新型化工塔填料概述-天津大學(xué)傳質(zhì)作業(yè)9頁

1、一、前言塔器作為汽-液及液-液之間進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煉油、石化、精細(xì)化工、化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)的物系分離，涉及蒸(精)餾、吸收、解吸、汽提及萃取等化工單元操作。塔器分為板式塔和填料塔兩種。板式塔通常結(jié)構(gòu)較為簡單，易于放大，造價(jià)較低；但板式塔普遍存在效率較低，壓降較高，持液量大等缺點(diǎn)。為了解決這種問題，填料塔應(yīng)運(yùn)而生，填料塔近年來發(fā)展很快，尤其是隨著各種新型填料及其它新型塔內(nèi)件開發(fā)成功，應(yīng)用填料塔似乎成了一種潮流。與傳統(tǒng)的板式塔相比，填料塔具有生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓降小、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點(diǎn)，而且新型填料、新型塔內(nèi)件的開發(fā)應(yīng)用和基礎(chǔ)理論研究的不斷深入，使填料塔

2、的放大效應(yīng)取得了實(shí)質(zhì)性的突破，填料塔在化工企業(yè)得到了很好的應(yīng)用，使其與板式塔的競爭變得更為激烈。二、適用范圍填料塔應(yīng)用范圍極廣，相對(duì)于板式塔更適用于以下工況：傳質(zhì)速率受氣膜控制的系統(tǒng)以及要求持液量小、停留時(shí)間短、壓降小的物系；有腐蝕性、熱敏性、易起泡沫及粘性物料的條件；難分離物系及產(chǎn)品純度要求很高的場(chǎng)合；與高效液體分布器相匹配，還可適用于10：1以上的高操作彈性條件。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：煉油廠常減壓塔，氣體分離塔，催化裂化吸收穩(wěn)定系統(tǒng)、脫硫塔、烷基苯分餾塔等；乙烯裝置汽油分離塔、乙烯苯乙烯精餾塔的改造及其他石油化工產(chǎn)品的加工；化肥行業(yè)脫硫、脫碳、再生塔、熱水飽和塔、尿素除塵塔等；天然氣分離裝置、空

3、氣分離裝置；制藥、食品、環(huán)保、精細(xì)化工等行業(yè)。近幾年來，蒸餾裝置發(fā)展趨勢(shì)是現(xiàn)代填料塔逐步取代傳統(tǒng)填料塔，并部分取代大型板式塔，國外有專家預(yù)言，不就的將來采用規(guī)整填料將成為蒸餾操作唯一可取的途徑。三、新型散裝填料介紹散裝填料是具有一定幾何尺寸的顆粒體，在塔內(nèi)以散堆方式堆積。近年一些新型高效散裝填料的出現(xiàn)以及在一些行業(yè)的成功應(yīng)用，如環(huán)保行業(yè)從煙氣中除去HC1和S02等，說明散裝填料將在某些領(lǐng)域得到新的發(fā)展。另外，國內(nèi)外最新的研究工作表明，在液液萃取、液氣比很大的吸收和高壓精餾的情況下，應(yīng)用散裝填料的操作性能優(yōu)于規(guī)整填料和塔盤。因此在合成氨的氣體凈化、石油化工和焦化等領(lǐng)域，散裝填料得到了廣泛的應(yīng)用。

4、NJT型階梯環(huán)填料第一代NJT型瓷質(zhì)階梯環(huán)(井)和瓷質(zhì)階梯環(huán)(米)填料較目前國內(nèi)普遍使用的瓷質(zhì)拉西環(huán)填料和瓷質(zhì)矩鞍填料具有通量大、阻力小、效率高、操作范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。該填料早在1984年通過了原化工部科技局技術(shù)鑒定。它是一種綜合性能較好的填料，可以在化工生產(chǎn)中，特別是在硫酸裝置的吸收塔中推廣應(yīng)用。在老廠挖潛改造中可以增加設(shè)備生產(chǎn)能力、降低能量消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量。在新塔設(shè)計(jì)中可以提高設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度，降低塔填料層的高度。第二代瓷階梯環(huán)填料比第一代瓷階梯環(huán)填料具有更大的比表面積、更高的空隙率和機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)減少了壁流，從而提高了干燥、吸收塔的生產(chǎn)強(qiáng)度，在對(duì)老廠挖潛改造中可提高生產(chǎn)能力25左右，對(duì)新廠建設(shè)

