【文章內(nèi)容簡介】 填料的開發(fā)，除研究各 種散裝和規(guī)整填料結(jié)構(gòu)外，還對填料的材質(zhì)、加工方法、表面特性等進行研究。規(guī)整填料是繼散堆填料之后在近 20 余年來發(fā)展的高效新型填料，國外有許多品種。規(guī)整填料的應(yīng)用已成為許多廠分離和凈化工序技術(shù)改造的熱點，成為各廠提高產(chǎn)量、改進分離效果、減少能耗、安全生產(chǎn)和穩(wěn)定操作的重要技術(shù)措施。規(guī)整填料的特點為 :分離效率高。這種填料可根據(jù)需要制造成具有較大的比表面積，因此可提高單位高度的理論板數(shù)。如金屬絲網(wǎng)填料每米高的理論板數(shù)可達 10 塊以上。通量及操作彈性大。規(guī)整填料允許的氣、液通量較大，所以與相同塔徑的板式塔相比，其產(chǎn)量一般 可大幅度增加。同時允許通量在較大的范圍內(nèi)變化。規(guī)整填料本身的彈性比可高達 100，但實際填料塔的彈性比主要受到塔內(nèi)液體分布器操作彈性的限制。阻力壓降小。即使在較大負荷下規(guī)整填料的壓降也是比較小的，這是其顯著特點。放大效應(yīng)低。與顆粒填料不同，規(guī)整填料用于大型塔時，其效率降低較少。在規(guī)整填料方面，我國也有不少研究成果。天河北聯(lián)合大學機械工程學院 2 津大學與英國 Aston 大學聯(lián)合開發(fā)出了以 UnaPak 命名的脈沖規(guī)整填料。天津市天久新技術(shù)開發(fā)公司開發(fā)了高效廉價的板花規(guī)整填料。其 80 型 (比表 線，并自已開發(fā)了碳鋼滲鋁板波紋填料；清華大學和面積 80m2/m3)的傳質(zhì)效率與MelaPak350Y 型 (比 上海化工研究院分別開發(fā)了壓延板網(wǎng)波紋填料；中表面積350 耐 /m3)相當；天津大學填料塔新技術(shù)公 石化洛陽工程公司開發(fā)了 LH 型規(guī)整填料。這些成司 1991 年引進了蘇爾壽公司的 Melapak 自動生產(chǎn) 果都在工業(yè)生產(chǎn)中取得了成功的應(yīng)用。規(guī)整填料不僅在一般情況下能夠提高填料塔的分離效率，節(jié)約能耗，且還能適宜于一些特殊情況的應(yīng)用，如難分離物系、熱敏物系以及對壓力降較為敏感的真空蒸餾等。國內(nèi)在對原有的板式塔實施規(guī)整填料技術(shù)改造后，已有許多成功的應(yīng)用實例。 塔 內(nèi)件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 塔內(nèi)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(shè)計、制造及安裝都極為重要。填料塔的分離性能首先取決于填料，其次取決于塔內(nèi)件等。所以一座性能良好的大型填料塔，填料本身的高性能固然重要，但與之匹配的塔內(nèi)件，尤其是液體分布器和氣體分布器也是至關(guān)重要的。否則填料的高性能就不可能得以充分發(fā)揮，特別是對于大直徑、多側(cè)線及淺床層塔器，氣液分布是非常重要的，往往是成敗的關(guān)鍵。在新型填料塔技術(shù)中，液體分布十分重要，這是因為： (1)不良液體初始分布會導(dǎo) 致分離效率急劇下降， (2)不良的初始分布難以達到填料層的自然流分布， (3)漸型高效填料一般具有較小的徑向分布系數(shù)。因此，塔內(nèi)件的設(shè)計，特別是液體分布器和進氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計，成為開發(fā)大型填料塔的核心問題。而流體均布理論和技術(shù)又是發(fā)展填料塔內(nèi)件的先導(dǎo)。目前，對液體的初始分布器和再分布器的研究，相對來說較多，也較為充分和成熟。現(xiàn)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。氣體人塔分布裝置，對小直徑塔來說不太重要，氣體容易分布均勻，一般由塔的側(cè)壁直 接進人塔內(nèi)，通常采用直管或倒置喇叭口式。對大直徑塔 (如大于 2m)，特別當填料高度較低時，氣體的分布非常重要。