塔器分离技术（二）新型规整填料及填料塔内件研制和应用    □李好管  黄怡然
    □李好管  黄怡然　　近年来，随着各种新型波纹填料及其他新型塔内件的开发成功，填料塔的开发应用进展较快，应用填料塔似乎形成了一种潮流。近10年来，蒸馏装置发展趋势是现代填料塔逐步取代传统填料塔，且部分取代大型板式塔。国外有专家预言：“10年后，采用规整填料，将成为蒸馏操作唯一可取的途径”。　　填料塔大型化的困难在于如何解决好放大效应。而规整填料在气液分布均匀条件下，几乎没有放大效应，这已成共识。目前，波纹填料的开发成功和基础理论研究的成果，在填料塔工程放大问题上已取得重大突破。国内大型规整填料塔（⑹8200mm）始于大庆石化总厂炼油厂；茂名石化公司500万t／a的原油常减压蒸馏装置（⑹8400mm）。润滑油型减压塔是目前国内塔径最大的润滑油规整填料－塔盘复合塔，其技术、设备全部国产化，它一次投产成功标志着我国在化工分离工程领域塔器技术研究、设计和应用已达到国际先进水平。　　20多年来，国内外推广应用新型规整填料塔数以万计。在炼油行业，瑞士苏尔寿公司设计的最大塔径达13500mm；美国Glitsch公司设计的最大塔径达12495mm；德国Montz公司设计的最大塔径达10400mm；天津大学和茂名石化设计院联合设计的原油减压塔塔径达8400mm；天津大学与南京化肥厂联合设计的尿素除尘塔最大塔径达10000mm。　　大型填料塔共有五大关键部件即规整填料、液体分布器、气体分布盘、进气初始分布器和支承结构，它们的优化组合是设备强化的必由之路。　　新型规整填料研制及应用　　目前规整填料种类多，形状不同，特性各异。但理想的规整填料应具备压降小、分离效率高、节能，可减小塔径和液体滞流量少，操作弹性大、适应性强、产品提取率高。Mellapak填料（带孔波纹板，材质为不锈钢等，比表面积700m2／m3）是瑞士萨尔兹公司的专利产品。如今，Mellapak的换代产品是瑞士Kuhni公司的Rombopak填料，德国拉西公司的Raschig－Superpak填料，天津大学的Zupak填料等。　　1.Rombopak填料该填料是一种垂直板网类规整填料。它率先开辟了按照气液最佳流路设计规整填料的新途径。据悉，该填料已推广应用于400多座塔中，最大塔径达4000mm。　　2.Raschig－Superpak填料这种填料是高性能规整填料。据称，Raschig－Superpak300在比表面积和分离效率相同的条件下，与传统的规整填料相比，通量提高了26％，压力降降低了33％。　　3.Optiflow填料Optiflow是优质结构填料。这种填料的基本原件是压有横向纹理液流沟槽的菱形薄片，并在其中开小孔，将菱形片搭成翼轮状，由于这种填料有很好的几何结构形式和高度的对称性，因而，可以显著提高填料的分离技术性能。　　4.组片式波纹填料（Zupak）Zupak填料是天津大学近年开发出来的获奖专利产品，目前有两大类8种型号。Zupak填料和相应型号的Mellapak填料相比，比表面积增加了10％左右，开孔率增加30％～40％，分离效率提高约10％，通量提高20％，压力降降低30％左右，开发成功后，第一次就用在目前国内最大直径的塔上（⑹8400mm），目前正处于迅速推广阶段。　　5.SM、SW、SC、SB系列新型规整填料上海化工研究院国家高效分离塔填料及装置技术研究推广中心70年代开发了SC、SB丝网波纹填料系列；80年代开发了SM系列孔板波纹填料；90年代开发了SW系列网孔波纹填料，并取得专利证书。这些填料已在国内多座塔器中应用，效果显著。　　6.Sinopak填料该填料系南京大学开发的波纹型系列无壁流规整填料，采用了专门的防壁流设计，并获得1996年国家专利，分离效率比其他普通波纹规整填料高10％～25％，综合性能完全达到和优于国外同类填料产品。　　7.Chinapak填料该填料系天津市博隆科技开发公司开发的规整填料专利产品，综合了金属孔板波纹填料和金属矩鞍环填料各自的优点，克服了散堆填料易于沟流的特点，在工业中获得成功应用。　　8.自分布填料和再分布填料自分布填料是将特制的规整填料作为液体再分布器使用，旨在改善液体分布性能，其作用是将多点式或多线式液体分布状态，变成多线式或面分布状态，以减少液体分布的端效应，美国Glitsch公司领先一步。国内1990年以来，天津大学研制的自分布填料已在工程上得到应用。　　相对于填料层两端气液分布的端效应，填料层中部存在着“中效应”。再分布填料就是为了消除“中效应”而专门设计的一种特制填料，换言之，它不仅克服了壁流现象，重要的是它能将环塔壁区的高液流量向塔心缩移，同时又将塔中心部位的高气流量向环塔壁区扩展，它既是液体再分布器，又是气体再分布器，同时还起传质作用。　　自分布填料和再分布填料都适用于规整填料塔，也适用于散装填料塔。　　新型气液分布器设计及应用　　有了性能良好的填料，还需有综合性能优良的气液分布器与之匹配，才能保证没有明显的放大效应。