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现代化工填料塔技术发展现状与展望
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现代化工填料塔技术发展现状与展望

2020-02-10      阅读:
化工填料塔作为一种传质设备,具有效率高、压降低、持液量小、构造简单、安装容易、投资少等优点,广泛用于分离操作。论述了国内外填料塔技术的发展现状,详细介绍了各种新型散堆填料、规整填料、液体分布器和气体分布器的结构特点、流体力学性能和传质性能,并比较了各自的优缺点。同时展望了填料塔今后发展趋势和技术开发方向。
填料塔具有效率高、压降低、持液量小、构造简单、安装容易、投资少等优点,是石油、化工、化纤、轻工、制药及原子能等工业中广泛应用的气液接触传质设备之一。过去,由于其存在着放大效应和壁流效应,使其应用仅仅局限于小塔上。近年来,人们进行了大量的研究,取得了突破性进展,目前应用的规整填料最大直径可达14~20m,突破了仅限于小塔的传统观念,并在现代化工生产中得到更为普遍的应用。目前的研究主要集中在填料、液体分布器和气体分布器等方面。本文就是这几个方面的一个综述和展望。
1新型填料
散堆填料是具有一定几何尺寸的颗粒体,在塔内以散堆方式堆积。散堆填料及其塔设备主要用在吸收、解吸、精馏、干燥和萃取等气一液或液一液接触的传质传热过程。近年来一些新型高效散堆填料的出现以及在一些行业的成功应用,如环保行业从烟气中除去HC1和SO等,说明散堆填料将在某些领域得到新的发展。另外,国内外最新的研究表明,在液液萃取、液气比很大的吸收和高压精馏情况下,应用散堆填料的操作性能优于规整填料和塔盘j。因此在合成氨的气体净化、石油化工和焦化等领域,散堆填料得到广泛的应用。
此外,反应蒸馏、硫化干燥和超重力分离等领域也在使用散堆填料。
(1)IMPAC填料
IMPAC填料最初由美国Lantc公司提出,它集扁、鞍和环结构于一体。它可以看作由若干个Intalox填料连体而成,采用多褶壁面、多层筋片、消除床内死角和单体互相嵌套等技术,所以该填料兼有规整填料和散堆填料之特性。
其特点如下:
①与一般的散堆填料相比,通量可以提高10%一30%;
②具有高比表面积,可达l3lm。/m’,与一般的散堆填料相比,单元传质高度低,可下降5%一35%;③无翻边结构,避免了气液滞留;
④多层翅片,自分布性能优良,故对气液分布器的要求远不如规整填料严格;
⑤压降小,可比一般散堆填料下降5%一15%;⑥单位外形呈扁环,填料单元立放最稳,有利于加强气液湍动,活化内表面;⑦既具有一般散堆填料拆装方便、维修改造灵活的特性,又具有规整填料比表面积大、空隙率高、流体分布均匀的优点。
(2)阶梯短环填料
阶梯短环填料(CascadeMiniRing,CMR)是美国Glitsch公司兼并英国传质公司后大力推广的一种散堆填料,与其前身阶梯环相比,其高径比从原来的O.5降到O.3。这种看似简单的几何特性却是CMR性能优越的关键。大量试验表明,CMR的性能确实明显优于鲍尔环和筛板塔,其压降约为拉西环的30%,传质系数比拉西环大约提高50%。因此,CMR的应用很广泛,已在近千座工业塔中得到广泛应用。
(3)超级扁环填料
清华大学研制的内弯弧型筋片扁环填料(QU—l型扁环填料),其结构特点为:①采用和传统填料不同的内弯弧型筋片结构,使填料内部的流道更为合理,提高了传质效率,同时这种结构可提高填料的强度;②针对液体系轴向混合严重的特点,采用0.2—0.3的高径比,使填料在乱堆时也能体现一定程度的有序排列,从而降低了阻力,在有效抑制了两相的非理想流动,有助于进一步提高处理能力和传质系数;③可根据体系和生产要求,采用多种材质2n-r制造,且有多种规格,因而选用范围宽,操作弹性大。试验研究和工业应用表明,
