化工原理大作業(yè)---填料塔中的技術進展

1、化工原理大作業(yè)學院： 班級： 學號： 姓名：指導老師： 填料塔中的技術進展 填料塔是化工類企業(yè)中最常用的氣、液傳質設備之一，在塔體內設置填料使氣液兩相能夠達到良好傳質所需的接觸狀況。填料塔具有結構簡單，安裝方便，壓降小，處理能力大，耐腐蝕性好等優(yōu)點，已在石油化工行業(yè)廣泛應用，并有取代板式塔的趨勢。近年來，人們對填料塔作了大量的實質性研究，并取得了突破性進展，主要表現在一些新型高效塔內件和塔填料的問世，加上人們對傳質過程的仿真模擬及放大效應的解決，使填料塔在以前以板式塔應用為主的場合，尤其是大型塔的應用中得到了很好的應用，并取得了很好的經濟效果。現從填料塔的塔填料、塔內件，兩方面來說明填料塔技術

2、的新進展。一、散裝填料從環(huán)形填料、鞍型環(huán)填料到鞍環(huán)類填料，人們千方百計地改進填料結構，之后又出現了一些新型的填料，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，堆積后又不會相互套疊。但改進都不大。到目前為止，幾乎所有的散裝填料都是從拉西環(huán)和弧鞍這兩個雛形演變而來的。散裝填料的分類方法有多種，根據幾何形狀和結構來劃分，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的設計方面，出現了由塑料諾派克環(huán)帶頭的格子結構的設計，緊隨其后出現了金屬，陶瓷的哈弗羅環(huán)，大量實驗表明，格子結構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及能量消耗較多的場合。另外對于實驗室或生產中，針對于沸點接近的難分離物質，研究出了高效散裝填料，這些高效填料尺寸相當小，一般只有1.510mm，但是比表面積很大。高效填料一般采用絲網，細金屬絲刺孔金屬片等制造，常用的高效散裝填料有網環(huán)、鞍型環(huán)、壓延孔環(huán)、螺線圈、網帶卷等。1. 網環(huán)填料和三角形彈簧填料網環(huán)填料是金屬絲網制成的環(huán)狀填料,由于金屬絲網具有的毛細作用現象,液體在其表面很容易分散成膜,易于氣液兩相的傳質、傳熱。網環(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,但不及網環(huán)填料。網環(huán)(Dixon環(huán))填料禾11三角形彈黃填料的形狀結構2IMPAC填料IMPAC填料最初由美國Lantc公司提出,它集扁、鞍和環(huán)結構于一體。可以看作由若干個Intalox填料聯體而成,采用多褶壁面,多層筋片,消除床內死角和單體互相嵌套。所以,從一個顆粒填料來看,應是多個/單個填料0的規(guī)則型,而從多個顆粒填料整體來看,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、質高度低,可下降5%35%;3)無翻邊結構,避免了汽液滯留;4)多層翅片,自分布性能優(yōu)良,故對汽液分布器的要求遠不如規(guī)整填料嚴格;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),有利于加強氣液湍動,活化內表面;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)越的關鍵。大

6、量試驗表明,CMR的性能確實明顯優(yōu)于鮑爾環(huán)和篩板塔,其壓降約為拉西環(huán)的30%,傳質系數比拉西環(huán)大約提高50%。因此,CMR的應用很廣泛,已在近千座工業(yè)塔中得到廣泛應用。4. 超級扁環(huán)填料清華大學研制的內彎弧型筋片扁環(huán)填料(QH-1型扁環(huán)填料),其結構特點為:1)采用和傳統(tǒng)填料不同的內彎弧型筋片結構,使填料內部的流道更為合理,提高了傳質效率,同時這種結構可提高填料的強度;2)針對液液體系軸向混合嚴重的特點,采用012013的高徑比,使填料在亂堆時也能體現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,有助于進一步提高處理能力和傳質效率;3)可根據體系和生產要求,采用多種材質加工制

