国标-》新型高效塔设备技术及其应用.doc

Paper No021 007酉eej22 额型高效塔设备技术及其应用 李群生(北京化工大学化学工程学院，北京，100029)摘要详细介绍r近年来在化f、石化、炼油等工业中应用成功的几种新型高效塔嚣技术，包括商效导向筛扳、新 型高设填料、板填复合塔板、高效除雾器、以及计算机模拟计算技术等，并介绍了这些技术在工业生产中的应用Jf【】取得的 成果，一般来说，采用新型高效塔内件对原塔进行技术改造，可以达到扩产50100，提高分离效率20-30进而达 到大|!i!模节能降耗、提高装置运行的经济型的效果关键词精馏，吸收，分离，扩产，节能，技改，经济效益刖舂塔设备是化工、石化、炼油、医药等工业中的重要组成部分。它对整个流程的生产能力、产品质量、 能耗与原料消耗、环境保护都有重大影响据统计，石油和化学工业的能耗占工业总能耗的很大部分， 其中约60就用于精馏过程，而精馏过程是由塔设备表实现的。塔设备投资约占化工、石化项目总投资30一40。塔设备的分离效率在生产中对产品的纯度、产品的回收率，工业过程的能耗，都起着至关重要的作用。塔设备按其结构可分为两大类：扳式塔和填料塔。板式塔的研究起步较早，它具有结构简单，造价 低、适应性强、易于放大等优点。最近几十年来填料塔技术也取得长足的进步，由于性能优良的新型高 效填料的相继问世，特别是规整填料及新型塔内件的不断开发和基础理论的深入，填料塔的应用也越来 越广泛。新型高效塔内件，在企业技术改造中带来巨大的经涛效益，在新建装置中可以达到节省投资。 降低消耗、提高装置运行白经济性。其中高效导向筛板、新型填料、高性能液体分布器等塔内件在生产 应用中尤为突出”“”。1高效导向筛板高效导向筛板是北京化工大学在对包括筛板塔板在内的各种塔板进行深入细致研究的基础上，发挥 筛板塔板结构简单、造价低廉的特点，克服其漏液点高、效率较低的缺点，并且通过对各种塔板进行深入研究、综合比较，结合塔板上流体力学与传质学的研究成果而研究开发的一种新型高效塔板。 高效导向筛板具有生产能力大、塔板效率高、塔压降低、结构简单，造价低廉、维修方便的特点。目前已广泛应用于化学工业、石油化工、精细化工、轻工化工、医药工业、香科工业、原子能工业等， 所应用的物系包括甲醇一水(原料中还会有粘性树脂和发泡荆等杂质)、乙醇一水(发酵醪制乙醇)、醋 酸-水、醋酸一醋酸乙烯、醋酸甲酯一醋酸乙烯一水、乙炔一乙醛一醋酸乙烯、聚醋酸乙烯一醋酸乙烯 一甲醇、乙苯一苯乙烯、邻硝基氯苯一对硝基氯苯、香叶醇分离、重水分离等等高效导向筛板的工作原理是：如图所示，在高效导向筛板上开设了失量筛孔及少部分导向孔，通过筛孔的气体在塔板上与液体错流，穿过渡层垂直上升，通过导向筛板盼气体，沿塔板水平前进，将动量 传递给塔板上水平流动的液体，从而推动液体在塔板上均匀稳定前进，克服了原来塔板上的液面落差和 液相返混，提高了生产能力和板效率，解决了堵塔、液泛等问题另外，在传统塔板上，由于存在液面 梯度在塔板的上游总存着一个非活化区，在此区域内气流无法穿过液层而上升鼓泡，如对浮阀塔板， 上游的几排浮阀无法打开，而对一574Paper No021 007 CICC2002图1高效导向筛板工作原理 筛板塔板，上游的一个区域内无气泡鼓出。根据实验测定，非活化区的面积往往占塔截面积的13左右。 高效导向筛板在液流入口处增加了向上凸成斜台状的鼓泡促进器，促使液体一进入塔板就能生产鼓泡， 带来了良好的气液接触与传质。高效导向筛板具有下述特点：11生产能力大 由于下列原因，高效导向筛板比传统塔板的生产能力高出5080，甚至更高。 (1)克服了液流上游存在的非活化区，使得气流通道增加了13以上 (2)消除了液面梯度，使得气速均匀。在传统塔板上，由于上游液层厚而下游液层薄，气逮在整个塔截面上是不均匀的，下游液层较薄处气速较大，该处液层率先被吹开时，则迭到了生产能力的最大值。而对导向筛板，由于整个塔截面上气速均匀，即全塔平均气速达到最大时，才是生产能力的最大值。 (3)从筛孔中上升的气体是垂直向上，从导向孔中上升的气体是水平向前，气体的合成气速是斜向上方的。这样既延长了气体夹带雾滴的运动轨迹，减小了雾沫夹带，提高了气速和生产能力。(4)由于导向筛板效率高，同样塔板数时回流比可以降低，进而提高塔的负荷与生产能力。12效率高(1)由于克服了非活化区，使得塔板上鼓泡区域增加，增加了气液传质机会，提高了塔板效率 (2)液相返混是影响塔板效率的最重要的因素之一。高效导向筛板很好地克服了液相返混，提高了塔板效率。(3)消除了液面梯度，降低了漏液量和雾沫夹带，提高了塔板效率。1 3压降低与泡罩塔板、浮阀塔板等塔板相比，筛板塔板由于结构简单，气流通道顺畅，因此操作压降最低。 实验和生产经验表明，导向孔的阻力降比筛孔的低20左右，导向筛板的压降比筛板塔板的还低10左 右。14抗堵能力强由于从导向孔中喷出的气体推动物科在塔板上水平前进，这样可以强化液体在塔板上的流动，对粘 性物料，可以多设置导向孔。尤其是对发酵醪的蒸馏、聚合物与单体的分离等等，有其独到之处。15结构简单、造价低廉 由于高效导向筛板只是在钢板上开些筛孔和导向孔，而无其它组件，因此其结构简单，重量较 轻，这样工人在拆装过程中非常方便。相应的造价也很低，高效导向筛板的造价相当于泡罩塔板的4050，浮阀塔板的6070 综上所述，高效导向筛板适用于要求生产能力大或扩产改造的场合，要求分离效率高以及精密分离的场合要求压降低特别是真空精馏的场合，它对粘性物料或含有固体颗粒的物料有很强的抗污和抗堵一575Paper No021007CICCj 22能力还能够有效地破除塔板上的泡沫，降低雾沫夹带，防止液泛发生。高效导向筛板的成功之处还在 于其结构简单，造价低廉，拆装方便，。应用实例1 高粘度物料精馏的技拳魄逢盛聚乙烯醇囊产的聚合工段，醋酸乙烯在聚合釜中反应生 成聚醋酸乙烯，在聚合一塔中将聚合耢与采蒙奢的单体进行分离。从聚合釜出来的反应液聚醋酸乙烯含 量高达36，物料粘度犬，这给聚合一塔的脱单体精镏带来一定困难，聚合一塔原来采用泡罩塔板，物料 在板上流动阻力大，常常造成液泛、#赭塔等生产事故。因此生产要求对聚合一塔进行技术改造在福建纺织化纤集团有限公司采用导向筛板对聚合一塔进行技术改遣，仅甩导向筛板替换原泡罩塔 板，塔体、塔内支承件均不动，自1997年3月投入运行以来，操作一直稳定正常，状态良好，达到了很 高的技术指标(表1、表2)。表t塔的分离指标塔顶组成 塔釜组成名称vAc吹出牢VAC Me0HP7C VCH20原来指标 50 49 30O2601599 3 要求指标 55 443033 O08 01998 达到指标60 39 30330，020030059985999表2塔的操作回流比名称 技改前指标 技改要求达到指标技改后指标 塔的回流比 131007 从上表l、表2中可以看出，技改后塔釜VAC含量由原来的026降低为0020，03，大大提高了VhC(醋酸乙烯)的回收率和聚合物的质量。塔顶VhC含量由5 0提高到60，减少了后续工段的处理负荷与能耗。同时由于导向筛板塔板效率高，聚合一塔的回流比由原来泡罩塔板的13降为为07，降低了4 1X， 节能36。