QH—l型扁环填料具有优异的性能;用于液液萃取时,此填料的性能明显优于鲍尔环、Intalox等填料,轴向混合小,处理能力大,压降小,传质效率提高20%以上。
为进一步提高扁环填料的性能,又开发了新的挠性梅花扁环填料(QH一2型扁环填料),
比QH—I型又有所提高。试验表明,与鲍尔环相比,QH一2型扁环填料处理能力约提高15%一35%,传质系数约提高15%一25%l_5J。
(4)双鞍环填料
这是北京化工大学研发的双鞍环新型填料,具有如下特点:
①双鞍环在结构上属于开孔环、鞍环,既包含环矩鞍的构成,又融人纳特环的构思。由于突破一般填料的对称性,有利于构成较为均衡的床层,提供良好的水力学和传质的硬件条件;
②双鞍环的基本性能全面优于环矩鞍,负载能力提高约10%,压降减少10%~20%,分离效率提高约17%。尤其是传质单元压降减少近40%,这对于塔的节能改造、热敏性物系的分离以及真空精馏设计具有较高的实用价值;
③在若干技术经济指标的对比上,双鞍环不仅有较高的综合技术指标,而且在节省材耗和提高强度重量比等方面也呈现出较强的经济性,比环矩鞍更具有竞争力。
近年来,我国还引进和吸收了许多高效、先进的散堆填料。如金属矩鞍环(IMTP)、改进型金属鲍尔环(Hy—PAK)、金属阶梯环塑料矩鞍环共轭环、0型网填料等,也较接近理想填料,比规整填料具有更好的自清理能力,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几个方面:
①散堆填料的自规整化,如QH型扁环填料与鲍尔环比较,其重心降低很多,在塔内装填时,纵向取向几率要大得多,因此填料表面的液膜更加均匀,压降也大幅度地降低,传质效率提高30%~50%;
②开发适用于新塔型的散堆填料,如用于硫化填料塔、旋转填料塔等;
③填料功能复合化,如Koch—Glitsch公司发明了一种内部填充催化剂的鞍形填料用于反应蒸馏J,该填料兼有气液传质和催化反应两种特I生,且制造成本低廉;
④对填料表面加以改进以提高传质效率。
1.2规整填料
近年来,有关规整填料性能、设计方法和应用方面的报道很多J。规整填料塔(丝网波纹填料孔板波纹填料等)以其处理能力大、效率高、压降低、能耗小等特点,在填料塔的应用及塔盘的改造中得到广泛的应用。规整填料上的网孔或波纹便于液膜形成,其波纹的导向性有良好的细分布作用,且使液体的沟流大大减少。规整填料塔中壁流仍是影响塔内介质反应效率的主要因素之一,特别是填料层过高时尤其如此。所以,掌握塔内的壁流量并设法降低是十分必要的。目前规整填料种类多、形状不同、特性各异。但理想的规整填料应具备以下特点:
①阻力压降小;
②分离效率高;
③通量大;
④操作弹性大,适应性强;
⑤放大效应低。
Mellapak填料(带孔波纹板,材质不锈钢等,比表面积700m /m )是瑞士Sulzer公司的专利产品,它的问世是20世纪70年代规整填料史上一座重要里程碑j。此后,规整填料新品种层出不穷。近几年瑞士KUHNI公司的Rombopak填料,德国RASCHIG公司的Ras.chig—Superpak填料开发应用比较成功。国内在规整填料方面也有突破,如天津大学与英国 
Aston大学联合开发的Unpak脉冲规整填料、天津大学的Zupak填料、天津博隆科技开发公司的CHINAPAK填料等、天津市天进新技术开发公司开发的板花规整填料、清华大学开发的新型复合填料、分层填料等,都在工业中取得了成功的应用“。
(1)Rombopak填料
该填料是瑞士KUHNI_1公司20世纪80年代研究开发的一种垂直板网类规整填料。它率先开辟了按照气液最佳流路设计规整填料的新途径。据悉,该填料已推广应用于400多座塔中,最大塔径4000mm。
(2)Raschig—Superpak填料
该填料是德国Raschig公司开发的高性能规整填料。据称Raschig—Superpak300在比表面积和分离效率相同的条件下,与传统的规整填料相比,通量提高了26%,压力降降低了
33%。
