化工原理大作业---填料塔中的技术进展

1、化工原理大作业学院： 班级： 学号： 姓名：指导老师： 填料塔中的技术进展 填料塔是化工类企业中最常用的气、液传质设备之一，在塔体内设置填料使气液两相能够达到良好传质所需的接触状况。填料塔具有结构简单，安装方便，压降小，处理能力大，耐腐蚀性好等优点，已在石油化工行业广泛应用，并有取代板式塔的趋势。近年来，人们对填料塔作了大量的实质性研究，并取得了突破性进展，主要表现在一些新型高效塔内件和塔填料的问世，加上人们对传质过程的仿真模拟及放大效应的解决，使填料塔在以前以板式塔应用为主的场合，尤其是大型塔的应用中得到了很好的应用，并取得了很好的经济效果。现从填料塔的塔填料、塔内件，两方面来说明填料塔技术

2、的新进展。一、散装填料从环形填料、鞍型环填料到鞍环类填料，人们千方百计地改进填料结构，之后又出现了一些新型的填料，如格型环、阶梯短环、高流环、诺派克环、扁环、共轭环、弹簧丝、莱佛厄派克环、刺孔环等，以促使孔隙率和比表面积尽可能地增大，堆积后又不会相互套叠。但改进都不大。到目前为止，几乎所有的散装填料都是从拉西环和弧鞍这两个雏形演变而来的。散装填料的分类方法有多种，根据几何形状和结构来划分，有以下几种不同的种类：散装填料的分类近年来在塑料材质的设计方面，出现了由塑料诺派克环带头的格子结构的设计，紧随其后出现了金属，陶瓷的哈弗罗环，大量实验表明，格子结构填料是高性能的填料，而且可以成功的用于热敏物

3、系分离以及那些需要很多理论级及能量消耗较多的场合。另外对于实验室或生产中，针对于沸点接近的难分离物质，研究出了高效散装填料，这些高效填料尺寸相当小，一般只有1.510mm，但是比表面积很大。高效填料一般采用丝网，细金属丝刺孔金属片等制造，常用的高效散装填料有网环、鞍型环、压延孔环、螺线圈、网带卷等。1. 网环填料和三角形弹簧填料网环填料是金属丝网制成的环状填料,由于金属丝网具有的毛细作用现象,液体在其表面很容易分散成膜,易于气液两相的传质、传热。网环填料比表面积很大,表面润湿较为完全,成膜率高,因此网环填料分离效率也很高。三角形弹篑填料是金属丝通过绕制形成,三角形弹簧填料的每一圈是三角形,每一

4、圈的三角形错开一定的角度,从纵向看三角形弹簧填料是多边形。三角形弹簧填料分离效率较高,但不及网环填料。网环(Dixon环)填料禾11三角形弹黃填料的形状结构2IMPAC填料IMPAC填料最初由美国Lantc公司提出,它集扁、鞍和环结构于一体。可以看作由若干个Intalox填料联体而成,采用多褶壁面,多层筋片,消除床内死角和单体互相嵌套。所以,从一个颗粒填料来看,应是多个/单个填料0的规则型,而从多个颗粒填料整体来看,又是散堆形式,所以该填料兼有规整填料和散堆填料之特性。其特点如下:1)与一般散堆填料相比,通量可提高10%30%;2)具有高的比表面积131 m2/m3,与一般散堆填料相比,单元传

5、质高度低,可下降5%35%;3)无翻边结构,避免了汽液滞留;4)多层翅片,自分布性能优良,故对汽液分布器的要求远不如规整填料严格;5)压力降小,可比一般散堆填料下降5%15%;6)单体外形呈扁环,使填料单元立放最稳,有利于加强气液湍动,活化内表面;7)既具有一般散堆填料拆装方便,维修改造灵活的特性,又具有规整填料比表面积大、空隙率高,流体分布均匀的长处。3. 阶梯短环填料阶梯短环填料(Cascade Mini Ring,CMR)是美国Glitsch公司兼并英国传质公司后大力推广的一种散堆填料,与其前身阶梯环相比,高径比从原有的015降到013。这种看似简单的几何特性却是CMR性能优越的关键。大

