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    現代化工填料塔技術發展現狀與展望
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    現代化工填料塔技術發展現狀與展望

    2020-02-10      閱讀:
    化工填料塔作為一種傳質設備,具高、壓降低、持液量小、構造簡單、安裝容易、投資少等點,廣泛用于分離操作。論述了國內外填料塔技術的發展現狀,詳細介紹了各種新型散堆填料、規整填料、液體分布器和氣體分布器的結構特點、流體力學性能和傳質性能,并比較了各自的缺點。同時展望了填料塔今后發展趨勢和技術開發方向。
    填料塔具高、壓降低、持液量小、構造簡單、安裝容易、投資少等點,是石油、化工、化纖、輕工、制藥及原子能等工業中廣泛應用的氣液接觸傳質設備之一。過去,由于其存在著放大效應和壁流效應,使其應用局限于小塔上。近年來,人們進行了大量的研究,取得了突破性進展,目前應用的規整填料大直徑可達14~20m,突破了限于小塔的傳統觀念,并在現代化工生產中得到更為普遍的應用。目前的研究主要集中在填料、液體分布器和氣體分布器等方面。本文就是這幾個方面的一個綜述和展望。
    1新型填料
    散堆填料是具有一定幾何尺寸的顆粒體,在塔內以散堆方式堆積。散堆填料及其塔設備主要用在吸收、解吸、精餾、干燥和等氣一液或液一液接觸的傳質傳熱過程。近年來一些新型高效散堆填料的出現以及在一些行業的成功應用,如行業從煙氣中HC1和SO等,說明散堆填料將在某些領域得到新的發展。另外,國內外新的研究表明,在液液、液氣比很大的吸收和高壓精餾情況下,應用散堆填料的操作性能于規整填料和塔盤j。因此在合成氨的氣體凈化、石油化工和焦化等領域,散堆填料得到廣泛的應用。
    此外,反應蒸餾、硫化干燥和超重力分離等領域也在使用散堆填料。
    (1)IMPAC填料
    IMPAC填料初由美國Lantc公司提出,它集扁、鞍和環結構于一體。它可以看作由若干個Intalox填料連體而成,采用多褶壁面、多層筋片、消除床內死角和單體互相嵌套等技術,所以該填料兼有規整填料和散堆填料之特性。
    其特點如下:
    ①與一般的散堆填料相比,通量可以提高10%一30%;
    ②具有高比表面積,可達l3lm。/m’,與一般的散堆填料相比,單元傳質高度低,可下降5%一35%;③無翻邊結構,避免了氣液滯留;
    ④多層翅片,自分布性能良,故對氣液分布器的要求遠不如規整填料嚴格;
    ⑤壓降小,可比一般散堆填料下降5%一15%;⑥單位外形呈扁環,填料單元立放穩,有利于加強氣液湍動,內表面;⑦既具有一般散堆填料拆裝方便、維修改造靈活的特性,又具有規整填料比表面積大、空隙率高、流體分布均勻的點。
    (2)階梯短環填料
    階梯短環填料(CascadeMiniRing,CMR)是美國Glitsch公司兼并英國傳質公司后大力推廣的一種散堆填料,與其前身階梯環相比,其高徑比從原來的O.5降到O.3。這種看似簡單的幾何特性卻是CMR性能越的關鍵。大量試驗表明,CMR的性能確實明顯于鮑爾環和篩板塔,其壓降約為拉西環的30%,傳質系數比拉西環大約提高50%。因此,CMR的應用很廣泛,已在近千座工業塔中得到廣泛應用。
    (3)扁環填料
    清華大學研制的內彎弧型筋片扁環填料(QU—l型扁環填料),其結構特點為:①采用和傳統填料不同的內彎弧型筋片結構,使填料內部的流道更為合理,提高了傳質效率,同時這種結構可提高填料的強度;②針對液體系軸向混合嚴重的特點,采用0.2—0.3的高徑比,使填料在亂堆時也能體現一定程度的有序排列,從而降低了阻力,在有效了兩相的非理想流動,有助于進一步提高處理能力和傳質系數;③可根據體系和生產要求,采用多種材質2n-r制造,且有多種規格,因而選用范圍寬,操作彈性大。試驗研究和工業應用表明,
    QH—l型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等填料,軸向混合小,處理能力大,壓降小,傳質效率提高20%以上。