(3)Optiflow填料瑞士Sulzer公司在ACHEMA’94展览会上推出了一种称为高技术产品的一流结构填料(Optiflow)。这种填料的基本原件是压有横向纹理液流沟糟的菱形薄片,并在其中开小孔,
将菱形片搭成翼轮状,由于这种填料有很好的几何结构形式和高度的对称性,因而可以显著提高填料的分离技术性能。
(4)组片式波纹填料(Zupak)¨
Zupak填料是天津大学近年开发的获奖专利产品,目前有两大类8种型号。Zupak填料和相应型号的Mellapak填料相比,比表面积增加10%左右,开孔率增加30%一40%,分离效率提高约10%,通量提高20%,压力降降低30%左右。开发成功后,第一次用在当时国内最大直径的塔上((2j8400mm),目前正处于推广阶段。
(5)SM、SW、SC、SB系列新型规整填料 
上海化工研究院国家高效分离塔填料及装置技术研究推广中心于20世纪70年代开发了SC、SB丝网波纹填料系列,80年代开发了SM系列孔板波纹填料;90年代开发了SW系列网孔波纹填料并取得专利证书。己在国内多座塔器中应用,效果显著。
(6)SINOPAK填料 
该填料是南京大学开发的波纹型系列无壁流规整填料,采用了专门的防壁流设计。1996年取得中国专利,分离效率比其他普通波纹规整填料高10%一25%,综合性能达到或优于国外同类填料产品。
(7)自分布填料和再分布填料 
自分布填料是将特制的规整填料作为液体再分布器使用的旨在改善液体分布性能的填料,其作用是将多点式或多线式液体分布状态变成多线式或面分布状态,以减少液体分布的端效应。这方面工作美国Glitsch公司领先一步,国内1990年以来,天津大学研制的自分布填料已在工程上得到应用。
相对于填料层两端气液分布的端效应,填料层中部存在着“中效应”。再分布填料就是为了消除“中效应”而专门设计的一种特制填料,换言之,它不仅克服了壁流现象,重要的是它能将环塔壁区的高液流量向塔心缩移,
同时又将塔中心部位的高气流量向环塔壁区扩展,它既是液体再分布器,又是气体再分布器,同时还起传质作用。
自分布填料和再分布填料都既适用于规整填料塔,也适用于散装填料塔。
(8)新型复合填料¨ 
清华大学研究开发的新型复合填料是在规整填料基础上采用交错90。排列的水平波纹(PFG)组合而成。PFG本身是一种填料,同时又起到分布器的作用,具有良好的自分布性能。分离效果比规整填料提高15%一20%,
每米填料的理论板数比同规格的Sulzer填料高15%左右。尤其适合于要求精密分离的精馏塔,特别是高纯度产品的分离。
(9)分层填料 
在新型复合填料基础上采用一定厚度的复合填料单元体为塔板,形成分层填料塔板。传质效率高、填料用量少(降低填料成本)、高效低阻,性能优于一般塔板和填料。特别适用于真空精馏工况条件下的高纯度分离。
规整填料塔不仅在一般情况下可提高分离效率,降低能耗,而且尤其适合一些特殊情况,如难分离物系、热敏物系、真空蒸馏等。
国内近几年应用成功的领域有:
①乙烯/苯乙烯精馏塔的改造;
②炼油厂减压塔的改造;
③炼油的催化裂化吸收稳定装置、脱硫塔、烷基苯分馏塔等;
④化肥行业合成氨装置造气洗气塔、净化半脱塔、变脱塔、再生塔等设备的技改、尿素除尘塔。
2新型液体分布器
填料性能再好,没有良好的塔顶液体初始分布,填料是发挥不了它的优越性的。因此,液体在塔顶的初始均匀喷淋,是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。由此正确设计液体分布装置显得尤其重要。
经过长期的摸索,人们总结设计出了种类繁多的各式液体分布器-1。-18],它们结构各异,适用的对象也不尽相同。从最初的压力喷头到现在高性能的槽式液体分布器,分布质量越来越高,结构也越来越精细¨引。
(1)带垂直分布液板的槽式液体分布器多级槽式液体分布器在大型填料塔中应用很广,目前多采用带垂直分布液板的线分布型结构,按其支承方式可分为3种型式:①压圈托槽式;②悬槽式;③埋藏梁托槽式。其中悬槽式液体分布器因其喷淋孔的水平度不受填料床层变化的影响,目前国内外应用较广