并且技改后彻底解决了生产中堵塔、液泛等问题聚合一塔为直径2000咖、塔板教40层的大 塔，技改的设备投资约为22万元，而仅计节能、节水、提高Vc回收率和提高产品质量几项，每年增加 效益约321万元，改造的投资回收期不到一个月另外，技术改造还将聚合工段YAC处理量由5400 1h 增加到8200lh，产量增大了50。应用实例2聚合三塔与回收三塔的技术改造在石家庄化工化纤有限公司采用导向筛板技术改造， 将聚合三塔与回收三塔合并成一个塔，使其产量扩大150，回流比由原来的42降为18，塔顶甲醇有原 来的995提高到998，达到了扩产、节能、降耗的效果。应用实例3回收一塔技术的改造在广西雏尼纶(集团)有限公司的回收一塔技术改造中，采用高 效导向筛板塔，扩产5 0，同时回流比由原来的25降为18，塔顶醋酸甲酯含量由65j0提高到83，大 大降低了该塔和后续工段的负荷与能耗塔釜醋酸甲酯含量由02降为005，提高了其回收率，达到 了很高的技术指标和很好的经济效益。2新型高效填料北京化工大学应用开发了多种规整填料，散堆填料、液体收集器、波体分布器等塔内件。其中填料 是填料塔最重要的传质内件，填料的性能主要取决于填料表面的湿润程度和汽液两相流体分布的均匀程 度。因为填料提供了单位体积中较大的表面积，这仅是填料的几何表面，起气液传质作用的表面要比几 何表面小，总有一部分填料表面未被湿润，减少了气液有效接触的相界面，从而降低了传质效果。若想 达到好的传质效果，盛须使液体在整个填料表面充分湿润形成均匀的液膜。填料表面的湿润性能主要 依赖于所处理物料的表面张力、粘度和填料表面的性质等尤其是对水、甘油等表面张力失的物系，必 须对填料表面进行物理处理和化学处理，提高填料表面的湿润性能对金属材质填料，采用物理方法、 化学方法及联合方法，对金属丝网波纹填料与金属板波纹填料进行表面处理，大大提高了液体在填料表 面的成膜和填#的分离效率，甚至使有的分离过程由不可能成为可能，强化了分离技术与工艺。在塑料Paper No021 007 CICC2002填料方面，对于聚丙烯、聚乙烯等材质的填料，无论是规整填料还是散堆填料，北京,It_r-大学开发了最 为先进的高分子表面接枝技术，对塑料表面的01 u m内进行接枝改性，大大提高了填料表面的湿润性， 进而提高了填料的传质效率，经在恶劣环境下(酸、碱环境下)应用表明：塑料填料同样具有很高的传 质性能和流体力学性能，且价格便宜。尤其值得一提的是北京化工大学研制开发的双层、三层金属填料，具有走通量、低压降、效率极高 的特点，被称为“效率之冠”。由于填料效率极高，在精密分离过程中与在1日塔改造过程中，可以有效地 降低塔的高度，在新塔设计与要求满足原有空间旧塔改造的过程中都有着很高的实用价值。如北京某厂 位于四环路边上，排放气体中含有一些甲醇、醋酸甲酯，采用三层金属丝网填料塔进行设计，使分离后 的甲醇、醋酸甲酯等有机物均为捡不出，大大高于环保部门对气体排放的要求，顺利通过了环保验收。2 1新型高效规整填料近年来研究开发和推广应用的新型高效规整填料主要包括金属板波纹填料和金属丝网波纹填料两大 类，在将其进行物理的和化学的方法处理后，填料的分离效率大为提高。主要优点有：(1)、理论塔数高、通量大、压力降低。 (2)、低负荷性能好、理论板数随气体负荷的降低而增加，几乎没有低负荷极限。 (3)放大效应不明显。 (4)、适于减压精馏，能够满足精密、大型、高真空精馏装置的要求，为难分离物系、热敏性物系及高纯度产品的精馏分离提供了有利的条件 北京化工大学研究开发的新型高效规整填料的主要型号、规格、性能见表3。