化工原理大作業(yè)---填料塔中的技術(shù)進(jìn)展

1、化工原理大作業(yè)學(xué)院： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名：指導(dǎo)老師： 填料塔中的技術(shù)進(jìn)展 填料塔是化工類企業(yè)中最常用的氣、液傳質(zhì)設(shè)備之一，在塔體內(nèi)設(shè)置填料使氣液兩相能夠達(dá)到良好傳質(zhì)所需的接觸狀況。填料塔具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，壓降小，處理能力大，耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，已在石油化工行業(yè)廣泛應(yīng)用，并有取代板式塔的趨勢(shì)。近年來，人們對(duì)填料塔作了大量的實(shí)質(zhì)性研究，并取得了突破性進(jìn)展，主要表現(xiàn)在一些新型高效塔內(nèi)件和塔填料的問世，加上人們對(duì)傳質(zhì)過程的仿真模擬及放大效應(yīng)的解決，使填料塔在以前以板式塔應(yīng)用為主的場合，尤其是大型塔的應(yīng)用中得到了很好的應(yīng)用，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效果。現(xiàn)從填料塔的塔填料、塔內(nèi)件，兩方面來說明填料塔技術(shù)

2、的新進(jìn)展。一、散裝填料從環(huán)形填料、鞍型環(huán)填料到鞍環(huán)類填料，人們千方百計(jì)地改進(jìn)填料結(jié)構(gòu)，之后又出現(xiàn)了一些新型的填料，如格型環(huán)、階梯短環(huán)、高流環(huán)、諾派克環(huán)、扁環(huán)、共軛環(huán)、彈簧絲、萊佛厄派克環(huán)、刺孔環(huán)等，以促使孔隙率和比表面積盡可能地增大，堆積后又不會(huì)相互套疊。但改進(jìn)都不大。到目前為止，幾乎所有的散裝填料都是從拉西環(huán)和弧鞍這兩個(gè)雛形演變而來的。散裝填料的分類方法有多種，根據(jù)幾何形狀和結(jié)構(gòu)來劃分，有以下幾種不同的種類：散裝填料的分類近年來在塑料材質(zhì)的設(shè)計(jì)方面，出現(xiàn)了由塑料諾派克環(huán)帶頭的格子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，緊隨其后出現(xiàn)了金屬，陶瓷的哈弗羅環(huán)，大量實(shí)驗(yàn)表明，格子結(jié)構(gòu)填料是高性能的填料，而且可以成功的用于熱敏物

3、系分離以及那些需要很多理論級(jí)及能量消耗較多的場合。另外對(duì)于實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)中，針對(duì)于沸點(diǎn)接近的難分離物質(zhì)，研究出了高效散裝填料，這些高效填料尺寸相當(dāng)小，一般只有1.510mm，但是比表面積很大。高效填料一般采用絲網(wǎng)，細(xì)金屬絲刺孔金屬片等制造，常用的高效散裝填料有網(wǎng)環(huán)、鞍型環(huán)、壓延孔環(huán)、螺線圈、網(wǎng)帶卷等。1. 網(wǎng)環(huán)填料和三角形彈簧填料網(wǎng)環(huán)填料是金屬絲網(wǎng)制成的環(huán)狀填料,由于金屬絲網(wǎng)具有的毛細(xì)作用現(xiàn)象,液體在其表面很容易分散成膜,易于氣液兩相的傳質(zhì)、傳熱。網(wǎng)環(huán)填料比表面積很大,表面潤濕較為完全,成膜率高,因此網(wǎng)環(huán)填料分離效率也很高。三角形彈簣?zhí)盍鲜墙饘俳z通過繞制形成,三角形彈簧填料的每一圈是三角形,每一

