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作者： 来源： 发布时间：2008/11/24 8:46:07  点击数：1348

  1　前言

     在化工生产中,气液两相直接接触进行传质或传热最常应用的塔设备,主要有板式塔和填料塔两大类。早年,板式塔多为泡罩塔;填料塔多用拉西环、鲍尔环。随着塔设备技术的发展,老式的塔板和填料逐渐被淘汰。我国自70年代起,在塔板上各厂开始应用F1浮阀、筛板、MD板、旋流塔板,近几年垂直筛板在一些化肥厂引起注意;在填料上选用较先进的阶梯环、金属环矩鞍(Intalox),80年代以来孔板波纹填料(Mellapak)在国内的应用发展很快。总之,新型塔板和新型填料的应用已成为许多厂分离和净化工序技术改造的热点,成为各厂提高产量、改进分离和净化质量、减少能耗、安全生产和稳定操作的重要技术措施。以板波规整填料为代表的新型填料,由于分离能力较大,通量较高,压降较低,可用之改造和代替板式塔,因此,一个时期其应用几乎遍及全国许多工厂。但是,采用板波填料一次投资较大,维修不便,在有结焦、结垢或液相不净等场合应用受到限制。此外,在高压精馏塔中应用板波填料往往达不到预期效果,因为此时气液比过小,以及气相返混剧烈等原因使分离效率下降;然而,铜洗塔虽也在高压下操作,因为塔内是化学吸收过程,所以,应用板波填料仍然可行[1]。板式塔的优点是操作易于稳定,效率较易保证,安装、清洗、检修均较方便。在化工厂老装置扩产改造或新建装置中,各种塔板和填料的选用往往难以抉择。作为精馏塔塔板、规整填料和乱堆填料三者之间的选择原则,kunesh等[2]建议采用Kister等提出的方法,即采用流动参数FP来初步决定。定义FP=(L/V)(ρV/ρL)1/2,其物理意义是液相和气相动能之比的方根。一般情况下,FP<0.03表示真空精馏或低液量;FP>0.3表示高压或高液量。作者根据在天津大学化学工程研究所多年研究和本公司应用实践的体会,现对塔设备改造的选型问题作以下分析。

     2　塔板的应用

     目前应用的塔板主要有F1圆浮阀、筛板及70年代后陆续应用的旋流塔板、导向筛板、MD板、垂直筛板。近来,国内又提出多种改进型塔板,其中有不同帽罩结构的新型垂直筛板、MD板的改进型DJ型塔板和导向条形浮阀等。

     2.1　F1圆浮阀因其优异的综合性能、成熟的设计和使用经验,在气液传质过程中往往是首选的塔板。但其主要缺点是压降较大及浮阀易卡死、脱落,特别当超负荷运行时,过大的塔板压降会造成降液管液泛,也使能耗大增,或者造成过量的雾沫夹带而降低分离净化的质量,这常成为各厂扩产优质的一个主要“瓶颈”。

     2.2　筛板

     该塔板亦是常用且历史最长的一种塔板,其结构最简单,设计计算亦日趋完善。主要缺点是压降大,操作弹性较小,孔易堵塞。筛板与浮阀塔板和泡罩塔板相比板效率相差不大,但维持较高板效率EMV的气相通量的变化范围是浮阀最大,而筛板最小。

     2.3　旋流塔板

     这是我国70年代开发的。它能在较高的气液负荷下操作,操作弹性也较大。但由于旋流气速高,离心力大,液滴受到强烈分离,因而影响传质效率,也使塔内空间未能充分利用;传质效率较低,阻力较大;而且当塔径较大时,塔板的刚性亦易发生问题。目前它主要用在吸收、除尘等设备中。

