新型塔填料_阶梯环.pdf

新型塔填料 一 阶梯 环 李阿娜 李锡源 天津大学 目前广泛应用的各 种新型乱堆塔填料 绝大多数是在拉西环填料和弧鞍形填料的基 础 发 展起来 的 拉西环填料是本世纪初由 万 拉西开发 的一种结构简单的 环 形填料 由于拉西环 的内表面利 用率低 在塔中容易 形成死角 空隙 不连续 容 易产生气液沟 梳 流体阻 力较大 通量较低以及放大效应 显著等缺点而逐渐被改革 出现 了各种新型 一 开孔环形填料 如鲍 尔环 金 属哈埃 派克环 一 莱佛厄派 克 阶梯环 丑 等等 弧鞍形 填料 是二十多年前 由 研制 的 其性能虽较拉 西环有重大改进 但仍存在填料容易套叠及 加工困难等系 列问题 为适应陶 瓷的连续挤 压加工技术及改进弧鞍形填料的性能 又发 展 出矩鞍形填料 以及改 进矩鞍形填料 等 近年更 开发出兼备开 孔环形填料和鞍形填料的优 点 的 金属环矩鞍填料 这些 新型乱堆塔填料各有其特长和 适用范 围 但 近几年最受重 视 发展较快 应用较广的还 应首推阶梯 环填料 阶 梯环填料的 综合性能较好 使用材质 范围较宽 据美国 年报导 世 界各国已有 多座阶 梯环填 料塔在化工 石油化工及炼油 环境保 护等系统得到应用 又据日本幅文英著文在 年报 导 目前在 欧洲和美国 旧塔改造有 一 采用这种 填料 特别值得提出的是 这种填料已开始 引进石油炼制工业代替塔板用于大型炼厂的 原油常压塔 减压塔以及脱丁烷塔等塔中 最大塔 径已达 米 国内自 年开 始研 制 现已正式投产并使用 的有金 属和 聚丙烯 塑料材质的 各种规格的阶梯环填料 陶 瓷材 质的阶梯环填料也将 问世 实际情 况证明 阶 梯环填料具有效率 高 压降小 处理能力大等优点 使用阶梯环填料 在设备设计中可使设 备结构尺寸减小 节省设备投资费用 在老 厂挖潜改造 中 在原有设备及工艺指标不变 的情况下 可提高处理能力 在节能 中 可 使压降大幅度下降 节省能耗 本文简要介绍阶梯环填料的特 点 几何 特性以及与其它同种材质同样大小 的填料性 能比较 并举例说明其应用效果 一 阶梯环填料的特点 阶梯环填料是英 美两家传 质公司在鲍 尔环填料的基础上 用数据分析方法进行改 进发展的一种新型乱堆塔填料 属于开孔环 形填料 其外形结构如图 所示 金属阶梯环 塑料 聚丙烯 阶梯环 图 阶梯环填抖外形图 阶梯环填料主要特点有二 第一是阶梯 环高度仅为环 径 的喜一喜 类似于 截短的 鲍 一 一 田 一 一卜 叨刁 尸纵 一目 尔环 这与截短拉西环可降低流体阻 力的 作 用一致 第二是阶梯环在开 孔短环的一端还 增加了一 个锥形小 翻边 喇 叭口 翻边的 高度仅为环高的 其作用是使 环在轴线 方向失去对称性 使各个填料环 之间主要呈 点接触 这样既增加填料间的空隙 减少气 体通过填料层的阻 力 又使相邻填料环不致 形成死角滞积液体 并且环间的接触点还起 着液体沿填料表面下流时的汇聚与分散点的 作用 使填料表面润湿充分 液膜均匀 并 促进液膜的表面更新 从而有利于填料传质 性能的改善 一般 认为 开发新型塔填料应满足下 列 基本要求 勿单位传质效率的压降要小 每单位体积填料的表面积要大 并 且表面利用率要高 操作性能稳定 单位重量的填料的强度要高 此外 还应考虑制造材质如金属 塑料 和陶瓷等的物理性质 金属材质和 塑料材质 能实现高速 自动化生产 并且具有成本低和 单位重量填料的强度高等特点 