氣體分布不均會造成填料層內(nèi)氣液相分流，使塔的分離效率明顯下降。在大直徑填料塔中通常采用的氣體分布裝置有 :支承式氣體分布器、軸徑向氣體分布器。目前，隨著大型填料塔 (特別是淺填料床層 )的開發(fā)使用，氣體分布問題逐步受到重視，在簡單的進氣結(jié)構(gòu)不能滿足要求時，出現(xiàn)了塔內(nèi)增設(shè)均布格柵或格柵組來達到目的。近年為進一步改善塔內(nèi)氣體的分布，提高傳質(zhì)效率，又開發(fā)了許多性能優(yōu)良的氣體分布器。國內(nèi)在塔內(nèi)件方面也進行了開發(fā)，有 些技術(shù)還獲得了專利。如天津天久新技術(shù)公司第 1 章 緒 論 3 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(nèi)一些單位都各有自己的技術(shù)秘密。 工藝流程的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 高效填料塔技術(shù)用于各類工業(yè)物系的分離，雖然設(shè)計的重點在塔體及塔內(nèi)件等核心部分，但與之相配套的外部工藝和換熱系統(tǒng)應(yīng)視具體的工程特殊性作相應(yīng)的改進。例如在 DMF 回收裝置的擴產(chǎn)改造項目中，要求利用原常壓塔塔頂蒸汽，工藝上可以在常壓塔及新增減壓塔之間采用雙效蒸餾技術(shù)，達到降低能耗、提高產(chǎn)量的雙重效果；在硝基氯苯分離項目中；改原“多塔精餾、兩端 結(jié)晶”工藝為“單塔精餾、一端結(jié)晶”流程，并對富間硝基氯苯母液進行精餾分離，獲得 99%以上的間硝基氯苯，既提高產(chǎn)品質(zhì)量，又取得了降低能耗的技術(shù)效果。 綜合考察各分離過程的優(yōu)缺點，從工藝流程角度，將高連續(xù)、低熱效的蒸餾與高選擇性、高熱效的吸附、膜分離等合為一體，建立復(fù)合分離技術(shù)是一項全新而有效的節(jié)能技術(shù)。該技術(shù)尤其適合于難分離物系的分離。例如燃料級乙醇的生產(chǎn)。 塔板一填料復(fù)合塔板 為了使填料塔的設(shè)計獲得滿足分離要求的最佳設(shè)計參數(shù) (如理論板數(shù)、熱負荷等 )和最優(yōu)操作工況 (如進料位置、回流比等 )，準確地計 算出全塔各處的組分濃度分布 (尤其是腐蝕性組分 )、溫度分布、汽液流率分布等，常采用高效填料塔成套分離技術(shù)。而且， 20 世紀 80 年代以來，以“高效填料及塔內(nèi)件”為主要技術(shù)代表的新型填料塔成套分離工程技術(shù)在國內(nèi)受到普遍重視。由于其具有高效、低阻、大通量等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于化工、石化、煉油及其它工業(yè)部門的各類物系分離。 進人 20 世紀 90 年代，高效填料塔成套分離工程技術(shù)開始向行業(yè)化、復(fù)合化、節(jié)能化、大型化方向展，如復(fù)合塔。所謂復(fù)合塔 (CompoundTray)是指人們將塔板與填料有機地結(jié)合起來而形成的一種新型塔板。其目的 在于將塔板的優(yōu)點和填料的優(yōu)勢加以互補。此種復(fù)合塔具有效率高、通量大及壓降小的性能。 在國內(nèi)，復(fù)合塔板已在溶劑回收、酒精、丙酮和甲醇精餾中成功應(yīng)用。最近，天津大學化學工程研究所開發(fā)了另一種新塔板一填料復(fù)合塔 (Jet CoflowPaktray)。該塔板吸收了新型垂直篩板帽罩中氣液并流高效混合傳質(zhì)的特點，同時又溶人了規(guī)整填料的傳質(zhì)效率高、壓降小及通量大的優(yōu)勢，形成了氣液混合并流在填料中傳質(zhì)分離的過程。另外還保留了垂直篩板水平對噴霧沫夾帶小的優(yōu)點。實驗表明河北聯(lián)合大學機械工程學院 4 該復(fù)合塔板與垂直篩板相比，具有效率高、壓降小和操作彈性大的 特點，其霧沫夾帶與垂直篩板相當。此項技術(shù)已經(jīng)獲得國家專利 。 課題來源 塔設(shè)備是化工、煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。 根據(jù)實際生產(chǎn)的需要，模擬了滿足生產(chǎn)需求的設(shè)計題目。 