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塔填料和塔内件分析及其标准化
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塔填料和塔内件分析及其标准化

2019-07-29      阅读:
塔器作为气 -液、液 -液的传质和传热设备 ,至今已发展成为典型的、十分重要的单元设备。 塔设备主要分板式塔及填料塔 , 70年代前板式塔占优势 ,近 20多年来填料塔由于具有制造和更换容易、材质范围广、适应能力强、压降及滞液量小、传质效率高、节能等优点 ,使填料塔技术取得长足进步。 在化工、炼油、石油及天然气加工、轻工、食品、医药、原子能、环保等工业部门的精馏、吸收、萃取、化学交换、洗涤、冷却等过程广泛使用填料塔 , 特别是近十几年来 ,大通量、低填料床层及低压降、高效规整填料的开发应用 ,使填料塔进入一个新的历史时期。 由于基本上解决了填料塔放大效应问题 , 目前国外使用的填料塔直径已达 20m ,并在许多场合取代了板式塔。填料塔之所以有如此生机 ,也与新型高效塔内件的技术进步密切相关 ,因为要提高填料塔的效率 ,发挥其优点 ,除采用高效填料外 , 必须有结构合理的塔内件相匹配 ,一台采用高效填料的塔设备 ,如未能达到预期的效果 , 往往与其内件的选型、设计、制造、安装密切相关 ,特别是液体的初始分布 ,填料效率越高 ,对其分布均匀性的要求也越高 ,所以填料塔中采用先进合理的塔内件具有重要意义。
 
本文在对塔填料及重点对塔内件分析的基础上 ,介绍化工部化学工程设计技术中心站在这两方面的标准化工作 ,目的是为提高设计质量及水平、加快设计进度服务 ,同时也为满足塔填料及塔内件加工业提高加工、安装水平的需要。
 
1      塔填料分析
 
1. 1  塔填料技术开发现状
 
(  1)塔填料分为颗粒形填料 (散堆填料 ) 及规整填料。由于塔填料应用范围越来越广 ,装置规模也越来越大 ,它在工业中的地位日趋重要 ,因此进一步开发研究高处理能力、低能耗的新型填料 ,扩大应用仍是当前各国努力的方向。
 
( 2)对塔填料性能及分离装置经济性的评定 ,包括比塔体积 (即在给定液体负荷下 , 每理论级和单位气体流量的塔体积 ,其倒数即为填料的体积效率 )和比压降 (即每理论级的压力损失 )。 一般概念是 ,填料的比表面 a越大 ,则传质效率越佳 ,而孔隙率 ε越大 ,则压力损失越小。但研究结果表明 ,几何表面积的利用程度随几何表面积的增加而减少 ,导致单位表面分离效果下降 ,而且金属环矩鞍阶梯环和各种波纹填料已比较接近理想填料。因此 ,今后填料几何尺寸的改进措施是有限的 ,除非填料传质机理研究有重大突破。
 
(  3)由于散堆填料、规整填料及塔板各有优缺点 ,因此不同种类的填料组成填料复合塔 、或组成填料 -塔板复合塔也是一种新的开发途径。

4)非金属填料由于有价格低、重度小、腐蚀、易加工等优点 ,所以有更大的发展前途,但应在提高耐温及强度、增强润湿能力方面加强开发研究。

5)在理论预测方面 ,填料中气、液两相的流动规律及其径向和轴向反混的研究 ,以填料塔的稳态及非稳态模拟、填料塔的蒸 等馏传质动力学等仍是今后开发研究的课题。

1. 2  新型高效填料的应用

我国自 60年代开始研制了精密精馏的高效填料 , 70年代开发了丝网波纹填料 , 80年代又研制出各种现代先进填料如环矩鞍、阶梯环及各种板波纹、网孔板波纹填料等。

填料塔应用范围极广 , 相对于板式塔更适用于以下工况:

1)传质速率受气膜控制的系统以及要求持液量小、停留时间短、压降小的物系;

( 2)有腐蚀性、热敏性、易起泡沫及粘性物料;

3)难分离物系及要求塔板数很多、产品纯度很高的场合;

