1　前言

     在化工生產(chǎn)中,氣液兩相直接接觸進(jìn)行傳質(zhì)或傳熱最常應(yīng)用的塔設(shè)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(huán)、鮑爾環(huán)。隨著塔設(shè)備技術(shù)的發(fā)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(yīng)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(jìn)的階梯環(huán)、金屬環(huán)矩鞍(Intalox),80年代以來孔板波紋填料(Mellapak)在國內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展很快。總之,新型塔板和新型填料的應(yīng)用已成為許多廠分離和凈化工序技術(shù)改造的熱點(diǎn),成為各廠提高產(chǎn)量、改進(jìn)分離和凈化質(zhì)量、減少能耗、安全生產(chǎn)和穩(wěn)定操作的重要技術(shù)措施。以板波規(guī)整填料為代表的新型填料,由于分離能力較大,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(yīng)用幾乎遍及全國許多工廠。但是,采用板波填料一次投資較大,維修不便,在有結(jié)焦、結(jié)垢或液相不凈等場合應(yīng)用受到限制。此外,在高壓精餾塔中應(yīng)用板波填料往往達(dá)不到預(yù)期效果,因?yàn)榇藭r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?yàn)樗?nèi)是化學(xué)吸收過程,所以,應(yīng)用板波填料仍然可行[1]。板式塔的優(yōu)點(diǎn)是操作易于穩(wěn)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(kuò)產(chǎn)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(guī)整填料和亂堆填料三者之間的選擇原則,kunesh等[2]建議采用Kister等提出的方法,即采用流動參數(shù)FP來初步?jīng)Q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表示真空精餾或低液量;FP>0.3表示高壓或高液量。作者根據(jù)在天津大學(xué)化學(xué)工程研究所多年研究和本公司應(yīng)用實(shí)踐的體會,現(xiàn)對塔設(shè)備改造的選型問題作以下分析。

     2　塔板的應(yīng)用

     目前應(yīng)用的塔板主要有F1圓浮閥、篩板及70年代后陸續(xù)應(yīng)用的旋流塔板、導(dǎo)向篩板、MD板、垂直篩板。近來,國內(nèi)又提出多種改進(jìn)型塔板,其中有不同帽罩結(jié)構(gòu)的新型垂直篩板、MD板的改進(jìn)型DJ型塔板和導(dǎo)向條形浮閥等。

     2.1　F1圓浮閥因其優(yōu)異的綜合性能、成熟的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn),在氣液傳質(zhì)過程中往往是首選的塔板。但其主要缺點(diǎn)是壓降較大及浮閥易卡死、脫落,特別當(dāng)超負(fù)荷運(yùn)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(zhì)量,這常成為各廠擴(kuò)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)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(jié)構(gòu)最簡單,設(shè)計(jì)計(jì)算亦日趨完善。主要缺點(diǎn)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的氣相通量的變化范圍是浮閥最大,而篩板最小。

     2.3　旋流塔板

     這是我國70年代開發(fā)的。它能在較高的氣液負(fù)荷下操作,操作彈性也較大。但由于旋流氣速高,離心力大,液滴受到強(qiáng)烈分離,因而影響傳質(zhì)效率,也使塔內(nèi)空間未能充分利用;傳質(zhì)效率較低,阻力較大;而且當(dāng)塔徑較大時,塔板的剛性亦易發(fā)生問題。目前它主要用在吸收、除塵等設(shè)備中。

