DJTM系列塔板新一代大通量高效塔板.doc

DJTM系列塔板新一代大通量高效塔板DJTM系列塔板新一代大通量高效塔板中国发明专利号：ZL97 1 03868.6，ZL97 1 03869.4美国发明专利号：6,299,146 B1 6,345,811 B11前言六十年代，美国联合碳化物公司（UCC）开发了悬挂式多根矩形降液管的MD塔板。由于它具有高通量低压降的独特优点，很快在工业上获得了广泛的应用。以MD塔板代换一般筛板或浮阀，可满足大幅度扩产和节能的要求。图1DJ系列塔板结构示意图从1973年开始，我们化了近十年时间，对矩形降液管的流体力学和传质性能作了较为全面的研究，探索了具有矩形降液管塔板的设计方法。同时，针对MD塔板在液流分布和传质效率方面的不足，作了较为深入的考察和改进。我们认为，MD塔板存在以下三个问题：一是降液管的宽度问题。Billet发表的资料中以21.6 m3/mh作为MD塔板堰上溢流强度的上限，降液管宽度一般不超过150mm。对于高液气比的吸收操作，不突破这一限制，不相应加宽降液管，降液管的根数将会过多，从而带来液体流场和结构上的不合理，容易导致降液管堵塞而提前液泛。二是塔板效率问题。对于MD塔板的效率，各家评价不一。Huber曾指出，大型MD塔板能提供较好的活塞流，因而应有较高的塔板效率。实际上，MD塔板上的液流分布并不均匀，因而影响了塔板效率。三是冲击漏液问题。因MD塔板在受液区仍然开孔，在大液量操作下受液区存在着明显的冲击漏液，这种冲击漏液造成了液相在塔板间的短路，降低了塔板效率。为此，我们着重在改善塔板气液两相流和优化结构提高效率等方面作了一系列研究工作。2研究开发 在对MD塔板的基础上，我们开发了DJ系列塔板。DJ塔板继承了MD塔板降液管的特色，并在结构型式、通量和效率等方面有所创新、有所突破，形成了具有我国自主知识产权特色的新型塔板系列，其特征结构特点如图1所示。2.1DJ-1型塔板DJ-1型塔板是为了适应特大液气比的吸收操作而开发的。主要结构特点是采用宽型降液管，对降液管的根数和排列作改进和优化。随着塔径的增大和溢流量的增加，调整降液管的宽度和长宽比，按等溢流强度原则来排列降液管，同时兼顾各个溢流区的鼓泡面积分配合理。通过合理设计，可以使DJ塔板的溢流强度达到200m3/mh，远远大于MD塔板的溢流强度。DJ-1型塔板已很少使用，其优点已被新的型号所继承。2.2DJ-2型塔板B装导流板液体进口31465911712降液管A不装导流板液体进口12712453611108降液管图2DJ塔板上液体平均停留时间分布曲线图3DJ-3型塔板结构示意图1 塔壁，2降液管，3复合填料，4塔板，5导流板针对DJ-1型塔板存在的塔板上液体分布不均匀从而降低塔板效率的情况，我们通过大量的实验研究开发了导流装置。在DJ-1型塔板的受液区相应位置上开设导流孔或设置导流板，从而极大改善液流的初始分布，使塔板上的液流接近于活塞流，较大地提高DJ塔板的效率，完成了DJ-1型塔板到DJ-2型塔板的升级。DJ-2型塔板已具有自主的知识产权，取得了一项中国发明专利和一项美国发明专利。图2是采用光导纤维测试技术对DJ-2型塔板一个区的液流分布测试结果。从图2上可发现，塔板受液区上设置导流板后，液体等停留时间分布曲线比不装导流板时均匀得多。