4、圈的三角形錯(cuò)開一定的角度,從縱向看三角形彈簧填料是多邊形。三角形彈簧填料分離效率較高,但不及網(wǎng)環(huán)填料。網(wǎng)環(huán)(Dixon環(huán))填料禾11三角形彈黃填料的形狀結(jié)構(gòu)2IMPAC填料IMPAC填料最初由美國Lantc公司提出,它集扁、鞍和環(huán)結(jié)構(gòu)于一體?？梢钥醋饔扇舾蓚€(gè)Intalox填料聯(lián)體而成,采用多褶壁面,多層筋片,消除床內(nèi)死角和單體互相嵌套。所以,從一個(gè)顆粒填料來看,應(yīng)是多個(gè)/單個(gè)填料0的規(guī)則型,而從多個(gè)顆粒填料整體來看,又是散堆形式,所以該填料兼有規(guī)整填料和散堆填料之特性。其特點(diǎn)如下:1)與一般散堆填料相比,通量可提高10%30%;2)具有高的比表面積131 m2/m3,與一般散堆填料相比,單元傳

5、質(zhì)高度低,可下降5%35%;3)無翻邊結(jié)構(gòu),避免了汽液滯留;4)多層翅片,自分布性能優(yōu)良,故對(duì)汽液分布器的要求遠(yuǎn)不如規(guī)整填料嚴(yán)格;5)壓力降小,可比一般散堆填料下降5%15%;6)單體外形呈扁環(huán),使填料單元立放最穩(wěn),有利于加強(qiáng)氣液湍動(dòng),活化內(nèi)表面;7)既具有一般散堆填料拆裝方便,維修改造靈活的特性,又具有規(guī)整填料比表面積大、空隙率高,流體分布均勻的長處。3. 階梯短環(huán)填料階梯短環(huán)填料(Cascade Mini Ring,CMR)是美國Glitsch公司兼并英國傳質(zhì)公司后大力推廣的一種散堆填料,與其前身階梯環(huán)相比,高徑比從原有的015降到013。這種看似簡單的幾何特性卻是CMR性能優(yōu)越的關(guān)鍵。大

6、量試驗(yàn)表明,CMR的性能確實(shí)明顯優(yōu)于鮑爾環(huán)和篩板塔,其壓降約為拉西環(huán)的30%,傳質(zhì)系數(shù)比拉西環(huán)大約提高50%。因此,CMR的應(yīng)用很廣泛,已在近千座工業(yè)塔中得到廣泛應(yīng)用。4. 超級(jí)扁環(huán)填料清華大學(xué)研制的內(nèi)彎弧型筋片扁環(huán)填料(QH-1型扁環(huán)填料),其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:1)采用和傳統(tǒng)填料不同的內(nèi)彎弧型筋片結(jié)構(gòu),使填料內(nèi)部的流道更為合理,提高了傳質(zhì)效率,同時(shí)這種結(jié)構(gòu)可提高填料的強(qiáng)度;2)針對(duì)液液體系軸向混合嚴(yán)重的特點(diǎn),采用012013的高徑比,使填料在亂堆時(shí)也能體現(xiàn)一定程度的有序排列,從而降低了阻力,有效抑制了兩相的非理想流動(dòng),有助于進(jìn)一步提高處理能力和傳質(zhì)效率;3)可根據(jù)體系和生產(chǎn)要求,采用多種材質(zhì)加工制

7、造,且有多種規(guī)格,因而選用范圍寬,操作彈性大。實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)應(yīng)用表明,QH-1型扁環(huán)填料具有優(yōu)異的性能:用于液液萃取時(shí),此填料的性能明顯優(yōu)于鮑爾環(huán)、Intalox等填料,軸向混合小,處理能力大,壓力降小,傳質(zhì)效率提高20%以上。為進(jìn)一步提高扁環(huán)填料的性能,又開發(fā)了新的撓性梅花扁環(huán)填料(QH-2型扁環(huán)填料),比QH-1型又有所提高。試驗(yàn)表明,與鮑爾環(huán)相比,QH-2型扁環(huán)填料處理能力約高15%35%,傳質(zhì)效率約高15%25%。5. 雙鞍環(huán)填料北京化工大學(xué)開發(fā)的雙鞍環(huán)新型高效填料具有如下特點(diǎn):1)雙鞍環(huán)在結(jié)構(gòu)上屬于開孔環(huán)、鞍環(huán),既包含環(huán)矩鞍的構(gòu)成,又融入納特環(huán)的構(gòu)思。由于突破一般填料的對(duì)稱性,有利于