4)与高效液体分布器相匹配 ,还可适用于 10 :1以上的高操作弹性条件。

目前国内新型填料塔的应用已达数千座 ,涉及物系数百种 ,塔径达 6. 8m ,并已设计塔径为 10m的填料塔。主要应用有: ( 1)石油炼制的常、减压塔 ,气体分离塔 ,催化裂化吸收稳定系统; ( 2)乙烯装置汽油分离塔及其它石油化工产品的加工; ( 3)化肥工业的脱硫、脱碳、热水饱和塔; ( 4)天然气分离装置; ( 5)制药工业; ( 6)精细化工产品; ( 7)食品工业 ;( 8)同位素分离; ( 9)环保工业; ( 10)空气分离
装置等。
应该注意 ,原则上没有一种塔填料对任何工业应用场合都是最优的 ,同样也不是任何场合都可以用填料塔代替板式塔。

2.塔内件分析
途 2. 1  填料塔内件及性能要求,填料塔内件包括气体及液体分布器、填料压板及床层限制器、填料支承装置、液体收集器及再分布器、除雾器、液体出口消旋器及( 各种内件及塔填料构成填料塔整体 ,决定填料塔的流体力学及传质性能。 一个成功的填料塔设计 ,必须同时具有合理的塔内件 ,其中液体回流及进料在塔截面上的均匀分布是有效传质的基本条件 [6 ]。实验表明 ,回流分布不均对理论板数可达成倍的影响 [5 ]。 因此在开发研究各种新型塔填料的同时 ,还必须重视与之配合的塔内件的开发研究。

文重点分析液体分布器 ,其结构图及( 其它塔内件的性能和结构图可参阅有关专

2. 1. 1 作用
液体分布器的作用是把液体在填料顶部或某一高度上进行均匀的初始分布或再分布 ,用以提高传质、传热的有效表面 ,改善相间接触 ,从而提高塔的效率。

实验证明 ,在填料层内液体的流动不是均匀的柱塞流 ,而是存在沟流、偏流、壁流现象 ,这将造成填料塔的放大效应及端效应。合理设计选用液体初始分布器及再分布器目的是减少和防止填料塔的放大效应 ,从而减少塔高和塔径 ,降低造价或操作费。液体在填料塔内的不良分布分为大规模和小规模的。 小规模不良分布由填料层内液体沟流引起 ,大规模不良分布由液体分布器引起 ,可使整个塔效率严重下降。 试验表明 ,填料效率越高 ,液体分布质量对填料性能影响越大。 例如 ,当液体分布质量达到 50%时 ,每米填料理论板数等于 20的填料 ,实际理论板数只有 11. 5块 ,而每米填料理论板数
等于 8的填料 ,实际理论板数为 5. 5块。

2. 1. 2  要求
 
(  1)液体分布均匀 ,并有一定的分布点密度 [7 ] ,液体流量不均匀度应 < 10% ;
 
( 2)操作弹性大 ,对高弹性液体分布器弹性可达 10 1以上;
 
( 3)结构紧凑 ,在塔内占据空间小 ,气体流通面积大 (≥ 25% );
( 4)功能全 ,如具备液体收集、分布及气体分布功能;
 
( 5)可用于含固体杂质的液体及有泡沫的物系;
 
( 6)气体阻力小 ,操作压降低;
 
( 7)液体浓度与温度混合性能好;
 
( 8)防雾沫及升膜夹带;
 
( 9)制造、安装方便 ,耐腐蚀;
 
( 10)适用范围广 ,如蒸馏、吸收、萃取等过程的常压、加压、真空操作。目前要想使液体分布器同时满足上列条件比较困难 ,因此国内外都在竞相开发、研制各种新型分布器 ,以达到更理想的程度。
 
Zuiderw eg 等人[8 ]对散堆填料给出以下关系式:

 
 式中 PPD为液体分布点数; Dr 为填料对液体的分散系数: C为常数; Z为达到平衡分布的填料层高度 ,即代表端效应。
 
从上式可见 , 对某一确定的填料 , Dr 为定值 ,为减小端效应 Z,应增加液体分布点数PPD,而小颗粒填料分散系数小 ,若要使端效应不变也需增加分布点数。 对于散堆填料一般  PPD取 20个 /m2。 对规整填料 ,液体流道沿每一板片有一定方向性 ,不易流入相邻板片 ,所以要使第一盘填料就能达到平衡分布 , 则需要更多的分布点数。 Sulzer公司建议对
 
