[  概述了國(guó)內(nèi)外十多年來(lái)開發(fā)成功的新型規(guī)整填料及填料塔內(nèi)件(新型氣液分布器、填料塔進(jìn)氣初始分布器), 并對(duì)其性能及工業(yè)應(yīng)用情況作了簡(jiǎn)要介紹。

1    引 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、等行業(yè)的物系分離 ,涉及蒸(精)餾、吸收、解吸、汽提及等化工單元操作。
 
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(jiǎn)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) 。填料塔近年來(lái)發(fā)展很快, 尤其是隨著各種新型波紋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。特別在真空條件下, 填料塔以其壓力降小的突出點(diǎn)而取得滿意的經(jīng)濟(jì)效果 ,使其與板式塔的競(jìng)爭(zhēng)變得更為激烈。近 10 年來(lái),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(guó)外有預(yù)言 , 10 年后采用規(guī)整填料將成為蒸餾操作可取的途徑。
 
填料塔大型化的關(guān)鍵在于解決好放大效應(yīng)問(wèn)題。隨著波紋填料的開發(fā)成功 , 以及填料塔工程放大基礎(chǔ)理論研究取得重大突破 , 大型填料塔的應(yīng)用已成為現(xiàn)實(shí) 。在煉油行業(yè) ,瑞士蘇爾壽(Sulzer)公司設(shè)計(jì)的大塔徑達(dá) 13500mm ;美國(guó) Glitsch 公司設(shè)計(jì)的大塔徑達(dá) 12495mm ;德國(guó) Montz 公司設(shè)計(jì)的大塔徑達(dá) 10400mm ;天津大學(xué)和茂名石化設(shè)計(jì)院聯(lián)合設(shè)計(jì)的原油減壓塔塔徑達(dá) 8400mm , 與金陵石化棲霞山化肥廠聯(lián)合設(shè)計(jì)的尿素除塵塔大塔徑達(dá) 10000mm 。

大型填料塔共有五大關(guān)鍵部件:規(guī)整填料、液體分布器、氣體分布盤 、進(jìn)氣初始分布器和支承結(jié)構(gòu),它們的化組合是設(shè)備強(qiáng)化的必由之路。
 
2        新型規(guī)整填料
 
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)具備以下特點(diǎn):(1)壓降小 ;(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。Mel-lapak 填料(帶孔波紋板, 材質(zhì)為不銹鋼等 ,比表面積700m²/m³)是瑞士 Sulzer 公司 20 世紀(jì) 70 年代的產(chǎn)品 ,它的問(wèn)世是規(guī)整填料史上一座重要里程碑。如今, Mellapak 的換代產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn), 它們是瑞士 KUHNI 公司的 Rombopak 朗博派克填料 ,德國(guó) RASCHIG 公司的 Raschig -Superpak 填料 , 天津大學(xué)的 Zu-pak 填料等。

2.1      Rombopak 填料
 
該填料是瑞士 K UHNI 公司 20 世紀(jì) 80 年代研究開發(fā)的一種垂直板網(wǎng)類規(guī)整填料。它率先開辟了按照氣液佳流路設(shè)計(jì)規(guī)整填料的新途徑 ,據(jù)悉 ,該填料已推廣應(yīng)用于 400 多座塔中 , 大塔徑 4000mm 。

2.2    Raschig -Superpak 填料
 
該填料是德國(guó) Raschig 公司開發(fā)的高性能規(guī)整填料。據(jù)稱 , Raschig -Superpak300 在比表面積和分離效率相同的條件下 ,與傳統(tǒng)的規(guī)整填料相比 ,通量提高了 26 %,壓力降降低了 33 %。

2.3     Optiflow 填料
 
瑞士 Sulzer 公司在 ACH EMA ' 94 展覽會(huì)上推出了一種稱為高技術(shù)產(chǎn)品的流(Optiflow)結(jié)構(gòu)填料。這種填料的基本元件是壓有橫向紋理液流溝槽的菱形薄片,其中開有小孔, 菱形片被搭成翼輪狀。

由于該填料有很好的幾何結(jié)構(gòu)形式和高度的對(duì)稱
 
性 ,因而可以顯著提高填料的分離性能 。
 
2.4  組片式波紋填料(Zupak)
 
Zupak 填料是天津大學(xué)近年開發(fā)的獲獎(jiǎng)產(chǎn)品 ,目前有兩大類 8 種型號(hào) 。Zupak 填料和相應(yīng)型號(hào)的 Mellapak 填料相比 ,比表面積增加 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)成功后, 一次用在當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)大直徑的塔上 ( 8400mm),目前正處于推廣階段 。
2.5  SM 、SW 、SC 、SB 系列新型規(guī)整填料
 
