空分填料技术的发展

漂亮

70年代以前，在大型塔器中，板式塔占有绝对优势，出现过许多新型塔板［1］。70年代初能源危机的出现，突出了节能问题。随着石油化工的发展，填料塔日益受到人们的重视，此后的20多年间，填料塔技术有了长足的进步，涌现出不少高效填料与新型塔内件，　特别是新型高效规整填料的不断开发与应用，冲击了蒸馏设备以板式塔为主的局面，且大有取代板式塔的趋势［2，3］。最大直径规整填料塔已达14～20m［4］，结束了填料塔只适用于小直径塔的历史。这标志着填料塔的塔填料、塔内件及填料塔本身的综合设计技术进入了一个新阶段［2］。图1是规整填料的发展历史示图。纵观填料塔的发展，可以看出，直至80年代末，新型填料的研究始终十分活跃，尤其是新型规整填料不断涌现，所以当时有人说是规整填料的世界［5］。但就其整体来说，塔填料结构的研究又始终是沿着2个方面进行的，即同步开发散堆填料与规整填料。另一个研究方向是进行填料材质的更换，以适应不同工艺要求，提高塔内气液两相间的传质效果，以及对填料表面进行适当处理(包括在板片上碾压细纹或麻点，在板片上粘接石英砂，表面化学改性等)，以改变液相在填料表面的润湿性［4，6］。图1　规整填料发展历史　　但从ACHEMA’94和ACHEMA’97两届展览会展出情况来看，进入90年代后，填料的发展较慢，仿佛进入一个相对稳定期，或者说是处于巩固阶段。如1994年展出的最具代表性的产品仍是Sulzer公司1991年展出的Optiflow规整填料，而1997年也只展出了1种新型填料的几何形状，即Raschig公司的Supekpak300型板式规整填料，其余都是一些老填料的新改进(如Rombopak改进型填料)。填料领域最多的发展还是在气液分布器方面［7］。国外大公司对液体分布装置的研究较成熟，但对气体分布器的研究是几年前才起步的［5］。与此相反的是，近五六年来，塔器中板式塔技术却又有了明显的进步［8］。　　尽管如此，新型填料的开发与应用仍将会有发展，其重点亦仍是规整填料［3］。预计今后填料塔的发展仍应归结到以下3个方面：①新型填料及塔内件的开发。②填料塔的性能研究。③填料塔的工业应用［3］。1　几种新型填料介绍　　80年代后期和90年代初期，国外还是推出了一些高效新型填料，数量上虽不是很多，但也还有特色。　　(1)散堆填料　Envicon公司的新型Mc-Pac环金属填料，有30mm×15mm和65mm×30mm这2种尺寸。据制造商介绍，与50mm鲍尔环相比，其较大型号的效率提高40%，压降减小60%［9］。Raschig公司的Raschig-Super-Ring塑料环，按照该公司的介绍，与50mm塑料鲍尔环相比，它的压力损失减少了70%，负荷能力提高了50%［9］。Lantc公司的Q-pacMetalHybridPacking(混合填料)，具有规整填料的效率和能力，又有散堆填料的经济性和通用性，能降低HETP(理论塔板等效高度)30%以上，压力损失减少40%［10］。Lantc公司的IMPAC工艺塔填料，其传质效率比Intalox高出30%以上，其优良的综合性能在现代散堆填料领域内一枝独秀，对于精密分离、热敏物系和节能改造十分有利［11］。Lantc公司的IMPAC冷却塔填料，具有良好的水滴分散性能和自分布性能，每m3有多达5万个的水滴。与现有填料相比，效率可提高40%以上，具有长达10年的使用寿命，有效地降低了操作成本［11］。Lantc公司的LANPAC环保塔填料，与其他尺寸相同的填料相比，它可更有效地降低压降，提高传质效率，且现场作业证明不堵塞［12］。Koch公司的K4GTM高效填料，自称是从拉西环算起，鲍尔环是第二代，从前的其他各种散堆高效填料是第三代，它是第四代第一个散堆填料，具有更低的压降和非常高的分离能力，经美国得克萨斯州大学能量研究中心试验证明，其能力可比鲍尔环提高15%，该公司称其是目前最先进的散堆填料之一。此外，还有日本的M-pak环和Koch公司的K-pak环。　　(2)规整填料　Sulzer公司的Katapak化学反应器用填料，是以双层丝网制成的波纹填料，在丝网的夹层内装有催化剂［5］。Sulzer公司的Optiflow规整填料，具有独特的结构，由薄板片冲压折叠和组装而成，它改变了液相在Mellapak板渡填料表面上稳定流过较长距离的传统模式，通过曲折而不断改变方向的板片，促进液相的分散-聚合-再分散循环，保证与气相的良好接触，并使传质表面不断更新。它综合了规整填料和散堆填料的优点，既具有很高的效率，又具有极大的通量。据称，与常规塔板和填料相比，在相同的分离效率条件下，处理能力可提高20%～25%，而在相同的处理能力情况下，传质效率可提高50%［13］。Raschig公司的Supekpak300型板式规整填料的比表面积为300m2/m3。根据制造商提供的数据，与迄今在比表面上可相比拟的填料相比，它的负荷能力提高26%，压力损耗降低33%。日本三菱商事(株)的Mc-pak规整填料，分为丝网和板材2类，丝网500目，比表面积为1000m2／m3。