1 前言
在化工生產中,氣液兩相直接接觸進行傳質或傳熱最常應用的塔設備,主要有板式塔和填料塔兩大類。早年,板式塔多為泡罩塔;填料塔多用拉西環、鮑爾環。隨著塔設備技術的發展,老式的塔板和填料逐漸被淘汰。我國自70年代起,在塔板上各廠開始應用F1浮閥、篩板、MD板、旋流塔板,近幾年垂直篩板在一些化肥廠引起注意;在填料上選用較先進的階梯環、金屬環矩鞍(Intalox),80年代以來孔板波紋填料(Mellapak)在國內的應用發展很快。總之,新型塔板和新型填料的應用已成為許多廠分離和凈化工序技術改造的熱點,成為各廠提高產量、改進分離和凈化質量、減少能耗、安全生產和穩定操作的重要技術措施。以板波規整填料為代表的新型填料,由於分離能力較大,通量較高,壓降較低,可用之改造和代替板式塔,因此,一個時期其應用幾乎遍及全國許多工廠。但是,採用板波填料一次投資較大,維修不便,在有結焦、結垢或液相不凈等場合應用受到限制。此外,在高壓精餾塔中應用板波填料往往達不到預期效果,因為此時氣液比過小,以及氣相返混劇烈等原因使分離效率下降;然而,銅洗塔雖也在高壓下操作,因為塔內是化學吸收過程,所以,應用板波填料仍然可行[1]。板式塔的優點是操作易於穩定,效率較易保證,安裝、清洗、檢修均較方便。在化工廠老裝置擴產改造或新建裝置中,各種塔板和填料的選用往往難以抉擇。作為精餾塔塔板、規整填料和亂堆填料三者之間的選擇原則,kunesh等[2]建議採用Kister等提出的方法,即採用流動參數FP來初步決定。定義FP=(L/V)(ρV/ρL)1/2,其物理意義是液相和氣相動能之比的方根。一般情況下,FP<0 03="" fp="">0.3表示高壓或高液量。作者根據在天津大學化學工程研究所多年研究和本公司應用實踐的體會,現對塔設備改造的選型問題作以下分析。
2 塔板的應用
目前應用的塔板主要有F1圓浮閥、篩板及70年代后陸續應用的旋流塔板、導向篩板、MD板、垂直篩板。近來,國內又提出多種改進型塔板,其中有不同帽罩結構的新型垂直篩板、MD板的改進型DJ型塔板和導向條形浮閥等。
2.1 F1圓浮閥因其優異的綜合性能、成熟的設計和使用經驗,在氣液傳質過程中往往是首選的塔板。但其主要缺點是壓降較大及浮閥易卡死、脫落,特別當超負荷運行時,過大的塔板壓降會造成降液管液泛,也使能耗大增,或者造成過量的霧沫夾帶而降低分離凈化的質量,這常成為各廠擴產優質的一個主要「瓶頸」。
2.2 篩板
該塔板亦是常用且歷史最長的一種塔板,其結構最簡單,設計計算亦日趨完善。主要缺點是壓降大,操作彈性較小,孔易堵塞。篩板與浮閥塔板和泡罩塔板相比板效率相差不大,但維持較高板效率EMV的氣相通量的變化範圍是浮閥最大,而篩板最小。
2.3 旋流塔板
這是我國70年代開發的。它能在較高的氣液負荷下操作,操作彈性也較大。但由於旋流氣速高,離心力大,液滴受到強烈分離,因而影響傳質效率,也使塔內空間未能充分利用;傳質效率較低,阻力較大;而且當塔徑較大時,塔板的剛性亦易發生問題。目前它主要用在吸收、除塵等設備中。
2.4 MD板
