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填料塔技术及其工业化应用
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填料塔技术及其工业化应用

2019-09-27      阅读:
填料塔是一种重要的化工设备,也是化工工艺实验经常使用的设备之一。本文简要探讨了填料塔的作用机理和塔填料,并对填料塔的工业化应用做了简要介绍。 
0 引言 
  塔设备类型较多,是化工、石油化工和炼油生产中最重要的设备之一。它可使气液或液液两相之间进行紧密接触,达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成常见的比如精馏、吸收、解吸和萃取等的单元操作。填料塔是塔设备的一种,塔内填充适当高度的填料,以增加两种流体间的接触表面。例如:应用于气体吸收时,液体由塔的上部通过分布器进入,沿填料表面下降。气体则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上,与液体密切接触而相互作用。结构较简单,检修较方便。可广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。 
  1 填料塔的作用机理和特点 
  填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒,底部装有填料支承板,填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板,以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上,并沿填料表面流下。气体从塔底送入,经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后,与液体呈逆流连续通过填料层的空隙,在填料表面上,气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备,两相组成沿塔高连续变化,在正常操作状态下,气相为连续相,液相为分散相。 
  当液体沿填料层向下流动时,有逐渐向塔壁集中的趋势,使得塔壁附近的液流量逐渐增大,这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均,从而使传质效率下降。因此,当填料层较高时,需要进行分段,中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分,上层填料流下的液体经液体收集器收集后,送到液体再分布器,经重新分布后喷淋到下层填料上。 
  填料塔具有生产能力大,分离效率高,压降小,持液量小,操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处,如填料造价高;当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面,使传质效率降低;不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料;对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。 
  2 塔填料及其种类 
  填料泛指被填充于其他物体中的物料。在化学工程中,填料指装于填充塔内的惰性固体物料,例如鲍尔环拉西环等,其作用是增大气液的接触面,使其相互强烈混合。在化工产品中,填料又称填充剂,是指用以改善加工性能、制品力学性能并(或)降低成本的固体物料。 
  2.1 散堆填料
  散堆填料是具有一定几何形状和尺寸的颗粒体,以散堆方式置于塔内。1914年拉西环填料的出现是填料塔的一个重大突破,它结构简单是一种具有内外表面的环状实壁填料,有较大的表面积,但由于气体通过能力低,阻力也大,液体到达环内部比较困难,因而湿润不充分,传质效果差,故近年来逐渐被后来出现的其他填料所取代。第二代填料——鲍尔环是一种在环壁上开孔、环内带有舌片的填料。此后又出现了改进型鲍尔环、阶梯环,特别是阶梯环的高径比为0.3,阻力小,通量大,性能优良。1978年美国Norton公司推出的金属环矩鞍填料集中了开槽填料鲍尔环、鞍型填料、低高径比填料阶梯环三者的优点,具有低压降、高通量、液体分布性能好、传质效率高、操作弹性大等优良性能,在现有的工业散堆填料中占有明显的优势,被称为第三代填料的标志。除此之外,还有一种高效散堆填料,主要用于沸点非常接近的难分离物系,但其处理量非常小、价格昂贵,一般不在工业上应用。 
  2.2 规整填料
  规整填料是按一定的几何构形排列,整齐堆砌的填料。规整填料种类很多,根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。目前,规整填料种类多、形状不同、特性各异,理想的规整填料应具备阻力压降小、分离效率高、通量大、操作弹性大、适应性强、放大效应低等的特点。 
  3 填料塔的应用 
  目前,蒸馏装置的发展趋势是现代填料塔逐步取代传统填料塔,且部分取代大型板式塔。大型填料塔共有5大关键部件:高效填料、液体分布器、气体分布器、进气初始分布器和支承结构。填料塔的直径增大以后,其效率就会下降,产生所谓的 “放大效应”,填料塔大型化的难点在于如何解决好放大效应问题以及长周期运转的堵塞问题。目前填料塔技术大型化存在的问题包括大型化发展带来的气液分布、流体力学、传质、传热等工程问题;长周期运转中的设备堵塞结焦问题;围绕大型和超大型塔器中新型填料、气液分布器、支承梁的开发和应用问题。 
  填料塔随着新型塔填料的相继开发和应用,填料塔的优点更显突出,应用范围日益扩大。在炼油、石油化工、精细化工、化肥、制药和原子能工业部门,以及环保领域的应用已趋于成熟。填料塔尤其适用于真空蒸馏、常压及中压下的蒸馏,当然还有大气量的两相接触过程,但在高压精馏塔中应用时要特别谨慎。人们正在对高压精馏填料塔进行研究,企图从填料塔的结构和操作方法上予以解决,例如有人提出填料层分段乳化操作或采用超重力场分离等。近年来在突破高压精馏塔应用填料的局限性方面已取得了一些进展,其关键是彻底弄清高压对塔的处理能力和效率的影响,可利用浅床层和高性能塔构件(如气体分布器、液体分布器及再分布器)。也有人建议开发适用于高压蒸馏的组合式填料。 
  填料塔应用的另一个新领域是空气分离装置。30年代以前的空分设备,主要是满足焊接、切割用氧及化工用氮。由于现代钢铁、氮肥、化工及火箭等技术的发展,氧、氮及稀有气体的用量迅速增加。国外一些大公司,均已开始把填料塔应用于空分方面的研究。空分装置中规整填料的另一个用途是在粗氩塔中使用。过去的粗氩塔为筛板塔,无法得到氧含量小于2×10-6的纯氩。改用填料塔,便可取消过去生产纯氩产品时使用的下游工艺。 
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