2.3DJ-3型塔板塔板间的雾沫夹带造成了液体的纵向返混，对塔板效率有很大的影响。根据Colburn的关联：Ea=EMV/（1+EMV*ev/（L/V），其中Ea为表观塔板效率，EMV为Murphree塔板效率，ev为以摩尔液/摩尔气为单位计的雾沫夹带量，L为以摩尔/秒计的通过塔板的液量，V为以摩尔/秒计的通过塔板的气量。如果精馏塔的回流比为1，也即液气比L/V=0.5，没有雾沫夹带的Murphree板效EMV=80%，当板间雾沫夹带ev=0.1摩尔液/摩尔气时，默弗里板效EMV将下降为69%。F m/s(kg/m3)0.5全塔效率,%图5塔板效率对比图4塔板雾沫夹带量对比DJ-3型是一种复合型塔板。通过在DJ-2型塔板下面采用空中复合技术，在塔板下复合上一薄层规整填料。结构示意图如3所示。当负荷高时，雾沫夹带会严重影响塔板效率，甚至引起雾沫夹带液泛。填料层处于气相空间，起到了抑制雾沫夹带作用，同时改善了塔板间的气相分布，使塔板效率提高10%15%，气相通量提高15%20%。对于气液负荷都较高的操作，效果尤其明显。当负荷低时，塔板的倾向性漏液，填料层起了气液传质作用，使塔板效率得以提高。而在正常负荷范围，筛板的随机漏液与上升的气相在填料层内进一步传质，增加了塔板的分离效果。因此，DJ-3型塔板具有大通量、高弹性和高效率的优良特性。图4表示设置复合填料前后的DJ塔板雾沫夹带量随气相空塔动能因子F变化的对比图。从图中可见，当F1 m/s(kg/m3)1/2时，没有复合填料的DJ型塔板的雾沫夹带量迅速上升，而设置了复合填料的DJ型塔板的雾沫夹带量要小得多。很显然，塔板下方空中复合的填料拦截了气相从下层塔板夹带的大部分液沫。图5表示了对乙醇水物系测试的精馏塔板效率与空塔动能因子的关系。试验结果证实DJ-3型塔板的塔板效率明显高于DJ-2型，并略高于普通浮阀塔板。工业应用情况证实了DJ-3型塔板效率与操作弹性与普通浮阀塔板相当，可用DJ-3型塔板一代一替换浮阀塔板，实现扩能改造。2.3DJ-5型塔板DJ-2型塔板属筛孔型塔板，此类塔板具有压降低、不易堵、加工方便、费用省、无需检修的优点。但筛孔型塔板存在雾沫夹带量大，易漏液，操作弹性小，传质效率较低的缺点。浮阀塔板克服了筛孔塔板的一些缺点，具有操作弹性大，雾沫夹带量小，漏液少，传质效率高的优点。但浮阀塔板耗材量大，制造成本高，易堵塞，浮阀容易吹掉或卡住，不适应目前化工生产上“长、满、优”生产的需要。为了结合筛孔塔板和浮阀塔板的优点，克服彼此的缺点，出现了固定阀塔板，固定阀塔板的制造费用接近于筛孔塔板，而操作性能接近于浮阀塔板且塔板强度大于筛孔塔板和浮阀塔板。但是，一般的固定阀塔板，其气流均从固定阀侧孔中以水平方向吹入液层，与从相邻的固定阀侧孔中喷出的气流在两固定阀中间发生对冲现象（如图6 所示），两股对冲的气流不仅使塔板上的液体向上飞溅，增大液沬夹带，减小塔板的处理能力和操作弹性，而且需要消耗大量能量，增大塔板的压降。同时，气流以水平图7DJ-5型塔板固定阀气液接触图19图6传统固定阀塔板气液接触图方向吹入液层，会将液体吹入相邻固定阀侧孔中成为漏液，增大漏液量，减小塔板的操作弹性，降低塔板的传质效率。