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新型化工填料应用前景
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新型化工填料应用前景

2018-06-23      阅读:
填料塔作为传质分离设备,涉及蒸馏、吸收、解吸、萃取、结晶、吸附、过滤、蒸发、干燥、离子交换和膜分离等单元操作过程,属于量大面广的重要单元设备,被广泛应用于石油炼制、天然气加工、石油化工、精细化工、化肥、医药及环保等领域,并取得了显著的经济和社会效益。特别是在二十世纪七十年代初,能源危机的出现使得填料塔技术取得了长足进步。近三十年来,多种新型高效填料的研究,特别是波纹填料的开发成功及相关理论的发展,进一步扩大了填料塔技术更为广泛的应用。美国著名学者Fair教授认为,最近的十年内,以气液接触的填料塔正在逐步取代板式塔;规整填料作为低压降下具有高传质效率的装置倍受青睐。在我国,随着石油化工的不断发展,传质分离工程学的研究日益深入填料塔技术及其应用进入了一个崭新的时期。

填料塔作为气液传质设备的历史最早可以追溯到1836年用来水吸收氯化氢的操作以及1881年用于蒸馏过程。1907年以焦炭、石砾、卵石等无定形的物体开始了填料的发展;而1914年出现的陶瓷拉西环填料(RashingRing),引领着填料塔的发展进入了科学轨道,标志着填料塔的研究进入了科学发展的年代。尽管其实际生产效果仍没有很大的提高,却引起人们意识到塔内的气液分布性能对填料塔操作的重要性。1937年斯特曼填料的出现,使填料和填料塔又进入了现代发展时期;20世纪30至50年代,由不同材质(包括金属、陶瓷和塑料)的各类散堆填料(拉西环鲍尔环)涌入市场。

1950年后,填料塔进入了缓慢发展时期,在这个时期内,人们注意对塔内件的研究,力图解决填料塔的气液分布不均和“放大效应”的问题,但由于同时期的各种板式塔的出现及其成功应用,而使填料塔的应用和发展倍受冷落。而此时瑞士苏尔寿公司开始对气液分布不均的问题开始进行了深入研究,并成功的解决了规整填料的放大效应。1975年苏尔寿公司成功开发了一批塑料丝网波纹填料,之后并详细报道了其性能与应用,证明了它是一种现代新型高效吸收塔填料;此外,日本住友公司等也在经销塑料丝网波纹填料;在我国,上海化工研究院于1977年研制成功尼龙和聚丙烯塑料丝网波纹填料同时也测定了它们的性能,最终在工业应用也取得了良好的效果。

至80年代末,新型填料的研究一直处于十分活跃的状态,尤其是各类新型规整填料不断涌现市场,使得填料发展进入高峰期。整体来说,对于塔填料结构的研究又始终是沿着两个方面进行的,即同步开发散堆填料与规整填料。填料的另一个研究方向是填料进行材质的更换,以适应不同下业应用要求,从而达到提高填料塔内气液两相间的传质效率的日标,或是对填料进行适当的表面处理,以改变在填料表面的润湿性能,提高液相在填料表面铺展润湿的有效面积。

90年代苏尔寿公司在ACHEMA’94 展览会上推出了一种称为高技术产品的Optiflow填料。这种填料的基本元件是压有横向纹理液流沟槽的菱形薄片,其中开有小孔,菱形片被搭成翼轮状。由于该填料有很好的几何结构形式和高度的对称性,可以显著提高填料的分离性能。

工业上常见的填料主要分规整填料和散堆填料两大类:
规整填料:具有气液分布均匀、传质(传热)效率高、生产能力大等优点。通常概念的规整填料,是由金属(不锈钢)薄板或丝网经特殊加工制作而成。虽有较高的传质(传热)效率,但因其结构紧密孔隙小,一般应用在介质清洁的传质(传热) 设备或溶液精馏、雾沫分离等化工塔器中,由于固体悬浮物会很快在填料层内淤积而堵塞通道,直接影响使用效果。所以不宜应用于脱硫、煤气除尘、除焦等富含固体悬浮物的生产上。应用在脱硫、气体除尘、洗涤、降温或水处理领域的规整填料,常用木格子或塑料格子填料等。此类规整填料由于填料结构规整,填料的流体通道的形式和大小易于选择调整,气、液流动性能好,阻力小。但此类规整填料中木格子填料存在材料来源问题及易堵塔、笨重易破损、开车前漫长的脱脂等问题,已基本被陶汰;而塑料格栅填料存在比表面积小、净化度难达标、结构不太合理、易变形坍塌等问题。

