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大型规整填料塔技术的现状及进展
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大型规整填料塔技术的现状及进展

2019-08-26      阅读:
摘要 针对大型规整填料塔的特点及近年来的研究进展,着重阐述了大型规整填料塔的塔填料、液体分布器、气体分布器及支撑装置的结构、特点。

前言
20世纪 70年代以前,在大型塔器中,板式塔占有明显的优势,先后出现了许多类型的塔板。此后的二十多年问,随着理论研究的深入及高效规整填料、复合填料及塔内件的开发与应用,填料塔大
型化的放大效应问题得到了解决,使填料塔向行业化、复合化、节能化、大型化方向发展。在大型蒸馏装置中,性能优良的规整填料塔已逐步取代了板式塔,如大型规整填料塔直径可达 14~20 In。近年来,我国在规整填料、液体分布器、气体分布盘、进气初始分布器和支承结构等关键部件的研究与开发方面已跨人了国际先进行列HJ。
 
 
1 填料
 
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)液体滞留量少;(5)操作弹性大,适应性强;(6)产品提取率高。
 
1.1 网、栅填料

网类材料规整填料适用于低液体流率场合;格栅类规整填料,由于有很大孔隙率,尤其适用于含固体的流体或要求压力降小场合。目前在大型填料塔上应用效果较好的网、栅规整填料有:丝网波纹填料(DX ,E)、带孔波纹丝网填料(AX,BX,CY)、双层丝网(夹层内可装有催化剂)填料(KatapaK)、丝网型 Katamax和 Flexeramic、Mc—pak规整丝网填料、板网片 Pyrapak G和 Pyrapak F填料 、脉冲填料(Unapak填料 );格栅 (陶瓷 )、网孑L格栅 Per.
form Grid等  。
 
1.2 板、片填料
 
板、片填料与网、栅类填料相比,比表面积较小,分离能力相对较低,但其持液量小,抗堵塞性能好,特别适用于处理较大气液负荷的粗分离过程和吸收操作过程。目前在大型填料塔上应用效果较好的有:圆盘状环弧规整填料、花形规整填料、导向板波纹填料、薄密筛板填料、陶瓷波纹板填料(Kerapak)、侧向 “V”字形波纹鞍环板波填料、弯曲导流波纹填料及 Kon—Tane填料等 。
 
为了有效地提高填料表面利用率及传质速率,在上述的基础上先后出现了带刺波纹板填料 (Mel—lapak)、波纹状穿孔板以及板片、不锈钢网板式填料 (Rombopak填料 )、带缝隙波纹板式填料 (Ras.chig—Su—perpak)、开槽条片 Snan d、金属织物结构金属片 BSH、双重波纹片 Intalox填料 等,其填料分离性能介于织网型和格栅型之间,且具有持液量小和抗堵塞的特点  。
 
1.3 复合填料
 
散堆填料或不同型号的规整填料按一定规律充填在同一填料层中或分别装在不同的填料层中形成复合填料。常见的复合形式有夹心式(规整一散装一规整)、两层式 (规整一散装)、双夹心式 (规
 
整一散装一规整一散装一规整)等⋯。

用于高压蒸馏的组合式填料,依据塔内各段的不同分离要求和两相负荷沿塔高的分布,选用不同类型的填料,可强化气液两相间的传质,提高处理能力和分离效率 。
 
薄密筛板填料综合了板式塔和填料塔的优点,其板间距更为紧密,筛板及液层均较薄。结构排布方式贝0充分利用了液柱(或液滴)密布的空间,气液两相界面的更新频繁,强化了传质 。
 
流态化填料较好地解决了悬浮于气相和液相中的固体颗粒堵塞填料床的问题,可实现较高的气流速率和传质速率。国外推出一种 Euromatic填 料,为塑料椭球形空心薄壁填料,它的开发促使人们对流态化填料床的研究更加深入 。
 
小波纹齿角梯形规整填料是一种综合性能优良、有广泛应用前景的新型波纹规整填料,其单位床层压降可减小 30%,同时传质效率提高了16% 。

规整填料的材质主要是陶瓷、不锈钢、碳钢和塑料。陶瓷材料耐高温、耐腐蚀,但阻力大且强度较低;不锈钢金属材料成本高,碳钢金属材料不耐腐,塑料润湿性差。
 
2 液体分布器
 
填料塔的传质过程要求塔内任一截面上气、液两相流体能均匀分布,从而实现密切接触、高效传质,其中液体的初始分布至关重要。研究表明,塔径对填料性能的影响很小,填料床层上液体的初始分布是影响传质的关键因素_ 。
 