表3新型高效填料型号、规格比表面积填料种类 填料型号 颧斜角38船250 250 30BHS350350 30。丝嘲波纹填料BHs500500 30。BHS700700 425。BHBl25X30。125BHBl25Y425。BHB200X30。200BHB200Y42 5。BIiB250X 30。250BHB250Y425。BHB300X30。板波纹填料 300BHB300Y425。BHB350X30350B岫350Y 425。BHB500x30。500明B500Y 42 5。BFIB700X 30。700BHfl700Y 425。一577Paper No,021 007舒8e96玢g固3大塔径规整填辩22新型高效散堆填料 新型高效散堆填料主要有：(1)金属鲍尔环填料金属鲍尔环填料是20世纪40年代德国IASF公司在拉西环填料的基础上开发的，它采用金属薄板冲 扎制成，在环壁上开出了两排带有内婶舌叶的窗孔，每排窗有五个舌叶弯入环内，指向环心，在中心处 几乎相搭上下两层窗孔的位置相互错开，一般开孔的总面积约为整个环面积的35左右。由于在环壁上 开了许多窗孔，使得填料层内的气、液分布情况及传质性能比拉西环有较大的改善。(2)金属阶梯环填糟 阶梯环填料是70年代动由英爵传质公司应用价值分析技术矛发出来的一种改进的开孔环填料这种填料降低了环的高度，并在环的两仓衡端增加了纂秒翻透：像美蛾瞎虢鳝枣环填料有了较大的进步在同样液体喷淋密度下，其泛点气逮较鲍承界提尚予l晚OII：雀两样气建下一压力降较鲍尔环低30-40。(3)金属环矩鞍填料j这是美国诺顿(Norton)公司率先研究开发的一种新型填料，国内简称为美特洛克新填料这种填 料巧妙地把环形和鞍型两类填料的特点综合成为一体，使它既有环形填料通量大的特点，又有鞍型填料 液体分布性能好的特点，从而成为当前颗粒型填料中的佼佼者 新型高效散堆填料的主要型号、规格、性能见袁4。表4几种新型散堆填料的型号、规格填料公称 外径高厚n+堆积个鼓 堆积密度 比表面积 空隙率 干填科因子种类R寸(腰径，)25 25250654000471 223 0940 268鲍38 38380013000 424 149 0946 176尔50 5050l|06500 393 110 0950 128珥76 7676151830 384 72 0 95l 84阶25 25125O697160 459 222 0942 266Paper No021 007 眈2002梯383819x08 31890 433 164 O945183环50 5025X1011600 385 lll095112976 7638153540 385 72 O 95l 84盒3838x 30X0 850140365 112 096126 6 属50 5040X1014685 29l 749096 847环矩767660124625 245 576097631”鞍鲍尔环 阶梯环nmloxf金属环矩鞍) 图4几种典型的散堆填料新型高效填料已经在北京有机化工厂、石家庄化工化纤有限公司、江西维尼纶厂、贵州有机化工总 厂、云南云维股份公司、兰州维尼纶(集团)公司、北京第三制药厂、北京化工实验厂等几十家企业的 塔器中得到应用，均取得了扩产、节能、降耗，大幅度提高经济效益的成绩。应用的物系包括：甲醇一 水、乙醇一水、NaOH水溶液脱硫、磷、HaOH水洗涤等醋酸乙烯一醋酸甲酯分离、醋酸一醋酸乙烯分离。 