吸收在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 在化工生產(chǎn)中所處理的原料﹑中間產(chǎn)物﹑粗產(chǎn)品等幾乎都是混合物，而且大部分是均相混合物，為進一步加工和使用，常需將這些混合物分離為較純凈或幾乎純態(tài)的物質(zhì)。對于均相物系，要想進行組分間的分離，必須要造成一兩個物系，利用原物系中各組分間某種物性的差異，而使其中某個組分（或某些組分）從一相轉(zhuǎn)移到另一相，以達到分離的目的。 物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移過程稱為物質(zhì)傳遞過程。吸收單元操作是化學工業(yè)中常見的傳質(zhì)過程。 氣體的吸收在化工生產(chǎn)中主要用來達到以下幾種目的 ： (1)有用組分的回收。例如用硫酸處理焦爐氣以回收其中的二氧化硫，用氣油處理焦爐氣以回收其中的芳烴，用液態(tài)烴處理裂解氣以回收其中的乙烯、丙烯等。 (2)原料氣的凈化。例如用水和堿液脫除合成二氧化硫原料氣中的二氧化碳，用丙酮脫除裂解氣中的乙炔等。 (3)某些產(chǎn)品的制取。例如用水吸收二氧化氮以制造硝酸，用水吸收氯化氫以制備鹽酸，用水吸收甲醛以制備福爾馬林溶液等。 (4)廢氣的治理。 例如：電廠的鍋爐尾氣含二氧化硫。硝酸生產(chǎn)尾氣含一氧化氮等有害氣體，均須用吸收方法除去。 塔設(shè)備概述 塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位 塔設(shè)備是化工、石油化工廠和煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。它可使氣液或液液兩相之間進行緊密接觸，達到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。在塔設(shè)備中完成的常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的回收、氣體的濕法凈制和干燥以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等 [1]。 在化工廠、石油化工廠、煉油廠等中，塔設(shè)備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)第 1 章 緒 論 5 量和量、生產(chǎn)能力和消耗定 額，以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面，都有重大的影響。據(jù)有關(guān)資料報道，塔設(shè)備的投資費用占整個工藝設(shè)備投資費用的較大比例；它所耗用的鋼材重量在各類工藝設(shè)備中也屬較多。因此，塔設(shè)備的設(shè)計和研究，受到化工、煉油等行業(yè)的極大重視。 作為主要用于傳質(zhì)過程的塔設(shè)備，首先必須使氣（汽）液兩相能充分接觸，以獲得較高的傳質(zhì)效率。此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設(shè)備還得考慮下列各項要求。 (1) 生產(chǎn)能力大。在較大的氣液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。 (2)操作穩(wěn)定、彈性大。當塔設(shè)備的氣液負 荷量有較大的波動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進行穩(wěn)定的操作。并且塔設(shè)備應(yīng)保證能長期連續(xù)操作。 (3)流體流動的阻力小，即流體通過塔設(shè)備的壓力降小。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動力消耗，以降低經(jīng)常操作費用。 (4)結(jié)構(gòu)簡單、材料耗用量小、制造和安裝容易。 (5)耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。 事實上，對于現(xiàn)有的任何一種塔型，都不可能完全滿足上述的所有要求，僅是在某些方面具有獨到之處。