上?；ぱ芯吭焊咝Х蛛x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 系列孔板波紋填料;90 年代開發(fā)了 SW 系列網(wǎng)孔波紋填料并取得證書。已在國(guó)內(nèi)多座塔器中應(yīng)用 ,效果顯著 。

2.6     SINOPAK 填料
 
該填料系南京大學(xué)開發(fā)的波紋型系列無(wú)壁流規(guī)整填料,采用了專門的防壁流設(shè)計(jì), 1996 年取得 ,分離效率比其他普通波紋規(guī)整填料高 10 %～ 25 %,綜合性能達(dá)到或于國(guó)外同類填料產(chǎn)品。
 
2.7  CH INAPAK 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)填料各自的點(diǎn), 克服了散堆填料易于溝流的缺點(diǎn) ,工業(yè)應(yīng)用獲得成功 。

2.8     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 ,旨在改善液體的分布性能,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) 。美國(guó) Glitsch 公司在此方面一步 ,國(guó)內(nèi) 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái), 天津大學(xué)研制的自分布填料已在工程上得到應(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 ,它不克服了壁流現(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, 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都既適用于規(guī)整填料塔,也適用于散裝填料塔 。
 
3  新型氣液分布器
 
有了性能良好的填料, 還須有綜合性能良的氣液分布器與之匹配 , 才能保證沒(méi)有明顯的放大效應(yīng) 。目前,國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的分布器有 :百葉窗式收集器加二級(jí)槽式分布器、百葉窗式收集器加排管式分布器、槽盤式液體分布器、升氣管式再分布器及穿流板式再分布器等。
3.1     帶垂直布液板的槽式液體分布器
 
多級(jí)槽式液體分布器在大型填料塔中應(yīng)用很
 
廣 ,目前多采用帶垂直布液板的線分布型結(jié)構(gòu), 按其支承方式可分為三種型式:(1)壓圈托槽式 ;(2)懸槽式 ;(3)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(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣 ,1999 年 6 月金陵石化棲霞山化肥廠 10000mm 尿素除塵塔即采用之 。埋藏梁托槽式液體分布器的主要結(jié)構(gòu)特征在于“埋藏梁” , 云梯梁就位后 , 填料 、填料壓圈、二級(jí)槽 、一級(jí)槽再依次就位,這種結(jié)構(gòu)可保證分布器的水平度一勞永逸 ,茂名石
 
化 8400mm 減壓塔三套槽式液體分布器均采用這
 
種結(jié)構(gòu)。
 
3.2  槽盤式及新型槽盤式氣液分布器
 
槽盤式氣液分布器是天津大學(xué)獲發(fā)明獎(jiǎng)的技術(shù),由五部分組成:矩形升氣管 、Ⅴ形擋液板、特制導(dǎo)液管 、鋪板和連接件 。有三種基本結(jié)構(gòu):全可拆式結(jié)構(gòu),局部可拆式結(jié)構(gòu) ,全焊接式結(jié)構(gòu) 。新型槽盤式氣液分布器主要特點(diǎn)在于增設(shè)了防護(hù)屏和自動(dòng)排污系統(tǒng),抗堵塞能力更強(qiáng) 。
 
與同類技術(shù)相比, 該氣液分布器具有更良的綜合性能:抗堵塞 、防夾帶、升液位、適閃蒸 、宜采出、盛漏液、布?xì)饩?、布液勻 。從 1990 年次用于濟(jì)南煉油廠 4200mm 潤(rùn)滑油減壓塔至今 ,已應(yīng)用于數(shù)百座塔中。
 
3.3  托盤式液體分布器
 
托盤式液體分布器系在槽盤式液體分布器基礎(chǔ)上開發(fā)而成 ,其液體分布盤的外徑比塔的內(nèi)徑小 ,分布盤外徑的具體數(shù)值由液體分布點(diǎn)的要求決定。另外在收集槽的上面增加一個(gè)梅花型擋圈 , 以收集壁流液體。這樣 ,使塔內(nèi)靠塔壁的環(huán)形部分變成了既能通氣又可設(shè)置液體分布點(diǎn)的大通道, 使塔的分離效率得到提高,此外還可提高塔的允許通量。
 