     2.4　MD板

     它首先由美国UCC开发于60年代。其结构的最大特点是多降液管,因此堰较长,适于大液量,且为悬挂式降液管。在常规板式塔中降液管延伸到下层塔板液层以造成液封,故受液盘占塔板较大比例,在双流程或多流程塔板时,将占10%～15%。而采用悬挂式降液管,原受液盘也可开筛孔或装浮阀,则增加了塔板有效传质面积,因此以MD板改造常规板,处理量可提高15%左右。MD板多采用小板间距、低液流强度及低鼓泡层高度,但是由于板间距较小(雾沫夹带较大及液体在降液管中停留时间较短)、液流长度短(多降液管)、鼓泡层高度较低以及降液管呈90°交错放置(液流易短路),致使板效率较低。在某丙烯-丙烷分离计算中,常规塔板的板效率取85%,而MD板只有65%,下降近25%。然而,MD板较低的板效率可由较小的板间距(可装更多塔板)来补偿,同样在丙烯-丙烷分离计算中,在同样分离要求下,理论板均为140块,板间距常规塔取500mm,而MD取250mm,则整个塔板的总高度常规塔是70m,而MD板为46m,降低了35%。可见在板间距、雾沫夹带和板效率之间的优化有很大潜力。MD板在我国化肥工业中已得到应用[4],浙江工业大学又开发了DJ塔板[5]。国外近年也出现了增容MD板和Nye塔板[6]等,它们均以提高通量为开发目的,且与MD板有相近的结构。从以上分析可见,设计这类塔板应重点解决两个问题:一是设计并试验优良的降液管结构,以提高液体流量,并保证降入下层塔板的液相分布良好,以利气液传质;二是解决雾沫夹带较大导致板效率下降的问题,或者在板间距和雾沫夹带(板效率)之间优化。

     2.5　垂直筛板(VST)

     它是由日本开发于60年代,后经改进称为新垂直筛板(NVST)。垂直筛板的传质单元是立置于塔板气体通道孔上的帽罩,与浮阀和筛板的区别主要是鼓泡态不同,它是喷射态气液传质的塔板,其中液相被分散成液滴并被气流夹带、撞击、分散,实现气液两相在帽罩内的传质。出帽罩后,液滴被有效分离散落于塔板液层中。因此,其雾沫夹带较一般塔板明显减小,气速上限显著提高,在雾沫夹带上限0.1kg/kg时,VST的气速上限较Fl浮阀提高42%[7],前者的雾沫夹带只及后者的1/10[8]。看来若以后一数据进行设计过分冒险。由于塔板通气孔较大,其气速漏液下限肯定较F1板高。垂直筛板气速上限较大,在以提高处理量为目标的塔板改造时,它是一个值得考虑的选择。由于其塔板压降及板效率均与F1塔板相当,故在提高处理量后应对这两个参数进行必要的核算。但是,结构复杂是这种塔板广泛应用的一个障碍。

     2.6　导向浮阀与导向梯形浮阀

     近阶段导向浮阀在国内石化企业的应用颇受注意。导向浮阀[9]是在条形浮阀上开导向孔构成见图1。其特点是利用条阀不卡、不转的优点,同时又吸收导向孔的长处。导向孔的作用在于利用气流推动液体沿塔板运动,减少塔板缓流区,减小返混和降低液面落差、塔板压降。由于导向浮阀的导向孔面积只占整个浮阀气体通道的3%～6%,故这种浮阀的导向作用应该是有限的。导向浮阀与F1浮阀相比,压降与雾沫夹带相当,漏液限稍低,效率稍高。

     为增大气流的推液作用,天津大学开发了导向梯形浮阀[10],见图2,其特点是将矩形阀改成梯形阀,使气流由阀两侧喷出时有一定的推液作用。梯形浮阀与导向孔(或固舌)结合具有更大的推液导向作用,从而提高塔板性能。试验表明[10],该阀在塔板压降、雾沫夹带、漏液下限等流体力学性能上均优于F1浮阀,塔板气相负荷上限可提高10%～20%;板效率亦较高。这种新浮阀已在山东某厂Φ2200加氢分馏塔中得到成功应用,明显提高了侧线产品柴油的质量,并提高了航煤收率。

     必须指出,在分析推液作用的收益时应对不同情况进行具体分析,只有当塔径较大(比如2m以上)时,液流均匀性的改善才具一定实际意义。至于对双液流或多液流塔板,因液流不均匀并不严重,所以提高液流均匀性的收益体现较小[11]。