11.522.530204060801000.5ETDJ-3型塔板F1型浮阀塔板DJ-5型塔板图8 DJ-5型塔板效率曲线我们针对传统的固定阀塔板的缺点，开发了一种新型的固定阀DJ塔板（DJ-5型），该塔板的固定阀阀面侧边具有向下弯曲的折边。DJ-5型塔板改变了从固定阀侧孔中吹出的气体的方向，使气体从固定阀侧孔中斜向下吹到塔板板面上(如图7所示)，减少雾沫夹带量和漏液量，提高塔板的处理能力和操作弹性，同时强化塔板上气液接触传质，提高塔板传质效率。另外，在受液区设置固定阀还可以减少DJ塔板的冲击漏液量。试验结果证实DJ-5型塔板的气液相处理能力与DJ-3型塔板相当，雾沫夹带明显比DJ-2型塔板要小，而操作弹性较大，并有非常好的抗堵性能。试验和工业应用情况表明DJ-5型塔板效率明显高于DJ-2型，而与DJ-5型塔板和普通浮阀塔板相当。试验结果如图8所示。在老装置改造中，可不动塔体用DJ-5型塔板一代一替换浮阀塔板，实现扩能改造。在新建装置中采用DJ-5型塔板可减小塔径、降低塔高，节省大量的投资。由此可见，DJ-5型塔板是一种综合性能优良的塔板，已获中国发明专利申请号。2.4DJ系列塔板F m/s(kg/m3)1/2全塔效率（）图10全塔效率对比冲击漏液量 m3/m2hF m/s(kg/m3)1/2图9冲击漏液量对比图由于DJ塔板的降液管悬挂在气相空间，受液区也开孔鼓泡，可以增大鼓泡面积，但同时又出现了塔板的冲击漏液问题。从降液管底孔直流下来的液体具有一冲击力，会引起受液区发生液体冲击漏液现象。漏下来的液体直接流到再下一层塔板的降液管中，造成部分液体的短路。为了解决这一塔板间的液体异常分布问题，在受液区设置了防冲击漏液装置7。防冲击漏液并不是杜绝液体砸漏现象，而是开设诱导式的双向斜孔，使受液区的下方形成一个气罩，一方面减少冲击漏液体量，另一方面将漏下来的液体诱导进入塔板的鼓泡区。图9对比了装与不装防冲击漏液装置，在喷淋密度为51m3/m2h时因冲击漏短路到降液管中的液体量。由图9可见，装了防冲击漏液装置，因冲击漏液短路到下一层塔板的降液管的液体几乎接近于零。图10表示了装与不装防冲击漏液装置塔板效率对比。可见在DJ塔板受液区改装了诱导型防冲击漏液装置后，塔板的冲击漏液量大幅度降低，塔板效率提高了5%10%。该技术已应用于DJ系列塔板，使DJ塔板全系列得到了升级，形成新一代DJ系列塔板，此项发明已获中国发明专利申请号。3工业应用成果自1997年以来，新型高效大通量DJ塔板已成功地在炼油、石化、化肥、精细化工、制药等行业中推广应用了90多座塔，工程款近5000万元，给用户企业节省了大量投资，创造了1亿元以上的直接经济效益。特别是在乙烯工业中，以高效大通量DJ系列塔板替代引进塔板在天津联化乙烯、抚顺乙烯、独山子乙烯、广州乙烯和兰州乙烯等石化企业产品塔的扩能改造，实现扩能30%以上，节省了大量外汇，获得了巨大的经济效益和社会效益。以下是一些典型的工业应用实例。3.1气分装置塔系的扩能改造（炼油行业）3.1.1茂名石化气分装置的丙烯塔和脱丙烷塔中国石化茂名石化分公司气分装置扩能改造要求处理能力从10万吨/年扩能为18.8万吨/年，2000的丙烯塔和1400的脱丙烷塔采用DJ系列塔板改造塔内件，其中丙烯塔要求产品从化学级提高到聚合级，也即丙烯纯度从98%提高到99%以上，塔底丙烷纯度从80%提高到90%以上。