250Y板波填料 PPD应大于 100个 /m2 , 对BX、 CY型丝网波纹填料 PPD应大于 300个 /m2 ,可见填料性能越好 ,对液体分布器的要求也越高。 但对 PPD的选用目前还不统一。
 
2. 1. 3  结构 [9 10 ]
 
(  1)按分布器流体动力分: 重力型液体分布器 (孔型、堰型 ) ; 压力型液体分布器 (喷淋式 、多孔管式 )。
 
(  2)按分布器的形状分: 管式、双层排管式 、槽式、盘式、冲击式、喷嘴式、宝塔式、莲蓬式 、组合式等。
 
( 3)按液体离开分布器的形式分: 孔流型 、溢流型。
 
(  4)按液体分布的次数分: 单级、多级。
 
(  5)按分布器组合方式分: 管槽式、孔槽式 、槽盘式。
 
由液体分布器的计算式看出 ,重力孔型分布器小孔排液量与液位压头 0. 5次方成正比 [11 ] ,而溢流型 U 型堰与 V 型堰的流量分别与液位压头的 1. 5次方及 2. 5次方成正比 [12 ] ,因此 ,液位不均引起分布不均较敏感 , 尤其是大塔对设计、制造、安装要求严格。
 
2. 2  液体分布器的研究动向
 
随着新型高效填料的出现及设备大型化 ,国内外对液体分布器的开发日益重视。液体分布过程是化学工程中较复杂的技术 ,有许多问题有待研究 ,近期的研究表现在:
 
( 1)开发新型、高效液体分布器 ,为大型高效填料塔的节能改造提供服务。 由于填料塔大型化 ,要求分布器具有更优良的性能 ,如流量均、抗堵塞、防夹带、低压降、结构紧凑、弹性大、组合式、多功能以及分布器传质化等。
 
( 2)研究新型分布器对不同填料和分离系统的性能比较。研究表明 ,高效填料对液体初始分布器的结构反应敏感 ,同一填料在不同工况下使用不同结构的分布器 ,填料效率也不相同。
 
( 3)研究液体分布器不良操作引起不良分配对填料效率的影响 ,如分布器不同程度的堵塞、变形、损坏等进行模拟试验。 结果说明 ,分布器的倾斜、变形造成连续线性分布不均 ,在低液体负荷下才明显影响填料性能。而分布器局部损坏造成局部严重分配不均对填料分离效率有很大影响 ,当造成填料大面积干涸时 ,随面积的增大和液体负荷的增加 ,填料效率明显下降。 至于自然堵塞造成的随机分布不均影响则较小。总之 ,面分布不均较线性分布不均影响更大 ,中心部位的干涸对效率影响也很大。
 
( 4)对不同填料在不同分布点密度、不同分布点排列方式下的分离效率的研究 ,发现不同填料对液流分布点密度要求不同。 对任何填料 ,当液流点密度达一定值时其效率趋于稳定 , 而小于该定值时效率迅速下降 , 因此 ,每一规格的填料都对应一个最小液流点密度和一个最佳液流点密度。至于孔的排列 , 正三角形比矩形优越。
 
