前、后數據對比。
     
    表 2  脫碳塔改造前、后的比較


     
    生產實踐表明, 脫碳系統的生產能力提高 25% 以上, 塔的阻力降減小了 27%, 溶劑比下降了 15% , 經濟效益顯著。1998 年大檢修, 打開吸收塔進行檢查, QH - 1 型扁環填料基本上平面放置率在 80% 左右, 沒有發現嚙合現象。填料層中也沒有積存細小的雜物。因此 QH - 1 型扁環填料具有良的性能, 可望長期穩定操作。
     
    3. 3 應用前景
    綜上所述, 扁環填料具有的結構和異性能, 特別適用于合成氨廠脫碳塔和塔等液氣比大的吸收、液液和高壓精餾等過程的技術改造。例如用 50 QH - 2 型扁環填料代替原有的 38 鮑爾環填料, 不可以使塔的處理能力提高 35%, 而且由于傳質單元高度降低,可節約溶劑用量, 降低能耗; 如用 63 QH - 2 型扁環填料代替原有的 38 鮑爾環填料, 可以使塔的處理能力提高 50% 以上而傳質效率相當。這對于30 萬 t/ a 合成氨廠改造為 45 萬 t/ a 的項目具有良好的應用前景。因此, 進一步總結和推廣應用扁環填料, 必將對用具有我國自主知識產權的先進技術提升傳統產業發揮重要的作用。
     
     
     
     
     

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