大型填料塔技術及其工業應用

                                         大型填料塔技術及其工業應用

    近10 年來,蒸餾裝置的發展趨勢是現代填料塔逐步取代傳統填料塔,且部分取代大型板式塔。大型填料塔共有五大關鍵部件:高效填料、液體分布器、氣體分布器、進氣初始分布器和支承結構。填料塔的直徑增大以后,其效率就會下降,產生所謂的“放大效應”,填料塔大型化的難點在于如何解決好放大效應問題以及長周期運轉的堵塞問題。目前填料塔技術大型化存在的問題主要有: ①大型化發展帶來的氣液分布、流體力學、傳質、傳熱等工程問題;②長周期運轉中的設備堵塞結焦問題;③圍繞大型和超大型塔器中新型填料、氣液分布器、支承梁的開發和應用。筆者將介紹天津大學精餾技術國家工程研究中心開發的大型填料塔技術及其應用情況。

1、研究現狀
   天津大學精餾技術國家工程研究中心在開發成功新型高效波紋填料的基礎上,將化工熱力學、現代傳質理論、計算流體力學和流程模擬技術等基礎理論的研究成果用于解決填料塔大型化問題上,在裝置大型化方面取得了重大技術突破,某些技術已達到國際先進水平。1998年,由天津大學負責設計制造的中國石化茂名石化股份有限公司(簡稱茂名石化) 500 萬t/ a原油常減壓蒸餾裝置潤滑油減壓塔(直徑為814m) ,其技術、設備全部國產化,是當時國內塔徑*大的潤滑油規整填料/塔盤復合塔,其一次投產成功標志著我國在化工分離工程領域塔器技術研究、設計和應用方面已達到國際先進水平。2002 年8 月,天津大學精餾技術國家工程研究中心又成功研制了目前國內直徑*大的填料塔———中國石化上海高橋石化股份有限公司(簡稱高橋石化)800 萬t/ a 潤滑油型減壓塔(直徑為1012 m) 。表1為大型減壓蒸餾塔在中國石化茂名石化、高橋石化、齊魯石化股份有限公司(簡稱齊魯石化) 、上海石化股份有限公司(簡稱上海石化) 和鎮海煉油化工股份有限公司(簡稱鎮海煉化) 的應用實例。

表1 　大型減壓蒸餾塔應用實例
企業(年份) 規模 萬t/a 直徑 m 采用技術
茂名石化(1998 年) 500 814 　新型填料,導液盤式液體分布器,氣體分布器
高橋石化(2002 年) 800 1012 　新型填料,導液盤式液體分布器,氣體分布器,桁架梁
齊魯石化(2003 年) 600 714 　新型填料,導液盤式液體分布器,氣體分布器
上海石化(2004 年) 800 910 　新型填料,導液盤式液體分布器,氣體分布器,桁架梁
鎮海煉化(2004 年) 600 614 　新型填料,導液盤式液體分布器,氣體分布器,桁架梁

2、新型高效規整填料和塔內件

2.1 規整填料

   規整填料是一種在塔內按均勻幾何圖形排列、整齊堆砌的填料。規整填料的特點是規定了氣、液流徑,改善了填料層內的氣、液分布狀況,在很低的壓降下可以提供更多的比表面積,使得處理能力和傳質性能均得到較大程度的提高。

天津大學精餾技術國家工程研究中心在天津大學已有高效填料的基礎上,開發出新型高效波紋填料———雙向波紋填料(圖1) 。它是在金屬孔板波紋填料和Intalox 散堆填料基礎上開發的新一代規整填料,兼有金屬孔板波紋填料和Intalox 散堆填料的優點。其結構特點是在波紋填料的楞線上按一定間距沖有反向波紋,每一波紋片上形成方向相反、大小不同的波紋組裝成填料盤。由于板片上不沖孔,而是開有反向波紋環,因此它比孔板波紋填料表面積增加8%～12 % ,縱向開孔率卻比后者大大提高,約為40 %。該種填料的特點是傳質比表面積大,氣、液流路得到優化,橫向擴散能力強。另外,在抗堵塞能力、剛度、壓力降及通過能力方面都大大優于金屬孔板波紋填料。該新型填料目前已經成功應用于多座大型填料塔,如國內目前*大的塔器———高橋石化潤滑油減壓塔。