陶瓷填料应 能承受压应力 在设计中还要考虑充填和操 作过程中的破碎片不致太小 以免漏过填料 床层堵塞支承板等 由于阶梯环填料的结构特点 使其综合 性能比其它新 型填料更能 满足以 各 点要 求 表 阶梯环填抖的几何特性数据 型型号号比表面积积空隙串 串 米米米 米 肠肠 填料因子 堆积爪母 币 米 公斤 米 一匡丁 厂 石 金 廿 甘 内 工 五 甘 叮 人 孟 几 勺 一乙 玉 叮 月 工了 几 甘 甘 匕 甘 了匕口只 叫叫一 耐川匀 金属阶梯环的堆积重皿公斤 米 是对碳钢而言 对 其它金属要乘相应的系数 系数 不绣钢 铜 镍 蒙乃尔合金 国产阶梯环 填料 金属阶梯环 金属阶梯环填料可以根据介质要求采用 普通碳钢 铝 低合金钢及不锈钢等各种金 属薄板冲 压制作 目前投产使用 的金 属阶梯 环填料有 等规格 其结 构外形见图 一 几何特性数据列于表 金属阶梯环填料的几何特性数 据 紊 外径 高 厚 乞 毫米 隙率 表 一 义 寸 米 一 名 尺 毫 二 阶梯环填料的种类 规格和几何特性数据 阶梯 环填料可以采用塑料 金属 陶瓷 和石墨等各 种材质制作 材质不 同 阶梯环 的形状也有所不 同 国外的阶梯环填料 英 国传质公 司公布的阶梯环填料的型号 及几何特性数据如表 所示 止几 竺 竖 圣竺 坐 竺立兰翌生 上 竺乙 天津大学数据 聚丙 烯阶梯环 聚丙烯阶梯环填料具有良好的耐腐蚀性 能和化学稳定性 可适用 于一般的酸碱介质 及部分有机化合物质 纯聚丙烯材质可长期 使用在 以下 玻璃 纤维增强聚丙烯材质 可长期使用在 以下 目前投产 使用的 聚丙烯阶梯环填 料有 场等规格 其结构外形见图 一 其几何特性数据列于表 金属阶梯环的传质效率要比金属鲍尔环的高 即相对 值低 表 塑料阶梯环填料几何特性数据 名义 尺寸 耳 毫米 外径 高 又厚 毫米 空隙 已 肠 堆积个数 堆积重度 个 米 丫 公斤 米 收奋了 率 从队 致 洲 彭 喊唱 敬韧姆 了 刻比 一 叫 州 一 井 一 今扫 匕 一 翻 丫 夕 一孰 抓 匕 习 乙 一只 去 曰 卜 训 山 作 巾 今平水内 了 内舀 天津大学数据 二 浙江化工学院数据 三 阶梯环填料的性能比较 国外阶梯环填料的性能比较 英国传质公 司测定的阶梯环填料与其它 填料因子诱 1 阶梯环 金属和塑料 2 金属和塑料 3 鲍尔 环 4 陶瓷阶梯环 5 陶瓷鞍形填料 6 陶瓷 7 陶瓷拉西环 填料的性能比较示于图 2 3 匀丹 010 0 1口 nU 几 1 zon 舀一 日 喇匀 籍 n 甘门U八曰 日 八 U八 乃 nU LJ八 U一咨 n 绪孟住勺J n j n n 八 书绍兴 御 世 进 2 过 9针六 流 拼 4 5 中 5 0 图3各种塔填料相对传质系数与琪 料因子 的关 系 八曰 门 八 U八1 1 O 6尹 OJ乌门 5 冬 N 答 礴 润粥妇 607080 6云7 58 5 液泛速度 2030 40 填料因子必 1 2时金属鲍尔环 2 N0 3金属阶梯环 工 阶梯环 2 鲍尔环 3 陶瓷鞍形填料 4 拉西环 图2各种塔填针比表面积与填料因 子 的关 系 0 喻万 不漏品 气体速率 标米3 时 1 2时金属鲍尔环 2 N O 3 金属阶梯环 图4金属鲍尔环及阶 梯环的气速与压降的 关 系 图5金属鲍尔环及阶 梯环的相对HET P与 夜泛速 度的关 系 由图2可知 同种材质的不 同类型填料 比较 填料因子相 