7、造,且有多種規(guī)格,因而選用范圍寬,操作彈性大。實驗研究和工業(yè)應用表明,QH-1型扁環(huán)填料具有優(yōu)異的性能:用于液液萃取時,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,傳質效率提高20%以上。為進一步提高扁環(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%,傳質效率約高15%25%。5. 雙鞍環(huán)填料北京化工大學開發(fā)的雙鞍環(huán)新型高效填料具有如下特點:1)雙鞍環(huán)在結構上屬于開孔環(huán)、鞍環(huán),既包含環(huán)矩鞍的構成,又融入納特環(huán)的構思。由于突破一般填料的對稱性,有利于

8、構成較為均衡的床層,提供良好的水力學和傳質的硬件條件;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%。尤其是傳質單元壓降減小近40%,這對于塔的節(jié)能改造、熱敏性物系的分離以及真空精餾設計具有較高的實用價值;3)在若干技術經濟指標的對比上,雙鞍環(huán)不僅有較高的綜合技術指標,而且在節(jié)省材耗和提高強度重量比等方面也呈現出較強的經濟性,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,又有散堆填料的經濟性和通用性,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,提高傳質效率,且現場作業(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散堆填料,具有更低的壓降和非常高的分離能力,經美國得克薩斯州大學能量研究中心試驗證明,其傳質效率可比鮑爾環(huán)提高15%。二、規(guī)整填料與散裝填料相比，規(guī)整

10、填料在整個塔截面上，幾何形狀規(guī)則、對稱、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象，壓降可以很小。由于其結構的規(guī)整性，合理的設計幾乎可以做到沒有放大效應，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，根據其幾何結構可以分為波紋填料、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、柵填料網類材料規(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用效果較好的網、柵規(guī)整填料有:

11、波紋絲網填料(DX, E)、帶孔波紋絲網填料(AX, BX, CY)、雙層絲網(夾層內可裝有催化劑)填料( KatapaK)、絲網型Katamax和Flexeramic、Mc-pak規(guī)整絲網填料、板網片Pyrapak G和Pyrapak F填料、脈沖填料(Unapak填料);格柵(陶瓷)、網孔格柵Perform Grid等。SW系列網孔波紋填料上海化工研究院將金屬薄帶經適當處理,沖制拉伸成特定規(guī)格的壓延網孔制成波紋填料,開發(fā)出SW系列網孔波紋填料,綜合了絲網與孔板波紋填料的優(yōu)點,分離效率大約為每米(78)塊理論板,已成功應用于分離甲醇、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近年

12、開發(fā)的一種新型規(guī)整填料,經試驗對比,蜂窩型塔的比負荷約為Filip型填料塔的114倍。實踐表明,該填料具有處理能力大、壓力降小、傳質效率高及易于加工制造和安裝維修等優(yōu)點,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用。2. 板、片填料板、片填料與網、柵類填料相比,比表面積較小,分離能力相對較低,但其持液量小,抗堵塞性能好,特別適用于處理較大氣液負荷的粗分離過程和吸收操作過程。目前在大型填料塔上應用效果較好的有:圓盤狀環(huán)弧規(guī)整填料、花形規(guī)整填料、導向板波紋填料、薄密篩板填料、陶瓷波紋板填料(Kerapak)、側向/V0字形波紋鞍環(huán)板波填料、彎曲導流波紋填料及Kon-Ta

13、ne填料等。為了有效地提高填料表面利用率及傳質速率,在上述的基礎上先后出現了帶孔波紋板填料(Me-llapak)、波紋狀穿孔板以及板片、不銹鋼網板式填料(Rombopak填料)、帶縫隙波紋板式填料(Ras-chig-Su-perpak)、開槽條片Snan grid、金屬織物結構金屬片BSH、雙重波紋片Intalox填料等,其填料分離性能介于織網型和格柵型之間,且具有持液量小和抗堵塞的特點。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開發(fā)的專利產品。Zupak的每一周期波紋由位于四個平面上的斷續(xù)平面圖形薄片相交所組成,其

