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新型規整填料及填料塔內件
2019-08-13 閱讀：
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[ 概述了國內外十多年來開發成功的新型規整填料及填料塔內件(新型氣液分布器、填料塔進氣初始分布器), 并對其性能及工業應用情況作了簡要介紹。
1 引 言
塔器作為汽 -液及液 -液之間進行傳質與傳熱的重要設備 , 廣泛應用于煉油、石化 、精細化工 、化肥、農藥、醫藥、等行業的物系分離 ,涉及蒸(精)餾、吸收、解吸、汽提及等化工單元操作。
塔器分為板式塔和填料塔兩種。板式塔通常結構較為簡單,易于放大 , 造價較低 ;但板式塔普遍存在效率較低,壓降較高,持液量大等缺點 。填料塔近年來發展很快, 尤其是隨著各種新型波紋填料及其它新型塔內件開發成功, 應用填料塔似乎成了一種潮流。特別在真空條件下, 填料塔以其壓力降小的突出點而取得滿意的經濟效果 ,使其與板式塔的競爭變得更為激烈。近 10 年來,蒸餾裝置發展趨勢是現代填料塔逐步取代傳統填料塔 ,并部分取代大型板式塔, 國外有預言 , 10 年后采用規整填料將成為蒸餾操作可取的途徑。
填料塔大型化的關鍵在于解決好放大效應問題。隨著波紋填料的開發成功 , 以及填料塔工程放大基礎理論研究取得重大突破 , 大型填料塔的應用已成為現實 。在煉油行業 ,瑞士蘇爾壽(Sulzer)公司設計的大塔徑達 13500mm ;美國 Glitsch 公司設計的大塔徑達 12495mm ;德國 Montz 公司設計的大塔徑達 10400mm ;天津大學和茂名石化設計院聯合設計的原油減壓塔塔徑達 8400mm , 與金陵石化棲霞山化肥廠聯合設計的尿素除塵塔大塔徑達 10000mm 。
大型填料塔共有五大關鍵部件:規整填料、液體分布器、氣體分布盤 、進氣初始分布器和支承結構,它們的化組合是設備強化的必由之路。
2 新型規整填料
目前規整填料種類多, 形狀不同 ,性能各異 。理想的規整填料應具備以下特點:(1)壓降小 ;(2)分離效率高 ;(3)節能 , 可減小塔徑;(4)液體滯流量少; (5)操作彈性大,適應性強;(6)產品提取率高。Mel-lapak 填料(帶孔波紋板, 材質為不銹鋼等 ,比表面積700m2/m3)是瑞士 Sulzer 公司 20 世紀 70 年代的產品 ,它的問世是規整填料史上一座重要里程碑。如今, Mellapak 的換代產品已經出現, 它們是瑞士 KUHNI 公司的 Rombopak 朗博派克填料 ,德國 RASCHIG 公司的 Raschig -Superpak 填料 , 天津大學的 Zu-pak 填料等。
2.1 Rombopak 填料
該填料是瑞士 K UHNI 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 。
2.2 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 %。
2.3 Optiflow 填料
瑞士 Sulzer 公司在 ACH EMA ' 94 展覽會上推出了一種稱為高技術產品的流(Optiflow)結構填料。這種填料的基本元件是壓有橫向紋理液流溝槽的菱形薄片,其中開有小孔, 菱形片被搭成翼輪狀。
由于該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性能 。
2.4 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 , 開孔率增加了 30 %～ 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 ( 8400mm),目前正處于推廣階段 。
2.5 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。已在國內多座塔器中應用 ,效果顯著 。
2.6 SINOPAK 填料
該填料系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 %～ 25 %,綜合性能達到或于國外同類填料產品。
2.7 CH INAPAK 填料
該填料系天津市博隆科技開發公司開發的規整填料產品, 綜合了金屬孔板波紋填料和金屬矩鞍環填料各自的點, 克服了散堆填料易于溝流的缺點 ,工業應用獲得成功 。
2.8 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 ,旨在改善液體的分布性能,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 。美國 Glitsch 公司在此方面一步 ,國內 20 世紀 90 年代以來, 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, 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 。
3 新型氣液分布器
有了性能良好的填料, 還須有綜合性能良的氣液分布器與之匹配 , 才能保證沒有明顯的放大效應 。目前,國內應用較多的分布器有 :百葉窗式收集器加二級槽式分布器、百葉窗式收集器加排管式分布器、槽盤式液體分布器、升氣管式再分布器及穿流板式再分布器等。
3.1 帶垂直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 ,目前多采用帶垂直布液板的線分布型結構, 按其支承方式可分為三種型式:(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 ,1999 年 6 月金陵石化棲霞山化肥廠 10000mm 尿素除塵塔即采用之 。埋藏梁托槽式液體分布器的主要結構特征在于“埋藏梁” , 云梯梁就位后 , 填料 、填料壓圈、二級槽 、一級槽再依次就位,這種結構可保證分布器的水平度一勞永逸 ,茂名石
化 8400mm 減壓塔三套槽式液體分布器均采用這
種結構。
3.2 槽盤式及新型槽盤式氣液分布器
