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规整填料在应用中的问题
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规整填料在应用中的问题

2019-06-22      阅读:
规整填料以其优于塔板和散堆填料的综合性能, 广泛用于炼油、 石化、 轻工等许多生产装置的塔器中 , 化肥厂的许多气体净化塔器和有关塔器的技术更新也把应用规整填料作为首选的技术措施 , 并已收到令人瞩目的效果。 不少期刊也发表了大量有关规整填料的性能、 计算及应用改造实例。
 
根据多年来推广应用规整填料 (主要是金属孔板波纹填料 , 瑞士苏尔寿公司名为 Mellapak ) 的经验 , 我们深切感到仍有一些问题是设计和应用中没有得到足够重视的 , 有些问题则未得到充分认识和探究。 这就必然造成这样一种情况: 规整填料已得到普及和推广 , 但对其认识仍带有一定的片面性、 盲目性 , 有些问题甚至尚未完全搞透 , 这肯定会妨碍填料性能的充分发挥 , 塔设备的潜力也未能充分利用 , 给生产和投资带来一定的负面影响。 我们认为以下一些问题是应该再进一步认识的。
 

1 填料高度的选定

 
按化工原理的计算方法 , 填料高度由以下两式决定:
 
Z= N T• HE TP或 Z=  HO G• N OG
 
一般前者用于精馏 , 后者用于吸收。 我们则都用前一公式。 无论精馏还是吸收 , 应用工程软件通过多级模拟计算得到理论板数 N T 是不困难的 , 并有足够的精度。 但对一些较特殊的吸收过程(包括化学吸收 ) , 由于软件中缺少相应的气液数据 , 无法得出 N T。
 
HET P是填料的理论板当量高度 , 即相当一个理论板所需的填料高度 ,应由传质计算得出 ,决定此值较困难。 通常精馏过程都参考苏尔寿公司的有关实验数据 , 比如 250Y取 2~ 3块板 /m[1 ]。对于吸收则缺少相应的数据。 由于吸收过程温度低 , 液体粘度和表面张力均大 , 扩散系数较小 , 其传质效率将较差。 虽然对散堆填料已提出了不少计算 N T 或 N OG的公式 , 著名的有恩田 ( Onda) 模型和 Mo nsanto 模型 , 但它们提出较早 , 误差较大 [2 ]。对碳酸丙烯酯吸收 CO2、热钾碱法脱碳等化肥生产专有系统也提出了传质系数计算公式 , 但也都缺少足够的精度 , 且只是适用于较早的散堆填料 , 而无法用于规整填料。 至于规整填料的传质计算 ,作者曾归纳过一些文献上的公式[3 ] ,但未经实践充分检验 , 而且其中物性参数的选取有时也较为困难 , 精度难以保证。基于以上理由 , 目前化肥厂规整填料高度大多是参照生产现场情况 , 比如不低于或稍低于原先的散堆填料层高度 , 在有些情况下 (比如预蒸馏塔、 再生塔等 ) 用之代替塔板是有把握的。 当用于除尘冷却塔时 , 用 2~ 3 m板波填料即可收到降温节水的效果 , 但考虑堵塞 , 常在填料层下设 1~ 2块塔板 , 以预除较大粉尘 , 板波填料则用125Y型 , 可以防堵 , 又减少压降。
 

2 粘度对通量的影响

 
规整填料与散堆填料一样 , 其最大通量由填料液泛气速决定。 由于填料塔是否液泛直观上不好判断 , 若以压降来判断就较为可靠方便。 苏尔寿公司的学者证实[4 ] , 各种类型金属板波填料( M ellapak) 液泛时填料压降为 1. 2 kPa /m, 此时填料效率急剧下降。 实际应不在液泛时操作。 故他们推荐设计气速下填料压降应不超过 0. 3k Pa /m,在此以后填料压降将会陡升。目前这个准则已被普遍接受 , 可惜他们的实验都是在真空或常压精馏塔中得到的 , 这时液体温度较高 , 粘度较小 , 粘度对通量的影响可以略去。 在化肥厂的许多吸收塔中 , 液体粘度较大 , 不能将之忽略 , 如铜洗塔铜液粘度约为 2 cP, 而 N HD脱碳液粘度要大于 5 c P。当前计算规整填料通量主要有以下几个途径 [5 ]: 由文献提供的 ψ CG 曲线 , 按 Bain-Hongen公式、 由计算机软件 (比如用于计算板波填料通量的专用软件 ) 或由 Kister等提出的规整填料压降通用关联图。 其中 ψ CG 曲线推荐只适用于粘度小于 2 cP的体系。 Bain-Ho ng en公式中含有粘度 μ, 在其他参数一定时 , 液泛气速 wf 与 μ有关。通用压降关联图的纵坐标为 C F0. 5γ0. 05 , 其中含Gp运动粘度 V, 它直接影响气体通量因子 CG。 初步计算表明: 当液体粘度由 0. 6 cP增为 2 c P, 按 B H公式填料通量将下降 11. 1% , 由通用压降关联图将下降 6. 3% ; 如由 0. 6 cP增为 6 c P, 则由上述两法则计算的通量将下降 12. 2% 和 20. 3% , 所以当用规整填料处理较高粘度液体时 , 应注意塔的通量将会相应减小。
 