     2.4　MD板

     它首先由美國UCC開發(fā)于60年代。其結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是多降液管,因此堰較長,適于大液量,且為懸掛式降液管。在常規(guī)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,將占10%～15%。而采用懸掛式降液管,原受液盤也可開篩孔或裝浮閥,則增加了塔板有效傳質(zhì)面積,因此以MD板改造常規(guī)板,處理量可提高15%左右。MD板多采用小板間距、低液流強(qiáng)度及低鼓泡層高度,但是由于板間距較小(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(jì)算中,常規(guī)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(bǔ)償,同樣在丙烯-丙烷分離計(jì)算中,在同樣分離要求下,理論板均為140塊,板間距常規(guī)塔取500mm,而MD取250mm,則整個塔板的總高度常規(guī)塔是70m,而MD板為46m,降低了35%?？梢娫诎彘g距、霧沫夾帶和板效率之間的優(yōu)化有很大潛力。MD板在我國化肥工業(yè)中已得到應(yīng)用[4],浙江工業(yè)大學(xué)又開發(fā)了DJ塔板[5]。國外近年也出現(xiàn)了增容MD板和Nye塔板[6]等,它們均以提高通量為開發(fā)目的,且與MD板有相近的結(jié)構(gòu)。從以上分析可見,設(shè)計(jì)這類塔板應(yīng)重點(diǎn)解決兩個問題:一是設(shè)計(jì)并試驗(yàn)優(yōu)良的降液管結(jié)構(gòu),以提高液體流量,并保證降入下層塔板的液相分布良好,以利氣液傳質(zhì);二是解決霧沫夾帶較大導(dǎo)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(yōu)化。

     2.5　垂直篩板(VST)

     它是由日本開發(fā)于60年代,后經(jīng)改進(jìn)稱為新垂直篩板(NVST)。垂直篩板的傳質(zhì)單元是立置于塔板氣體通道孔上的帽罩,與浮閥和篩板的區(qū)別主要是鼓泡態(tài)不同,它是噴射態(tài)氣液傳質(zhì)的塔板,其中液相被分散成液滴并被氣流夾帶、撞擊、分散,實(shí)現(xiàn)氣液兩相在帽罩內(nèi)的傳質(zhì)。出帽罩后,液滴被有效分離散落于塔板液層中。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后者的1/10[8]。看來若以后一數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)過分冒險(xiǎn)。由于塔板通氣孔較大,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(biāo)的塔板改造時,它是一個值得考慮的選擇。由于其塔板壓降及板效率均與F1塔板相當(dāng),故在提高處理量后應(yīng)對這兩個參數(shù)進(jìn)行必要的核算。但是,結(jié)構(gòu)復(fù)雜是這種塔板廣泛應(yīng)用的一個障礙。

     2.6　導(dǎo)向浮閥與導(dǎo)向梯形浮閥

     近階段導(dǎo)向浮閥在國內(nèi)石化企業(yè)的應(yīng)用頗受注意。導(dǎo)向浮閥[9]是在條形浮閥上開導(dǎo)向孔構(gòu)成見圖1。其特點(diǎn)是利用條閥不卡、不轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn),同時又吸收導(dǎo)向孔的長處。導(dǎo)向孔的作用在于利用氣流推動液體沿塔板運(yùn)動,減少塔板緩流區(qū),減小返混和降低液面落差、塔板壓降。由于導(dǎo)向浮閥的導(dǎo)向孔面積只占整個浮閥氣體通道的3%～6%,故這種浮閥的導(dǎo)向作用應(yīng)該是有限的。導(dǎo)向浮閥與F1浮閥相比,壓降與霧沫夾帶相當(dāng),漏液限稍低,效率稍高。

     為增大氣流的推液作用,天津大學(xué)開發(fā)了導(dǎo)向梯形浮閥[10],見圖2,其特點(diǎn)是將矩形閥改成梯形閥,使氣流由閥兩側(cè)噴出時有一定的推液作用。梯形浮閥與導(dǎo)向孔(或固舌)結(jié)合具有更大的推液導(dǎo)向作用,從而提高塔板性能。試驗(yàn)表明[10],該閥在塔板壓降、霧沫夾帶、漏液下限等流體力學(xué)性能上均優(yōu)于F1浮閥,塔板氣相負(fù)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(yīng)用,明顯提高了側(cè)線產(chǎn)品柴油的質(zhì)量,并提高了航煤收率。

     必須指出,在分析推液作用的收益時應(yīng)對不同情況進(jìn)行具體分析,只有當(dāng)塔徑較大(比如2m以上)時,液流均勻性的改善才具一定實(shí)際意義。至于對雙液流或多液流塔板,因液流不均勻并不嚴(yán)重,所以提高液流均勻性的收益體現(xiàn)較小[11]。

