规整填料在应用中的问题

由图可见 ,当 ψ> 0. 3, 规整填料的 CG 下降很快 , 表示此时它的允许通量 wG 将不如塔板和散堆填料 ,与此同时它的分离效率也将急剧下降。产生这种高压精馏下的反常情况 (此时 ψ均较大 )是由于: ①塔操作温度高 , 致使液体粘度低 , 扩散性提高 , 而气体因高压密度增加 , 溶解度相应增加; ②液体喷淋密度较大 , 液相向下的动量较气相大 , 故较多的气相被液体带下 , 造成严重气相返混 , 这是分离效率下降的主要原因; ③由于液相喷淋量大 , 在填料表面不能形成均匀的膜状流

动 , 液体充塞填料空间 , 既不利于传质 , 也了气相的流动。 为此应在设计中采用合适、 的液体分布器 , 并采取较浅的填料层等 , 以以上不利因素[8 ]。规整填料用于高压吸收则情况不同 , 如在 12 M Pa 压力下的铜洗塔采用全规整填料改造散堆填料已有大量成功实例 , 1. 7 M Pa的碳丙脱碳塔也有用全规整填料的报道。 可以认为 , 这是由于吸收在常温下 , 且铜洗塔属化学吸收。 此外 , 其喷淋密度尚不算大 , ψ值也不太大 (约 0. 7左右 )。脱碳塔情况要特殊些 , 碳丙脱碳的喷淋密度超过 100 m3 / ( m2• h ) , ψ值在 3以上 , 此时用规整填料反不如散堆填料 , 因为这时规整填料的势很难发挥。 在实践中我们采用以散堆填料为主 , 配合新型液体分布器和少部分规整填料 , 形成一种散堆填料— 规整填料— 新型液体分布器的组合技术 , 对大量脱碳塔改造均取得了成功 [9 ]。 4 规整填料的操作弹性规整填料的操作弹性即气、 液相负荷上下限的研究报道很少 , 作者曾就此发表专文[ 10]。如前所述 , 气相负荷上限受填料液泛的制约 , 液相负荷上限除受液泛决定外 , 还受喷淋密度或 ψ值(不能太大 ) 的影响。但气、 液相负荷的下限则讨论很少 , 主要是缺乏有根据的具体数据。 当气相负荷过小时 , 在规整填料表面难于形成激烈的气液传质 , 同时气相分布也会不均 , 这些都将使填料分离效率下降。但有关 Mellapak填料的实验均没有明确给出下限值 , 在资料 [10] 中只能根据苏尔寿公司学者提供的实验数据 , 建议小气相空塔动能 F 取 0. 5～ 0. 6,因为 F 值过小就没有可靠数据可供应用了。 空塔气速过小的情况常不受注意 , 此时建议减小塔径以保证填料能在较高的气相负荷下操作 , 分离效率才可保证。

 

液相负荷也不宜过小 , 规整填料对液体喷淋密度应有下限要求。 液体喷淋不足肯定不能保证填料表面的充分润湿 , 甚至形成干区 , 使填料有效表面积和几何表面积之比 ( ae /a ) 减小 , 而填料效率直接与 ae 有关。在资料 [10 ] 中推荐了计算 ae /a的相关公式和试验曲线 , 可以看出 ae 与喷淋密度密切相关 , 在此文所举例题中建议的小喷淋密度为 4. 7 m3 / ( m2• h)。小喷淋密度还与液体分布器的设计有关。分布器的孔径 d 与喷淋量 Q有以下关系:,其中 h 是喷淋孔以上液位高度 , 有推荐 h> 15m m 即可 ,但考虑安装和制造的水平度、孔的堵塞及操作弹性 , 我们设计中多取 h= 100～ 150 mm, 在喷淋密度较小时 , 此值也可取小些。n是喷淋孔数目 , 按推荐 Mellapak 应为 100点 /m2 , BX 为200点 /m2 , CY为 300点 /m2 [11 ]。若喷淋密度取 3 m3 / ( m2• h) , h= 40 mm , 则喷淋孔的直径将分别为 4. 4、 3. 1和 2. 5 m m, 当喷淋密度再小 , 孔径将更小 , 此种情况下很易发生堵孔 , 如在真空精馏塔又用丝网波纹填料 ( BX或 CY) 时将难以避免。 这时应采取适当的措施 , 比如适当减少喷淋点数目 , 并使由孔淋降的液流重新分布 , 如有些文献提到的由点分布变为线分布。

 

 

5. 1  填料层分段高度

 