3.4  LIQDIST 液體分布器系列
 
由南京大學(xué)開發(fā) , 分三種型號(hào):(1)LIQDIST - Ⅰ型(填料塔液體線分布器),克服了液體點(diǎn)分布的缺陷,使填料層液體呈線性液膜均布 ,有利于消除填料塔的液相端效應(yīng) , 并使分離效率明顯提高;(2)LIQDIST -Ⅱ型(填料塔液體面分布器), 使填料塔內(nèi)液體分布與再分布均勻性逼近限狀態(tài);(3) LIQDIST-Ⅲ(槽盒式液體分布與再分布器):是一種具有抗堵塞功能的液體收集與分布設(shè)備, 液相中的漂浮 、懸浮或沉淀顆粒均可得到收集,分布器和填料層堵塞。
 
4       填料塔進(jìn)氣初始分布器
 
隨著大型填料塔的發(fā)展 , 其進(jìn)氣初始分布器的研究 、設(shè)計(jì)及應(yīng)用越來(lái)越受到重視, 尤其在低壓 、常壓或減壓下操作的填料塔, 進(jìn)氣初始分布器的作用尤為重要。

4 .1    雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器
 
這是清華大學(xué)在美國(guó) Glitsch 公司單切向進(jìn)氣分布器基礎(chǔ)上研制出的一種面對(duì)稱類、環(huán)流型、導(dǎo)流式進(jìn)氣初始分布器 ,由錐形進(jìn)氣口、環(huán)向?qū)Я靼?、內(nèi)套筒、環(huán)形封板、軸向?qū)Я靼宓炔考M成。
 
該進(jìn)氣初始分布器具有良的綜合性能, 應(yīng)用頗廣。 20 世紀(jì) 90 年代初 , 成功地應(yīng)用于國(guó)內(nèi) 8200m m 潤(rùn)滑油型減壓塔中;瑞士 Sulzer 公司 1996 年在某煉油廠減壓塔中也采用了該分布器。
 
4 .2 帶導(dǎo)流器和捕液吸能器的雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器
 
天津大學(xué)化學(xué)工程研究所對(duì)雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器進(jìn)行了改進(jìn), 設(shè)計(jì)了帶導(dǎo)流器和捕液吸能器的雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器。其特點(diǎn)是改進(jìn)了導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu) ,多層倒錐式導(dǎo)流器使氣流分布更均勻 ;捕液吸能器則是由柵板式框架與捕液填料所組成 ,其作用在于下部液體被氣流攪起而產(chǎn)生嚴(yán)重液沫夾帶。

4 .3    輻射式進(jìn)氣初始分布器
 
輻射式進(jìn)氣初始分布器由天津大學(xué)開發(fā) ,它是一種軸對(duì)稱類 、導(dǎo)流型進(jìn)氣初始分布器 ,由進(jìn)氣管、分液器、輻射器 、傘形導(dǎo)流器或捕液吸能器組成, 是徑向式進(jìn)氣初始分布器的新發(fā)展。輻射器由氣體分配器和多層喇叭口狀的導(dǎo)流器組成;傘形導(dǎo)流器由傘骨 、同心導(dǎo)流環(huán)和捕液器組成;捕液吸能器則由環(huán)形框架和脫氣填料組成。
 
輻射式進(jìn)氣初始分布器具有更為良的綜合性能 ;氣體分布的不均勻度 <0.31 ;液沫夾帶率 < 0.1 %;壓力降 <40Pa 。目前 , 已推廣數(shù)十套, 1999年在金陵石化棲霞山化肥廠 10000mm 尿素除塵塔中使用了該分布器。
 
5  結(jié) 語(yǔ)
 
以上就高效規(guī)整填料及新型塔內(nèi)件進(jìn)行了概述 ,其實(shí) ,就高效填料塔成套分離工程技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化開發(fā)而言,還包括開發(fā)新型模擬計(jì)算方法 ,采用佳工藝路線等 。有關(guān)認(rèn)為 ,今后幾年,以下幾方面將得到重視和發(fā)展 :(1)工藝條件與塔內(nèi)件的一體化匹配;(2)結(jié)構(gòu)與材質(zhì)的改進(jìn)或更新;(3)整塔的設(shè)計(jì)、制造、安裝和操作 ;(4)故障檢測(cè)和診斷技術(shù)現(xiàn)代化;(5)設(shè)計(jì)模型的理論化和普遍化 ;(6)小型熱模-大型冷模 -計(jì)算機(jī)模擬放大相結(jié)合的放大策略。
 
20 世紀(jì) 90 年代以來(lái) , 隨著一些新型塔板及大通量、低壓降、高效規(guī)整填料和塔內(nèi)件的開發(fā)應(yīng)用成功 ,塔器成套分離工程技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新階段?？梢灶A(yù)測(cè) ,21 世紀(jì)的塔器分離技術(shù)將向行業(yè)化、復(fù)合化、節(jié)能化、大型化方向發(fā)展。