同时 阶梯环填料的比表 面 最大 由图 3 可见 在填料因子较大时 金属和塑料阶梯环较同种材质的鲍 尔环传质 效率高 陶瓷阶梯环也比陶瓷鞍形填料及陶 瓷拉西环更有效 由图4可见 在同样气速 下 金属阶 梯环的压降 较金属 鲍尔环 低得 多 由图5可见 在同样液泛速度条件下 Co 吸收塔 喷淋密度 230米丫米2 时 CO 吸 收玉吝 19 80年日本幅 文英对阶 梯环缤料 与筛 板 浮阀塔以及拉西环 鲍尔环填料的压 降 效率和处理 量的比较摘列于表 4和表 5 表 4 一般筛板 浮阀塔更换为阶梯环 填料塔的效果 处理皿相同时 八曰 月 0口 一 八 私 兴 瑙丫划城 卜 歹 板间距 恋米 板效率 肠 阶梯环 每一等板 高度压降 的减少肠 等板高度 的减少肠 最大处理量 增加值 保 持等板高度 减小值 肠 台 4 O U50 0 4 1 一1 连n J O U n七乃自内n N 2 金属 N 3 金属 N t 金属 N 2 金属 No 1金属 77 80 74 69 6l6 1 1 表 5 陶瓷拉西环及金属鲍尔环更换为 阶梯 环的效果 1020304050607080 驹 IJ 米3 米2 时 飞藕 赢 一 处 理 相 同 压降 目同 D g50 Dg50 阶梯环 鲍尔环 D g38 D g38 阶梯环 亘包尔环 阶 梯 环 规格 时 1 No A料朔 11 s 1 1 131 陶瓷拉西环 No 金属 4 1 8 0 3 0 7 一 辰百瓜福兹 4 5 户 6户 丽 响 N o 3 陶瓷 14 1 65 69 64 明 韧 二二 I 2 塑料 32 1 8 3 3 1 8 J一 目 一 o 3 A 塑料 5 80 00 32 NO 3 金属 3 0 2 4 5 时 No 金属 3 15 4 生娜 i蟹圣任 巴全兰 创巴l竺土少2 N o 牵属 64 粕同 1 64 同 2 时 一 一 囚 一 只 l 刚 N o 3 金属 1了 2 5 3 3 19 笠肠珍包尔钊 付 日 吞 J J J 二 二兰 r 二 户竺繁 三 二 兰 逻 二 全 图6 金属阶杯环与鲍尔环镇料泛 点气 速的比较 空气一水系统 常压 瑙 丫 续 2 0 则 乡 2 国产阶梯环填料的性能比较 关于 国产各种规格和材质的阶 梯环填料 与鲍 尔环填料的流体力学性能 比较 列于图 6 9 从上述各图可 以 明显看出 同样尺寸 的阶梯环填料的泛点气速要大于鲍尔环填料 极个别例外 因此 生产 能力较大 同样尺寸 的阶 梯环填料的压降要低于 鲍尔环 填料 因此 动能消耗较低 对于蒸馏 塔 由于压降减小 可提高塔釜的真空度 降低 塔釜温度 从而有 利 于产品质量的改进 也 可降低对加热 介质的要求 刘 于阶梯环填料的传质性 能 目前 国 内 1 Dgso 阶梯环 4 Dg 38 鲍尔环 D g5 0 鲍尔环 Dg 25阶梯环 n g38 阶梯环 ngZs鲍尔环 图7 塑料阶梯 环与鲍尔环填料泛点气速的比较 空气一水 系统 常压 参 一些 研究单位正在测 试研究 已 发表的主要 是阶梯环的 液膜传质系数 天津大学 在 直 径60 0毫米的实 验装置中 以空气脱吸Co 水 溶液系统 对Dg s 聚丙烯 塑料阶梯环及鲍尔 环填料的传质性能进行了对 比实验研究 测 定了此二种填料的液相传质单元高度 H 随液体喷淋 密度 L 的变化关系 结果 闭刁叫 口口口厂厂日日日日 2 2 2曰 曰曰 门门门盯 盯门门门门 