扩能以后，塔内气体动能因子为1.85 m/s(kg/m3)1/2，喷淋密度达91114 m3/m2h，改造采用DJ-3型塔板代换原浮阀塔板。脱丙烷塔提馏段采用了DJ-2型塔板一代一更换原浮阀塔板，喷淋密度高达98m3/m2h。该装置改造于1999年4月完成生产出合格丙烯，丙烯纯度达到99%以上，装置能力达到改造要求。3.1.2乌鲁木齐石化总厂气分装置的脱乙烷塔中国石油乌鲁木齐石化总厂气分装置脱乙烷塔采用DJ-2型塔板代换浮阀塔板，1999年成功实现了装置能力从12万吨/年扩能为17万吨/年的技术改造。塔下部的液体喷淋密度达77m3/m2h，气液流动参数达0.62。3.1.3加氢重整装置蒸发塔中国石化济南分公司和延炼实业集团公司炼油厂加氢重整装置C102蒸发塔采用DJ+-3型塔板代换原浮阀塔板，实现装置30万吨扩能改造，塔底水含量5ppm。3.2乙烯装置3.2.1中国石化天津联合化学有限公司乙烯装置挖潜改造生产能力从16万吨/年扩能为20万吨/年，为国内乙烯装置首次全面的扩能改造。分离塔系中的脱甲烷塔、脱乙烷塔、脱丙烷塔、乙烯精馏塔、丙烯精馏塔和脱戊烷塔七座塔采用了新一代DJ+系列塔板，一代一更换原浮阀或筛孔塔板，并首次采用“发黑”专有技术进行塔盘组合件表面处理。该装置已于2001年4月正式投产，经过现场标定，其中所改造的各塔都达到并超过了设计指标。最近该项扩能改造通过了中石化的鉴定。3.2.2中国石油独山子石化公司乙烯装置扩能改造生产能力从16万吨/年扩能为20万吨/年，关键产品塔丙烯精馏塔和乙烯精馏塔采用不动塔体更换内件进行扩能改造，通过公开竞标，DJ+-3塔板以其优异的性能取代了国外UOP公司的MD塔板中标。改造采用DJ+-3塔板一代一更换原浮阀塔板。该装置已于2002年9月正式投产，目前所改造的各塔都达到或超过了设计指标，3.2.3中国石油抚顺石化公司乙烯装置的乙烯精馏塔分离要求和生产能力一直难以达到生产需求，抚顺石化公司委托我们进行改造技术方案设计并提供相应的设备，通过详细的分析和充分的论证，找到了装置的瓶颈所在，乙烯精馏塔采用DJ+-3型塔板一代一更换原浮阀塔板。该塔已于2002年9月投用，目前各项指标都达到或超过了设计要求，实现了从14万吨/年扩能为20万吨/年的扩能改造。3.3丁二烯装置中国石油独山子石化公司乙烯厂丁二烯装置丁二烯回收塔由于丁二烯极易发生自聚，生成的聚合物堵塞降液管和塔板，引起系统瘫痪。改造前该塔每三个月必须彻底清洗一次塔板，给装置稳定生产带来了很大影响。与传统的弓形降液管相比，DJ塔板悬挂式降液管中的液体停留时间比较均匀，流动没有死角，加上筛孔的不断冲刷，因此DJ塔板又是一种抗堵性能十分良好的塔板。改造采用DJ-2型塔板代换原浮阀塔板，从2000年7月开车至今，该塔运行状况良好，没有出现因塔板或降液管堵塞而进行停车清洗。3.4化肥装置DJ塔板在多座热钾碱脱碳塔、碳酸丙烯酯脱除二氧化碳吸收塔、水洗脱碳塔、多胺脱碳及脱硫塔中获得成功应用，实现不动塔体扩能30%以上，充分体现了DJ塔板大通量特别是大液体通量和高效率的优势。脱硫塔由于在塔内会产生大量的硫膏而堵塞塔内件，DJ塔板应用成功也从说明了DJ塔板具有优良的抗堵性能。4结论1) DJ系列塔板适用于处理高液气比、大液量的操作；2) 通过增设导流装置、防冲击漏液装置以及在塔板下