液体均匀分布是对液体分布器的最基本的要求。Perry等人提出的液体分布均匀性要求是:(1)有足够的喷淋点密度;(2)喷淋点的分布应几何均
 
匀;(3)各喷淋点液体体积流量均匀;(4)具有合适的操作弹性和较大的气体通道 l 。
 
2.1 喷淋式液体分布器
 
喷淋式液体分布器为压力型分布器,液体在一定压力下进入一个或若干个喷嘴,喷嘴设计成广角锥形,使喷出的液体成扇形均匀分布在填料表面上。该分布器不需要严格的水平度,特别适合于作为传热为主、传质为辅的填料塔的分布器。对于大直径塔,喷淋式是最廉价的盘式液体分布器,适合于液体流量变化较大的场合。
 
2.2 窄槽式液体分布器
 
窄槽式液体分布器主要由液体预分布管、主槽、窄槽及导流管组成。在窄槽上、下部的两侧壁上分别开有两排大小不等的溢流孔,同一垂直线上的小孔用导液管罩住,窄槽设有上、下两排孔,在低液相负荷下,通过改变底排孑L的孔径来调节,在高液相负荷下,则通过改变顶排孑L的孔径调节,因而具有很高的操作弹性0 。
 
2.3 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。压圈托槽式因靠填料压圈和填料层来承受槽式液体分布器的重量,所以该液体分布器喷淋孔的水平度受填料床层变形的影响较大。悬槽式液体分布器因其喷淋孑L的水平度不受填料床层变化的影响,目前国内外应用较广。埋藏梁托槽式液体分布器其主要结构特征在于 “埋藏梁”,云 梯梁就位后,填料、填料压圈、二级槽、一级槽依次就位,这种结构可保证分布器的水平度。槽式液体分布器具有流量大、抗堵塞及分布性能稳定的特点,适用于大型填料塔。目前,国内开发的许多槽式液体分布器都是在大量试验的基础上,凭经验来设计分布器,在分布槽内的液体流动以及流出形态、分布器的形状、材料和管口结构的调整与设计方面尚缺乏理论指导u 。
 
2.4 托盘式液体分布器
 
托盘式液体分布器系在槽式液体分布器的基础上开发而成,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。在收集槽上面增加一个梅花型挡圈,以收集壁流液体,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。
 
2.5 槽盘式(Tplgd)
 
槽盘式气液分布器是盘式液体分布器的最新进展 。该分布器由五部分组成:矩形升气管、V形挡液板、导液管、铺板和连接件。基本结构有三种:(1)全可拆式结构;(2)局部可拆式结构;(3)全
 
焊式结构。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 ’ 。
 
2.6 盘槽式(Ptlgd)
 
盘槽式气液分布器有三种基本型式:(1)塔盘/二级槽式液体分布器相复合;(2)集液盘(集油箱)/二级槽式液体分布器相复合;(3)遮挡式集液环(0形、0形等)/二级槽式液体分布器相复合。盘
 
槽式气液分布器既有塔盘或集液盘的功能,又有两级槽式液体分布器的功能。其突出性能是:多功能、低占位、用途广。与同类技术相比,该分布器具有抗堵塞、防夹带、升液位、适闪蒸、宜采出、防漏液、布气均、布液匀等特点。此外,联通槽液体分布器,在塔内的总占位高度比其他任何形式的液体分布器都低,而且可以出侧线,适用于高理论板数、多段床层的填料塔
 
2.7 Liqdlst液体分布器
 
Liqdlst液体分布器由主槽、侧槽、一级分布板、二级分布板以及防堵元件组成。根据塔径的大小,主槽可以有一个或多个平行设置的侧槽与主槽相连通,主槽的液体通过侧槽上设置的液体分布小
 
孔将液体进行多点分布,然后液体引至二级分布板进行再次分配。该分布器有三种型号:(1)LiqdlstI型(填料塔液体线分布器),克服了液体点分布的不足,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)Liqdlst—I型 (填料塔液体面分布器),使填料塔内液体分布与再分布更加均匀;(3)Liqdlst—Il型(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,可捕集液相中的
 
