精馏塔填料述评
精馏塔填料述评刘乃鸿 塔填料是填料塔的核心。它提供了塔内气-液两相接触进行传质、传热的表面,其性能往往决定了塔器的应用。因此,对塔填料的研究十分活跃。塔填料结构简单、阻力小、装置灵活,特别时新型填料的开发,显著提高了分离效率和基本解决了放大效应后,填料塔的工业应用日益扩大。目前*大塔直径已达20m。新型高效填料取代了旧有填料及部分塔板,在技术改造中取得显著效果,日益引起人们的关注,已成为当前国际上塔器研究与应用的一个重要突破。这种发展趋势可从1960、1969、1979、1987、1992年五次国际精馏会议中,填料与塔板研究论文的相对数量(见表1-1)看出来。
表1-1 四次国际精馏会议论文数量比较 精馏塔填料述评
会议年代
| 1960年
| 1969年
| 1979年
| 1987年
| 1992年
|
塔板论文篇数
| 6
| 11
| 10
| 10
| 15
|
填料论文篇数
| 4
| 5
| 6
| 20
| 23
|
大多数塔填料在分离效率、压降等方面优于板式塔。对于给定的分离要求,较高的分离效率及较低的压降意味着需要的精馏回流比降低、节约能耗和适于热敏性物料的分离。主要的填料除了效率高、压降低、通量大之外,还有以下优点:精馏塔填料述评
(1)操作弹性大:可在更宽的气液流率范围操作而不会液泛、泄漏或夹带。
(2)能处理起泡物系:填料单元能使泡沫破碎,所以填料比塔板更适合高起泡性物料。
(3)能处理含固体的物料:大孔隙率填料(例如格栅类)可以处理含大量悬浮固体的物料,而一般的错流塔板会被阻塞。
(4)持液量小:大多数板式塔气体时分散相,液体是连续相,具有固定的静液层,所以持液量大。而填料塔在操作过程中,液体是分散相,气体时连续相,气液呈膜式接触,不但阻力小,而且持液量少。这一特点特别适于热敏性物料的真空精馏。
(5)陶瓷、塑料填料耐腐蚀,价格便宜:规整填料综合效益高,改造费用可以很快回收。
填料塔也有如下局限:
(1)换热不便:从填料塔取出或加入热量不如板式塔方便。因为在板式塔中可以在板间或板上设置加热(或冷却)管,而填料塔的结构使得从塔内流股取热或加热十分麻烦。
(2)侧线抽出较难:填料塔不适合有许多侧线抽出。
(3)沟流隐患:填料塔对流动不均匀十分敏感,填料中轴向返混也比板式塔严重。
(4)抗腐蚀性强:目前大塔中高效填料多是金属薄板制成,薄板的耐蚀周期不如塔板长。
(5)过程控制较难:高效填料持液量很低,对过程控制来说是个难题。
1、散堆填料 精馏塔填料述评
散堆填料早期以焦炭、碎石作为塔填料,目前主要分环形和鞍形两大类,其发展历史大致如下:
1914年 拉西环(Rasching Ring),德国;
1931年 马鞍形填料(Berl Saddle);
1947年 麦克马洪(Mcmahon)填料,金属丝网鞍形;
1948年 鲍尔环(Pall Ring),德国BASF;
1949年 狄克松环(Dixon Ring)
卡安(Cannoa)填料金属刺孔;
1950年 矩鞍形(Intalox Saddle)填料;
1954年 泰勒花环(Teller Rosette),美国;
1969-1972年 阶梯环(Cascade mini-Ring);
1976-1978年 金属矩鞍形(Metal Intalox);
其他尚有:哈埃派克(Hy-pak),美国;
比阿雷茨基环(Bialecki),波兰;
改进钜鞍形填料(Super Intalox saddle);
莱佛厄派克(Levapak或Chempak),我国也称半环填料,美国;