6、量试验表明,CMR的性能确实明显优于鲍尔环和筛板塔,其压降约为拉西环的30%,传质系数比拉西环大约提高50%。因此,CMR的应用很广泛,已在近千座工业塔中得到广泛应用。4. 超级扁环填料清华大学研制的内弯弧型筋片扁环填料(QH-1型扁环填料),其结构特点为:1)采用和传统填料不同的内弯弧型筋片结构,使填料内部的流道更为合理,提高了传质效率,同时这种结构可提高填料的强度;2)针对液液体系轴向混合严重的特点,采用012013的高径比,使填料在乱堆时也能体现一定程度的有序排列,从而降低了阻力,有效抑制了两相的非理想流动,有助于进一步提高处理能力和传质效率;3)可根据体系和生产要求,采用多种材质加工制

7、造,且有多种规格,因而选用范围宽,操作弹性大。实验研究和工业应用表明,QH-1型扁环填料具有优异的性能:用于液液萃取时,此填料的性能明显优于鲍尔环、Intalox等填料,轴向混合小,处理能力大,压力降小,传质效率提高20%以上。为进一步提高扁环填料的性能,又开发了新的挠性梅花扁环填料(QH-2型扁环填料),比QH-1型又有所提高。试验表明,与鲍尔环相比,QH-2型扁环填料处理能力约高15%35%,传质效率约高15%25%。5. 双鞍环填料北京化工大学开发的双鞍环新型高效填料具有如下特点:1)双鞍环在结构上属于开孔环、鞍环,既包含环矩鞍的构成,又融入纳特环的构思。由于突破一般填料的对称性,有利于

8、构成较为均衡的床层,提供良好的水力学和传质的硬件条件;2)双鞍环的基本性能全面优于环矩鞍。负载能力提高约10%;压力降减少10%20%;分离效率提高约17%。尤其是传质单元压降减小近40%,这对于塔的节能改造、热敏性物系的分离以及真空精馏设计具有较高的实用价值;3)在若干技术经济指标的对比上,双鞍环不仅有较高的综合技术指标,而且在节省材耗和提高强度重量比等方面也呈现出较强的经济性,比环矩鞍更具竞争力。6. 其它Envicon公司的Mc-Pac环金属填料,据称与50mm鲍尔环相比,其效率提高40%,压降减小60%。Raschig公司的Raschig-Super-Ring塑料环,与50 mm塑料鲍

9、尔环相比,它的压力损失减少了70%,负荷能力提高了50%。Lantc公司的Q-pac Metal HybridPacking(混合填料),既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%。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。Koch公司的K4GTM高效填料,自称是从拉西环算起的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,其传质效率可比鲍尔环提高15%。二、规整填料与散装填料相比，规整

10、填料在整个塔截面上，几何形状规则、对称、均匀。在相同的能量和压降下，规整填料可以安排更大的表面积，它规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小。由于其结构的规整性，合理的设计几乎可以做到没有放大效应，因此在短短的几十年间就形成了比较完整的规整填料系列。规整填料种类很多，根据其几何结构可以分为波纹填料、格栅填料、脉冲填料等，即使同一类型，亦有各种规格，它们的比表面积、空隙率及几何尺寸存在差异。国外主要新型规整填料1 网、栅填料网类材料规整填料适用于低液体流率场合;格栅类规整填料,由于有很大孔隙率,尤其适用于含固体的流体或要求压力降小场合。目前在大型填料塔上应用效果较好的网、栅规整填料有:

11、波纹丝网填料(DX, E)、带孔波纹丝网填料(AX, BX, CY)、双层丝网(夹层内可装有催化剂)填料( KatapaK)、丝网型Katamax和Flexeramic、Mc-pak规整丝网填料、板网片Pyrapak G和Pyrapak F填料、脉冲填料(Unapak填料);格栅(陶瓷)、网孔格栅Perform Grid等。SW系列网孔波纹填料上海化工研究院将金属薄带经适当处理,冲制拉伸成特定规格的压延网孔制成波纹填料,开发出SW系列网孔波纹填料,综合了丝网与孔板波纹填料的优点,分离效率大约为每米(78)块理论板,已成功应用于分离甲醇、甲醛、硝基氯苯等等。蜂窝型格栅填料蜂窝型格栅是清华大学近年

