高效填料萃取塔的开发与应用

,高效填料萃取塔的开发应用,朱慎林化学工程联合国家重点实验室(清华大学),报告主要内容,填料萃取塔的特点及研究动向FG型填料的结构特点FG型格栅填料的性能研究萃取塔的流体力学性能萃取塔的传质性能TH-II散堆填料结构特点,填料萃取塔的特点,填料的选择要求:填料萃取塔内要求分散相液滴群不与填料表面浸润，否则传质效率将大幅度下降；萃取塔内的填料应能加速液滴群的分散聚合再分散循环，加速表面更新。,轴向返混不容忽视,分布器的特殊设计,填料萃取塔的特点,液液萃取是利用溶质在两种互不相溶或部分互溶的溶液之间分配比的不同来实现液体混合物的分离或提纯。具有选择性高、分离效果好，易于实现连续化大规模生产等优点。但是液液萃取过程的两相密度差小、连续相粘度大、两相轴相返混严重、界面现象复杂，因而设计比较困难。与精馏设计相比，填料萃取塔的设计具有不同的设计特点。,萃取塔操作过程,萃取塔级平衡过程,填料萃取塔的特点,对填料的选择要求不同填料萃取塔的操作两相传质过程是在分散相液点群和连续相之间来进行的，传质比表面积由分散相的液滴群来提供，这就要求分散相不应与填料表面润湿，而连续相则优先润湿填料表面。因此在选择填料时尽量避免选择有翻边结构和带毛刺的填料，以防止分散相在填料表面集聚成液膜而减小了传质比表面积同时增加传质阻力导致传质效率的明显下降。在液液萃取塔中填料的作用是降低连续相严重的对流或轴向返混并提供表面积来促进分散相的粉碎和聚合以强化传质。,填料萃取塔的特点,轴相返混的影响不能忽视液液萃取过程的两相密度差小，粘度大，逆流过程中两相流动状况比较复杂。例如连续相在流动方向上速度分布不均，连续相的湍动和旋涡引起分散相液滴的返混和夹带；分散相液滴直径分布不均所造成的大液滴运动速度过快，即前混以及分散相液滴的尾流引起连续相的返混等。通常把这些导致两相非理想流动和两相停留时间分布的各种现象称为轴向返混。轴向返混对萃取塔的性能产生极为不利的影响，它不仅降低了传质推动力，而且降低了塔的处理能力。一般认为：对于大型的搅拌塔，60-75%的塔高是用来补偿轴向返混引起的传质效率下降。,填料萃取塔的特点,轴相返混对传质效率的影响,xR,yS,Actualmasstransferforce,Apparentmasstransferforce,y1,填料萃取塔的特点,轴相返混对传质效率的影响,填料萃取塔的特点,轴相返混对传质效率的影响,填料萃取塔的特点,分布器的设计必须充分考虑液液体系的特点与汽液传质过程一样，分布器的设计对填料萃取塔的性能具有重要影响。由于液液两相的密度差小，粘度大，因此填料塔一般采用压力型管式分布器而不能用填料精馏塔中的重力型分布器，计算方法也差别较大。汽液传质过程的液体分布器设计要求使90%的阻力降集中到喷孔处，这样可以使液体分布比较均匀，这时的分布器孔速为1m/s左右。但对于液液萃取塔而言，喷口速度过高，容易造成液滴的过度粉碎或乳化甚至导致填料萃取塔的局部液泛，因而在设计时孔速控制在0.1-0.3m/s左右。,FG格栅填料开发及应用,FG格栅填料开发背景,常规填料存在的主要问题：（1）填料抗堵塞性能差，需要经常停车清洗；（2）处理量小、分离效率低下；（3）返混严重、有机相易夹带；,常规板波纹填料,Mellapak,Flexipac,此外还有Sulzerpak，Gempak，Montzpak，Pyrapak等,优点：在中低压下汽液传质效率高。缺点：在高压和液液萃取体系下，传质效率低；抗堵塞和抗结焦能力差，不适用与脏堵体系，如焦化分馏塔，丙烷脱沥青等；不宜用于大通量体系，如：汽油分馏塔，水洗塔。,规整填料塔负荷图（甲苯-丙酮-水体系）,SMV抽提塔负荷图（甲苯-水体系）,两种规整填料的性能对比,传质方向对传质有影响，体系：甲苯-丙酮-水,Gempak填料塔传质性能,传质方向：连续相到分散相,SMV抽提塔传质性能,常规格栅填料,Glitsch-grid,Mella-grid,此外还有Performgrid，Impulsepacking，optiflow等,优点：抗堵塞和抗结焦能力大大改善；处理量明显提高；缺点：结构复杂，制造成本高；在改造项目中大负荷下的分离塔中还不能完全满足要求；其堆积方式造成的压降还不能满足部分装置要求，如：电厂烟气脱硫。