雪花形填料(Snowilaker Packing),美国;
海尔环,美国;
球形填料,多面球填料(日本),TRI球形填料(美国),特里派克(Tri-packs)球形填料(美国);
刺猬形填料(Hedgehog),法国;
гиA∏-H3环,前苏联;
纳特环(Nutter Ring),美国。
显然,当前*主要的新型散堆填料是金属环矩鞍和阶梯环两种类型。
2 规整填料
现代化工生产要求压降更低、操作气速更大、分离程度更高、放大效应小,散堆填料往往难以适应。规整填料可以人为规定填料层气液接触途径,因此放大效应不明显,可以保证在大直径下能有高的效率。自1937年**种规整填料——斯特曼填料问世以来,各种结构的规整填料不断涌现。主要发展历史汇总如下:
1937年 斯特曼填料、双层网水平波纹填料
1950年 帕纳帕克填料(Panapak)
50年代 古德洛填料(Goodloe)
海泊菲尔(Hyperfil)
1956年 斯普雷帕克填料(Spraypak)
1961年 苏尔寿填料(Sulzer packing),金属丝网波纹填料
格里奇栅格(Glistsch Grid)
1969年 金属丝网水平波纹规整填料
格子填料
70年代 麦乐派克(Mellapak)孔板波纹填料
凯勒派克(Kerapak)陶瓷板波填料
塑料丝网波纹填料
网孔栅格填料(Perform Grid packing)
脉冲填料(Impulse-packing)
压延刺孔板波纹填料
双层丝网波纹填料
弗莱克西派克(Flexipac)
80年代 新型古德洛BC填料(美国80年代推出的一种新型编制物填料,由金属和塑料丝构成)
吉姆派克(Gempak)填料
新型格栅填料(Flexigrid)
英特洛克斯波纹填料(Intalox)
郎博派克(Rombopak)
蒙茨派克(Monta-pak)
格栅填料(Snap-Grid)
拉露派克(Ralu-park 250YC)
网孔波纹填料(板网波纹填料)
培若派克(Pyrapak)
棱形规整填料。
综观分析可以看出,目前重要的规整填料有两种:波纹类填料和格栅类填料。*近15年来,在塔器的重要领域蒸馏与吸收操作中,*突出的变化是,新型填料特别是规整填料在大直径塔中广泛应用。仅瑞士苏尔寿公司一家在全世界推广应用了2500多座波纹填料塔,*大直径在12m以上,取得了显著效益。人们普遍认为规整比散堆填料贵35%-50%,但生产能力和分离效率则提高10%-20%。从塔器技术改造费用看,采用规整填料要多一些,但从缩小塔体积和节能的收益看,费用可以很快回收。虽谈,目前规整填料尚未成为一种蒸馏操作的理想填料,但*近国外专家预言:“10年后,采用规整填料将成为蒸馏操作**可取的途径”。当然不能说规整填料一定完全可以代替散堆填料,但至少从目前看,规整填料时有广泛前途的。我们对九种填料的10个性能指标,用模糊数学方法进行综合评估,也得出类似结论,见表2。
表2 九种填料综合性能评比 精馏塔填料述评
填料
| 评估值
| 语言值
| 排序
|
丝网波纹填料
| 0.86
| 很好
| 1
|
孔板波纹填料
| 0.61
| 相当好
| 2
|
金属英特洛克斯
| 0.59
| 相当好
| 3
|
金属鞍形环
| 0.57
| 相当好
| 4
|
金属阶梯环
| 0.53
| 一般好
| 5
|
金属鲍尔环
| 0.51
| 一般好
| 6
|
茨英特洛克斯
| 0.41
| 略好
| 7
|
茨鞍形环
| 0.38
| 略好
| 8
|
茨拉西环
| 0.36
| 略好
| 9
|
摘自:常顺科技
散堆填料演变发展过程如图1-1所示。精馏塔填料述评