12、开发的一种新型规整填料,经试验对比,蜂窝型塔的比负荷约为Filip型填料塔的114倍。实践表明,该填料具有处理能力大、压力降小、传质效率高及易于加工制造和安装维修等优点,在汽油脱硫醇、溶剂脱沥青、润滑油糠醛精制等液-液抽提过程中得到成功的应用。2. 板、片填料板、片填料与网、栅类填料相比,比表面积较小,分离能力相对较低,但其持液量小,抗堵塞性能好,特别适用于处理较大气液负荷的粗分离过程和吸收操作过程。目前在大型填料塔上应用效果较好的有:圆盘状环弧规整填料、花形规整填料、导向板波纹填料、薄密筛板填料、陶瓷波纹板填料(Kerapak)、侧向/V0字形波纹鞍环板波填料、弯曲导流波纹填料及Kon-Ta

13、ne填料等。为了有效地提高填料表面利用率及传质速率,在上述的基础上先后出现了带孔波纹板填料(Me-llapak)、波纹状穿孔板以及板片、不锈钢网板式填料(Rombopak填料)、带缝隙波纹板式填料(Ras-chig-Su-perpak)、开槽条片Snan grid、金属织物结构金属片BSH、双重波纹片Intalox填料等,其填料分离性能介于织网型和格栅型之间,且具有持液量小和抗堵塞的特点。组片式(Zupak)和峰谷搭片式(Dapak)波纹填料组片式(Zupak)和峰谷搭片式(Dapak)波纹填料都是天津大学开发的专利产品。Zupak的每一周期波纹由位于四个平面上的断续平面图形薄片相交所组成,其

14、侧向投影形状为两条互相交错的波纹状折线。Dapak主要特征在于在填料波纹板片的波峰和波谷上,规则间断地开设截面形状呈三角形的谷段和峰段,构成谷段的两个谷面为上小下大的梯形,构成峰段的两个峰面为上大下小的梯形。Dapak与Zupak相比具有更加优良的流体力学和传质性能,与相应型号的Mellapak填料相比,分离效率提高约10%,通量提高20%,压力损失降低30%左右。目前两者都已有成功的工业应用。3. 复合填料将散装填料或不同型号的规整填料按一定规律充填在同一填料层中或分别装在不同的填料层中形成复合填料。常见的复合形式有夹心式(规整)散装)规整)、两层式(规整)散装)、双夹心式(规整)散装)规整

15、)散装)规整)等。用于高压蒸馏的组合式填料,依据塔内各段的不同分离要求和两相负荷沿塔高的分布,选用不同类型的填料,可强化气液两相间的传质,提高处理能力和分离效率。薄密筛板填料薄密筛板填料综合了板式塔和填料塔的优点,其板间距更为紧密,筛板及液层均较薄。结构排布方式则充分利用了液柱(或液滴)密布的空间,气液两相界面的更新频繁,强化了传质。流态化填料流态化填料较好地解决了悬浮于气相和液相中的固体颗粒堵塞填料床的问题,可实现较高的气流速率和传质速率。国外推出一种Euromatic填料,为塑料椭球形空心薄壁填料,它的开发促使人们对流态化填料床的研究更加深入。小波纹齿角梯形规整填料小波纹齿角梯形规整填料是

16、一种综合性能优良、有广泛应用前景的新型波纹规整填料,其单位床层压降可减小30%,同时传质效率提高了16%。规整填料的材质主要是陶瓷、不锈钢、碳钢和塑料。陶瓷材料耐高温、耐腐蚀,但阻力大且强度较低;不锈钢金属材料成本高,碳钢金属材料不耐腐,塑料润湿性差。其它新型复合填料清华大学研究开发的新型复合填料,是在规整填料基础上采用交错90b排列的水平波纹(PFG)组合而成。PFG本身是填料,同时又起到分布器的作用,具有良好的自分布性能,传质效率比规整填料提高15%20%。每米填料的理论板数比同规格的Sulzer填料高15%左右。此外,清华大学在新型复合填料基础上采用一定厚度的复合填料单元体作为塔板,形成

17、分层填料塔板。其传质效率高,填料用量少(降低填料成本),高效低阻,性能优于一般塔板和填料,特别适用于真空精馏工况下的高纯度分离。三、塔内件塔内件包括气体分布器、填料支承板、床层限位器、液体分布器、壁流收集分配锥、液体收集器和再分布器等。其设计、制造及安装都极为重要。填料塔分离性能首先取决于填料,其次取决于塔内件等。1.液体分布器国内外研究表明,填料塔直径对填料性能的影响很小,填料床层上液体的初始分布是影响填料效率发挥的关键因素。现在已发展的形式有,盘式、槽式、排管式、槽盘式、喷嘴式及飞溅式等。液体从分布器中流出的形式有小孔型、溢流型及喷洒型等。槽式液体分布器槽式液体分布器是工业中最常用的液体分

