徐永杰
(南京工大環(huán)境科技有限公司,江蘇南京 210000)
在石油化工、輕工、食品、制藥、環(huán)保等工業(yè)中,填料塔主要應(yīng)用于分離和尾氣凈化的氣液傳質(zhì)、傳熱過程[1]。 填料塔是化工分離、環(huán)保尾氣凈化的最典型的設(shè)備。填料作為填料塔內(nèi)核心部件,它為氣液兩相間的傳熱、傳質(zhì)提供了有效的接觸場所,是分離效率的決定性因素[2]。為了改進(jìn)填料的性能,學(xué)者們不斷地研發(fā)新型填料,其目的在于:改善氣液兩相的分布情況,提高分離效率;增大通量,以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要;增加空隙率,以減少流動阻力降;以及滿足高純度產(chǎn)品的制備、擴(kuò)產(chǎn)、設(shè)備放大、環(huán)保凈化等多種需要。
新型散裝填料的不斷開發(fā)和應(yīng)用可有效降低壓降,增加處理能力,提高填料強(qiáng)度和降低設(shè)備費(fèi)用。顯然,與規(guī)整填料和塔板相比,散裝填料的發(fā)展具有明顯的優(yōu)勢。
套環(huán)填料主要是由一個外環(huán)面和一個內(nèi)環(huán)面組合而成,內(nèi)環(huán)面套裝在外環(huán)面中心部位,如圖1所示。每個內(nèi)環(huán)面有一個長圓柱面,其上設(shè)有1~5排孔洞,每排孔洞的數(shù)量2~9個,相鄰兩排孔洞交錯排列,每個孔洞內(nèi)設(shè)有一個向長圓柱面中心軸線彎曲的內(nèi)曲折片,在孔洞和內(nèi)曲折片的兩條長邊上設(shè)有齒牙。每個外環(huán)面有兩個同軸的扁圓柱面,每個扁圓柱面的中部設(shè)有壓棱,在兩個扁圓柱面之間,用橢圓形的N個H狀外連接片、N個長條狀內(nèi)連接片和2 N個短條狀內(nèi)連接片交錯分布連接成一個整體,在兩個扁圓柱面的外側(cè),各有N個正彎折片和N個斜彎折片間隔分布,上述數(shù)量代號N 的取值范圍是3°~20°正彎折片的根部為與扁圓柱面軸線垂直的水平折片,正彎折片的端部為與水平折片垂直且背離外環(huán)面中心方向的垂直折片,斜彎折片的根部為與扁圓柱面軸線成傾角30°~60°的長斜折片,斜彎折片的端部為與長斜折片成90°~120°角且趨向外環(huán)面中心方向的短斜折片。在外環(huán)面的H狀外連接片、長條狀內(nèi)連接片、短條狀內(nèi)連接片、正彎折片和斜彎折片各長邊上設(shè)有齒牙。
圖1 套環(huán)填料
某石化公司在重芳烴抽提裝置的技術(shù)改造中,利用套環(huán)填料替代了原有的扁環(huán)填料。更換新型套環(huán)填料的填料塔反抽提效果明顯優(yōu)于改造前,塔底含油量從3.5%左右降低到1.8%以下,滿足了工藝指標(biāo)的要求,并解決了原塔泄漏的問題,達(dá)到了節(jié)能和環(huán)保的目的。改造后裝置的芳烴日產(chǎn)量提高約15%,生產(chǎn)能力提高9%左右,且有效降低了流體的軸向返混[3]。套環(huán)填料的應(yīng)用在多項改造中作用明顯,有效解決了分離效果不佳的情況。
多孔雙面散裝填料為圓弧狀,填料體上開有通槽,填料體上下分別沖有圓邊,填料體上開有至少三個通量孔。該多孔雙面散裝填料加工方便,降低了機(jī)械沖壓后對填料的劃痕,保證原始材料的粗糙度,無坑洼,降低物料結(jié)聚的可能性,減少清洗周期,同時也節(jié)約了鋼材,大大減輕網(wǎng)狀環(huán)散堆填料的重力,同時減輕了塔體噸位質(zhì)量,同時極大地保留了原始材料的粗糙度[4],見圖2。
圖2 多孔雙面填料