2.2 液體分布器

填料塔的傳質過程要求塔內任一截面上氣、液兩相流體能均勻分布,從而實現密切接觸、高效傳質,其中液體的初始分布至關重要。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揮的關鍵因素。

槽式液體分布器是工業中*常用的液體分布器,屬于重力型液體分布器,比較易于達到液體的均勻分布及穩定操作等要求,尤其適用于高液體負荷下的填料塔。根據液體分配次數可以將其分成**、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。其中懸槽式液體分布器因其噴淋孔的水平度不受填料床層變化的影響,目前國內外應用范圍較廣;埋藏梁托槽式液體分布器的主要結構特征在于“埋藏梁”,云梯梁就位后,填料、填料壓圈、二級槽、**槽再依次就位,這種結構可保證分布器的水平度一勞永逸。

槽盤式氣液分布器是盤式液體分布器的發展,并具有槽式液體分布器的某些優點。槽盤式氣液分布器由5 部分組成:矩形升氣管、V 形擋液板、特制導液管、鋪板和連接件。它有3 種基本結構:全可拆式、局部可拆式和全焊接式,與盤式分布器的主要差別在于:上大下小的2 排小孔分別開在矩形升氣管的上部和中部,靠特制的導液管將液體導入填料表面的低氣速區。該分布器的主要特點在于增設了防護屏和自動排污系統,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。

2.3 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、單切向環流式、雙列葉片式、雙切向環流式和軸徑向式。其中雙切向環流分布器綜合性能頗為優良,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。弧形通道、弧形導流板、塔底空間和分布器上方均布空間的共同作用使進料氣體在塔內均勻分布。
天津大學化學工程研究所在計算機三維設計和流體力學計算的基礎上設計了帶導流器和捕液吸能器的新型雙切向環流式進氣初始分布器。其特點是改進了導流板的結構,多層倒錐式導流器使氣流分布更均勻;捕液吸能器由柵板式框架與捕液填料所組成,其作用在于防止下部液體被氣流攪起而產生嚴重的液沫夾帶。

2.4 支承結構

填料支承裝置的作用是支承塔內填料床層。對填料支承裝置的要**:①應具有足夠的強度和剛度;②應具有大于填料層空隙率的開孔率,防止在此發生液泛;③結構要合理,利于氣、液兩相均勻分布,阻力小,便于拆裝。

大型塔支承梁的設計好壞對填料及塔板效率影響很大。天津大學精餾技術國家工程研究中心和北洋精餾公司借用鐵路橋梁桁架的設計原理,開發出獨具特色的填料塔支承結構———桁架支承梁,它具有強度高、撓度小、透氣性好等優點。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。

3、工業應用

上海高橋石化公司潤滑油減壓塔是目前國內*大的塔器,在該塔器中,塔內填料采用新型雙向波紋填料;液體分布器設計采用全連通式**槽式導流板,使液體分布更均勻;并且增設具有抗堵塞性能的新結構;采用加設規整填料的埋藏云梯梁支承分布槽結構,這樣既保證了大直徑、低床層的填料塔對分布器的液體多點分布均勻的要求,也有效地利用了有限的空間高度;支承梁采用獨具特色的優良桁架梁。

4、結論

(1) 如何解決好放大效應問題是填料塔大型化的核心問題。“規整填料在沒有氣、液分布**現象的條件下,幾乎沒有放大效應”已成共識。

(2) 雙向波紋填料的成功開發和基礎理論研究的成果使填料塔大型化技術取得重大突破。大型塔器的開發呈現現代規整填料塔逐步取代大型板式塔的趨勢。

(3) 新型規整填料、液體分布器、氣體分布器、進氣初始分布器和支承結構的開發和優化組合,是設計出高效塔器的保證。

(4) 將*新的計算機模擬技術和計算流體力學的*新成果應用于塔設備的開發,可以大大加快研發的速度和效率。