(2)槽盘式及新型槽盘式液体分布器 
槽盘式气液分布器是天津大学获国家发明
奖的专利技术,由五部分组成:矩形升气管、V形挡液板、特制导液管、铺板和连接件。有三种基本结构:①全可拆式结构;②局部可拆式结构;③全焊接式结构。新型槽盘式气液分布器主要特点在于增设了防护屏和自动排污系统,抗堵塞能力更强。
与同类产品相比,该分布器具有更优良的综合性能引:抗堵塞、防夹带、升液位、适闪蒸、易采出、盛漏液、布气均、布液均。从1990年首次用于济南炼油厂~4200mm润滑减压塔至今,已用于数百座塔中。
(3)托盘式液体分布器 
托盘式液体分布器是在槽盘式液体分布器基础上开发而成,其液体分布盘的外径比塔的内径小,分布盘外径的具体数值由液体分布点的要求决定。另外在收集槽的上面增加一个梅花型挡圈,以收集壁流液体。这样使塔内靠塔壁的环形部分变成了既能通气又可设置液体分布点的大通道,使塔的分离效率得到提高,此外还可提高塔的允许通量。
3填料塔进气初始分布器
随着大型填料塔的发展,其进气初始分布器的研究、设计及应用越来越受到重视,尤其在低压、常压或减压下操作的填料塔,进气初始分布器的作用较为重要。填料塔内气体分布的研究远不如液体分布研究来得透彻。因此,研究气体分布器的性能,了解其中气液运动的规律,探索其合理结构并在此基础上开发性能优良的气体分布器,对大型填料塔的合理设计和优质高产,具有重要意义。
(1)双切向环流式进气初始分布器 
该种进气初始分布器是清华大学在美国Glitsch公司单切向进气分布器基础上研制出的一种面对称类、环流型、导流式进气初始分布器,由锥形进气口、环向导流板、内套筒、环形封板、轴向导流板等部件组成。
该进气初始分布器具有优良的综合性能,应用颇广。2O世纪9O年代初,成功地应用于国内8200mm润滑油型减压塔中;瑞士Sulzer公司1996年在某炼油厂减压塔中也采用了该分布器。
(2)带导流器和捕液吸能器的双切向环流式进气初始分布器
天津大学化学工程研究所对双切向环流式进气初始分布器进行了改进,设计了带导流器和捕液吸能器的双切向环流式进气初始分布器。其特点是改进了导流板的结构,多层倒锥式导流器使气流分布更均匀;捕液吸能器则是由栅板式框架与捕液填料所组成,其作用在于防止下部液体被气流搅起而产生严重液沫夹带。
(3)辐射式进气初始分布器 
辐射式进气初始分布器由天津大学开发。
它是一种轴对称类、导流型进气初始分布器,是径向式进气初始分布器的最新发展,由进气管、分液器、伞形导流器或捕液吸能器组成。辐射器是由气体分配器和多层喇叭口状的导流器组成;伞形导流器是由伞骨、同心导流环和捕液器组成;捕液吸能器则由环形框架和脱气填料组成。
辐射式进气初始分布器具有更为优良的综合性能_2引:气体分布不均匀度<0.31;液沫夹带率<0.1%;压力降<40Pa。目前,已推广几十套,1999年在南京化肥厂10000mm尿素除尘塔中使用了该分布器。
4结束语
以上就高效新型填料、气液分布器等进行了概述。其实,就高效填料塔成套分离工程技术的国产化开发而言,重要的方面包括开发新型模拟计算方法,采用最佳工艺路线等。所以今后填料塔将可能从以下几个方面得到发展:
一是不断开发更简单、更高效的填料,即沿着理想塔填料的方向发展。所谓理想塔填料就是要求传质效率高、分离能力大、压降低和成本合理。二是塔内件。它是填料塔技术发展的关键之一,发展方向应是开发先进的与高效填料相匹配的低压降气液分布系统。另外,在工艺流程方面也应作相应的改进,建立复合分离技术会是一项全新而有效的节能技术。
20世纪9O年代以来,随着一些新型塔板及大通量、低压降、高效规整填料和塔内件的开发应用成功,塔器成套分离工程技术进入了一个崭新阶段。可以预测,21世纪的塔器分离技术将向行业化、复合化、节能化、大型化方向发展。

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