5、中可使填料阻力更低，能耗更低，塔設(shè)備投資更低第二代瓷階梯環(huán)填料比第一代瓷階梯環(huán)填料阻力更小，在結(jié)構(gòu)上使氣液兩相的接觸由面變?yōu)辄c(diǎn)，接觸面不斷更新，加大了吸收推動(dòng)力，使干燥水分指標(biāo)和吸收率指標(biāo)比第一代瓷階梯環(huán)填料更優(yōu)，生產(chǎn)操作更穩(wěn)定。第二代瓷階梯環(huán)填料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，制造工藝嚴(yán)謹(jǐn)，耐酸度高，經(jīng)使用證實(shí)其破損率小于1，使用壽命長，還可進(jìn)一步降低填料塔的填料高度，更有利于降低制造成本。第二代瓷階梯環(huán)填料可在更高的氣流速度下操作，自清洗能力強(qiáng)，霧沫夾帶更少，可延遲大修周期，保護(hù)了環(huán)境。 此種填料為硫酸工業(yè)給予了很大的幫助。Impak填料Impak填料最初由美國Lantacskan公司提出，后經(jīng)北京化工大學(xué)

6、等單位多年研究改進(jìn)。是近一個(gè)世紀(jì)填料發(fā)展的新成果。構(gòu)型特點(diǎn)是：環(huán)鞍結(jié)合，既有鞍型結(jié)構(gòu)的良好分布性能，又有環(huán)型結(jié)構(gòu)高通量的特點(diǎn)；開放壁面；扁環(huán)結(jié)構(gòu)。對(duì)不同高徑比的環(huán)型填料對(duì)比研究表明：高徑比越小，傳質(zhì)效率越高。Impak填料單體外形呈扁環(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。Impak填料集扁、鞍、環(huán)結(jié)構(gòu)于一體，采用多褶壁面，多層筋片，強(qiáng)化了填料的整體性能，體現(xiàn)了現(xiàn)代散裝填料構(gòu)型正趨于成熟。實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明：其負(fù)荷能力與DN50mm金屬Intalox鞍環(huán)相當(dāng)；在一般的氣液流率下，傳質(zhì)效率比DN50mm金屬Intalox鞍環(huán)高出30以上；傳質(zhì)單元壓降很低，適合于精密分離、熱敏物系和舊塔

7、節(jié)能改造。階梯短環(huán)填料階梯短環(huán)填料(CMR)是美國Glistch公司兼并英國傳質(zhì)公司后大力推廣的一種散裝填料，與其前身階梯環(huán)相比，高徑比從原有的0.5降到0.3。這種看似簡單的幾何特性卻是CMR性能優(yōu)越的關(guān)鍵。大量實(shí)驗(yàn)表明，CMR的性能確實(shí)明顯優(yōu)于鮑爾環(huán)和篩板塔，且可以用碳鋼、不銹鋼、非鐵合金、塑料和陶瓷制造。因此，CMR的應(yīng)用很廣泛，已在近千座工業(yè)塔中得到廣泛的應(yīng)用。超級(jí)扁環(huán)填料清華大學(xué)根據(jù)國外新型填料發(fā)展的動(dòng)向。創(chuàng)新研制了內(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：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；針

8、對(duì)液液體系軸向混合嚴(yán)重的特點(diǎn)，采用0.2-0.3極低的高徑比，使填料在亂堆時(shí)也能體現(xiàn)一定程度的有序排列，從而降低了阻力降，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；可根據(jù)體系和生產(chǎn)要求，采用多種材質(zhì)加工制造，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)填料用于液液萃取和在大液體噴淋密度下，性能超過鮑爾環(huán)、Intalox等國外引進(jìn)的新型填料，已在潤滑油精制、芳烴抽提、液化氣脫硫、合成氨廠脫碳塔和再生塔中得到成功的應(yīng)用。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)，不僅傳質(zhì)效率高、處理能力大、阻力降小，而

9、且質(zhì)量輕、成本較低， 比QH-1型又有所提高。近年來，中國還引進(jìn)和吸收了許多高效、先進(jìn)的散裝填料，如金屬矩鞍環(huán)(IMTP)、改進(jìn)型金屬鮑爾環(huán)(HY-PAK)、金屬階梯環(huán)、塑料矩鞍環(huán)、共軛環(huán)等，也較接近理想填料，比規(guī)整填料具有更好的自清理能力，不易堵塞。四、新型規(guī)整填料介紹目前規(guī)整填料種類多，形狀不同，性能各異。理想的規(guī)整填料應(yīng)具備 下特點(diǎn)：(1)壓降?。?2)分離效率高；(3)節(jié)能，可減小塔徑；(4)液體滯流量少；(5)操作彈性大，適應(yīng)性強(qiáng)；(6)產(chǎn)品提取率高。Zupak組片式波紋填料Zupak組片式波紋填料填料是原天津大學(xué)填料塔新技術(shù)公司近年開發(fā)出來的獲獎(jiǎng)專利產(chǎn)品，目前有兩大類8種型號(hào)。Zu