8、構(gòu)成較為均衡的床層,提供良好的水力學(xué)和傳質(zhì)的硬件條件;2)雙鞍環(huán)的基本性能全面優(yōu)于環(huán)矩鞍。負(fù)載能力提高約10%;壓力降減少10%20%;分離效率提高約17%。尤其是傳質(zhì)單元壓降減小近40%,這對(duì)于塔的節(jié)能改造、熱敏性物系的分離以及真空精餾設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)用價(jià)值;3)在若干技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對(duì)比上,雙鞍環(huán)不僅有較高的綜合技術(shù)指標(biāo),而且在節(jié)省材耗和提高強(qiáng)度重量比等方面也呈現(xiàn)出較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性,比環(huán)矩鞍更具競爭力。6. 其它Envicon公司的Mc-Pac環(huán)金屬填料,據(jù)稱與50mm鮑爾環(huán)相比,其效率提高40%,壓降減小60%。Raschig公司的Raschig-Super-Ring塑料環(huán),與50 mm塑料鮑

9、爾環(huán)相比,它的壓力損失減少了70%,負(fù)荷能力提高了50%。Lantc公司的Q-pac Metal HybridPacking(混合填料),既有規(guī)整填料的效率和能力,又有散堆填料的經(jīng)濟(jì)性和通用性,能降低HETP(理論塔板等效高度)30%以上,壓力損失減少40%。Lantc公司的LANPAC環(huán)保塔填料,與其他尺寸相同的填料相比,它可更有效地降低壓降,提高傳質(zhì)效率,且現(xiàn)場作業(yè)證明不堵塞。Koch公司的K4GTM高效填料,自稱是從拉西環(huán)算起的第四代第一個(gè)散堆填料,具有更低的壓降和非常高的分離能力,經(jīng)美國得克薩斯州大學(xué)能量研究中心試驗(yàn)證明,其傳質(zhì)效率可比鮑爾環(huán)提高15%。二、規(guī)整填料與散裝填料相比，規(guī)整

10、填料在整個(gè)塔截面上，幾何形狀規(guī)則、對(duì)稱、均勻。在相同的能量和壓降下，規(guī)整填料可以安排更大的表面積，它規(guī)定了氣液流路，改善了溝流和壁流現(xiàn)象，壓降可以很小。由于其結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，合理的設(shè)計(jì)幾乎可以做到?jīng)]有放大效應(yīng)，因此在短短的幾十年間就形成了比較完整的規(guī)整填料系列。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可以分為波紋填料、格柵填料、脈沖填料等，即使同一類型，亦有各種規(guī)格，它們的比表面積、空隙率及幾何尺寸存在差異。國外主要新型規(guī)整填料1 網(wǎng)、柵填料網(wǎng)類材料規(guī)整填料適用于低液體流率場合;格柵類規(guī)整填料,由于有很大孔隙率,尤其適用于含固體的流體或要求壓力降小場合。目前在大型填料塔上應(yīng)用效果較好的網(wǎng)、柵規(guī)整填料有:

11、波紋絲網(wǎng)填料(DX, E)、帶孔波紋絲網(wǎng)填料(AX, BX, CY)、雙層絲網(wǎng)(夾層內(nèi)可裝有催化劑)填料( KatapaK)、絲網(wǎng)型Katamax和Flexeramic、Mc-pak規(guī)整絲網(wǎng)填料、板網(wǎng)片Pyrapak G和Pyrapak F填料、脈沖填料(Unapak填料);格柵(陶瓷)、網(wǎng)孔格柵Perform Grid等。SW系列網(wǎng)孔波紋填料上海化工研究院將金屬薄帶經(jīng)適當(dāng)處理,沖制拉伸成特定規(guī)格的壓延網(wǎng)孔制成波紋填料,開發(fā)出SW系列網(wǎng)孔波紋填料,綜合了絲網(wǎng)與孔板波紋填料的優(yōu)點(diǎn),分離效率大約為每米(78)塊理論板,已成功應(yīng)用于分離甲醇、甲醛、硝基氯苯等等。蜂窩型格柵填料蜂窩型格柵是清華大學(xué)近年

