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1、新型高效填料塔的研究及其应用新型高效填料塔的研究及其应用2006 年第 26 卷第 2 期李群生.新型高效填料塔的研究及其应用 33新型高效填料塔的研究及其应用木李群生(北京 4kS-Y-大学化学工程学院,北京 100329)摘要】新型高效填料具有比表面积高,气液流通顺畅等特点,因而与传统分离元件相比,具有分离效率高,生产能力大,塔压降低,操作方便,设备投资高等特点.采用新型高效填料,代替原来的塔板,可以起到大幅度提高生产能力,降低压降,提高分离效率,达到节能降耗的效果.关键词】填料精馏分离效率在化工,石化,炼油,冶金等工业生产中,常见的气液传质分离设备是采用填料塔.塔填料是填料塔的核心构件,
2、它为气液两相间热质传递提供了有效的相界面.填料塔分为规整填料与散堆填料两大类,其中规整填料具有规则,均匀的填料床结构,易克服沟流,壁流,短路等非理想流动,比表面积大,能提供很大的汽液接触面积和获得很高的填料分离效率,具有生产能力大,分离效率高,压降低,操作弹性大,持液量低等诸多优点,已应用于精馏,吸收及萃取等多种单元操作中,它的研究和应用是国内外分离工程发展的重要方向.随着装置向规模经济发展,国外在这方面研究很多,规整填料塔将有可能取代板式塔成为主要的气液传质设备.国外开发应用较成功的规整填料有瑞士 Sulzer 公司的 Mellapak 填料,瑞士KUHNI 公司的 Rombopak 填料,
3、德国 RASCHING公司的 Rasching 填料,美国 Koch 工程公司等金属板波纹填料等.本文主要介绍笔者在填料塔方面的研究成果和应用情况.1 填料塔的原理与结构1.1 填料塔内流体流动与建立数学模型将数学中研究随机过程的马尔可夫理论应用于填料塔内的流体流动与分布研究,建立流体流动的数学模型.1.2 新型高效填料的传质原理新型高效填料是由丝网波纹填料,由双层或多层丝网组成.丝网经过特殊的表面物理和化学粗糙化处理,使液体在其表面成膜性更好,单位体积内液膜面积大为增加,气液有效传质面积增大.由公式(1)的传质理论得知,此时传质通量增大,传质分离效率也:大大增强.另外丝网的波纹不是传统的直线
4、,而是呈 30.,45.,30.的角度变化,波纹线变化连接处圆角圆滑过渡.结合了 x 型和 Y型填料的优点,并且在直线变化角度时,液体和气体受到了扰动,液膜沿填料表面向下流动时,当沿着 30.波纹斜线流动到与 45.波纹斜线交点时,流向发生了变化,流动的液膜发生剧烈湍动.由传质理论公式(2)得知,此时层流底层减薄,传质阻力减小,传质效率增大.并且在拐点处增加了液膜表面更新的机会,公式(3),(4)给出的传质表面更新理论研究表睨,传质效率与表面更新率的平方根成正比,因此也增大了传质效率.而且本项目开发填料的比表面积可达到(8001500)m/m.由于几方面对传质效果的强化作用,因此本项目研究出的
5、填料将是效率极高的.有效传质面积 4 提高,传质效率提高=kcA(yye)(1)层流底层减薄,传质阻力减小,传质效率增大收稿日期:2005 一 C509作者简介:李群生,男,1963 年 l0 月生,博士,教授,博导.1987 年毕业于天离大学化学工程系化学工程专业.主要从事教学和科研工作,在国内外刊物上发表论文 5O 余篇.?国家自然科学基金资助项目(No20476005);中国石化股份有限公司资助项目(NoX501021,NoX504025)维纶通讯 2006 年 6 月一(2)传质效率与表面更新率的平方根成正比=c(3)=D 肚(4)式中:对流传质的摩尔通量,kmoL/m.sA传质面积,
6、m.对流传质系数,kmol/m?s?AcD 肚组分 A 在组分 B 中的扩散系数,m/s,一溶质 A 在气相主体中的摩尔分率一溶质 A 在相界面处的摩尔分率组分 A 的摩尔浓度,kmoL/mc组分 A 在界面处的浓度与主体平均浓度两者之差,kmol/m扩散方向上的距离,ms表面更新率,s1.3 超高效填料的流体流动状况和传质性能在实验室中对所开发的填料进行研究:流体力学性能方面,在塔径为 500mm 的塔内进行实验,对它的干塔压降,不同液体流量下的湿塔压降和液泛气速等项进行深人研究,得到填料的正常生产负荷性能,极限负荷性能,经过强化后的最大允许生产能力等等,关联出填料的流体力学关系式.在传质性
7、能方面,研究强化分离效率的途径,填料的分离效率,单位高度填料相当理论板数等,得到填料的传质性能关联式.2 新型高效填料的特点北京化工大学研究开发了多种规整填料,散堆填料,液体收集器,液体分布器等塔内件.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润湿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润湿,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,必须使液体在整个填料表面充分润湿,形成均匀的液膜.填料表面的润湿性能主要依赖于所处理物料的表面张力,粘
8、度和填料表面的性质等.尤其是对水,甘油等表面张力大的物系,必须对填料表面进行物理处理和化学处理,提高填料表面的润湿性能.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料的分离效率,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,北京化工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0.1m 内进行接枝改性,大大提高了填料表面的润湿性,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