10、pak填料和相應(yīng)型號(hào)的Mellapak填料相比，比表面積增加了10左右，開孔率增加了30-40，分離效率提高約10，通量提高20，壓力降降低30左右。開發(fā)成功第一次就用在當(dāng)時(shí)中國最大直徑的塔上( 8400 mm)， 目前正處于迅速推廣階段。BH型高效填料BH型高效填料是北京化工大學(xué)在對(duì)國內(nèi)外各種填料進(jìn)行深入細(xì)致研究的基礎(chǔ)上川，為滿足化工行業(yè)對(duì)超高純度產(chǎn)品的要求，克服普通填料表面對(duì)甘油、水等表面張力大的物系難以良好潤濕成膜的缺點(diǎn)，并通過對(duì)各種填料網(wǎng)紋構(gòu)型進(jìn)行深入研究、綜合比較，結(jié)合填料流體力學(xué)性能與傳質(zhì)學(xué)的研究成果而研究開發(fā)出的一種新型高效填料。BH型高效填料己在我國醋酸乙烯制備、甲醇精餾、丙炔

11、醇制備、水合脫生產(chǎn)等行業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用，達(dá)到了提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低化學(xué)物料排放，提高這些行業(yè)的技術(shù)水平和產(chǎn)品競爭力的預(yù)期目標(biāo)。SM、SW 、SC、SB系列新型規(guī)整填料上海化工研究院國家高效分離塔填料及裝置技術(shù)研究推廣中心于20世紀(jì)70年代開發(fā)了SC、SB絲網(wǎng)波紋填料系列，80年代開發(fā)了SM系列SL板波紋填料，90年代開發(fā)了SW 系列網(wǎng)孔波紋填料并取得專利證書。這些填料已在國內(nèi)多座塔器中應(yīng)用，效果顯著。SINOPAK填料該填料系南京大學(xué)開發(fā)的波紋型系列無壁流規(guī)整填料，采用了專門的防壁流設(shè)計(jì)并獲得1996年國家專利。分離效率比其他普通波紋規(guī)整填料高10-25 ，其綜合性能完全達(dá)到和優(yōu)于國外同類填料產(chǎn)

12、品。CHINAPAK填料該填料系天津市博隆科技開發(fā)公司開發(fā)的規(guī)整填料專利產(chǎn)品，綜合了金屬孔板波紋填料和金屬矩鞍環(huán)填料各自的優(yōu)點(diǎn)，克服了散堆填料易于淘流的缺點(diǎn)，工業(yè)應(yīng)用獲得成功。自分布填料和再分布填料自分布填料是將特制的規(guī)整填料作為液體再分布器使用的， 旨在改善液體分布性能的填料。其作用是將多點(diǎn)式或多線式液體分布狀態(tài)變成多線式或面分布狀態(tài)，以減少液體分布的端效應(yīng)。這方面工作美國Glitsch公司領(lǐng)先一步。中國在1990年后。由天津大學(xué)研制的自分布填料在工程上得到了應(yīng)用。相對(duì)于填料層兩端氣液分布的端效應(yīng)。填料層中部存在著“中效應(yīng)”。再分布填料就是為了消除“中效應(yīng)” 而專門設(shè)計(jì)的一種特制填料。換言之

13、，它不僅克服了壁流現(xiàn)象，重要的是它能將環(huán)塔壁區(qū)的高液流量向塔心縮移，同時(shí)又將塔中心部位的高氣流量向環(huán)塔壁區(qū)擴(kuò)展， 因而既是液體再分布器，又是氣體再分布器，同時(shí)還起傳質(zhì)作用。自分布填料和再分布填料既適用于規(guī)整填料塔，也適用于散裝填料塔。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)90。排列的水平波紋(PFG)組合而成。PFG本身是種填料，同時(shí)又起到分布器的作用，具有良好的自分布性能，分離效果比規(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。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，形成分層填料塔板。其傳質(zhì)效率高，填料用量少(

14、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條件下的高純度分離。五、展望由于波紋填料的開發(fā)成功和一些基礎(chǔ)理論研究成果在填料塔工程放大問題上的突破，填料塔大型化帶來的放大效應(yīng)問題得到了一定程度的解決，尤其是20世紀(jì)90年代，一些大通量、低壓降、高效率填料和塔內(nèi)件的成功開發(fā)及應(yīng)用，使填料塔分離工程技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新階段。21世紀(jì)的填料塔分離技術(shù)將向行業(yè)化、復(fù)合化、節(jié)能化、大型化方向發(fā)展。不同種類的填料組成填料復(fù)合塔，或組成填料-塔板復(fù)合塔是一種新的開發(fā)途徑。新型“分布填料” 也將在分布器的開發(fā)中占據(jù)重要地位。參考文獻(xiàn)1 孫東升.填料塔分離技術(shù)新進(jìn)展J.化工進(jìn)展,2002,21（10）：769-772.2 韓聯(lián)國,杜剛,杜軍峰. 填料塔技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)J.中氮肥，2009(11)：32-34.3 高碧霞，李好管.新型規(guī)整填料及填料塔內(nèi)件