12、開發(fā)的一種新型規(guī)整填料,經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比,蜂窩型塔的比負(fù)荷約為Filip型填料塔的114倍。實(shí)踐表明,該填料具有處理能力大、壓力降小、傳質(zhì)效率高及易于加工制造和安裝維修等優(yōu)點(diǎn),在汽油脫硫醇、溶劑脫瀝青、潤滑油糠醛精制等液-液抽提過程中得到成功的應(yīng)用。2. 板、片填料板、片填料與網(wǎng)、柵類填料相比,比表面積較小,分離能力相對(duì)較低,但其持液量小,抗堵塞性能好,特別適用于處理較大氣液負(fù)荷的粗分離過程和吸收操作過程。目前在大型填料塔上應(yīng)用效果較好的有:圓盤狀環(huán)弧規(guī)整填料、花形規(guī)整填料、導(dǎo)向板波紋填料、薄密篩板填料、陶瓷波紋板填料(Kerapak)、側(cè)向/V0字形波紋鞍環(huán)板波填料、彎曲導(dǎo)流波紋填料及Kon-Ta

13、ne填料等。為了有效地提高填料表面利用率及傳質(zhì)速率,在上述的基礎(chǔ)上先后出現(xiàn)了帶孔波紋板填料(Me-llapak)、波紋狀穿孔板以及板片、不銹鋼網(wǎng)板式填料(Rombopak填料)、帶縫隙波紋板式填料(Ras-chig-Su-perpak)、開槽條片Snan grid、金屬織物結(jié)構(gòu)金屬片BSH、雙重波紋片Intalox填料等,其填料分離性能介于織網(wǎng)型和格柵型之間,且具有持液量小和抗堵塞的特點(diǎn)。組片式(Zupak)和峰谷搭片式(Dapak)波紋填料組片式(Zupak)和峰谷搭片式(Dapak)波紋填料都是天津大學(xué)開發(fā)的專利產(chǎn)品。Zupak的每一周期波紋由位于四個(gè)平面上的斷續(xù)平面圖形薄片相交所組成,其

14、側(cè)向投影形狀為兩條互相交錯(cuò)的波紋狀折線。Dapak主要特征在于在填料波紋板片的波峰和波谷上,規(guī)則間斷地開設(shè)截面形狀呈三角形的谷段和峰段,構(gòu)成谷段的兩個(gè)谷面為上小下大的梯形,構(gòu)成峰段的兩個(gè)峰面為上大下小的梯形。Dapak與Zupak相比具有更加優(yōu)良的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能,與相應(yīng)型號(hào)的Mellapak填料相比,分離效率提高約10%,通量提高20%,壓力損失降低30%左右。目前兩者都已有成功的工業(yè)應(yīng)用。3. 復(fù)合填料將散裝填料或不同型號(hào)的規(guī)整填料按一定規(guī)律充填在同一填料層中或分別裝在不同的填料層中形成復(fù)合填料。常見的復(fù)合形式有夾心式(規(guī)整)散裝)規(guī)整)、兩層式(規(guī)整)散裝)、雙夾心式(規(guī)整)散裝)規(guī)整

15、)散裝)規(guī)整)等。用于高壓蒸餾的組合式填料,依據(jù)塔內(nèi)各段的不同分離要求和兩相負(fù)荷沿塔高的分布,選用不同類型的填料,可強(qiáng)化氣液兩相間的傳質(zhì),提高處理能力和分離效率。薄密篩板填料薄密篩板填料綜合了板式塔和填料塔的優(yōu)點(diǎn),其板間距更為緊密,篩板及液層均較薄。結(jié)構(gòu)排布方式則充分利用了液柱(或液滴)密布的空間,氣液兩相界面的更新頻繁,強(qiáng)化了傳質(zhì)。流態(tài)化填料流態(tài)化填料較好地解決了懸浮于氣相和液相中的固體顆粒堵塞填料床的問題,可實(shí)現(xiàn)較高的氣流速率和傳質(zhì)速率。國外推出一種Euromatic填料,為塑料橢球形空心薄壁填料,它的開發(fā)促使人們對(duì)流態(tài)化填料床的研究更加深入。小波紋齒角梯形規(guī)整填料小波紋齒角梯形規(guī)整填料是