    為進一步提高扁環填料的性能,又開發了新的撓性梅花扁環填料(QH一2型扁環填料),
    比QH—I型又有所提高。試驗表明,與鮑爾環相比,QH一2型扁環填料處理能力約提高15%一35%,傳質系數約提高15%一25%l_5J。
    (4)雙鞍環填料
    這是北京化工大學研發的雙鞍環新型填料,具有如下特點:
    ①雙鞍環在結構上屬于開孔環、鞍環,既包含環矩鞍的構成,又融人納特環的構思。由于突破一般填料的對稱性,有利于構成較為均衡的床層,提供良好的水力學和傳質的硬件條件;
    ②雙鞍環的基本性能全面于環矩鞍,負載能力提高約10%,壓降減少10%~20%,分離效率提高約17%。尤其是傳質單元壓降減少近40%,這對于塔的節能改造、熱敏性物系的分離以及真空精餾設計具有較高的實用價值;
    ③在若干技術經濟指標的對比上,雙鞍環不有較高的綜合技術指標,而且在節省材耗和提高強度重量比等方面也呈現出較強的經濟性,比環矩鞍更具有競爭力。
    近年來,我國還引進和吸收了許多高效、先進的散堆填料。如金屬矩鞍環(IMTP)、改進型金屬鮑爾環(Hy—PAK)、金屬階梯環、塑料矩鞍環、共軛環、0型網填料等,也較接近理想填料,比規整填料具有的自清理能力,不易堵塞。
    (5)散堆填料的研究方向 
    散堆填料的研究方向主要集中在以下幾個方面:
    ①散堆填料的自規整化,如QH型扁環填料與鮑爾環比較,其降低很多,在塔內裝填時,縱向取向幾率要大得多,因此填料表面的液膜更加均勻,壓降也大幅度地降低,傳質效率提高30%~50%;
    ②開發適用于新塔型的散堆填料,如用于硫化填料塔、旋轉填料塔等;
    ③填料功能復合化,如Koch—Glitsch公司發明了一種內部填充催化劑的鞍形填料用于反應蒸餾J,該填料兼有氣液傳質和催化反應兩種特I生,且制造成本低廉;
    ④對填料表面加以改進以提高傳質效率。
    1.2規整填料
    近年來,有關規整填料性能、設計方法和應用方面的報道很多J。規整填料塔(絲網波紋填料、孔板波紋填料等)以其處理能力大、效率高、壓降低、能耗小等特點,在填料塔的應用及塔盤的改造中得到廣泛的應用。規整填料上的網孔或波紋便于液膜形成,其波紋的導向性有良好的細分布作用,且使液體的溝流大大減少。規整填料塔中壁流仍是影響塔內介質反應效率的主要因素之一,特別是填料層過高時尤其如此。所以,掌握塔內的壁流量并設法降低是十分必要的。目前規整填料種類多、形狀不同、特性各異。但理想的規整填料應具備以下特點:
    ①阻力壓降;
    ②分離效率高;
    ③通量大;
    ④操作彈性大,適應性強;
    ⑤放大效應低。
    Mellapak填料(帶孔波紋板,材質不銹鋼等,比表面積700m /m )是瑞士Sulzer公司的產品,它的問世是20世紀70年代規整填料史上一座重要里程碑j。此后,規整填料新品種層出不窮。近幾年瑞士KUHNI公司的Rombopak填料,德國RASCHIG公司的Ras.chig—Superpak填料開發應用比較成功。國內在規整填料方面也有突破,如天津大學與英國 
    Aston大學聯合開發的Unpak脈沖規整填料、天津大學的Zupak填料、天津博隆科技開發公司的CHINAPAK填料等、天津市天進新技術開發公司開發的板花規整填料、清華大學開發的新型復合填料、分層填料等,都在工業中取得了成功的應用“。
    (1)Rombopak填料
    該填料是瑞士KUHNI_1公司20世紀80年代研究開發的一種垂直板網類規整填料。它率先開辟了按照氣液佳流路設計規整填料的新途徑。據悉,該填料已推廣應用于400多座塔中,大塔徑4000mm。
    (2)Raschig—Superpak填料
    該填料是德國Raschig公司開發的高性能規整填料。據稱Raschig—Superpak300在比表面積和分離效率相同的條件下,與傳統的規整填料相比,通量提高了26%,壓力降降低了
    33%。