雙面散裝填料由于加有上下加強(qiáng)筋,在相同使用環(huán)境中比常規(guī)填料更加耐壓,因此該填料高度比常規(guī)散裝填料更加穩(wěn)定,極大地提高了填料的處理效率,該填料比常規(guī)散裝填料提高25%的處理能力。由于填料表面保持原始粗糙度,比常用散裝填料有更高的抗腐蝕性,且在加工過程中不需使用磨具反復(fù)維修,節(jié)省開模費(fèi)用,降低了生產(chǎn)成本。
目前,多孔雙面填料已在液液萃取、原油減壓蒸餾、二氧化碳洗滌、脫甲烷等設(shè)備中使用。
某廠的二氧化碳吸收塔改用DN50 多孔雙面填料代替塔中原來的20 塊浮閥塔板,操作條件與改造前相同,改造后只用了16塊塔板的空間,這樣氣液速率比原先提高35%,且依然可以利用原有塔板作為填料的支承板,二氧化碳的脫除效果與原來板式塔相同。
改進(jìn)型矩鞍形散裝填料本體上開設(shè)有矩形窗口,每個矩形窗口上連接一內(nèi)彎圓弧筋片,內(nèi)彎圓弧筋片的兩端分別連接在矩形窗口的兩側(cè)。內(nèi)彎圓弧筋片的上下邊沿為具有圓弧形波紋的波浪型結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地,在每個內(nèi)彎圓弧筋片對應(yīng)的矩形窗口上下邊沿內(nèi)側(cè)也具有與該內(nèi)彎圓弧筋片對應(yīng)的圓弧形波紋。其獨(dú)特的內(nèi)彎圓弧筋片結(jié)構(gòu),使填料內(nèi)部通道更為合理,不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度,更加有效地增強(qiáng)了液相分散度,由它裝填的填料塔比現(xiàn)有技術(shù)的矩鞍環(huán)通量大、阻力小、效率高[5],見圖3。
圖3 改進(jìn)矩鞍環(huán)
許多化工公司采用改進(jìn)矩鞍填料替換原先的拉西環(huán)填料,這樣不僅可以提高生產(chǎn)能力以及提高塔的吸收效果,還有效降低了壓降。天津某硫酸廠采用改進(jìn)矩鞍填料代替原先的拉西環(huán)填料,吸收效果比原先提高45%,系統(tǒng)壓降降低了31.7%。
菊花型填料包括若干個菊花花瓣弧片,菊花花瓣弧片通過內(nèi)圓弧片連接成菊花型填料主體,相鄰菊花花瓣弧片之間連接有弧形連接片,弧形連接片在菊花型填料主體上對應(yīng)設(shè)有長條型開窗,菊花花瓣弧片的兩側(cè)面連接有若干短筋片,短筋片對應(yīng)在菊花花瓣弧片的兩側(cè)面設(shè)有方形開窗。菊花型填料兼有規(guī)整、散裝填料之特性。與普通填料相比,菊花型填料通量大,流通量可比普通填料高約10%;壓降小,比普通填料降低5%~15%左右;由于菊花型填料結(jié)構(gòu)為無翻邊結(jié)構(gòu),避免了汽液滯留,且自分布性能優(yōu)良,對汽液分布器要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)整填料[6],見圖4。
圖4 菊花型填料
安徽某公司脫硫脫碳?xì)怏w凈化工藝采用的脫硫塔內(nèi)裝5 層?50 mm 菊花型填料,塔總高約40 m,每層安置氣液分布器。采用菊花型填料替代拉西環(huán)填料后,發(fā)現(xiàn)脫硫塔壓降明顯下降,下降幅度達(dá)25%左右,且設(shè)備費(fèi)用下降約10%左右。
本文介紹的四種新型散裝填料,套環(huán)填料可以有效降低流體的軸向返混;菊花型和多孔雙面填料可以提高傳質(zhì)效率,降低阻力降,改善氣、液分布狀況,提高填料的承載能力;改進(jìn)矩鞍環(huán)可以增加填料之間接觸的空隙,使液體和氣體的流動通道增加,提高傳質(zhì)速率以及具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),為塔填料選型提供參考。