16、一種綜合性能優(yōu)良、有廣泛應(yīng)用前景的新型波紋規(guī)整填料,其單位床層壓降可減小30%,同時(shí)傳質(zhì)效率提高了16%。規(guī)整填料的材質(zhì)主要是陶瓷、不銹鋼、碳鋼和塑料。陶瓷材料耐高溫、耐腐蝕,但阻力大且強(qiáng)度較低;不銹鋼金屬材料成本高,碳鋼金屬材料不耐腐,塑料潤濕性差。其它新型復(fù)合填料清華大學(xué)研究開發(fā)的新型復(fù)合填料,是在規(guī)整填料基礎(chǔ)上采用交錯(cuò)90b排列的水平波紋(PFG)組合而成。PFG本身是填料,同時(shí)又起到分布器的作用,具有良好的自分布性能,傳質(zhì)效率比規(guī)整填料提高15%20%。每米填料的理論板數(shù)比同規(guī)格的Sulzer填料高15%左右。此外,清華大學(xué)在新型復(fù)合填料基礎(chǔ)上采用一定厚度的復(fù)合填料單元體作為塔板,形成

17、分層填料塔板。其傳質(zhì)效率高,填料用量少(降低填料成本),高效低阻,性能優(yōu)于一般塔板和填料,特別適用于真空精餾工況下的高純度分離。三、塔內(nèi)件塔內(nèi)件包括氣體分布器、填料支承板、床層限位器、液體分布器、壁流收集分配錐、液體收集器和再分布器等。其設(shè)計(jì)、制造及安裝都極為重要。填料塔分離性能首先取決于填料,其次取決于塔內(nèi)件等。1.液體分布器國內(nèi)外研究表明,填料塔直徑對(duì)填料性能的影響很小,填料床層上液體的初始分布是影響填料效率發(fā)揮的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在已發(fā)展的形式有,盤式、槽式、排管式、槽盤式、噴嘴式及飛濺式等。液體從分布器中流出的形式有小孔型、溢流型及噴灑型等。槽式液體分布器槽式液體分布器是工業(yè)中最常用的液體分

18、布器,屬于重力型液體分布器。根據(jù)液體分配次數(shù)可以將其分成一級(jí)、二級(jí)和多級(jí)槽式液體分布器。多級(jí)槽式液體分布器在大型填料塔中應(yīng)用很廣,目前多采用帶垂直布液板的線分布型結(jié)構(gòu),按其支承方式可分為3種:壓圈托槽式、懸槽式、埋藏梁托槽式。槽盤式氣液分布器槽盤式氣液分布器是盤式液體分布器的發(fā)展,并具有槽式液體分布器的某些優(yōu)點(diǎn)。該分布器的主要特點(diǎn)在于增設(shè)了防護(hù)屏和自動(dòng)排污系統(tǒng),抗堵塞能力更強(qiáng),可同時(shí)起到集液、氣體分布、液體分布和側(cè)線采出的功能。槽盤式氣液分布器結(jié)構(gòu)示意圖孔盤式液體分布器分為孔盤式和堰盤式2種,液體流動(dòng)推動(dòng)力均為重力,其重要構(gòu)件有液體分布盤和升氣管。該類分布器均布性能優(yōu)良,操作彈性較高,液體通量