散堆填料:有金属、塑料或陶瓷制成的各种品种,具有比表面积大、结构简单、造价低、装卸清洗方便等特点。在脱硫、煤气除尘洗涤降温等生产领域较为广泛应用的有拉西环、鲍尔环、阶梯环、矩鞍环等多种类型的塑料或金属散堆填料。陶瓷散堆填料则适用于在较高温度工况的气体除尘、洗涤、降温或水处理领域。由于散堆填料装填不规则,气、液在填料层内是无序的流动,因此易产生气、液的偏流和沟流现象。特别是当溶液中含有一定量的固体物、悬浮物时,易在填料层内淤积而堵塞填料通道,严重影响填料塔的传质(传热)效率。散堆填料在生产运行过程中,存在阻力易增大、易偏流、易堵塔、生产周期短、清洗频率高、填料易破碎等问题,使用效果也不很理想。近年来散堆填料的研究方向主要集中在以下几个方面:
①  散堆填料的自规整化;
②  开发适用于新塔型的散堆填料;
③  填料功能复合化;
④  对填料表面加以改性以提高传质效率;
⑤复合填料塔。
从近些年的理论和工业开发来看,散堆填料的发展趋势是朝增大空隙率和减少压降、增大比表面积、改善润湿性能以及功能多样化的方向发展。
 
 新型工业填料举例
 
传统的规整填料和散堆填料存在者一定问题,所以,近些年来许多新型填料得以开发。例如:蔡昌凤等利用污泥为主要原料,采用烧结法研制陶粒填料,提出陶粒铺设景观水底,治理城市水体,并对其进行了可行性分析,陶粒对水中氨氮和总磷吸附容重分别为0.03~0.05 mg/g 和0.01~0.02 mg/g。
1熊开生等通过添加亲水性、生物亲和性及磁性等物质对普通聚氯乙烯生物填料进行改性,研究表明改性PVC 生物填料的亲水性、生物亲和性有很大程度改善,完全可以用于各种类型生活污水的处理。
2沈建冲研发的导流网格填料,,能广泛应用在气液相传质(传热)、吸收、洗涤、降温等化工过程,特别适合在生产过程中介质富含悬浮物、胶状物、副盐结晶物或固体颗粒等的填料塔器中使用。比表面积是格栅填料的2.9~3.0倍,是聚丙烯鲍尔环的1.04~2.05倍、是聚丙烯阶梯环的1.35~2.11倍、是聚丙烯矩鞍环的0.95~1.07倍。
3周芬等人将塑料填料用混凝土包裹,,制得新型混凝土改性亲水性塑料填料,污水平均处理效率为30%,比普通塑料填料处理效率提高5% ~10%。
4天津市天进新技术开发公司开发了高效廉价的板花规整填料,其80型(比表面积80m2/m3)的传质效率与Mellapak 350Y型(比表面积 350 m2/m3)相当.[
5]
天津大学开发研制出了Zupak组片式波纹填料,与同型号的Mellapak相比,比表面积提高了10%左右,开孔率增加了30~40%,分离效率提高 10%以上,通量提高 20%以上,压力降减少 30%左右.[5]天津市博隆科技开发公司开发了CHINAPAK规整填料,其综合了金属孔板波纹填料和金属矩鞍环填料各自的优点,克服了散堆填料易于沟流的缺点。
[6]王霞通过研发一种新型的微生物固定化材料一有机多孔一金属微孔复合填料,极大的改善其对生活污水的脱氮除磷效果。
[7]朱仁成采用包埋固定技术,将牛粪堆肥、水泥、珍珠岩、植物纤维等按比例混匀,通过平膜挤压造粒技术生产出粒径可控的圆柱状复合填料,其复合填料负载有功能微生物,在较高进气负荷和较短气体停留时间条件下,复合填料对NOx的去除性能较灭菌后的复合填料具有一定的优势。
[8]方勇开发了表面活性剂MCP改性的聚丙烯填料,传质性能提高了20%左右。
9我浙江工业大学的金顺利开发了生物复合的聚丙烯填料。在污染物去除领域有较高应用前景。
[10]专利CN1935332
[11]公开的一种组合填料,将植物纤维或泡沫塑料嵌套在球形支撑架内,具有空隙率高、压降小、微生物挂载量大等特点,对甲苯去除率高于聚氨酯泡沫和空心多面球。
 