它首先由美國UCC開發於60年代。其結構的最大特點是多降液管,因此堰較長,適於大液量,且為懸挂式降液管。在常規板式塔中降液管延伸到下層塔板液層以造成液封,故受液盤占塔板較大比例,在雙流程或多流程塔板時,將佔10%～15%。而採用懸挂式降液管,原受液盤也可開篩孔或裝浮閥,則增加了塔板有效傳質面積,因此以MD板改造常規板,處理量可提高15%左右。MD板多採用小板間距、低液流強度及低鼓泡層高度,但是由於板間距較小(霧沫夾帶較大及液體在降液管中停留時間較短)、液流長度短(多降液管)、鼓泡層高度較低以及降液管呈90°交錯放置(液流易短路),致使板效率較低。在某丙烯-丙烷分離計算中,常規塔板的板效率取85%,而MD板只有65%,下降近25%。然而,MD板較低的板效率可由較小的板間距(可裝更多塔板)來補償,同樣在丙烯-丙烷分離計算中,在同樣分離要求下,理論板均為140塊,板間距常規塔取500mm,而MD取250mm,則整個塔板的總高度常規塔是70m,而MD板為46m,降低了35%。可見在板間距、霧沫夾帶和板效率之間的優化有很大潛力。MD板在我國化肥工業中已得到應用[4],浙江工業大學又開發了DJ塔板[5]。國外近年也出現了增容MD板和Nye塔板[6]等,它們均以提高通量為開發目的,且與MD板有相近的結構。從以上分析可見,設計這類塔板應重點解決兩個問題:一是設計並試驗優良的降液管結構,以提高液體流量,並保證降入下層塔板的液相分佈良好,以利氣液傳質;二是解決霧沫夾帶較大導致板效率下降的問題,或者在板間距和霧沫夾帶(板效率)之間優化。
2.5 垂直篩板(VST)
它是由日本開發於60年代,后經改進稱為新垂直篩板(NVST)。垂直篩板的傳質單元是立置於塔板氣體通道孔上的帽罩,與浮閥和篩板的區別主要是鼓泡態不同,它是噴射態氣液傳質的塔板,其中液相被分散成液滴並被氣流夾帶、撞擊、分散,實現氣液兩相在帽罩內的傳質。出帽罩后,液滴被有效分離散落於塔板液層中。因此,其霧沫夾帶較一般塔板明顯減小,氣速上限顯著提高,在霧沫夾帶上限0.1kg/kg時,VST的氣速上限較Fl浮閥提高42%[7],前者的霧沫夾帶只及後者的1/10[8]。看來若以後一數據進行設計過分冒險。由於塔板通氣孔較大,其氣速漏液下限肯定較F1板高。垂直篩板氣速上限較大,在以提高處理量為目標的塔板改造時,它是一個值得考慮的選擇。由於其塔板壓降及板效率均與F1塔板相當,故在提高處理量后應對這兩個參數進行必要的核算。但是,結構複雜是這種塔板廣泛應用的一個障礙。
2.6 導向浮閥與導向梯形浮閥
近階段導向浮閥在國內石化企業的應用頗受注意。導向浮閥[9]是在條形浮閥上開導向孔構成見圖1。其特點是利用條閥不卡、不轉的優點,同時又吸收導向孔的長處。導向孔的作用在於利用氣流推動液體沿塔板運動,減少塔板緩流區,減小返混和降低液面落差、塔板壓降。由於導向浮閥的導向孔面積只佔整個浮閥氣體通道的3%～6%,故這種浮閥的導向作用應該是有限的。導向浮閥與F1浮閥相比,壓降與霧沫夾帶相當,漏液限稍低,效率稍高。
為增大氣流的推液作用,天津大學開發了導向梯形浮閥[10],見圖2,其特點是將矩形閥改成梯形閥,使氣流由閥兩側噴出時有一定的推液作用。梯形浮閥與導向孔(或固舌)結合具有更大的推液導向作用,從而提高塔板性能。試驗表明[10],該閥在塔板壓降、霧沫夾帶、漏液下限等流體力學性能上均優於F1浮閥,塔板氣相負荷上限可提高10%～20%;板效率亦較高。這種新浮閥已在山東某廠Φ2200加氫分餾塔中得到成功應用,明顯提高了側線產品柴油的質量,並提高了航煤收率。
必須指出,在分析推液作用的收益時應對不同情況進行具體分析,只有當塔徑較大(比如2m以上)時,液流均勻性的改善才具一定實際意義。至於對雙液流或多液流塔板,因液流不均勻並不嚴重,所以提高液流均勻性的收益體現較小[11]。
3 新型填料的應用