    (3)Optiflow填料瑞士Sulzer公司在ACHEMA’94展覽會上推出了一種稱為高技術產品的結構填料(Optiflow)。這種填料的基本原件是壓有橫向紋理液流溝糟的菱形薄片,并在其中開小孔,
    將菱形片搭成翼輪狀,由于這種填料有很好的幾何結構形式和高度的對稱性,因而可以顯著提高填料的分離技術性能。
    (4)組片式波紋填料(Zupak)¨
    Zupak填料是天津大學近年開發的獲獎產品,目前有兩大類8種型號。Zupak填料和相應型號的Mellapak填料相比,比表面積增加10%左右,開孔率增加30%一40%,分離效率提高約10%,通量提高20%,壓力降降低30%左右。開發成功后,一次用在當時國內大直徑的塔上((2j8400mm),目前正處于推廣階段。
    (5)SM、SW、SC、SB系列新型規整填料 
    上;ぱ芯吭焊咝Х蛛x塔填料及裝置技術研究推廣中心于20世紀70年代開發了SC、SB絲網波紋填料系列,80年代開發了SM系列孔板波紋填料;90年代開發了SW系列網孔波紋填料并取得證書。己在國內多座塔器中應用,效果顯著。
    (6)SINOPAK填料 
    該填料是南京大學開發的波紋型系列無壁流規整填料,采用了專門的防壁流設計。1996年取得,分離效率比其他普通波紋規整填料高10%一25%,綜合性能達到或于國外同類填料產品。
    (7)自分布填料和再分布填料 
    自分布填料是將特制的規整填料作為液體再分布器使用的旨在改善液體分布性能的填料,其作用是將多點式或多線式液體分布狀態變成多線式或面分布狀態,以減少液體分布的端效應。這方面工作美國Glitsch公司一步,國內1990年以來,天津大學研制的自分布填料已在工程上得到應用。
    相對于填料層兩端氣液分布的端效應,填料層中部存在著“中效應”。再分布填料就是為了消除“中效應”而專門設計的一種特制填料,換言之,它不克服了壁流現象,重要的是它能將環塔壁區的高液流量向塔心縮移,
    同時又將塔中心部位的高氣流量向環塔壁區擴展,它既是液體再分布器,又是氣體再分布器,同時還起傳質作用。
    自分布填料和再分布填料都既適用于規整填料塔,也適用于散裝填料塔。
    (8)新型復合填料¨ 
    清華大學研究開發的新型復合填料是在規整填料基礎上采用交錯90。排列的水平波紋(PFG)組合而成。PFG本身是一種填料,同時又起到分布器的作用,具有良好的自分布性能。分離效果比規整填料提高15%一20%,
    每米填料的理論板數比同規格的Sulzer填料高15%左右。尤其適合于要求精密分離的精餾塔,特別是高純度產品的分離。
    (9)分層填料 
    在新型復合填料基礎上采用一定厚度的復合填料單元體為塔板,形成分層填料塔板。傳質效率高、填料用量少(降低填料成本)、高效低阻,性能于一般塔板和填料。特別適用于真空精餾工況條件下的高純度分離。
    規整填料塔不在一般情況下可提高分離效率,降低能耗,而且尤其適合一些特殊情況,如難分離物系、熱敏物系、真空蒸餾等。
    國內近幾年應用成功的領域有:
    ①乙烯/苯乙烯精餾塔的改造;
    ②煉油廠減壓塔的改造;
    ③煉油的催化裂化吸收穩定裝置、脫硫塔、烷基苯分餾塔等;
    ④化肥行業合成氨裝置造氣洗氣塔、凈化半脫塔、變脫塔、塔等設備的技改、尿素除塵塔。
    2新型液體分布器
    填料性能再好,沒有良好的塔頂液體初始分布,填料是發揮不了它的越性的。因此,液體在塔頂的初始均勻噴淋,是保證填料塔達到預期分離效果的重要條件。由此正確設計液體分布裝置顯得尤其重要。
    經過長期的摸索,人們總結設計出了種類繁多的各式液體分布器-1。-18],它們結構各異,適用的對象也不盡相同。從初的壓力噴頭到現在高性能的槽式液體分布器,分布質量越來越高,結構也越來越精細¨引。
    (1)帶垂直分布液板的槽式液體分布器多級槽式液體分布器在大型填料塔中應用很廣,目前多采用帶垂直分布液板的線分布型結構,按其支承方式可分為3種型式:①壓圈托槽式;②懸槽式;③埋藏梁托槽式。其中懸槽式液體分布器因其噴淋孔的水平度不受填料床層變化的影響,目前國內外應用較廣