3 高压下的应用

 
规整填料在高压精馏塔中的应用研究已日渐增多 , 一般认为此时应更为慎重。 1980年前后曾用规整填料改造一些 C2、 C3 分离塔 , 均不甚成功 , 主要是 HET P太大 , 通量减小。 Ghelfi等则提供了若干成功应用的实例 [6 ]。 Kister等 [7 ]根据大量数据 , 经适当归一后 , 对塔板、 散堆填料和规整填料的性能进行了对比 , 给出了流动参数 ψ和气相通量因子 CG 的关系图 , 如图 1。 其中:
 
 
规整填料在应用中的问题
由图可见 ,当 ψ> 0. 3, 规整填料的 CG 下降很快 , 表示此时它的允许通量 wG 将不如塔板和散堆填料 ,与此同时它的分离效率也将急剧下降。产生这种高压精馏下的反常情况 (此时 ψ均较大 )是由于: ①塔操作温度高 , 致使液体粘度低 , 扩散性提高 , 而气体因高压密度增加 , 溶解度相应增加; ②液体喷淋密度较大 , 液相向下的动量较气相大 , 故较多的气相被液体带下 , 造成严重气相返混 , 这是分离效率下降的主要原因; ③由于液相喷淋量大 , 在填料表面不能形成均匀的膜状流
动 , 液体充塞填料空间 , 既不利于传质 , 也阻碍了气相的流动。 为此应在设计中采用合适、 专用的液体分布器 , 并采取较浅的填料层等 , 以缓解以上不利因素[8 ]。规整填料用于高压吸收则情况不同 , 如在 12 M Pa 压力下的铜洗塔采用全规整填料改造散堆填料已有大量成功实例 , 1. 7 M Pa的碳丙脱碳塔也有用全规整填料的报道。 可以认为 , 这是由于吸收在常温下 , 且铜洗塔属化学吸收。 此外 , 其喷淋密度尚不算大 , ψ值也不太大 (约 0. 7左右 )。脱碳塔情况要特殊些 , 碳丙脱碳的喷淋密度超过 100 m3 / ( m2• h ) , ψ值在 3以上 , 此时用规整填料反不如散堆填料 , 因为这时规整填料的优势很难发挥。 在实践中我们采用以散堆填料为主 , 配合新型液体分布器和少部分规整填料 , 形成一种散堆填料— 规整填料— 新型液体分布器的组合技术 , 对大量脱碳塔改造均取得了成功 [9 ]。 4 规整填料的操作弹性规整填料的操作弹性即气、 液相负荷上下限的研究报道很少 , 作者曾就此发表专文[ 10]。如前所述 , 气相负荷上限受填料液泛的制约 , 液相负荷上限除受液泛决定外 , 还受喷淋密度或 ψ值(不能太大 ) 的影响。但气、 液相负荷的下限则讨论很少 , 主要是缺乏有根据的具体数据。 当气相负荷过小时 , 在规整填料表面难于形成激烈的气液传质 , 同时气相分布也会不均 , 这些都将使填料分离效率下降。但有关 Mellapak填料的实验均没有明确给出下限值 , 在资料 [10] 中只能根据苏尔寿公司学者提供的实验数据 , 建议最小气相空塔动能因子 F 取 0. 5~ 0. 6,因为 F 值过小就没有可靠数据可供应用了。 空塔气速过小的情况常不受注意 , 此时只有建议减小塔径以保证填料能在较高的气相负荷下操作 , 分离效率才可保证。
 
液相负荷也不宜过小 , 规整填料对液体喷淋密度应有下限要求。 液体喷淋不足肯定不能保证填料表面的充分润湿 , 甚至形成干区 , 使填料有效表面积和几何表面积之比 ( ae /a ) 减小 , 而填料效率直接与 ae 有关。在资料 [10 ] 中推荐了计算 ae /a的相关公式和试验曲线 , 可以看出 ae 与喷淋密度密切相关 , 在此文所举例题中建议的最小喷淋密度为 4. 7 m3 / ( m2• h)。最小喷淋密度还与液体分布器的设计有关。分布器的孔径 d 与喷淋量 Q有以下关系:,其中 h 是喷淋孔以上液位高度 , 有推荐 h> 15m m 即可 ,但考虑安装和制造的水平度、孔的堵塞及操作弹性 , 我们设计中多取 h= 100~ 150 mm, 在喷淋密度较小时 , 此值也可取小些。n是喷淋孔数目 , 按推荐 Mellapak 应为 100点 /m2 , BX 为200点 /m2 , CY为 300点 /m2 [11 ]。若喷淋密度取 3 m3 / ( m2• h) , h= 40 mm , 则喷淋孔的直径将分别为 4. 4、 3. 1和 2. 5 m m, 当喷淋密度再小 , 孔径将更小 , 此种情况下很易发生堵孔 , 如在真空精馏塔又用丝网波纹填料 ( BX或 CY) 时将难以避免。 这时应采取适当的措施 , 比如适当减少喷淋点数目 , 并使由孔淋降的液流重新分布 , 如有些文献提到的由点分布变为线分布。
 