板材类有250S、350S、500S和500SL共4种，比表面积分别为250m2／m3、350m2／m3、500m2／m3，其中500SL为高液负荷和低压降型。总的特点是压力损耗小，操作范围宽，HETP小，操作弹性大［14］。Schott公司的Durapack玻璃纤维规整填料，是该公司的专利产品，为高抗腐产品，具有高通量、低压降及良好的分离性能。比表面积为280m2／m3和400m2／m3。空隙率分别为80%和72%，网纹表面分为粗糙表面和光滑表面，装入DN100～DN1000mm的塔内［15］。此外，瑞土Kühni公司还将Rombopak系列扩展到12M型。它的比表面积为450m2/m3。制造商在一个内径为DN50mm的实验塔内用氯苯/乙苯试验体系在6600Pa压力下测得：当F因子为0.5Pa时，为10块理论塔板；当F因子为2Pa时，为7块理论塔板。Montz公司提供了他们的钽质Montz-PakA300型填料，它的板厚为0.05mm［9］。Nutter公司生产的BSH规整镇料是介于网、板填料之间的新型高效填料，它独特的可膨胀金属织物结构弥补了金属丝网和片状金属规整填料间的差距。BSH织物结构的毛细管作用，使填料在任何操作工况下都具有最高的传质效率。填料的开口处可保证填料有效表面不断更新和填料两边液体的交换，达到最佳的气液接触和分离效果，其比表面积高达500m2/m3，可满足任何分离工艺需要。它典型应用在炼油厂的粗馏塔、反应蒸馏、空气分离和制药化学塔［16］。BSH填料配用Nutter公司专利液体分布器等全部塔内件，理论塔板数高、HETP低、压降小。2　填料塔应用新领域　　随着新型塔填料的相继开发和应用，填料塔的优点更显突出，应用范围日益扩大［6］。在炼油、石油化工、精细化工、化肥、制药和原子能工业部门，以及环保领域的应用已趋于成熟［5］。填料塔尤其适用于真空蒸馏、常压及中压下的蒸馏，当然还有大气量的两相接触过程(如气体的吸收、冷却等)［4］，但在高压精馏塔中应用时要特别谨慎［5］。人们正在对高压精馏填料塔进行研究，企图从填料塔的结构和操作方法上予以解决，例如有人提出填料层分段乳化操作或采用超重力场分离等［3］。近年来在突破高压精馏塔应用填料的局限性方面已取得了一些进展，其关键是彻底弄清高压(高液相负荷)对塔的处理能力和效率的影响，可利用浅床层和高性能塔构件(如气体分布器、液体分布器及再分布器)［13］。也有人建议开发适用于高压蒸馏的组合式填料［17］。　　填料塔应用的另一个新领域是空气分离装置。30年代以前的空分设备，主要是满足焊接、切割用氧及化工用氮。由于现代钢铁、氮肥、化工及火箭等技术的发展，氧、氮及稀有气体的用量迅速增加。国外一些大公司，如德国的Linde公司，美国的APCI公司(空气制品与化学品公司)、英国的BOC公司(氧气公司)和法国的空气液化公司等，均已开始把填料塔应用于空分方面的研究，瑞士Sulzer公司作为填料生产厂商与上述公司积极合作，已取得可喜成绩［5］。　　空分装置中规整填料的另一个用途是在粗氩塔中使用［1］。过去的粗氩塔为筛板塔，无法得到氧含量小于2×10-6的纯氩。改用填料塔，便可取消过去生产纯氩产品时使用的下游工艺［5］。3　填料塔设计新发展　　(1)复合填料塔　人们发现，为了满足塔器技术改造和高压蒸馏的需要，应根据塔内各段的不同分离要求和两相负荷沿塔高的分布，选用不同类型的最合适的填料，并优选其结构参数，组成复合填料塔，再匹配以高效塔内件(气／液分布器、填料支承和液体再分布器等)，以强化气液两相间的传质过程，提高塔的处理能力和分离效率。同时，人们也着眼开发适用于高压蒸馏用的组合式填料，即分布填料、传质填料和隔离填料的组合，从而用尽可能少的塔内件，在提高效率与通量的基础上，降低塔的造价［17］。　　(2)流化床填料塔　在一些环境工程工艺中，悬浮于气相和液相中的固体颗粒有时会堵塞填料床，解决的办法是采用流态化填料床。　　尽管流态化能实现更高的气流速率和传质速率，但因为缺少设计关联式，且底部的格栅有时会伴随产生高压力降，故要使填料床均匀流化有不少困难，因而过去人们在将其应用于工业规模的填料塔方面，一直徘徊不前。　　近年来，国外推出一种EUROMATIC填料，为塑料椭球形空心薄壁填料，尺寸为30mm、50mm、110mm，它的开发促使人们对流态化填料床的研究更加深入。由于这种填料的性能特点，预计其在工业中的应用前景光明。　　流态化床层的设计，是将空心椭球填料搁置在支撑格栅上，上方安置压环、液体分布器和除沫器。液相由除沫器下方送入，由塔底排出，而气相由支撑搁栅下方进入，由塔顶排出。流化状态在压环与支撑搁栅之间进行。作用于气体、液体和填料间的剪切力使流经空隙的气流产生压降，当压降与单位横截面积上的填料和液体的质量平衡时，填料床就开始膨胀，这就是初始流态化。当气流速率高于平衡态速率时，填料床松散且填料元件自由流动，可使传质的界面面积随之更新。　　实践证明，由于填料床随着气体流速的增加继续膨胀，因此避免了高的局部流速，并且压降几乎保持恒定。而当气相负荷高于初始流态化的气相负荷时，床层由于在较高气相负荷时填料元件的运动，在气流速率增加的条件下，传质效率几乎保持恒定［18］。