    (2)槽盤式及新型槽盤式液體分布器 
    槽盤式氣液分布器是天津大學獲發明
    獎的技術,由五部分組成:矩形升氣管、V形擋液板、特制導液管、鋪板和連接件。有三種基本結構:①全可拆式結構;②局部可拆式結構;③全焊接式結構。新型槽盤式氣液分布器主要特點在于增設了防護屏和自動排污系統,抗堵塞能力更強。
    與同類產品相比,該分布器具有更良的綜合性能引:抗堵塞、防夾帶、升液位、適閃蒸、易采出、盛漏液、布氣均、布液均。從1990年次用于濟南煉油廠~4200mm潤滑減壓塔至今,已用于數百座塔中。
    (3)托盤式液體分布器 
    托盤式液體分布器是在槽盤式液體分布器基礎上開發而成,其液體分布盤的外徑比塔的內徑小,分布盤外徑的具體數值由液體分布點的要求決定。另外在收集槽的上面增加一個梅花型擋圈,以收集壁流液體。這樣使塔內靠塔壁的環形部分變成了既能通氣又可設置液體分布點的大通道,使塔的分離效率得到提高,此外還可提高塔的允許通量。
    3填料塔進氣初始分布器
    隨著大型填料塔的發展,其進氣初始分布器的研究、設計及應用越來越受到重視,尤其在低壓、常壓或減壓下操作的填料塔,進氣初始分布器的作用較為重要。填料塔內氣體分布的研究遠不如液體分布研究來得透徹。因此,研究氣體分布器的性能,了解其中氣液運動的規律,探索其合理結構并在此基礎上開發性能良的氣體分布器,對大型填料塔的合理設計和高產,具有重要意義。
    (1)雙切向環流式進氣初始分布器 
    該種進氣初始分布器是清華大學在美國Glitsch公司單切向進氣分布器基礎上研制出的一種面對稱類、環流型、導流式進氣初始分布器,由錐形進氣口、環向導流板、內套筒、環形封板、軸向導流板等部件組成。
    該進氣初始分布器具有良的綜合性能,應用頗廣。2O世紀9O年代初,成功地應用于國內8200mm潤滑油型減壓塔中;瑞士Sulzer公司1996年在某煉油廠減壓塔中也采用了該分布器。
    (2)帶導流器和捕液吸能器的雙切向環流式進氣初始分布器
    天津大學化學工程研究所對雙切向環流式進氣初始分布器進行了改進,設計了帶導流器和捕液吸能器的雙切向環流式進氣初始分布器。其特點是改進了導流板的結構,多層倒錐式導流器使氣流分布更均勻;捕液吸能器則是由柵板式框架與捕液填料所組成,其作用在于下部液體被氣流攪起而產生嚴重液沫夾帶。
    (3)輻射式進氣初始分布器 
    輻射式進氣初始分布器由天津大學開發。
    它是一種軸對稱類、導流型進氣初始分布器,是徑向式進氣初始分布器的新發展,由進氣管、分液器、傘形導流器或捕液吸能器組成。輻射器是由氣體分配器和多層喇叭口狀的導流器組成;傘形導流器是由傘骨、同心導流環和捕液器組成;捕液吸能器則由環形框架和脫氣填料組成。
    輻射式進氣初始分布器具有更為良的綜合性能_2引:氣體分布不均勻度<0.31;液沫夾帶率<0.1%;壓力降<40Pa。目前,已推廣幾十套,1999年在南京化肥廠10000mm尿素除塵塔中使用了該分布器。
    4結束語
    以上就高效新型填料、氣液分布器等進行了概述。其實,就高效填料塔成套分離工程技術的國產化開發而言,重要的方面包括開發新型模擬計算方法,采用佳工藝路線等。所以今后填料塔將可能從以下幾個方面得到發展:
    一是不斷開發更簡單、更高效的填料,即沿著理想塔填料的方向發展。所謂理想塔填料就是要求傳質效率高、分離能力大、壓降低和成本合理。二是塔內件。它是填料塔技術發展的關鍵之一,發展方向應是開發先進的與高效填料相匹配的低壓降氣液分布系統。另外,在工藝流程方面也應作相應的改進,建立復合分離技術會是一項全新而有效的節能技術。
    20世紀9O年代以來,隨著一些新型塔板及大通量、低壓降、高效規整填料和塔內件的開發應用成功,塔器成套分離工程技術進入了一個嶄新階段?梢灶A測,21世紀的塔器分離技術將向行業化、復合化、節能化、大型化方向發展。

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