乙醛一醋酸乙烯分离、乙苯一苯乙烯分葛崩基氯苯同分异物体分离等等在制药行业的溶剂回收应用 中也得到了广泛的好评计算机模拟计算与优化设计精馏计算是化工计算中最复杂的计算过程之一对于精馏计算，采用计算机模拟技术，可以进行改 变回流比、塔板数、回流温度、加耩温度、加料口位置、中采位置，顶采位置、釜采流量等各参数的多 种精馏方案的计算，最后得到最佳工艺方案。这种方案可以做到降低回流比(从而可以大幅度地节能)、 提高产品质量、降低釜液中轻物质的含量(战少物料消耗)根据最后确定的优化方案，得到各层塔板上 精馏的热力学性质和流体力学数据(如流量密度、表面张力压缩因子等)，进而对塔板(或填料塔) 进行流体力学设计，确定塔径、塔板的开孔率、降液管面积，根据计算出的各股物料流量(加料、气相 或液相采出量、馏出量、釜出量)，进而对全塔的各管路进行设计根据这些流量与管径大小，可以进行泵、仪表等的选型设计根据计算机精确计算出塔项冷凝冷却 负荷与塔釜热负荷，可以方便地进行整个化工过程的工艺计算及配套设计需要说明的是：若是采用传 统的手工计算，对于五纽分、40屡塔板的精馏计算，可能需要半年以上的时间而计算机计算可以在凡 分钟内完成，这样可以改变参数，进行多种方案的精馏计算，进一步得到优化的精馏设计方案。对于任何一个分离过程的设计。我们总是将从工厂中取得数据转化为计算机识别的数据，用从国外 引进的最先进的化工过程计算软件(cD)，在计算机上进行详细计算，最后得到优化的工艺方案和流体 热力学数据，进而进行各塔和整个工艺的优化设计压用计算机优化计算，作者曾为5家大型化工企业进行整个工艺的详细规划和工艺计算。共包括丑 个工段、三十余个塔器及附属设备，我们计算出各个工段、各个塔及其附属设备、各条管路、再沸器等Paper No021 007酯8ef22的技改需要数据，并计算出披改后能达到的指标，技改的设备投资及可以达到的经济效益。为三家企业 的技术改造提供了准确可靠的方案，并且在实施过程中达到了预期目的，获得了巨大的经济效益。4高性能填料塔内件塔内件是填科塔的组成部分，它与填料及塔体共同构成一个完整的填料塔所有塔内件的作用都是 为了使气液在塔内更好地接触，以便发挥填料塔的最大效率和最大生产能力，所以塔内件设计的好坏直 接影响到填料性能的发挥和整个填料塔的操作运行另外，填料塔的“放大效应”除了填料本身固有因 素外，塔内件对它的影响也很大近几年来，北京化工大学对塔内件的研究与开发取得了很大的进展， 使填料塔的设计与应用日趋完善。塔内件主要包括以下几个部分：液体分布装置填料紧固装置，填料支撑装置，液体收集再分布及 进出料装置，气体进科及分布装置，除沫装置下图为几种高性能的填料塔内件。小塔液体收集分布器 大塔液体收集分布器栅条式填料支承散堆填料分流式填料支承图5几种高性能塔内件Paper No021 007 CICC20025板填复合塔板板填复合塔板是在经对板式塔与填料塔进行深入研究，充分利用板式塔中塔板间距的空隙，设置高 效填料，以便降低雾沫夹带、提高气体在塔内的流速和塔的生产能力同时气液在高效填料表面再次传 质进一步提高了塔板效率，由于负荷下限未变而上限大幅度提高，因此塔的操作弹性也大为提高。扳填复合塔板的工作原理如下：气体从塔板下方以一定的气速通过塔板上的开孔而进入提液管，液 体也通过提液管与塔板间隙被带入提液管中并被拉成液膜，二者并流上升，在上升过程中在液膜表面进 行气液传质，接着气液并流进入填料中，在填料表面液体被碰碎，进一步实现与气体的传质从填料中 喷出的气体进入上层填料，而液体下降到下一层塔板，继续进行传质与分离。由于气流高速通过塔板开孔并将液膜夹带进入填料层，因此板填复合塔板生产能大，一般空塔动能因子可达0835(ms)，且经过提液管与填料两类传质，故其板效率高，可选7590这种塔板