,格栅填料传质效率的提高从传质机理出发，改善填料结构，两相充分接触混合；提高比面积的利用率；进一步提高抗堵塞和抗结焦能力，满足脏堵体系的需要采用新型的结构组合方式，加强自清洗作用；满足高负荷操作条件下的分离塔要求，提高塔的通量采用大的格栅板间距；减小填料的壁效应和轴相返混等不利因素在塔壁采用弧线形导流板；板与板及层与层之间采用交错组合安装；,新型格栅填料研制需解决的问题,液液传质液液传质是在分散相液滴群和连续相之间进行的，填料通常优先为连续相所润湿，分散相以分离的液滴群形式上升或下降，填料的作用是降低连续相严重的对流或轴相返混并提供表面积来促进分散相的破碎和聚合以强化传质。分散相不应与填料表面润湿，否则会引起聚结和形成沿着填料的液流而降低传质效率。在液液传质中，在选择填料时应尽量避免选择有翻边结构因为这种填料容易造成分散相在填料表面润湿并形成一层较厚的液膜，使有效的传质比表面积大大下降。,FG格栅填料的创新,目前，FG蜂窝格栅填料已经由I型发展到型，格栅每层高度一般为250毫米，每层填料按一定的角度有规则地叠放，上下两层填料单元互成90交错安装，形成网络结构，液体经过每盘填料都重新分布并趋于均匀。I型填料为光板金属片叠加而成；型填料为打有圆孔的金属片叠加而成，开孔面积越为15%左右；型填料厚为1.5mm的金属薄片上开设舌形孔，舌形孔与金属片成45度角冲压而成，相邻两排舌形孔的冲压方向相反，并且分布在金属片的两侧，位于同一排的开孔方向相同；相反方向布置的开孔交替排列，开孔总面积约在20左右。,FG格栅填料的性能特点,主体采用蜂窝型，使两相的流动分布更为合理；单板与水平面成45度或135度，减小两相的易聚物在填料表面的停留时间，以防止聚合结焦，并且结构结构使液体对沉积在填料表面的脏堵物有自清洗作用；相临两层填料采用90度角交叉安装，加动两相的扰动程度，使其混合更加均匀，提高传质效率；单板上开设的圆孔使得各板之间的两相物质交换更加充分，并有效地提高了填料表面的利用率，提高传质效率；各板之间的大板间距（60-100mm）大大提高了两相的通量；与塔壁接触的单板采用弧线形，减小壁流和轴向返混等不良影响，提高传质效率。,FG格栅填料结构,整体结构局部放大,支撑与再分布器,FG填料基本参数,FG蜂窝格栅填料流体力学性能研究,萃取塔的流体力学模型：,液泛时两相空塔速度：,FG型与Filip型塔的比负荷比较,两相总流量与(HTU)OC的关系,FG蜂窝格栅填料传质性能研究,分散相空塔速度Ud与HETS的关系,Ud,cm/s,FG蜂窝格栅填料应用举例,1长岭LPG改造（1200mm）：改造背景：长岭石化分公司催化装置液化气脱硫塔原为筛板塔，因催化装置扩能改造后脱硫塔的比负荷达到45m3/m2.h，已不能满足生产要求，液化气产品质量不合格，因此需要对该塔进行扩能改造。改造方案：将原15层筛板塔盘改为FG-II型蜂窝格栅填料，在塔顶加一段2000mm高的FG格栅作为沉降段，并对两相分布器进行优化设计。改造结果：液化气质量合格，通量提高了30%以上。,FG蜂窝格栅填料应用举例,FG蜂窝格栅填料应用举例,FG蜂窝格栅填料应用举例,FG蜂窝格栅填料应用举例,6燕山石化丙烷脱沥青（3000mm）改造背景：原萃取塔为转盘塔，中部为萃取段，上部为脱沥青油沉降段，设有竖式加热翅片管及集油箱；下部为沥青沉降段，装配有内沉筒界面计。存在问题：原塔处理能力小，能耗高，转盘转与不转在处理量及产品质量上无明显差别。改造方案：将萃取段塔顶加热翅片管拆除；改为增加两段1500mm高的FG格栅。中间萃取段由转盘改为8000mm高的FG格栅；进料口由一个改为两个，以满足产品质量和生产的灵活调节。