漂浮、悬浮或沉淀颗粒,防止分布器和填料层堵塞。

进气初始分布器

大型塔器中填料层的高径比小,规整填料的压力降很小,进气初始分布不均匀,将直接影响塔内的传质、传热和分离效果。因此大型填料塔进气初始分布器作用尤为重要,其主要形式有环流式和径向式。
 
3.1 双切向环流式进气初始分布器
 
此分布器是在单切向环流式进气初始分布器的基础上开发出的一种面对称类、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、环形衬板、轴向导流板等部件组成。在国内炼油行业已推广应用于大型塔器中,但在塔中心气流偏多,环塔壁区气流偏少,轴向返转气流易将塔底部液层搅起形成液沫夹带 .4J。
 
3.2 辐射式进气初始分布器
辐射式分布器属径向式进气初始分布器,由进气管、分液器、辐射器、伞形导流器或捕液器组成。辐射器是由气体分配器和多层喇叭口状的导流器组成;伞形导流器是由伞骨、同心导流环和捕液器组成;捕液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优良的综合性能:气体分布不均匀度低;液沫夹带少;压力降小【。
 
3.3 带导流器和捕液吸能器的双切向环流式进气分布器该分布器克服了双切向环流式进气初始分布器的不足。其特点是上部的多层倒锥式导流板使气流更均匀,由栅板式框架及捕液填料组成的捕液器则将气体夹带的液滴捕集下来,同时减弱气体的动能,防止下部液体被气流搅起而产生严重的液体夹带 。
 
3.4 集液一气体分布盘
 
目前大型填料塔中多采用美国 Norton公司 116型气体分布盘和槽盘式集液一气体分布盘。槽盘式集液一气体分布盘结构与槽盘式气液分布器类同,只是无喷淋孔和导液管,其风帽有 V形和 w 形两种,后者有气液分离作用 。
 
4 大型填料塔支承结构
 

4.1 钢梁结构
支撑钢梁主要有工字钢梁、组合梁、桁架梁及拱桥式组合梁¨ 。
 
工字钢梁是目前应用最广的一种。但随着塔径的增大,工字钢梁的型号也要加大,使其难以从人孔进塔,由此产生的气体涡流越严重,气体分布的端效应也越大。
 
组合梁是指用小号型钢组装(或组焊)成大号钢梁。一般有双槽钢组成的工字钢梁和小角钢(或小槽钢)组焊成的大钢梁,美国 Glitsch公司的组合梁在翅板上开有长条孔,腹板上开有与长轴垂直的椭圆孔,以减少涡流和利于气体横向流动。
 
桁架支撑梁具有强度高、挠度小、透气性好等优点。在支承梁中间可以穿行,可利用空间高度大大降低,从而降低了全塔高度;同时改善了大支承梁造成的气流旋流、冲击而影响塔板及填料性能。
 
与普通工字钢粱相比,气体实现横向混合,减少气相流动阻力,同时可减少金属质量。
 
拱桥式组合梁结构有两个半拱形支座,中间选择较小型号的工字钢梁,这样既保证了梁的刚度,同时又减少了气体涡流现象。
 
4.2 无梁填料塔
 
无梁填料塔是由具有高效多功能内件组成,其特点:(1)在大直径塔中应用规整填料,增加了传质比表面积,提高了传质能力;(2)同时具有液体再分布、气体再分布、气液传质等功能;(3)消除了塔内支撑对塔效率的负面影响,提高了塔效率及处理通量;(4)采用了 “超滤”技术,使规整填料不易堵塞 
 
 
4.3 支承圈
 
常规的支承圈为水平环板式,带筋板的垂直环板式可增加气体通道面积,降低压力降,减少气体分布的端效应,同时消除了易堵塞区。
 
5 结语
 
大型规整填料塔成套设备中,规整填料和塔内构件的设计和选用相当重要。特别是液体分布器的选用往往是关键,合理选用填料塔的液体初始分布器,能够减少和防止放大效应,从而使填料塔的塔高、塔径减小,造价和操作费用降低。大通量、低压降、高效规整填料和塔内构件的开发应用以及基础理论研究的成果和优化组合,使填料塔大型化技术取得重大突破。

 
 
 
 
 
 
 
 
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