 
新型填料选择考量标准
 
散堆填料的结构、形状及堆砌方式将影响流体在床层的流动和分布以及气液接触状态, 因此认真研究填料的本体结构和它在填料层内的作用, 通过改进填料结构, 可以提高相接触面积, 增加空隙率, 减小压降, 从而达到气液两相在整个塔截面上的均匀分布, 使填料塔的性能得到改进。
填料主要是用来扩大液相与气相之间接触面积和提高塔传质效率和分离效率的重要塔内件设备。它提供塔内的气一液两相接触进行传质、传热的表面。其性能往往决定了塔器的应用,因此,对塔填料的研究一直十分活跃。填料塔结构较简单、阻力小、装置灵活,特别是新型填料的开发应用,显著的提高了分离效率并基本解决了“放大效应”问题后,使得填料塔在工业应用上日益扩大。近年来新型填料研究比较活跃,各种填料不断涌现。新型高效填料塔取代旧有填料及部分塔板,在技术改造中己取得显著效果。目前新型填料的开发主要还是集中在通过填料宏观结构优化以及填料表面的微观结构改变,以求达到改善填料的传质效率的效果。
填料塔装填的填料种类通常需要考虑实际操作时的分离工艺要求,一般考虑以下几个方面:
  1. 传质效率要高,一般而言,规整填料的传质效率高于散装填料;
  2. 通量要大,在具有较高传质效率的前提下,应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料;
  3. 填料层的压降要低;
  4. 填料抗污堵性能强,拆装、检修方便。
即从传质性能和流体力学两个角度考量新型填料。
填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等,是评价填料性能的基本参数;填料塔对填料材质的基本要求有:传质效率高,要求填料能提供较大的气液接触面,即要求填料具有大的比表面积,同时填料的表面还要易于被液体润湿,因为润湿的表面才可能是气液接触表面,而气液接触的表面才是有效的比表面积,一般而言,填料的比表面积不等于填料的有效比表面积;填料具有较大的生产能力,气体在填料塔中压力降小,因此要求填料层的空隙率大,不易引起液体在填料表面的偏流和沟流。总结,即从传质性能和流体力学两个角度考量新型填料。此外,还应要求制备填料的材质能够经久耐用,具有良好的耐腐蚀性和较长的使用寿命。以及较高的机械强度和必要的耐热性,同时取材容易,价格便宜。
 
 
填料应用前景展望
 
随着新型塔填料的相继开发和应用,填料塔的优点更显突出,应用范围日益扩大。在炼油、石油化工、精细化工、化肥、制药和原子能工业部门,以及环保领域的应用已趋于成熟。填料塔尤其适用于真空蒸馏、常压及中压下的蒸馏,当然还有大气量的两相接触过程(如气体的吸收、冷却等),但在高压精馏塔中应用时要特别谨慎。人们正在对高压精馏填料塔进行研究,企图从填料塔的结构和操作方法上予以解决,例如有人提出填料层分段乳化操作或采用超重力场分离等。近年来在突破高压精馏塔应用填料的局限性方面已取得了一些进展,其关键是彻底弄清高压(高液相负荷)对塔的处理能力和效率的影响,可利用浅床层和高性能塔构件(如气体分布器、液体分布器及再分布器)。也有人建议开发适用于高压蒸馏的组合式填料。
填料应用的另一个新领域是空气分离装置。30年代以前的空分设备,主要是满足焊接、切割用氧及化工用氮。由于现代钢铁、氮肥、化工及火箭等技术的发展,氧、氮及稀有气体的用量迅速增加。国外一些大公司,如德国的Linde公司,美国的APCI公司(空气制品与化学品公司)、英国的BOC公司(氧气公司)和法国的空气液化公司等,均已开始把填料塔应用于空分方面的研究,瑞士Sulzer公司作为填料生产厂商与上述公司积极合作,已取得可喜成绩。空分装置中规整填料的另一个用途是在粗氩塔中使用。过去的粗氩塔为筛板塔,无法得到
氧含量小于2×10-6的纯氩。改用填料塔,便可取消过去生产纯氩产品时使用的下游工艺。
在生物工程,环境工程领域填料也发挥着重要作用,优良的生物填料同样要求有强度高、空隙大、比表面积大,不堵塞等等。新型生物填料将具有以下特点:
1)        通过对有机矿粉的固定、包埋,其营养成分可以缓慢而稳定的方式释放,提高养分的利用率;
2)        浆料水分蒸发干燥过程中,涂层体积收缩,表面出现无规则皱褶,形成适于微生物挂载的粗糙表面;
3)        选择惰性的网状纤维骨架和耐水耐腐的高分子胶黏剂,可有效避免填料腐烂、解体及床层塌陷等问题;
4)        网状多孔结构可提供足够高的空隙率和结构强度,减小气流阻力。
同时,近期出现的薄壁筛板填料[12]也是填料发展一大前景。薄密筛板填料是一种综合了板式塔和填料塔两者优点而削减两者缺点的传质装置。薄密筛板填料的工作原理既不同于板式塔中的筛板塔,也不同于填料中的实体填料和网体填料,它的气液接触方式类似于喷淋式换热设备中的淋降板直接接触冷凝器,只不过筛板间距更为紧密,筛板更薄,筛板之上的液层也更为浅薄。在淋降板式冷凝器中,由于液体在下落过程中是自由落体,是匀加速运动,因而液柱或液滴在空问分布是不均匀的:自上而下液柱由粗变细,变为液滴,液滴由密变疏,而薄密筛板填料的结构排布方式则充分地利用了液柱(或液滴)密布的空间。由于筛板排布较密,气液两相界面的更新也更为频繁。
综合近期报道,填料未来的发展方向应该是结构简单化,功能高效化。目标沿着理想填料发展。
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