19、大,最大噴淋密度可達(dá)到75 m3/(m2*h),氣液分流,流動(dòng)互不干擾;其不足之處在于，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,孔口容易被雜物堵塞。國內(nèi)在塔內(nèi)件方面也進(jìn)行了開發(fā),有些技術(shù)還獲得了專利。如天津天久新技術(shù)公司發(fā)明的虹吸式高彈性液體分布器,已獲得國家專利。國外制造廠商以及國內(nèi)一些單位都各有自己的技術(shù)秘密。2.氣體分布器目前,常用的進(jìn)氣分布器類型有多孔直管式、直管擋板式、切向號(hào)角式、單切向環(huán)流式、雙列葉片式、雙切向環(huán)流式和軸徑向式。其中雙切向環(huán)流分布器綜合性能頗為優(yōu)良,多用于大型填料塔,主要由頂板、入口導(dǎo)流板、弧形導(dǎo)流板、內(nèi)套筒和外套筒(塔壁)組成?；⌒瓮ǖ?、弧形導(dǎo)流板、塔底空間和分布器上方均布空間的共同作用使

20、進(jìn)料氣體在塔內(nèi)均勻分布。近年為進(jìn)一步改善塔內(nèi)氣體的分布,提高傳質(zhì)效率,又開發(fā)了許多性能優(yōu)良的氣體分布器。天津大學(xué)化學(xué)工程研究所設(shè)計(jì)出了帶導(dǎo)流器和捕液吸能器的新型雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器。雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器三維設(shè)計(jì)圖雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器此分布器是在單切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器的基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種面對(duì)稱類、環(huán)流型、導(dǎo)流式進(jìn)氣初始分布器,由錐形進(jìn)氣口、環(huán)向?qū)Я靼?、?nèi)套筒、環(huán)形襯板、軸向?qū)Я靼宓炔考M成。在國內(nèi)煉油行業(yè)已推廣應(yīng)用于大型塔器中,但在塔中心氣流偏多,環(huán)塔壁區(qū)氣流偏少,軸向返轉(zhuǎn)氣流易將塔底部液層攪起形成液沫夾帶。輻射式進(jìn)氣初始分布器輻射式分布器屬徑向式進(jìn)氣初始分布器,由進(jìn)氣管、

21、分液器、輻射器、傘形導(dǎo)流器或捕液器組成。輻射器是由氣體分配器和多層喇叭口狀的導(dǎo)流器組成;傘形導(dǎo)流器是由傘骨、同心導(dǎo)流環(huán)和捕液器組成;捕液器則由環(huán)形框架和脫氣填料組成。輻射式進(jìn)氣初始分布器具有優(yōu)良的綜合性能:氣體分布不均勻度低;液沫夾帶少;壓力降小。帶導(dǎo)流器和捕液吸能器的雙切向環(huán)流式進(jìn)氣分布器該分布器克服了雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器的不足。其特點(diǎn)是上部的多層倒錐式導(dǎo)流板使氣流更均勻,由柵板式框架及捕液填料組成的捕液器則將氣體夾帶的液滴捕集下來,同時(shí)減弱氣體的動(dòng)能,防止下部液體被氣流攪起而產(chǎn)生嚴(yán)重的液體夾帶。3. 支承結(jié)構(gòu)大型規(guī)整填料塔的支承結(jié)構(gòu)多采用常規(guī)支座、工字鋼梁、垂直(穿流)塔圈和穿流式柵板,現(xiàn)發(fā)展到“四穿型支撐”,即穿流式支座、穿流式柵梁、穿流式塔圈和穿流式柵板。鋼梁結(jié)構(gòu)桁架支撐梁它具有強(qiáng)度高、撓度小、透氣性好等優(yōu)點(diǎn)。桁架支承梁中間可以穿行,可利用空間高度大大降低,從而降低了全塔高度;同時(shí)桁架支承梁改善了大支承梁造成的氣流旋流、沖擊而影響塔板及填料性能發(fā)揮的缺點(diǎn)。桁架梁與普通工字鋼梁相比,可使氣體實(shí)現(xiàn)橫向混合,減少氣相流動(dòng)阻力,同時(shí)可減少金屬質(zhì)量。無梁填料塔無梁填料塔是由具有高效多功能內(nèi)件組成,其特點(diǎn): (1)