( 5)液体分布器传统的布孔方式已不能很好地适用于新型高效规整填料 ,应开发由点发展到线 ,甚至在整个填料面上实现面分布的新型塔内件。
 
( 6)新型“分布填料”的研制将在分布器的开发中占重要地位。
 
( 7)为适应分布器的开发研究 ,尚应开发自动化程度高、测量精确的液体分布测试仪器。
 
( 8)对石油加工行业中定型的塔器 ,提供
 
先进的标准分布器 ,以加快设计进度 ,提高生产效率 ,保证产品质量。
 
3      塔填料及塔内件的标准化
 
塔填料及塔内件的标准化包括塔填料及塔内件的制造标准以及性能评价标准化。 国外在 60年代已重视该标准化问题 ,但主要工作放在填料及内件的标准化上 ,对塔内件的性能评价 ,长期来不统一。 国内近 20年来由于对塔填料、塔内件的开发、研制取得飞速发展 ,填料塔在各有关行业 ,特别是炼油、化工等的大量推广应用 ,并取得了显著的经济效益 ,致使塔填料及塔内件生产厂家与日俱增 , 由于缺乏统一的国际标准和国家标准 ,多数厂家也无可靠的技术依据及可遵循的行业标准 ,对生产厂的产品盲目使用的情况较多 ,产品质量问题也屡有发生。 为了便于各种填料性能的比较、验收及选用 ,需要有统一的测试方法及评价标准。近年来 ,国内已建立一些测试研究装置 ,如天津大学化学工程研究所、化工部上海化工研究院、化工部第六设计院、南京化工大学、吉林化工研究院、西安交通大学等 ,他们的测试结果具有一定的权威性 ,但仍缺少统一的标准 ,因此标准化是一件具有重要意义的工作。
 
化工部化学工程中心站在化工部的领导下 ,开展了塔填料性能评价及塔填料、塔内件的标准化工作。 近年来已开展的标准化工作及主要内容如下:
 
3. 1 散堆填料和规整填料流体力学及传质性能测试规定 (标准号: HG / T26577. 1, HG /T 20577. 2)
 
( 1)塔填料几何特性参数的测定 ,包括规格尺寸、体积参数、比表面积、空隙率、干填料因子等。
 
( 2)塔填料流体力学性能测试 ,包括测试装置及流程 ,测试仪表及测量点 ,测试物系及测量范围 ,压降及泛点气速、填料持液量的测试方法以及压降曲线、载点、泛点、湿填料因子数据处理等。
( 3)塔填料传质性能测试 ,包括液相、气相传质系数的测试方法 ,分析方法及数据处理 ,理论板当量高度测定方法 ,蒸馏塔测试物系。
 
3. 2  填料标准
 
( 1)碳钢、不锈钢、聚丙烯、玻纤增强聚丙烯鲍尔环填料标准 , 标准号:  HG /T21556. 1~ 4。
 
( 2)碳钢、不锈钢阶梯环填料标准 ,标准号: HG /T21557. 1~ 2。
 
( 3)碳钢、不锈钢环矩鞍填料标准 ,标准号: HG /T21558. 1~ 2。
 
( 4)不锈钢网孔板波纹填料标准 ,标准号: HG / T 21559. 1。
 
( 5)不锈钢孔板波纹及丝网波纹填料标准 ,标准号: HG /T21559. 2~ 3。标准中规定了填料的适用范围、规格及特性、材质及制造要求、检验及验收、包装及贮运。
 
3. 3  气液分布器标准
 
可拆式及焊接式槽盘气液分布器标准 ,标准号: HG / T 21585. 1~ 2。该标准可用于气液分布、液体分布及液体收集器和再分布器 ,直径系列 DN 800~DN8000,并可根据需要扩展 ,液体喷淋密度范围 0. 2~ 200m3 /m2· h ,喷淋点密度为 ( 100±     10)个 /m2 ,升气管开孔面积分数>  30% ,操作弹性可达 10 1以上 ,还可以与百叶窗式导液板及自分布填料构成组合式气液分布器 ,将多点式液体分布转变为线分布及面分布 ,同时自分布填料还具有传质作用。
 
标准给出了全套分布器制造图及选用方
 
法 ,以及制造技术要求、安装及检验 ,并附有分布器特性参数选用表等。
 
3. 4  填料支承板标准
 
梁型气体喷射式填料支承板 , 标准号:HG /T21512, 直径系列 DN 300~ 4000, 气流通道自由截面大于塔截面的 90% 。标准给出了全套支承板制造图及选用方法、制造技术要求、支承圈和支承梁结构尺寸、安装及安装用紧固件等。

除沫器标准
 
抽屉式丝网除沫器标准 , 标准号: HG / T21586。 直径系列为 DN300~ 5000。
 
标准规定了适用范围、结构型式、丝网规格、压降及效率计算、材质、技术要求以及选用方法等。

 

 
 

 
 
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