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新型规整填料及填料塔内件
2019-08-13 阅读：次
[ 概述了国内外十多年来开发成功的新型规整填料及填料塔内件(新型气液分布器、填料塔进气初始分布器), 并对其性能及工业应用情况作了简要介绍。
1 引 言
塔器作为汽 -液及液 -液之间进行传质与传热的重要设备 , 广泛应用于炼油、石化 、精细化工 、化肥、农药、医药、等行业的物系分离 ,涉及蒸(精)馏、吸收、解吸、汽提及等化工单元操作。
塔器分为板式塔和填料塔两种。板式塔通常结构较为简单,易于放大 , 造价较低 ;但板式塔普遍存在效率较低,压降较高,持液量大等缺点 。填料塔近年来发展很快, 尤其是随着各种新型波纹填料及其它新型塔内件开发成功, 应用填料塔似乎成了一种潮流。特别在真空条件下, 填料塔以其压力降小的突出点而取得满意的经济效果 ,使其与板式塔的竞争变得更为激烈。近 10 年来,蒸馏装置发展趋势是现代填料塔逐步取代传统填料塔 ,并部分取代大型板式塔, 国外有预言 , 10 年后采用规整填料将成为蒸馏操作可取的途径。
填料塔大型化的关键在于解决好放大效应问题。随着波纹填料的开发成功 , 以及填料塔工程放大基础理论研究取得重大突破 , 大型填料塔的应用已成为现实 。在炼油行业 ,瑞士苏尔寿(Sulzer)公司设计的大塔径达 13500mm ;美国 Glitsch 公司设计的大塔径达 12495mm ;德国 Montz 公司设计的大塔径达 10400mm ;天津大学和茂名石化设计院联合设计的原油减压塔塔径达 8400mm , 与金陵石化栖霞山化肥厂联合设计的尿素除尘塔大塔径达 10000mm 。
大型填料塔共有五大关键部件:规整填料、液体分布器、气体分布盘 、进气初始分布器和支承结构,它们的化组合是设备强化的必由之路。
2 新型规整填料
目前规整填料种类多, 形状不同 ,性能各异 。理想的规整填料应具备以下特点:(1)压降小 ;(2)分离效率高 ;(3)节能 , 可减小塔径;(4)液体滞流量少; (5)操作弹性大,适应性强;(6)产品提取率高。Mel-lapak 填料(带孔波纹板, 材质为不锈钢等 ,比表面积700m2/m3)是瑞士 Sulzer 公司 20 世纪 70 年代的产品 ,它的问世是规整填料史上一座重要里程碑。如今, Mellapak 的换代产品已经出现, 它们是瑞士 KUHNI 公司的 Rombopak 朗博派克填料 ,德国 RASCHIG 公司的 Raschig -Superpak 填料 , 天津大学的 Zu-pak 填料等。
2.1 Rombopak 填料
该填料是瑞士 K UHNI 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 , 大塔径 4000mm 。
2.2 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 %。
2.3 Optiflow 填料
瑞士 Sulzer 公司在 ACH EMA ' 94 展览会上推出了一种称为高技术产品的流(Optiflow)结构填料。这种填料的基本元件是压有横向纹理液流沟槽的菱形薄片,其中开有小孔, 菱形片被搭成翼轮状。
由于该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性能 。
2.4 组片式波纹填料(Zupak)
Zupak 填料是天津大学近年开发的获奖产品 ,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 , 开孔率增加了 30 %～ 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, 一次用在当时国内大直径的塔上 ( 8400mm),目前正处于推广阶段 。
2.5 SM 、SW 、SC 、SB 系列新型规整填料
上海化工研究院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证书。已在国内多座塔器中应用 ,效果显著 。
2.6 SINOPAK 填料
该填料系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 ,分离效率比其他普通波纹规整填料高 10 %～ 25 %,综合性能达到或于国外同类填料产品。
2.7 CH INAPAK 填料
该填料系天津市博隆科技开发公司开发的规整填料产品, 综合了金属孔板波纹填料和金属矩鞍环填料各自的点, 克服了散堆填料易于沟流的缺点 ,工业应用获得成功 。