5  其

 
5. 1  填料层分段高度
 
虽然规整填料有较好的液体分布性能 , 与散堆填料相比 , 壁流较小 , 也即放大效应较小 , 但仍不可能完全避免气、液流产生壁流和分布不均 , 特别当初始分布不良时更难以避免。 故填料层亦不能太高 , 在每层之间设置气、 液再分布器。 散堆填料应用较久 , 它的每层填料高度按塔径有较多推荐 ,规整填料的填料分层高度则较少报导。资料[11 ]推荐 Mellapak 250Y每层最大高度为 6m , BX 丝网为 3 m, CY丝网为 2 m。 250Y的 6 m 推荐值据信参考了苏尔寿公司的有关资料 [12 ] , 这些学者在 1 m 塔中分别以 1. 4、 4. 4和 6. 6 m 的填料高度用三种物系进行精馏试验 , 证明填料层高度不同 , 塔的分离效率差别很小 , 故认为每层填料高度可达 6. 6 m。 虽然塔径不同应稍有区别, 但考虑到分层太多结构复杂 , 以及规整填料壁流效应较小 , 对 M ella pak取每层填料高度 5 m 左右是恰当的。有些设计采取更高的填料层高度 , 这时往往要采取一些防壁流措施。 至于丝网填料分离高度较低主要与它们自分布径向分布系数较小有关。
 
5. 2  喷淋点密度
 
每层填料的液体初始分布十分重要 , 应有足够的喷淋点密度 , 散堆填料可以较少 , 如有的推荐可在 40~ 50点 /m2 , 而规整填料则要求较多 , 如前提及的要 100~ 300点 /m2。有足够喷淋点密度的目的是使液体能尽快沿整个填料塔截面均匀分布 , 使之有良好的气液接触 , 减小端效应。 若喷淋点较少 , 将会使填料层顶部有一部分填料起再分布作用而无法充分润湿。 喷淋点密度大小与填料自身的液体径向分布系数直接有关。 这一系数较大 , 液体越容易沿塔截面自然扩散分布 , 同时从壁面返回主体区的可能性也较大 , 此时采用较少的喷淋点密度就可以减少端效应的不良影响。 散堆填料径向分布系数的实验表明 , 新型散堆填料较老式散堆填料具有较小的径向分布系数。规整填料因盘较高 , 一般为 200 mm , 液体又沿一定波纹流动 ,故它们的径向分布系数更小 ,要求的喷淋点密度更大。 比表面积越大 , 波纹板片愈密 , 径向扩散愈难 , 对初始分布的要求也越高 , 喷淋点密度更要大。
 
5. 3  新型规整填料
 
规整填料的种类很多 , 根据几何结构可分为波纹填料、 格栅填料、 脉冲填料等 , 现在国内应用最多的规整填料是金属孔板波纹填料 , 虽然各厂产品有自己的品种或型号 , 但基本与瑞士苏尔寿公司的 Mellapak相同或相近 , 主要原因是它应用时间最长、 设计数据较多、 应用成熟、 制造较易、 成本较低。 70年代末 M ellapak问世以后 , 各种波纹型规整填料的品种层出不穷[ 14]。它们有各自的特点 , 但不外包括如下几个方面: 对波纹板进行表面处理或加工以提高液体浸润性和液膜湍动, 改善传质 ; 改变板片的几何结构和参数以增加传质面积; 加强气、 液在板片间流动以增加湿润面积和改善液体横向分布; 改善液气的分布并使之更规整和有效流动 , 最终提高填料的有效面积 , 减少壁流、 沟流和放大效应。
 
近几年 , 国内在普遍推广国外新填料技术的基础上 , 发挥自己的技术优势 , 陆续提出了自己的新产品或专利 , 它们也多是从以上某几个方面进行研究和改进 , 显示各自的特点 , 有些新产品已在一些塔器中应用 , 效果很好。 但是 , 这些专利产品缺少足够令人信服的实验数据 , 热试或工厂应用的具体对比也不充分 , 说明这些专利发明者并没有下很大的气力使自己的产品系列化、 规范化 , 而只是满足于推出新产品以新奇取胜。 我们应以国外一些大公司的经验为鉴 , 锲而不舍地投入必要的资金和人力 ,进行较长期细致的工作 , 使自己的产品性能更完善、 更全面、 更可信 , 进而提出可靠的设计方法 , 其中更要收集工厂应用的具体结果以完善和补充实验室和理论研究数据。 在这样持之以恒的工作后 , 可以期望我们自己的一些规整填料新产品必将占领国内更大的市场份额 , 进而走向世界。
 

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