14、側向投影形狀為兩條互相交錯的波紋狀折線。Dapak主要特征在于在填料波紋板片的波峰和波谷上,規(guī)則間斷地開設截面形狀呈三角形的谷段和峰段,構成谷段的兩個谷面為上小下大的梯形,構成峰段的兩個峰面為上大下小的梯形。Dapak與Zupak相比具有更加優(yōu)良的流體力學和傳質性能,與相應型號的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)應用。3. 復合填料將散裝填料或不同型號的規(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合填料。常見的復合形式有夾心式(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,依據塔內各段的不同分離要求和兩相負荷沿塔高的分布,選用不同類型的填料,可強化氣液兩相間的傳質,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,其板間距更為緊密,篩板及液層均較薄。結構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,強化了傳質。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,可實現較高的氣流速率和傳質速率。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%,同時傳質效率提高了16%。規(guī)整填料的材質主要是陶瓷、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。其它新型復合填料清華大學研究開發(fā)的新型復合填料,是在規(guī)整填料基礎上采用交錯90b排列的水平波紋(PFG)組合而成。PFG本身是填料,同時又起到分布器的作用,具有良好的自分布性能,傳質效率比規(guī)整填料提高15%20%。每米填料的理論板數比同規(guī)格的Sulzer填料高15%左右。此外,清華大學在新型復合填料基礎上采用一定厚度的復合填料單元體作為塔板,形成

17、分層填料塔板。其傳質效率高,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、塔內件塔內件包括氣體分布器、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。其設計、制造及安裝都極為重要。填料塔分離性能首先取決于填料,其次取決于塔內件等。1.液體分布器國內外研究表明,填料塔直徑對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)揮的關鍵因素?，F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。根據液體分配次數可以將其分成一級、二級和多級槽式液體分布器。多級槽式液體分布器在大型填料塔中應用很廣,目前多采用帶垂直布液板的線分布型結構,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。該分布器的主要特點在于增設了防護屏和自動排污系統(tǒng),抗堵塞能力更強,可同時起到集液、氣體分布、液體分布和側線采出的功能。槽盤式氣液分布器結構示意圖孔盤式液體分布器分為孔盤式和堰盤式2種,液體流動推動力均為重力,其重要構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,最大噴淋密度可達到75 m3/(m2*h),氣液分流,流動互不干擾;其不足之處在于，結構比較復雜,孔口容易被雜物堵塞。國內在塔內件方面也進行了開發(fā),有些技術還獲得了專利。如天津天久新技術公司發(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一些單位都各有自己的技術秘密。2.氣體分布器目前,常用的進氣分布器類型有多孔直管式、直管擋板式、切向號角式、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、入口導流板、弧形導流板、內套筒和外套筒(塔壁)組成?；⌒瓮ǖ馈⒒⌒螌Я靼?、塔底空間和分布器上方均布空間的共同作用使

20、進料氣體在塔內均勻分布。近年為進一步改善塔內氣體的分布,提高傳質效率,又開發(fā)了許多性能優(yōu)良的氣體分布器。天津大學化學工程研究所設計出了帶導流器和捕液吸能器的新型雙切向環(huán)流式進氣初始分布器。雙切向環(huán)流式進氣初始分布器三維設計圖雙切向環(huán)流式進氣初始分布器此分布器是在單切向環(huán)流式進氣初始分布器的基礎上開發(fā)出的一種面對稱類、環(huán)流型、導流式進氣初始分布器,由錐形進氣口、環(huán)向導流板、內套筒、環(huán)形襯板、軸向導流板等部件組成。在國內煉油行業(yè)已推廣應用于大型塔器中,但在塔中心氣流偏多,環(huán)塔壁區(qū)氣流偏少,軸向返轉氣流易將塔底部液層攪起形成液沫夾帶。輻射式進氣初始分布器輻射式分布器屬徑向式進氣初始分布器,由進氣管、

21、分液器、輻射器、傘形導流器或捕液器組成。輻射器是由氣體分配器和多層喇叭口狀的導流器組成;傘形導流器是由傘骨、同心導流環(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。帶導流器和捕液吸能器的雙切向環(huán)流式進氣分布器該分布器克服了雙切向環(huán)流式進氣初始分布器的不足。其特點是上部的多層倒錐式導流板使氣流更均勻,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,同時減弱氣體的動能,防止下部液體被氣流攪起而產生嚴重的液體夾帶。3. 支承結構大型規(guī)整填料塔的支承結構多采用常規(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。鋼梁結構桁架支撐梁它具有強度高、撓度小、透氣性好等優(yōu)點。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。桁架梁與普通工字鋼梁相比,可使氣體實現橫向混合,減少氣相流動阻力,同時可減少金屬質量。無梁填料塔無梁填料塔是由具有高效多功能內件組成,其特點: (1)