2.8 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 ,旨在改善液体的分布性能,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 。美国 Glitsch 公司在此方面一步 ,国内 20 世纪 90 年代以来, 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, 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 。
3 新型气液分布器
有了性能良好的填料, 还须有综合性能良的气液分布器与之匹配 , 才能保证没有明显的放大效应 。目前,国内应用较多的分布器有 :百叶窗式收集器加二级槽式分布器、百叶窗式收集器加排管式分布器、槽盘式液体分布器、升气管式再分布器及穿流板式再分布器等。
3.1 带垂直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 ,目前多采用带垂直布液板的线分布型结构, 按其支承方式可分为三种型式:(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 ,1999 年 6 月金陵石化栖霞山化肥厂 10000mm 尿素除尘塔即采用之 。埋藏梁托槽式液体分布器的主要结构特征在于“埋藏梁” , 云梯梁就位后 , 填料 、填料压圈、二级槽 、一级槽再依次就位,这种结构可保证分布器的水平度一劳永逸 ,茂名石
化 8400mm 减压塔三套槽式液体分布器均采用这
种结构。
3.2 槽盘式及新型槽盘式气液分布器
槽盘式气液分布器是天津大学获发明奖的技术,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:全可拆式结构,局部可拆式结构 ,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 。
与同类技术相比, 该气液分布器具有更良的综合性能:抗堵塞 、防夹带、升液位、适闪蒸 、宜采出、盛漏液、布气均 、布液匀 。从 1990 年次用于济南炼油厂 4200mm 润滑油减压塔至今 ,已应用于数百座塔中。
3.3 托盘式液体分布器
托盘式液体分布器系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。
3.4 LIQDIST 液体分布器系列
由南京大学开发 , 分三种型号:(1)LIQDIST - Ⅰ型(填料塔液体线分布器),克服了液体点分布的缺陷,使填料层液体呈线性液膜均布 ,有利于消除填料塔的液相端效应 , 并使分离效率明显提高;(2)LIQDIST -Ⅱ型(填料塔液体面分布器), 使填料塔内液体分布与再分布均匀性逼近限状态;(3) LIQDIST-Ⅲ(槽盒式液体分布与再分布器):是一种具有抗堵塞功能的液体收集与分布设备, 液相中的漂浮 、悬浮或沉淀颗粒均可得到收集,分布器和填料层堵塞。
4 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尤为重要。
4 .1 双切向环流式进气初始分布器
这是清华大学在美国 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良的综合性能, 应用颇广。 20 世纪 90 年代初 , 成功地应用于国内 8200m m 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。
4 .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 ,其作用在于下部液体被气流搅起而产生严重液沫夹带。
4 .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 ,由进气管、分液器、辐射器 、伞形导流器或捕液吸能器组成, 是径向式进气初始分布器的新发展。辐射器由气体分配器和多层喇叭口状的导流器组成;伞形导流器由伞骨 、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良的综合性能 ;气体分布的不均匀度 <0.31 ;液沫夹带率 < 0.1 %;压力降 <40Pa 。目前 , 已推广数十套, 1999年在金陵石化栖霞山化肥厂 10000mm 尿素除尘塔中使用了该分布器。
5 结 语
以上就高效规整填料及新型塔内件进行了概述 ,其实 ,就高效填料塔成套分离工程技术的国产化开发而言,还包括开发新型模拟计算方法 ,采用佳工艺路线等 。有关认为 ,今后几年,以下几方面将得到重视和发展 :(1)工艺条件与塔内件的一体化匹配;(2)结构与材质的改进或更新;(3)整塔的设计、制造、安装和操作 ;(4)故障检测和诊断技术现代化;(5)设计模型的理论化和普遍化 ;(6)小型热模-大型冷模 -计算机模拟放大相结合的放大策略。