丁了了了了 口口口厂 厂门门 不 刀刀 厂厂 日日日l l l汀 一一一 口口口口口口 门门 旧旧旧旧 口口口口口口 厂 月月 了了了了了 月月月月月 示于 图1 0中 研究结果表明 同种材质同样 规格的聚丙烯塑料阶梯环的传质效率一般比 鲍尔环填料高5 1 0 左右 口口口尸沪户 户二 二 兴 驴 司 鸳 X 1 0 L 米 帐 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 口口 口 口尸产尹 多多 巨巨口口口口 口口尸 尸尸尹尹 尹尹尹尹尹尹 1 阶梯环 2 鲍尔环 图1 0 两种塑料填朴 在C O 水 溶液脱吸 过 程 中H 随L变 化 的比较 常压 然 带 州关关御 冈 d 月塑 琐眨 公 环兴津 1 D g5 0 金属阶梯环 2 D g5 0 金属 鲍尔环 图8 D g50金属阶梯 环及鲍 尔环的空塔气 速与填料压降的关系 L 二 5 0米丫米2 时 卢卢卢 厂厂工 工工 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 门门门 洲洲i刃 刃r 厂厂厂门一 一一 口口 一一 口口口 厂厂厂 一一一 7二 二 7 7 7 田田田田 阿 阿 厂厂厂厂 Z Z Z Z Z Z Z Z Z 1 1 1 1 1 1 1 可可可 可 空塔气速 米 秒 1 D幼 塑 料阶梯环 2 Dgs贬塑料鲍尔环 图9 Dg50 塑料阶梯 环及鲍尔环的空塔气 速 与填料压降的关系 L 二 5 0米3 米 时 四 阶梯环镇料使用实例 1 国外实例 1 炼油减压蒸馏塔的改造 为将减压塔的处理能力提高3 0 并改 进热量 的回收率 采用汾梯环填料代替塔板 在减压塔的轻汽油段中 用2 1 3 米高的 N 3 阶梯环填料取代 原有 的板间距为61 0毫 米的五层塔板 塔顶装有液体分布器 改造 的结果 轻汽油段每立方米油品的能量回收 率提高了1 8 以前塔顶损失掉的轻组份得 到 了回收 轻汽油的质量也提高了 在减压塔的重汽 油段中 用2 7 4 米的 N o 3 阶梯环填料代替原 有的板间距 为91 0毫 米的四层塔板 也装有液体分布装置 改造 的结果 重汽油的抽出率提高了4 0 每立方 米的能量回收率提高了7 而且热量 的品位 较原来提高了 重汽油的质量也得到改善 2 甲醇 吸收塔和蒸馏塔的改造 该系统的工艺过程 是 首先在吸收塔用 水吸收气体中的甲醉 然后在蒸馏塔将甲醉 吸收液进行分馏 制取高纯度的 甲醉产品 对原有设备采用 了三种方案进行改造 改造前 甲醉吸收塔内径1 毫米 镇料 2时金 属拉西环 填料高2 0米 甲醇蒸馏塔内径71 0毫米 筛板塔板效率5 0 塔板数 上 12 下 5 板间距50 0毫米 塔板部分高7000毫米 改造方案一 只改造甲醇蒸馏塔 吸收 一 塔不改 甲醉蒸馏塔内径7 1 毫米 换筛板为N o 2金属阶梯环 填料高 上 5000毫米 下 2000毫米 由于吸 收塔 不变 故蒸馏塔的进 料量 甲醇吸收液 与原来相同 仅将蒸馏塔的 筛板 板间距 S DO毫米 板效 率 5 0 换为 NO 2金 属阶梯 环 这样可使传质效率提高 10 5 回流比由25 0降 到12 0 使蒸汽节省 率达2 1 节电率1 9 只要用三个多月的 节能金额 即可将改造设备的投资金额回收 回 来 改造方案二 吸收塔和蒸馏塔均 改造 甲醇吸收塔塔径不变 填料N o 1塑 