這裡所指新型填料主要是亂堆階梯環、金屬環矩鞍及規整板波填料。這些填料國外均出現於70年代,在國內已廣泛應用。近年國內已開發出這些填料的改進型,國外也出現了一些新填料[12],但普遍推廣尚需一段時間。對填料的選用主要考慮以下因素。3.1 分離效率、通量和壓降正如前述,填料在分離效率、通量和壓降三個方面佔有較大的優勢,表1列出三種新型填料的大致對比,並以50mm鮑爾環為參照基準。由表1可見,三種填料均優於鮑爾環,其中250Y板波填料的分離效率更顯優越,這主要得益於其比表面積較大,以及規整填料內氣液能有序流動、充分接觸和傳質,從而減少短路和壁流,特別在大直徑塔上,這种放大效應更應注意。
若將250Y板波填料和塔板作比較,其優勢十分明顯,250Y的壓降只及浮閥的15%～20%。它們的通量和HETP(理論板當量高度)的比較見圖3和圖4,顯然其差別也很明顯。正由於這種較大的優勢,使板波填料成為各廠在增產優質消除塔設備瓶頸中的一個主要選擇。
3.2 分離能力和填料重量
Billet認為在進行綜合比較時尚需考慮各種填料的分離能力和單位分離能力的填料重量[14]。分離能力為S,S=NTSM×FV。其中:NTSM為每米填料的理論板數,FV為氣速動能因子。填料的NTSM大,完成一定凈化分離要求的填料高度就小;FV大,一定處理量下的塔徑就小,故兩者之積S大,則完成一定生產分離任務所需塔和填料的體積就小。但是,這裡
還要考慮所選填料的重量即填料的耗材成本,因為填料體積小不等於填料重量小,為此引入單位體積的比重量W′,即W′=W/S,W為填料比重量(kg/m3),W′愈小表明所需填料重量較小。但是,Billet在此並未考慮購置填料是以體積為單位計算的,而且每m3填料的費用即使材質相同亦有不小出入,為此應以比價格G[G=(單價/m3填料)/S]來衡量所選填料的經濟性。從表2可見,BX絲網波紋填料的S最大,因為它分離能力和通過能力最優,故而選用BX填料所需體積最小,耗材最少。但由於它價格較貴,從G(均為不鏽鋼材質)看卻稍遜於250Y板波填料。所以,以250Y為代表的板波填料能在國內外獲得普遍認可並非偶然,因為在一定分離任務下選它是最經濟的。
3.3 分佈器
要保證填料塔的優良性能,填料本身的高性能固然重要,而與之匹配的塔內件尤其是液體和氣體分佈器也至關重要,否則,填料的高性能也不能充分發揮,特別對直徑較大、填料層較低的塔,氣體和液體分佈的質量往往是填料塔改造成敗的關鍵。另外,填料層中理論板數越多,液體分佈質量對填料層效率的影響也愈大。圖5[15]表示分佈器質量對HETP(理論板當量高度)的影響。
資料[12]和[16]對各種分佈器和再分佈器有較詳盡的介紹。資料[15]中的第14篇給出了各種分佈器性能的比較,這些是設計和選擇分佈器的主要依據。
4 波環填料—乾隆帕克
本公司開發的專利「波環填料」(乾隆帕克CHINAPAK)是一種在孔板波紋填料和金屬環矩鞍填料基礎上開發的新型規整填料,其結構示意圖見圖6[17]。它吸收板波填料規整和比表面積大的特點,又在板波上形成許多環狀凸起,因而也具有金屬環矩鞍的某些特點。
由於板上不沖孔,而是具有反向波紋環,因此與孔板波紋填料相比,比表面積增加約8%～12%,板上的縱向開孔率提高40%。此填料的優點是傳質比表面積大,氣液流路優化,氣液橫向擴散力大大改善,這些都有利於提高傳質效率,降低HETP。另外,在抗堵塞能力、填料剛性、壓力降及處理能力諸方面亦優於孔板波紋填料。迄今,這種新型填料已在常壓穩定塔、鹼洗塔、銅洗塔、脫硫塔中得到成功應用,取得良好的經濟效益。