20 世纪 90 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。
1 引 言
塔器作为汽 -液及液 -液之间进行传质与传热的重要设备 , 广泛应用于炼油、石化 、精细化工 、化肥、农药、医药、等行业的物系分离 ,涉及蒸(精)馏、吸收、解吸、汽提及等化工单元操作。
塔器分为板式塔和填料塔两种。板式塔通常结构较为简单,易于放大 , 造价较低 ;但板式塔普遍存在效率较低,压降较高,持液量大等缺点 。填料塔近年来发展很快, 尤其是随着各种新型波纹填料及其它新型塔内件开发成功, 应用填料塔似乎成了一种潮流。特别在真空条件下, 填料塔以其压力降小的突出点而取得满意的经济效果 ,使其与板式塔的竞争变得更为激烈。近 10 年来,蒸馏装置发展趋势是现代填料塔逐步取代传统填料塔 ,并部分取代大型板式塔, 国外有预言 , 10 年后采用规整填料将成为蒸馏操作可取的途径。
填料塔大型化的关键在于解决好放大效应问题。随着波纹填料的开发成功 , 以及填料塔工程放大基础理论研究取得重大突破 , 大型填料塔的应用已成为现实 。在炼油行业 ,瑞士苏尔寿(Sulzer)公司设计的大塔径达 13500mm ;美国 Glitsch 公司设计的大塔径达 12495mm ;德国 Montz 公司设计的大塔径达 10400mm ;天津大学和茂名石化设计院联合设计的原油减压塔塔径达 8400mm , 与金陵石化栖霞山化肥厂联合设计的尿素除尘塔大塔径达 10000mm 。
大型填料塔共有五大关键部件:规整填料、液体分布器、气体分布盘 、进气初始分布器和支承结构,它们的化组合是设备强化的必由之路。
2 新型规整填料
目前规整填料种类多, 形状不同 ,性能各异 。理想的规整填料应具备以下特点:(1)压降小 ;(2)分离效率高 ;(3)节能 , 可减小塔径;(4)液体滞流量少; (5)操作弹性大,适应性强;(6)产品提取率高。Mel-lapak 填料(带孔波纹板, 材质为不锈钢等 ,比表面积700m2/m3)是瑞士 Sulzer 公司 20 世纪 70 年代的产品 ,它的问世是规整填料史上一座重要里程碑。如今, Mellapak 的换代产品已经出现, 它们是瑞士 KUHNI 公司的 Rombopak 朗博派克填料 ,德国 RASCHIG 公司的 Raschig -Superpak 填料 , 天津大学的 Zu-pak 填料等。
2.1 Rombopak 填料
该填料是瑞士 K UHNI 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 , 大塔径 4000mm 。
2.2 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 %。
2.3 Optiflow 填料
瑞士 Sulzer 公司在 ACH EMA ' 94 展览会上推出了一种称为高技术产品的流(Optiflow)结构填料。这种填料的基本元件是压有横向纹理液流沟槽的菱形薄片,其中开有小孔, 菱形片被搭成翼轮状。
由于该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性能 。
2.4 组片式波纹填料(Zupak)
Zupak 填料是天津大学近年开发的获奖产品 ,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 , 开孔率增加了 30 %～ 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, 一次用在当时国内大直径的塔上 ( 8400mm),目前正处于推广阶段 。
2.5 SM 、SW 、SC 、SB 系列新型规整填料
上海化工研究院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证书。已在国内多座塔器中应用 ,效果显著 。
2.6 SINOPAK 填料
该填料系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 ,分离效率比其他普通波纹规整填料高 10 %～ 25 %,综合性能达到或于国外同类填料产品。
2.7 CH INAPAK 填料
该填料系天津市博隆科技开发公司开发的规整填料产品, 综合了金属孔板波纹填料和金属矩鞍环填料各自的点, 克服了散堆填料易于沟流的缺点 ,工业应用获得成功 。
2.8 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 ,旨在改善液体的分布性能,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 。美国 Glitsch 公司在此方面一步 ,国内 20 世纪 90 年代以来, 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, 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 。