目前，国内应用较多的分布器有百叶窗式收集器加二级槽式分布器、百叶窗式收集器加排管式分布器、槽盘式液体分布器、升气管式再分布器及穿流板式再分布器等。　　1.带垂直布液板的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种型式：压圈托槽式、悬槽式、埋藏梁托槽式。其中悬槽式液体分布器因其喷淋孔的水平度不受填料床层变化的影响，国内外应用较广。1999年6月南京化肥厂⑹10000mm尿素除尘塔即采用之。埋藏梁托槽式液体分布器主要结构特征在于“埋藏梁”，其中云梯梁就位后，填料、填料压圈、二级槽、一级槽再依次就位，这种结构可保证分布器的水平度一劳永逸，茂名石化⑹8400减压塔3套槽式液体分布器均采用这种结构。　　2.槽盘式及新型槽盘式气液分布器槽盘式气液分布器是天津大学获国家发明奖的专利技术，由五部分组成：矩形升气管、V型挡液板、特制导流管、铺板和连接件。有3种基本结构：全可拆式结构、局部可拆式结构、全焊接式结构。新型槽盘式气液分布器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。　　与同类技术相比，该气液分布器抗堵塞、防夹带、升液位、适闪蒸、宜采出、盛漏液、布气均、布液匀，具有更优良的综合性能。从1990年用于济南炼油厂⑹4200mm润滑油减压塔至今，已应用于数百座塔中。　　3.托盘式液体分布器托盘式液体分布器系在槽盘式液体分布器基础上开发而成，其液体分布盘的外径比塔的内径小，分布盘外径的具体数值由液体分布点的要求决定。另外，在收集槽的上面加一个梅花型挡圈，以收集壁流液体。这样，使塔内靠塔壁的环形部分变成了既能通气，又可设置液体分布点的大通道，使塔的分离效率得到提高，此外，还可提高塔的允许通量。　　4.Liqdist液体分布器系列由南京大学开发，分3种型号：Liqdist－Ⅰ型（填料塔液体线分布器）克服了液体点分布的缺陷，使填料层液体呈线性液膜均布，有利于消除填料塔的液相端效应，并使分离效率明显提高。Liqdist－Ⅱ型（填料塔液体面分布器）使填料塔内液体分布与再分布均匀性逼近极限状态。Liqdist－Ⅲ型（槽盒式液体分布与再分布器）是一种具有抗堵塞功能的液体收集与分布设备，液相中的漂浮、悬浮或沉淀颗粒均可得到收集，防止分布器和填料层堵塞。　　填料塔进气初始分布器设计及应用　　随着大型填料塔的发展，其进气初始分布器的研究、设计及应用受到重视，尤其在低压、常压或减压下操作的填料塔，进气初始分布器的作用尤为重要。　　1.双切向环流式进气初始分布器该种进气初始分布器是清华大学在美国Glitsch公司单切向进气分布器基础上研制出的一种面对称类、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、环形封板、轴向导流板等部件组成。　　该进气初始分布器具有优良的综合性能，应用颇广。90年代初，成功地应用于国内⑹8200mm润滑油型减压塔中。瑞士萨尔兹公司1996年在某炼油厂减压塔中也采用了该分布器。　　2.带导流器和捕液吸能器的双切向环流式进气初始分布器天津大学化学工程研究所对双切向环流式进气初始分布器进行了改进，设计了带导流器和捕液吸能器的双切向环流式进气初始分布器。其特点是改进了导流板结构，多层倒锥式导流器使气流分布更均匀；捕液吸能器则是由栅板式框架与捕液填料所组成，其作用在于防止下部液体被气液搅起而产生严重液沫夹带。　　3.辐射式进气初始分布器由天津大学开发，是一种轴对称类、导流型进气初始分布器，是径向式进气初始分布器的最新发展，由进气管、分液器、辐射器、伞形导流器或捕液吸能器组成。辐射器是由气体分配器和多层嗽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。捕液吸能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更为优良的综合性能，气体分布的不均匀度＜0.31，液沫夹带率＜0.1％、压力降＜40Pa。目前，已推广几十套，1999年在南京化肥厂⑹10000mm尿素除尘塔中使用了该分布器。　　结论　　（1）板式塔和填料塔各有千秋，在相当长时间内，它们将在各自的适用范围内充分发挥自身的优势，共同发展。在某些场合下，可用散堆填料（如阶梯环、矩鞍环等也较接近理想填料，比规整填料具有更好的自清理能力，不易堵塞）与规整填料组成复合型填料塔，也可由板式塔和填料复合组成复合塔板，优势互补，应用范围更广。　　（2）今后几年，以下几方面工作将得到重视和发展：工艺条件与塔内件的一体化匹配；结构与材质的改进或更新；整塔的精心设计、制造、安装和操作；故障检测和诊断技术现代化；设计模型理论化和普遍化；小型热模－大型冷模－计算机模拟放大相结合的放大策略。　　（3）进入90年代，随着一些新型塔板及大通量、低压降、高效率规整填料和塔内件成功开发应用，塔器成套分离工程技术进入了一个崭新阶段，可以预测21世纪的塔器分离技术将向行业化、复合化、节能化、大型化方向发展。