料阶梯环 填料高2 0米 甲醇蒸馏塔塔径不变 填料情况 同方案一 结果 吸 收塔的 传质 效率比原来提高 84 吸收液量比原来减少一半 由于吸收 塔及蒸馏塔换用阶梯环后效率均提高 液量 均减少 只需用改造前6 0 的能量 因而仅 用 2 个多月的节能金额就可将改造投资回收 回来 改造方案三 吸收塔和蒸馏瑶均改造 甲醇 吸收塔塔径不变 填料为N o 1金属阶梯环 填料高2 D米 甲醇蒸馏塔塔径不变 填料N o 1金属阶梯 环 填料高同前 方案三中由于使用 了与方案二中不 同材 质和尺寸的阶梯环填料 使其传质效率有 一 r 进一步的提高 在吸收塔 中 由于金属填料 较塑料填料比表面积大且更易被润湿 所 以 其传质效率提高了1 6 在蒸馏塔中山于坑 料尺寸减小使其传质效 率 提高了13 6 在 此条件下 吸收塔的吸收液量减少5 9 燕 馏塔的回流比减少7 6 同时蒸馏塔的IE降 从9 D毫米汞柱减少到7 3毫米汞柱 减少了 93 塔釜温度相应降低许多 此例由于使 用 比方案二性能更好的阶梯环填料和内件 只需用改造前5 0 的能量 但改造投资金额 比方案二多 故回收改造投资所用时 间比方 案二稍多 3 硫酸工业的应用 据 1976年K J M ck eown 报导 在硫 酸 厂 中 直径超过 8米的吸收塔 千燥塔已有 三十多座 由陶瓷拉西环或鞍形填料改用阶梯 环填料 效果很好 例如 在日产12 吨硫 酸的工厂中 用相同体积的阶梯环填料代替 鞍形填料 结果在保持原有质量的前提下 硫酸吸收塔和干燥塔的生产能力 从原来1200 吨增加到1600吨 增加 了33 It 于填料J答 的压力降减小 节省能 量大约 14 2 千瓦 通 过触媒 层 最后 排出的气体502浓度低于15 0 P P m 并且 除雾器的压力降减小 雾沫扶 带量也比普通填料少 2 国内实例 1 南京炼油厂在节能改造中 将塔径 为4 2米的二号减压蒸馏塔顶部的三层 圆形 泡帽塔盘 更换为Dg5 0的金属 碳钢 阶梯 环 填料层高度为1 3 6米 更换后 填料段 的压 强降仅为原来塔板的11 5 填料的取 热量为 2 2 3 2万千卡 时 米 由于塔顶增 加了抽真空泵及填料层压降降低 使蒸发层 的真空度比以前提高较多 因此每小 时可节 省蒸汽4 6吨 全年节省蒸汽3 6 8 万 吨 操作 费用21 万元 高硫气 田开发技术的探讨 赵增泰 化学工业部化肥司 五十年代以来 一些国家相继发现和开 发了含硫气田 其中许多是高硫气田 拟将 本人参加赴美国 加拿大技术考察的情况以 及有关资料 文献介绍的情况 对高硫气田 的开发技术加以粗略综述 既可作为我国今 后开发高硫气田的借鉴 同时对化学工业部 门讨论如何开 拓含硫资源问题 可 能也是不 无补益的 一 国外开发含硫气田的概况 加拿大是含硫气田资源最多的国家 已 开发的气田中硫化氢含量最 高的是哈玛坦 Harm attan 气田 夭 然气 中硫化氢含量 为52 53 4 于1968年投入生产 日产硫 磺490吨 在潘瑟河 pantherR iver 发现T 含硫化氢6 9 7 8 的气田 在比尔拜瑞 Bearberry 发现T含硫化氢 90 92 的 气田 最近几年加拿大壳牌公司正在开发建 设比尔拜瑞气田 美国密西西比州杰克逊附近的索马斯维 尔 TH O M ASv ILLE 气田含硫化氢27 一 46 储气层深达 6700米 地层 压力约为1300 公斤 厘米 温