18、布器,属于重力型液体分布器。根据液体分配次数可以将其分成一级、二级和多级槽式液体分布器。多级槽式液体分布器在大型填料塔中应用很广,目前多采用带垂直布液板的线分布型结构,按其支承方式可分为3种:压圈托槽式、悬槽式、埋藏梁托槽式。槽盘式气液分布器槽盘式气液分布器是盘式液体分布器的发展,并具有槽式液体分布器的某些优点。该分布器的主要特点在于增设了防护屏和自动排污系统,抗堵塞能力更强,可同时起到集液、气体分布、液体分布和侧线采出的功能。槽盘式气液分布器结构示意图孔盘式液体分布器分为孔盘式和堰盘式2种,液体流动推动力均为重力,其重要构件有液体分布盘和升气管。该类分布器均布性能优良,操作弹性较高,液体通量

19、大,最大喷淋密度可达到75 m3/(m2*h),气液分流,流动互不干扰;其不足之处在于，结构比较复杂,孔口容易被杂物堵塞。国内在塔内件方面也进行了开发,有些技术还获得了专利。如天津天久新技术公司发明的虹吸式高弹性液体分布器,已获得国家专利。国外制造厂商以及国内一些单位都各有自己的技术秘密。2.气体分布器目前,常用的进气分布器类型有多孔直管式、直管挡板式、切向号角式、单切向环流式、双列叶片式、双切向环流式和轴径向式。其中双切向环流分布器综合性能颇为优良,多用于大型填料塔,主要由顶板、入口导流板、弧形导流板、内套筒和外套筒(塔壁)组成。弧形通道、弧形导流板、塔底空间和分布器上方均布空间的共同作用使

20、进料气体在塔内均匀分布。近年为进一步改善塔内气体的分布,提高传质效率,又开发了许多性能优良的气体分布器。天津大学化学工程研究所设计出了带导流器和捕液吸能器的新型双切向环流式进气初始分布器。双切向环流式进气初始分布器三维设计图双切向环流式进气初始分布器此分布器是在单切向环流式进气初始分布器的基础上开发出的一种面对称类、环流型、导流式进气初始分布器,由锥形进气口、环向导流板、内套筒、环形衬板、轴向导流板等部件组成。在国内炼油行业已推广应用于大型塔器中,但在塔中心气流偏多,环塔壁区气流偏少,轴向返转气流易将塔底部液层搅起形成液沫夹带。辐射式进气初始分布器辐射式分布器属径向式进气初始分布器,由进气管、

21、分液器、辐射器、伞形导流器或捕液器组成。辐射器是由气体分配器和多层喇叭口状的导流器组成;伞形导流器是由伞骨、同心导流环和捕液器组成;捕液器则由环形框架和脱气填料组成。辐射式进气初始分布器具有优良的综合性能:气体分布不均匀度低;液沫夹带少;压力降小。带导流器和捕液吸能器的双切向环流式进气分布器该分布器克服了双切向环流式进气初始分布器的不足。其特点是上部的多层倒锥式导流板使气流更均匀,由栅板式框架及捕液填料组成的捕液器则将气体夹带的液滴捕集下来,同时减弱气体的动能,防止下部液体被气流搅起而产生严重的液体夹带。3. 支承结构大型规整填料塔的支承结构多采用常规支座、工字钢梁、垂直(穿流)塔圈和穿流式栅板,现发展到“四穿型支撑”,即穿流式支座、穿流式栅梁、穿流式塔圈和穿流式栅板。钢梁结构桁架支撑梁它具有强度高、挠度小、透气性好等优点。桁架支承梁中间可以穿行,可利用空间高度大大降低,从而降低了全塔高度;同时桁架支承梁改善了大支承梁造成的气流旋流、冲击而影响塔板及填料性能发挥的缺点。桁架梁与普通工字钢梁相比,可使气体实现横向混合,减少气相流动阻力,同时可减少金属质量。无梁填料塔无梁填料塔是由具有高效多功能内件组成,其特点: (1)