     3　新型填料的應(yīng)用

     這里所指新型填料主要是亂堆階梯環(huán)、金屬環(huán)矩鞍及規(guī)整板波填料。這些填料國外均出現(xiàn)于70年代,在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用。近年國內(nèi)已開發(fā)出這些填料的改進(jìn)型,國外也出現(xiàn)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占有較大的優(yōu)勢,表1列出三種新型填料的大致對比,并以50mm鮑爾環(huán)為參照基準(zhǔn)。由表1可見,三種填料均優(yōu)于鮑爾環(huán),其中250Y板波填料的分離效率更顯優(yōu)越,這主要得益于其比表面積較大,以及規(guī)整填料內(nèi)氣液能有序流動、充分接觸和傳質(zhì),從而減少短路和壁流,特別在大直徑塔上,這種放大效應(yīng)更應(yīng)注意。

　　若將250Y板波填料和塔板作比較,其優(yōu)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(dāng)量高度)的比較見圖3和圖4,顯然其差別也很明顯。正由于這種較大的優(yōu)勢,使板波填料成為各廠在增產(chǎn)優(yōu)質(zhì)消除塔設(shè)備瓶頸中的一個主要選擇。

     3.2　分離能力和填料重量

     Billet認(rèn)為在進(jìn)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(shù),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(chǎn)分離任務(wù)所需塔和填料的體積就小。但是,這里

     還要考慮所選填料的重量即填料的耗材成本,因?yàn)樘盍象w積小不等于填料重量小,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在此并未考慮購置填料是以體積為單位計(jì)算的,而且每m3填料的費(fèi)用即使材質(zhì)相同亦有不小出入,為此應(yīng)以比價(jià)格G[G=(單價(jià)/m3填料)/S]來衡量所選填料的經(jīng)濟(jì)性。從表2可見,BX絲網(wǎng)波紋填料的S最大,因?yàn)樗蛛x能力和通過能力最優(yōu),故而選用BX填料所需體積最小,耗材最少。但由于它價(jià)格較貴,從G(均為不銹鋼材質(zhì))看卻稍遜于250Y板波填料。所以,以250Y為代表的板波填料能在國內(nèi)外獲得普遍認(rèn)可并非偶然,因?yàn)樵谝欢ǚ蛛x任務(wù)下選它是最經(jīng)濟(jì)的。


     3.3　分布器

     要保證填料塔的優(yōu)良性能,填料本身的高性能固然重要,而與之匹配的塔內(nèi)件尤其是液體和氣體分布器也至關(guān)重要,否則,填料的高性能也不能充分發(fā)揮,特別對直徑較大、填料層較低的塔,氣體和液體分布的質(zhì)量往往是填料塔改造成敗的關(guān)鍵。另外,填料層中理論板數(shù)越多,液體分布質(zhì)量對填料層效率的影響也愈大。圖5[15]表示分布器質(zhì)量對HETP(理論板當(dāng)量高度)的影響。

     資料[12]和[16]對各種分布器和再分布器有較詳盡的介紹。資料[15]中的第14篇給出了各種分布器性能的比較,這些是設(shè)計(jì)和選擇分布器的主要依據(jù)。

     4　波環(huán)填料—乾隆帕克

     本公司開發(fā)的專利“波環(huán)填料”(乾隆帕克CHINAPAK)是一種在孔板波紋填料和金屬環(huán)矩鞍填料基礎(chǔ)上開發(fā)的新型規(guī)整填料,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖6[17]。它吸收板波填料規(guī)整和比表面積大的特點(diǎn),又在板波上形成許多環(huán)狀凸起,因而也具有金屬環(huán)矩鞍的某些特點(diǎn)。

     由于板上不沖孔,而是具有反向波紋環(huán),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(yōu)點(diǎn)是傳質(zhì)比表面積大,氣液流路優(yōu)化,氣液橫向擴(kuò)散力大大改善,這些都有利于提高傳質(zhì)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(yōu)于孔板波紋填料。迄今,這種新型填料已在常壓穩(wěn)定塔、堿洗塔、銅洗塔、脫硫塔中得到成功應(yīng)用,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。