     3　新型填料的应用

     这里所指新型填料主要是乱堆阶梯环、金属环矩鞍及规整板波填料。这些填料国外均出现于70年代,在国内已广泛应用。近年国内已开发出这些填料的改进型,国外也出现了一些新填料[12],但普遍推广尚需一段时间。对填料的选用主要考虑以下因素。3.1　分离效率、通量和压降正如前述,填料在分离效率、通量和压降三个方面占有较大的优势,表1列出三种新型填料的大致对比,并以50mm鲍尔环为参照基准。由表1可见,三种填料均优于鲍尔环,其中250Y板波填料的分离效率更显优越,这主要得益于其比表面积较大,以及规整填料内气液能有序流动、充分接触和传质,从而减少短路和壁流,特别在大直径塔上,这种放大效应更应注意。

　　若将250Y板波填料和塔板作比较,其优势十分明显,250Y的压降只及浮阀的15%～20%。它们的通量和HETP(理论板当量高度)的比较见图3和图4,显然其差别也很明显。正由于这种较大的优势,使板波填料成为各厂在增产优质消除塔设备瓶颈中的一个主要选择。

     3.2　分离能力和填料重量

     Billet认为在进行综合比较时尚需考虑各种填料的分离能力和单位分离能力的填料重量[14]。分离能力为S,S=NTSM×FV。其中:NTSM为每米填料的理论板数,FV为气速动能因子。填料的NTSM大,完成一定净化分离要求的填料高度就小;FV大,一定处理量下的塔径就小,故两者之积S大,则完成一定生产分离任务所需塔和填料的体积就小。但是,这里

     还要考虑所选填料的重量即填料的耗材成本,因为填料体积小不等于填料重量小,为此引入单位体积的比重量W′,即W′=W/S,W为填料比重量(kg/m3),W′愈小表明所需填料重量较小。但是,Billet在此并未考虑购置填料是以体积为单位计算的,而且每m3填料的费用即使材质相同亦有不小出入,为此应以比价格G[G=(单价/m3填料)/S]来衡量所选填料的经济性。从表2可见,BX丝网波纹填料的S最大,因为它分离能力和通过能力最优,故而选用BX填料所需体积最小,耗材最少。但由于它价格较贵,从G(均为不锈钢材质)看却稍逊于250Y板波填料。所以,以250Y为代表的板波填料能在国内外获得普遍认可并非偶然,因为在一定分离任务下选它是最经济的。


     3.3　分布器

     要保证填料塔的优良性能,填料本身的高性能固然重要,而与之匹配的塔内件尤其是液体和气体分布器也至关重要,否则,填料的高性能也不能充分发挥,特别对直径较大、填料层较低的塔,气体和液体分布的质量往往是填料塔改造成败的关键。另外,填料层中理论板数越多,液体分布质量对填料层效率的影响也愈大。图5[15]表示分布器质量对HETP(理论板当量高度)的影响。

     资料[12]和[16]对各种分布器和再分布器有较详尽的介绍。资料[15]中的第14篇给出了各种分布器性能的比较,这些是设计和选择分布器的主要依据。

     4　波环填料—乾隆帕克

     本公司开发的专利“波环填料”(乾隆帕克CHINAPAK)是一种在孔板波纹填料和金属环矩鞍填料基础上开发的新型规整填料,其结构示意图见图6[17]。它吸收板波填料规整和比表面积大的特点,又在板波上形成许多环状凸起,因而也具有金属环矩鞍的某些特点。

     由于板上不冲孔,而是具有反向波纹环,因此与孔板波纹填料相比,比表面积增加约8%～12%,板上的纵向开孔率提高40%。此填料的优点是传质比表面积大,气液流路优化,气液横向扩散力大大改善,这些都有利于提高传质效率,降低HETP。另外,在抗堵塞能力、填料刚性、压力降及处理能力诸方面亦优于孔板波纹填料。迄今,这种新型填料已在常压稳定塔、碱洗塔、铜洗塔、脱硫塔中得到成功应用,取得良好的经济效益。 

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