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:全可拆式結構,局部可拆式結構 ,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 。
與同類技術相比, 該氣液分布器具有更良的綜合性能:抗堵塞 、防夾帶、升液位、適閃蒸 、宜采出、盛漏液、布氣均 、布液勻 。從 1990 年次用于濟南煉油廠 4200mm 潤滑油減壓塔至今 ,已應用于數百座塔中。
3.3 托盤式液體分布器
托盤式液體分布器系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。
3.4 LIQDIST 液體分布器系列
由南京大學開發 , 分三種型號:(1)LIQDIST - Ⅰ型(填料塔液體線分布器),克服了液體點分布的缺陷,使填料層液體呈線性液膜均布 ,有利于消除填料塔的液相端效應 , 并使分離效率明顯提高;(2)LIQDIST -Ⅱ型(填料塔液體面分布器), 使填料塔內液體分布與再分布均勻性逼近限狀態;(3) LIQDIST-Ⅲ(槽盒式液體分布與再分布器):是一種具有抗堵塞功能的液體收集與分布設備, 液相中的漂浮 、懸浮或沉淀顆粒均可得到收集,分布器和填料層堵塞。
4 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尤為重要。
4 .1 雙切向環流式進氣初始分布器
這是清華大學在美國 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。 20 世紀 90 年代初 , 成功地應用于國內 8200m m 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。
4 .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。
4 .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 ,由進氣管、分液器、輻射器 、傘形導流器或捕液吸能器組成, 是徑向式進氣初始分布器的新發展。輻射器由氣體分配器和多層喇叭口狀的導流器組成;傘形導流器由傘骨 、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 ;氣體分布的不均勻度 <0.31 ;液沫夾帶率 < 0.1 %;壓力降 <40Pa 。目前 , 已推廣數十套, 1999年在金陵石化棲霞山化肥廠 10000mm 尿素除塵塔中使用了該分布器。
5 結 語
以上就高效規整填料及新型塔內件進行了概述 ,其實 ,就高效填料塔成套分離工程技術的國產化開發而言,還包括開發新型模擬計算方法 ,采用佳工藝路線等 。有關認為 ,今后幾年,以下幾方面將得到重視和發展 :(1)工藝條件與塔內件的一體化匹配;(2)結構與材質的改進或更新;(3)整塔的設計、制造、安裝和操作 ;(4)故障檢測和診斷技術現代化;(5)設計模型的理論化和普遍化 ;(6)小型熱模-大型冷模 -計算機模擬放大相結合的放大策略。
20 世紀 90 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。
1 引 言
塔器作為汽 -液及液 -液之間進行傳質與傳熱的重要設備 , 廣泛應用于煉油、石化 、精細化工 、化肥、農藥、醫藥、等行業的物系分離 ,涉及蒸(精)餾、吸收、解吸、汽提及等化工單元操作。
塔器分為板式塔和填料塔兩種。板式塔通常結構較為簡單,易于放大 , 造價較低 ;但板式塔普遍存在效率較低,壓降較高,持液量大等缺點 。填料塔近年來發展很快, 尤其是隨著各種新型波紋填料及其它新型塔內件開發成功, 應用填料塔似乎成了一種潮流。特別在真空條件下, 填料塔以其壓力降小的突出點而取得滿意的經濟效果 ,使其與板式塔的競爭變得更為激烈。近 10 年來,蒸餾裝置發展趨勢是現代填料塔逐步取代傳統填料塔 ,并部分取代大型板式塔, 國外有預言 , 10 年后采用規整填料將成為蒸餾操作可取的途徑。
填料塔大型化的關鍵在于解決好放大效應問題。隨著波紋填料的開發成功 , 以及填料塔工程放大基礎理論研究取得重大突破 , 大型填料塔的應用已成為現實 。在煉油行業 ,瑞士蘇爾壽(Sulzer)公司設計的大塔徑達 13500mm ;美國 Glitsch 公司設計的大塔徑達 12495mm ;德國 Montz 公司設計的大塔徑達 10400mm ;天津大學和茂名石化設計院聯合設計的原油減壓塔塔徑達 8400mm , 與金陵石化棲霞山化肥廠聯合設計的尿素除塵塔大塔徑達 10000mm 。
大型填料塔共有五大關鍵部件:規整填料、液體分布器、氣體分布盤 、進氣初始分布器和支承結構,它們的化組合是設備強化的必由之路。
2 新型規整填料
目前規整填料種類多, 形狀不同 ,性能各異 。理想的規整填料應具備以下特點:(1)壓降小 ;(2)分離效率高 ;(3)節能 , 可減小塔徑;(4)液體滯流量少; (5)操作彈性大,適應性強;(6)產品提取率高。Mel-lapak 填料(帶孔波紋板, 材質為不銹鋼等 ,比表面積700m2/m3)是瑞士 Sulzer 公司 20 世紀 70 年代的產品 ,它的問世是規整填料史上一座重要里程碑。如今, Mellapak 的換代產品已經出現, 它們是瑞士 KUHNI 公司的 Rombopak 朗博派克填料 ,德國 RASCHIG 公司的 Raschig -Superpak 填料 , 天津大學的 Zu-pak 填料等。
2.1 Rombopak 填料
該填料是瑞士 K UHNI 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 。
2.2 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 %。
2.3 Optiflow 填料
瑞士 Sulzer 公司在 ACH EMA ' 94 展覽會上推出了一種稱為高技術產品的流(Optiflow)結構填料。這種填料的基本元件是壓有橫向紋理液流溝槽的菱形薄片,其中開有小孔, 菱形片被搭成翼輪狀。