虽然规整填料有较好的液体分布性能 , 与散堆填料相比 , 壁流较小 , 也即放大效应较小 , 但仍不可能完全避免气、液流产生壁流和分布不均 , 特别当初始分布不良时更难以避免。 故填料层亦不能太高 , 在每层之间设置气、 液再分布器。 散堆填料应用较久 , 它的每层填料高度按塔径有较多推荐 ,规整填料的填料分层高度则较少报导。资料[11 ]推荐 Mellapak 250Y每层大高度为 6m , BX 丝网为 3 m, CY丝网为 2 m。 250Y的 6 m 推荐值据信参考了苏尔寿公司的有关资料 [12 ] , 这些学者在 1 m 塔中分别以 1. 4、 4. 4和 6. 6 m 的填料高度用三种物系进行精馏试验 , 证明填料层高度不同 , 塔的分离效率差别很小 , 故认为每层填料高度可达 6. 6 m。 虽然塔径不同应稍有区别, 但考虑到分层太多结构复杂 , 以及规整填料壁流效应较小 , 对 M ella pak取每层填料高度 5 m 左右是恰当的。有些设计采取更高的填料层高度 , 这时往往要采取一些防壁流措施。 至于丝网填料分离高度较低主要与它们自分布径向分布系数较小有关。

 

5. 2  喷淋点密度

 

每层填料的液体初始分布十分重要 , 应有足够的喷淋点密度 , 散堆填料可以较少 , 如有的推荐可在 40～ 50点 /m2 , 而规整填料则要求较多 , 如前提及的要 100～ 300点 /m2。有足够喷淋点密度的目的是使液体能尽快沿整个填料塔截面均匀分布 , 使之有良好的气液接触 , 减小端效应。 若喷淋点较少 , 将会使填料层顶部有一部分填料起再分布作用而无法充分润湿。 喷淋点密度大小与填料自身的液体径向分布系数直接有关。 这一系数较大 , 液体越容易沿塔截面自然扩散分布 , 同时从壁面返回主体区的可能性也较大 , 此时采用较少的喷淋点密度就可以减少端效应的不良影响。 散堆填料径向分布系数的实验表明 , 新型散堆填料较老式散堆填料具有较小的径向分布系数。规整填料因盘较高 , 一般为 200 mm , 液体又沿一定波纹流动 ,故它们的径向分布系数更小 ,要求的喷淋点密度更大。 比表面积越大 , 波纹板片愈密 , 径向扩散愈难 , 对初始分布的要求也越高 , 喷淋点密度更要大。

 

5. 3  新型规整填料

 

规整填料的种类很多 , 根据几何结构可分为波纹填料、 格栅填料、 脉冲填料等 , 现在国内应用多的规整填料是金属孔板波纹填料 , 虽然各厂产品有自己的品种或型号 , 但基本与瑞士苏尔寿公司的 Mellapak相同或相近 , 主要原因是它应用时间长、 设计数据较多、 应用成熟、 制造较易、 成本较低。 70年代末 M ellapak问世以后 , 各种波纹型规整填料的品种层出不穷[ 14]。它们有各自的特点 , 但不外包括如下几个方面: 对波纹板进行表面处理或加工以提高液体浸润性和液膜湍动, 改善传质 ; 改变板片的几何结构和参数以增加传质面积; 加强气、 液在板片间流动以增加湿润面积和改善液体横向分布; 改善液气的分布并使之更规整和有效流动 , 终提高填料的有效面积 , 减少壁流、 沟流和放大效应。

 

近几年 , 国内在普遍推广国外新填料技术的基础上 , 发挥自己的技术势 , 陆续提出了自己的新产品或 , 它们也多是从以上某几个方面进行研究和改进 , 显示各自的特点 , 有些新产品已在一些塔器中应用 , 效果很好。 但是 , 这些产品缺少足够令人信服的实验数据 , 热试或工厂应用的具体对比也不充分 , 说明这些并没有下很大的气力使自己的产品系列化、 规范化 , 而只是满足于推出新产品以新奇取胜。 我们应以国外一些大公司的经验为鉴 , 锲而不舍地投入必要的资金和人力 ,进行较长期细致的工作 , 使自己的产品性能更完善、 更全面、 更可信 , 进而提出可靠的设计方法 , 其中更要收集工厂应用的具体结果以完善和补充实验室和理论研究数据。 在这样持之以恒的工作后 , 可以期望我们自己的一些规整填料新产品必将占领国内更大的市场份额 , 进而走向世界。