人們對于高效率、大生產(chǎn)能力、穩(wěn)定操作和低壓力降的追求，推動著塔設(shè)備新結(jié)構(gòu)型式的不斷出現(xiàn)和發(fā)展。 塔設(shè)備選型 填料塔和板 式塔均可以用于蒸餾、吸收、解吸等氣液傳質(zhì)過程，所以在塔設(shè)備選型時必須綜合考慮多方面的因素，如與被處理物料性質(zhì)、操作條件和塔的加工、維修等方面有關(guān)的因素等。選型時沒有絕對的選擇標準，而只能參考各項條件。 河北聯(lián)合大學機械工程學院 6 表 11 填料塔與板式塔比較 在進行填料塔和板式塔選型時，下列情況可考慮優(yōu)先選用填料塔： （ 1） 在分離程度要求高的情況下，因某些新型填料具有很高的傳質(zhì)效率，故可采用新型填料以降低塔的高度； （ 2） 對于熱敏性物料的蒸餾分離，因新型填料的持液量較小，壓降小，故可優(yōu)先選擇真空操作下的填料塔； （ 3） 具有腐蝕性的物料，可選用填料塔，因為填料塔可采用非金屬 材料，如陶瓷、塑料等； （ 4） 容易發(fā)泡的物料，宜選用填料塔，因為填料塔內(nèi)，氣相主要不以氣泡形式通過液相，可減少發(fā)泡的危險，此外，填料還可使泡沫破碎。 下列情況下，可考慮優(yōu)先選用板式塔： （ 1） 塔內(nèi)液體滯液量較大，要求塔德操作負荷變化范圍較寬，對進料濃度變化要求不敏感，要求操作易于穩(wěn)定； （ 2） 液相負荷較小，因為這種情況下填料塔會由于填料表面濕潤不充分而降低其分離效率； （ 3） 含固體顆粒，容易結(jié)垢，有結(jié)晶的物料，因為板式塔可選用液流通道較大，堵塞的危險較??； （ 4） 在操作過程中伴隨有放熱或需要加熱的物料，需要 在塔內(nèi)設(shè)置內(nèi)部換熱組件，如加熱盤管，需要多個進料口或多個側(cè)線出料口，這是因為一方面板式項目 填 料 塔 板 式 塔 壓降 小尺寸填料，壓降較大，而大尺寸填料及規(guī)整填料，則壓降較小 較大 空塔氣速 小尺寸填料氣速較小，而大尺寸填料及規(guī)整填料則氣速可較大 較大 塔效率 傳統(tǒng)的填料，效率較低，而新型亂堆及規(guī)整填料則塔效率較高 較穩(wěn)定， 效率較高 液 氣比 對液體量有一定要求 較大 持液量 較小 較容易 安裝、檢修 較難 較大 材質(zhì) 金屬及非金屬材料均可 一般用金屬材料 造價 新型填料，投資較大 大直徑時造價較低 第 1 章 緒 論 7 塔的結(jié)構(gòu)上容易實現(xiàn)，此外，塔板上有較多的滯液量，以便與加熱管或冷卻管進行有效地傳熱。 綜合考慮以上情況及設(shè)計要求，本設(shè)計選擇填料塔。 填料塔的特點是結(jié)構(gòu)簡單、壓力降小，可用各種材料的填料，特別是處理易產(chǎn)生泡沫的物料以及用于真空操作，具有獨特的優(yōu)越性。因此它是石油、化工、輕工生產(chǎn)中廣泛使用的傳質(zhì)設(shè)備。近年來由于填料結(jié)構(gòu)的改進，新型高效高負荷填料的開發(fā)，既提高了塔的通過能力和分離能力，又保持了壓力降小及性能穩(wěn)定的特點，因此填料 塔已被推廣應(yīng)用到大型氣液操作中，而且，在某些場合，還代替了傳統(tǒng)的板式塔。 第 2 章 吸收塔的設(shè)計方案 8 第 2 章 吸收塔的設(shè)計方案 吸收流程選擇 在填料吸收塔中，氣、液兩相可作逆流也可作并流流動，甚至是以其他組合流動方式，以下為幾種常見流程 [2]。 (1)并流流程 氣液兩相均從塔頂流向塔底，此即為并流操作。特點是不用擔心液泛事故發(fā)生，故可提高操作氣速以增大生產(chǎn)能力，適用于吸收平衡線較平坦、流向?qū)ξ胀苿恿Φ挠绊懖淮髸r，以及易溶氣體吸收過程或吸收率要求不高的場合。缺點是吸收劑用量特別大，出塔液相中溶質(zhì)的濃度很低，不利于溶劑的再生循 環(huán)，操作成本高。 (2)逆流流程 氣相由塔底進入由塔頂排出，液相自塔頂進入塔底排出，此即逆流操作。逆流操作時，下降至塔底的液體與入塔混合氣體接觸，有利于提高出塔液體的濃度，減少吸收劑的用量，有利于溶劑再生過程的進行；上升至塔頂?shù)臍怏w與剛剛進塔的新鮮吸收劑接觸，有利于降低出塔氣體的濃度，提高溶質(zhì)的吸收率。因此，工業(yè)吸收流程多采用逆流吸收流程。缺點是向下流