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(lèi)。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(guó)自70年代起,在塔板上各廠開(kāi)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(lái)孔板波紋填料(Mellapak)在國(guó)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(gè)時(shí)期其應(yīng)用幾乎遍及全國(guó)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(chǎng)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(shí)氣液比過(guò)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(guò)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(dòng)參數(shù)FP來(lái)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(dòng)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(huì),現(xiàn)對(duì)塔設(shè)備改造的選型問(wèn)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(lái),國(guó)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(guò)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(shí),過(guò)大的塔板壓降會(huì)造成降液管液泛,也使能耗大增,或者造成過(guò)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(gè)主要“瓶頸”。

     2.2　篩板

     該塔板亦是常用且歷史最長(zhǎng)的一種塔板,其結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)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(guó)70年代開(kāi)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(shí),塔板的剛性亦易發(fā)生問(wèn)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(guó)UCC開(kāi)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(zhǎng),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(pán)占塔板較大比例,在雙流程或多流程塔板時(shí),將占10%～15%。而采用懸掛式降液管,原受液盤(pán)也可開(kāi)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(shí)間較短)、液流長(zhǎng)度短(多降液管)、鼓泡層高度較低以及降液管呈90°交錯(cuò)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(lái)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(gè)塔板的總高度常規(guī)塔是70m,而MD板為46m,降低了35%。可見(jiàn)在板間距、霧沫夾帶和板效率之間的優(yōu)化有很大潛力。MD板在我國(guó)化肥工業(yè)中已得到應(yīng)用[4],浙江工業(yè)大學(xué)又開(kāi)發(fā)了DJ塔板[5]。國(guó)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(kāi)發(fā)目的,且與MD板有相近的結(jié)構(gòu)。從以上分析可見(jiàn),設(shè)計(jì)這類(lèi)塔板應(yīng)重點(diǎn)解決兩個(gè)問(wèn)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(wèn)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(kāi)發(fā)于60年代,后經(jīng)改進(jìn)稱(chēng)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(shí),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(lái)若以后一數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)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(shí),它是一個(gè)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(duì)這兩個(gè)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(gè)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(guó)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(kāi)導(dǎo)向孔構(gòu)成見(jiàn)圖1。其特點(diǎn)是利用條閥不卡、不轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又吸收導(dǎo)向孔的長(zhǎng)處。導(dǎo)向孔的作用在于利用氣流推動(dòng)液體沿塔板運(yùn)動(dòng),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(gè)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(kāi)發(fā)了導(dǎo)向梯形浮閥[10],見(jiàn)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(shí)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(shí)應(yīng)對(duì)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(shí),液流均勻性的改善才具一定實(shí)際意義。至于對(duì)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(guó)外均出現(xiàn)于70年代,在國(guó)內(nèi)已廣泛應(yīng)用。近年國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出這些填料的改進(jìn)型,國(guó)外也出現(xiàn)了一些新填料[12],但普遍推廣尚需一段時(shí)間。對(duì)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(gè)方面占有較大的優(yōu)勢(shì),表1列出三種新型填料的大致對(duì)比,并以50mm鮑爾環(huán)為參照基準(zhǔn)。由表1可見(jiàn),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(dòng)、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(shì)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(jiàn)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(shì),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(gè)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(shí)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(dòng)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(gòu)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(lái)衡量所選填料的經(jīng)濟(jì)性。從表2可見(jiàn),BX絲網(wǎng)波紋填料的S最大,因?yàn)樗蛛x能力和通過(guò)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(guó)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(duì)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(duì)填料層效率的影響也愈大。圖5[15]表示分布器質(zhì)量對(duì)HETP(理論板當(dāng)量高度)的影響。

     資料[12]和[16]對(duì)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(kāi)發(fā)的專(zhuān)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(kāi)發(fā)的新型規(guī)整填料,其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)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(kāi)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。