改造结果：溶剂比为5.2-5.6,循环溶剂中的丁烷含量为13.46%时的脱沥青油收率为66.32%(改造前为66%)；残碳平均下降0.8%，剂油比下降0.8；处理量提高12%；能耗下降1.7Kg油/T。,FG蜂窝格栅填料应用业绩,FG蜂窝格栅填料应用业绩,FG蜂窝格栅填料应用业绩,FG蜂窝格栅填料应用业绩,TH-II散堆填料开发及应用,规整填料适用于减压和常压等低液汽比的体系，而在加压特别是在高压条件下，乱堆填料的性能则优于规整填料；同时在液液萃取过程中，对填料的要求不同于汽液传质过程，乱堆填料更有利于液滴群的分散聚合再分散的循环，有利于提高相际的传质效率。因此，乱堆填料在高压精馏、大液汽比的吸收和液液萃取过程中占有明显优势。,TH-II散堆填料开发背景,环形填料,高径比小，排列规则，通量较大、压降较小；存在翻边：液液体系返混严重，传质效率低下；抗堵性能差；,高径比大，排列不规则，堵塞流道，通量小、压降大；返混严重，传质效率低下；抗堵性能差；,鞍形填料,高径比适中，排列较规则，通量较大、压降较小；存在翻边：液液体系返混严重，传质效率低下；抗堵性能差；,高径比较大，排列不规则；开设大量矩形窗口：通量大、压降较小；存在翻边：液液体系返混严重，传质效率低下；抗堵性能差；,双矩鞍环填料的创制,双矩鞍（TH）环颗粒填料是在目前通用填料的基础上开发出来的，它吸收了矩鞍环填料、CMR和NR填料的优点，并且,同时考虑了气液与液液两种传质机理下填料结构对传质效率的影响，形成了一种空隙率大、压降低、液滴分散度好、传质效率高、抗堵塞性能强的新型颗粒填料。,双矩鞍环填料创新点,本填料是由一长方形金属薄片弯成一弧形，金属片的两端制成锯齿形，在金属片的两侧开有两条狭长的不同长度的长形窗口，与长形窗口相对应的部位内弯成两条高度不等的弧形筋片，在金属片的中间弯成两个内凹弧形筋片，在两个弧形筋片中间各开一个矩形窗口。金属片两端的锯齿型结构：以加速汽液或液液的分散聚集再分散的不断传质表面更新过程；开设多个矩形窗口：增大两相流通截面积，改善流动性能，降低了液体的持液量，减少了液体聚焦和堵塞填料的机率，增强了抗堵性能；采用两条不等高的内弯弧片，增加了两相破碎的机率，增加两相的流动扰度，减小传质阻力，提高传质速率，同时提高填料的机械强度；取消CMR和IMTP的翻边结构：防止粘稠物系在其表面聚合结焦，在液液传质过程中的液滴聚合。,双矩鞍环填料的特性参数,双矩鞍环填料流体力学性能,双矩鞍环填料的应用举例,润滑油糠醛精制抽提塔（1）,改造背景糠醛精制是生产润滑油基础油的重要工艺过程，其中抽提塔是该工艺装置的核心。大庆石化总厂糠醛精制装置的抽提塔均为转盘塔，在改造前，转盘的转速较低，轴向返混严重，影响到了两相传质和分离，有时转动部分出现故障时，转盘就不动了，但仍能操作。因此普遍人为转与不转一个样，同时塔顶带醛量大。为此迫切需要对现有装置改造。,改造方案我公司采用TH散堆填料代替原来的转盘塔，并且增加管式予分布器和槽盘式分布器。改造后该塔处理能力提高了10-20%，产品质量也明显上升。,双矩鞍环填料的应用举例,润滑油糠醛精制抽提塔（2）,改造背景玉门炼油化工总厂20万吨/年糠醛精制装置采用两段抽提工艺，该工艺是针对玉门中间基原油特点开发的，随着原油性质的变化，该装置操作难度大，能耗高、产品质量差，已经不能适应操作，因此需要改造。,改造方案将转盘塔改为填料塔，改变原来的切线进料形式。填料采用FG格栅和TH散堆填料，填料层总高度为12m，其中萃取段为8m高的TH散堆填料，分布器采用管式分布器。,改造结果,润滑油酚精制抽提塔（3）,改造背景兰州炼油化工总厂20万吨/年酚精制抽提塔原塔采用12.5m高的鲍尔环.该塔精制油收率较低，产品质量较差，处理能力较小。改造方案用TH散堆填料替换鲍尔环，更换两相分布器。改造结果：处理能力提高23.34%；精制油收率提高2.38；能耗下降176.68MJ/t；酚用量减少0.239Kg/t；年增经济效益834.3万元/年。,双矩鞍环填料的应用举例,LPG脱硫改造,改造背景原塔塔径为1.4m；