3 新型气液分布器
有了性能良好的填料, 还须有综合性能良的气液分布器与之匹配 , 才能保证没有明显的放大效应 。目前,国内应用较多的分布器有 :百叶窗式收集器加二级槽式分布器、百叶窗式收集器加排管式分布器、槽盘式液体分布器、升气管式再分布器及穿流板式再分布器等。
3.1 带垂直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 ,目前多采用带垂直布液板的线分布型结构, 按其支承方式可分为三种型式:(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 ,1999 年 6 月金陵石化栖霞山化肥厂 10000mm 尿素除尘塔即采用之 。埋藏梁托槽式液体分布器的主要结构特征在于“埋藏梁” , 云梯梁就位后 , 填料 、填料压圈、二级槽 、一级槽再依次就位,这种结构可保证分布器的水平度一劳永逸 ,茂名石
化 8400mm 减压塔三套槽式液体分布器均采用这
种结构。
3.2 槽盘式及新型槽盘式气液分布器
槽盘式气液分布器是天津大学获发明奖的技术,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:全可拆式结构,局部可拆式结构 ,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 。
与同类技术相比, 该气液分布器具有更良的综合性能:抗堵塞 、防夹带、升液位、适闪蒸 、宜采出、盛漏液、布气均 、布液匀 。从 1990 年次用于济南炼油厂 4200mm 润滑油减压塔至今 ,已应用于数百座塔中。
3.3 托盘式液体分布器
托盘式液体分布器系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。
3.4 LIQDIST 液体分布器系列
由南京大学开发 , 分三种型号:(1)LIQDIST - Ⅰ型(填料塔液体线分布器),克服了液体点分布的缺陷,使填料层液体呈线性液膜均布 ,有利于消除填料塔的液相端效应 , 并使分离效率明显提高;(2)LIQDIST -Ⅱ型(填料塔液体面分布器), 使填料塔内液体分布与再分布均匀性逼近限状态;(3) LIQDIST-Ⅲ(槽盒式液体分布与再分布器):是一种具有抗堵塞功能的液体收集与分布设备, 液相中的漂浮 、悬浮或沉淀颗粒均可得到收集,分布器和填料层堵塞。
4 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尤为重要。
4 .1 双切向环流式进气初始分布器
这是清华大学在美国 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良的综合性能, 应用颇广。 20 世纪 90 年代初 , 成功地应用于国内 8200m m 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。
4 .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 ,其作用在于下部液体被气流搅起而产生严重液沫夹带。
4 .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 ,由进气管、分液器、辐射器 、伞形导流器或捕液吸能器组成, 是径向式进气初始分布器的新发展。辐射器由气体分配器和多层喇叭口状的导流器组成;伞形导流器由伞骨 、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良的综合性能 ;气体分布的不均匀度 <0.31 ;液沫夹带率 < 0.1 %;压力降 <40Pa 。目前 , 已推广数十套, 1999年在金陵石化栖霞山化肥厂 10000mm 尿素除尘塔中使用了该分布器。
5 结 语
以上就高效规整填料及新型塔内件进行了概述 ,其实 ,就高效填料塔成套分离工程技术的国产化开发而言,还包括开发新型模拟计算方法 ,采用佳工艺路线等 。有关认为 ,今后几年,以下几方面将得到重视和发展 :(1)工艺条件与塔内件的一体化匹配;(2)结构与材质的改进或更新;(3)整塔的设计、制造、安装和操作 ;(4)故障检测和诊断技术现代化;(5)设计模型的理论化和普遍化 ;(6)小型热模-大型冷模 -计算机模拟放大相结合的放大策略。
20 世纪 90 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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