由于該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性能 。
2.4 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 , 開孔率增加了 30 %～ 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 ( 8400mm),目前正處于推廣階段 。
2.5 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。已在國內多座塔器中應用 ,效果顯著 。
2.6 SINOPAK 填料
該填料系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 %～ 25 %,綜合性能達到或于國外同類填料產品。
2.7 CH INAPAK 填料
該填料系天津市博隆科技開發公司開發的規整填料產品, 綜合了金屬孔板波紋填料和金屬矩鞍環填料各自的點, 克服了散堆填料易于溝流的缺點 ,工業應用獲得成功 。
2.8 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 ,旨在改善液體的分布性能,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 。美國 Glitsch 公司在此方面一步 ,國內 20 世紀 90 年代以來, 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, 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 。
3 新型氣液分布器
有了性能良好的填料, 還須有綜合性能良的氣液分布器與之匹配 , 才能保證沒有明顯的放大效應 。目前,國內應用較多的分布器有 :百葉窗式收集器加二級槽式分布器、百葉窗式收集器加排管式分布器、槽盤式液體分布器、升氣管式再分布器及穿流板式再分布器等。
3.1 帶垂直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 ,目前多采用帶垂直布液板的線分布型結構, 按其支承方式可分為三種型式:(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 ,1999 年 6 月金陵石化棲霞山化肥廠 10000mm 尿素除塵塔即采用之 。埋藏梁托槽式液體分布器的主要結構特征在于“埋藏梁” , 云梯梁就位后 , 填料 、填料壓圈、二級槽 、一級槽再依次就位,這種結構可保證分布器的水平度一勞永逸 ,茂名石
化 8400mm 減壓塔三套槽式液體分布器均采用這
種結構。
3.2 槽盤式及新型槽盤式氣液分布器
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:全可拆式結構,局部可拆式結構 ,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 。
與同類技術相比, 該氣液分布器具有更良的綜合性能:抗堵塞 、防夾帶、升液位、適閃蒸 、宜采出、盛漏液、布氣均 、布液勻 。從 1990 年次用于濟南煉油廠 4200mm 潤滑油減壓塔至今 ,已應用于數百座塔中。
3.3 托盤式液體分布器
托盤式液體分布器系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。
3.4 LIQDIST 液體分布器系列
由南京大學開發 , 分三種型號:(1)LIQDIST - Ⅰ型(填料塔液體線分布器),克服了液體點分布的缺陷,使填料層液體呈線性液膜均布 ,有利于消除填料塔的液相端效應 , 并使分離效率明顯提高;(2)LIQDIST -Ⅱ型(填料塔液體面分布器), 使填料塔內液體分布與再分布均勻性逼近限狀態;(3) LIQDIST-Ⅲ(槽盒式液體分布與再分布器):是一種具有抗堵塞功能的液體收集與分布設備, 液相中的漂浮 、懸浮或沉淀顆粒均可得到收集,分布器和填料層堵塞。
4 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尤為重要。
4 .1 雙切向環流式進氣初始分布器
這是清華大學在美國 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。 20 世紀 90 年代初 , 成功地應用于國內 8200m m 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。
4 .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。
4 .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 ,由進氣管、分液器、輻射器 、傘形導流器或捕液吸能器組成, 是徑向式進氣初始分布器的新發展。輻射器由氣體分配器和多層喇叭口狀的導流器組成;傘形導流器由傘骨 、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 ;氣體分布的不均勻度 <0.31 ;液沫夾帶率 < 0.1 %;壓力降 <40Pa 。目前 , 已推廣數十套, 1999年在金陵石化棲霞山化肥廠 10000mm 尿素除塵塔中使用了該分布器。
5 結 語
以上就高效規整填料及新型塔內件進行了概述 ,其實 ,就高效填料塔成套分離工程技術的國產化開發而言,還包括開發新型模擬計算方法 ,采用佳工藝路線等 。有關認為 ,今后幾年,以下幾方面將得到重視和發展 :(1)工藝條件與塔內件的一體化匹配;(2)結構與材質的改進或更新;(3)整塔的設計、制造、安裝和操作 ;(4)故障檢測和診斷技術現代化;(5)設計模型的理論化和普遍化 ;(6)小型熱模-大型冷模 -計算機模擬放大相結合的放大策略。
20 世紀 90 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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