9、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,具有大通量,低压降,效率极高的特点,高效填料的液流下降通道曲折变化,起到了液膜表面更新作用.进一步提高了填料分离效率,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旧塔改造过程中,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 1 日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,使分离后的气体中甲醇,醋酸甲酯等有机物均为检不出,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.北京化工大学开发的填
10、料有:(1)新型高效规整填料北京化工大学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:理论板数高,通量大,压力降低.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.放大效应不明显.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2006 年第 26 卷第 2 期李群生.新型高效填料塔的研究及其应用 35的主要型号,规格,性能见表 1.表 1 新型高效规整填料型
11、号和规格(2)新型高效散堆填料北京化工大学研究开发和推广应用的新型高效散堆填料主要有:金属鲍尔环填料金属鲍尔环填料是 20 世纪 40 年代德国巴斯夫(BASF)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伸舌叶的窗:孔,每排窗孔有五个舌叶弯人环内,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.金属阶梯 j 不填料阶梯环填料是上世纪 7O 年代初由英国传质公司应用价值分析技术开发出来的一种改进的开孔环填料.这种填料降
12、低了环的高度,并在环的两个侧端增加了锥形翻边,使其性能较鲍尔环填料有了较大的进步.在同样液体喷淋密度下,其泛点气速较鲍尔环提高了 10%一 20%;在同样气速下,压力降较鲍尔环低 30%一 40%.金属环矩鞍填料这是美国诺顿(Norton)公司率先研究开发的一种新型填料,国内简称为英特洛克斯填料.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,使它鼹|有环形填料通量大的特点,又有鞍型填料液体分;性能好的特点,从而成为当前颗粒型填料中的佼佼者.北京化工大学研究开发和推广应用的新型高效散堆填料的主要型号,规格,性能见表 2.表 2 新型高效散堆填料型号,规格和性能维纶通讯 2006 年 6
13、月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,氢氧化钠水溶液脱硫磷,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,乙苯一苯乙烯分离,硝基氯苯同分异物体分离等等.3 新型高效填料的应用3.1 精馏塔加接高效填料的应用福建纺织化纤集团有限公司的精馏四塔,为醋酸甲酯,醋酸乙烯酯分离精馏塔,塔径 600mm,原塔采用 35 层浮阀塔板进行分离,由于经过
14、计算,这些塔板数根本完不成所要求的塔顶醋酸乙烯小于等于 10%,塔底醋酸甲酯小于等于 5%的分离要求.故技术改造中,选用高效导向筛板替换原浮阀塔板扩大生产能力,另外加接 3m 高的新型高效填料,因为场地的空间有限,不能加接太高的塔体,所选填料为北京化工大学开发的 BHSII型高效填料,填料的分离效率约相当于每米高度达近 10 层实际板,这样可以在很小的空间内提供极大的分离能力,因此技术改造后,顺利的达到和超过了要求技术指标,达到塔顶醋酸乙烯小于等于 5%,塔底醋酸甲酯小于等于 3%的分离指标,仅此一项,每年可为用户带来近 200 万元的经济效益.3.2 醋酸甲酯的精馏在云南云维股份有限公司进行
15、的醋酸甲酯精馏项目开发中,采用本校研究开发成功的高效填料,研究设计了醋酸甲酯精制塔精馏塔,达到了醋酸甲酯产品纯度大于等于 99%以上的指标.3.3 化工企业尾气的吸收北京某大型国企坐落在四环路旁,由于醇解系统排放尾气不合格,被要求改进.尾气流量约为 1000rn/h,其中醋酸甲酯含量约为 4%,甲醇含量约为 6%,采用我们开发的极高效新型填料对此进行技术改造,将物料充分回收,使排放尾气中的醋酸甲酯含量降为 100x10.,甲醇含量降至20x10I6 以下,彻底解决了排放超标问题,同时回收大量的有用物质,仅计回收物料部分的经济效益,即达到每年上百万元.3.4 药厂溶剂的精馏回收北京第三制药厂的丙
16、酮溶剂,采用本项技术的高效填料和高弹性液体分布器进行精馏回收,填料高度 10m,回收丙酮纯度达到 99.5%.3.5 精细化工生产中产品的精制山东天宇化工有限公司生产丙炔醇产品,该产品原来纯度达到 98.5%,其中含杂质较国外进口产品要高,既使价格比国外产品低,在市场竞争中也处于劣势,产品被迫返回或库存积压.采用本项技术,进行技术改造,将原来用于精馏的浮阀塔板改为高效导向筛板,并且添加了一定高度的新型高效填料,使塔的分离能力大大提高,产品纯度达到 99.8%以上,超过了国外同类产品的质量水平.3.6 甲醇的精馏中石化北京东方石化公司的甲醇精馏塔,原塔为塔径 2400mm 的甲醇板式精馏塔,由于分离效率较低,塔顶甲醇组成 98.5%,含水量较高,影响了后面醇解工段的进行,副反应较多,使得聚乙烯醇产品中的醋酸钠含量很高,降低了产品质量,同时增高原料醋酸的消耗.采用本技术开发的高效填料,加接在目前塔的上部,大幅度提高了精馏塔的分离能力,使得塔顶甲醇产品质量达到99.8%以上,其中水的含量 0.1%以下,使得全线生产顺利正常,得到
