浅谈规整填料下塔在空分设备中应用

  (中国空分设备有限公司,浙江省杭州市湖墅北路珠儿潭巷10号310011)摘要:分析空分设备下塔采用规整填料的可行性和筛板下塔的设计难点,从 下塔阻力、变负荷能力、空分设备开车时间、塔径几方面,比较了下塔使用填料 塔的优点以及与使用筛板塔的区别,并举例说明在化工企业中应用填料下塔更加 适宜。 关键词:空分设备;下塔;筛板塔;规整填料塔;应用 国外公司在数年前就开始使用规整填料下塔,国内空分设备制造厂多年来一直设计制造 筛板下塔。但随着空分设备规模越来越大以及用户对能耗的要求不断提高,筛板塔的局限性 逐渐体现,限制了空分设备的发展。近年来国内空分设备制造厂开始尝试使用填料下塔,并 取得了很多宝贵经验。笔者所在的中国空分设备有限公司在其设计制造的数个项目中都采用 了规整填料下塔。目前已经运行的规整填料下塔均运行良好。 1下塔应用规整填料的可行性分析 早在20世纪90年代末填料已经在空分设备中开始使用,随后规整填料被广泛使用在空 分设备上塔和制氩系统中,从而使空分设备的产品提取率大大提高,能耗大幅度降低。 但是下塔一直沿袭最初的设计,采用筛板塔。当初没有将规整填料应用到下塔主要有两 个方面的原因: (1)认为在中压下使用填料塔的分离效率较筛板塔低,空气中的组分在中压下较难分 离,所需要的理论塔板数较多。当时大家认为填料下塔聊(相当于一块理论塔板的填 料高度)较大,如果下塔使用填料则会将下塔高度设计得很高。这样一方面会使空分设备冷 箱高度大大增加,由于低压流程空分设备中空压机压力随着科技的发展不断降低,使得下塔 液体打入上塔变得困难;另一方面下塔以及冷箱制造成本也将大幅度提高。 (2)当时填料技术不发达,填料在空分设备中的使用并不如现在成熟、稳定,而下塔需 要制取的氮纯度已经相当高,大家对填料下塔的分离效果信心不足,而且下塔阻力降低所带 59来的能耗降低没有上塔阻力降低的效果明显。 现在,节能降耗已经与工业发展密不可分,围绕着降低能耗这个主题,下塔使用填料开 始逐渐被尝试。 随着填料技术的不断发展,高比表面积的填料已经大量应用于空分设备中,如今空分设 备塔器中普遍使用的填料型号为M750Y,即填料的比表面积为750m2/m3。填料塔在不少中 压、高压的化工行业都有了应用,而且国外空分设备厂也应用了填料下塔,很多实例证明填 料在下塔压力下的分离效率优于筛板,当初认为填料下塔HETP值较大的观点并不全面。 现今填料厂商经过大量的试验得出了HETP值的计算公式如下【1】: 式中:口为填料比表面积;e为填料空隙率;』DG为气相密度;乳为液相密度;UG为空塔气速;G为气相黏度;产L为液相黏度;G为气体质量流量;L为液体质量流量;m为 在y-1【坐标上平衡曲线的正切平均值。 根据公式来判断,压力仅为一个影响因素,对pG、弘G有影响,HETP值与填料的性 质、塔高、直径、径高比、气流速度、喷淋密度和被分离物的物理特性都有关。 以笔者所在公司设计的1套20000m3/la空分设备下塔为例计算,填料选取M750型规整 填料,塔径取850mm,根据流程计算结果:a=750m2/m3,£=0.94,』DG=22.55kg/m3, pL=717.3kg/m3,UG=0.2117m/s,pG=6.81E一3,L=9.80E一2,G=97511g/h,L= 5550kg/h.m取0.08。计算得到/-/ETP为0.089m,实际选取的HETP值比理论值要大。 上塔下部HE'/P实际取值为200--250mm之间,且越往上取值越大,实际下塔阳弭P值跟 上塔下部比较接近。可见下塔的当量填料高度并不高。 该套空分设备下塔理论塔板数为38块,若采用筛板下塔,实际塔板数取60块,塔板间 距为180mm。则筛板塔所需高度为18060=10800ram。实际选用的填料下塔,其填料高度 加上分布器高度,并不比筛板塔明显增加,对冷箱高度几乎没有影响。而空分设备实际开车 情况良好,氮产品指标完全达到合同要求。中国空分设备有限公司还在其他几套20000m3/h 等级以上的空分设备中使用了填料下塔,最后开车结果都很好。 事实证明以现今的技术设计制造填料下塔完全可行。 2大型空分设备筛板下塔的设计难点 国内一直以来采用前辈专家开发的筛板下塔计算方法进行计算,该计算方法有一个理论 假设,即同一层每一块塔板所分配的液体量相等。对于塔板的流量为单溢流的塔器,同一层 nn每一块塔板上液体重量为Q(下流液体重量),双溢流为警,四溢流为导。该理论假设对单 溢流和双溢流均完全适用(双溢流同一层两块塔板必须对称),但对于四溢流来说未必完全适用。四溢流塔板的结构如图l所示。 图1四溢流塔板结构简圈 图1中,1、2号塔板的形状相差很大,其堰宽(L1、L2)和塔板宽度(L3、L4)都 不相同。从两块塔板中间的溢流斗A中下流的液体很难平均分配到1、2号塔板上,那么进 入下一层溢流斗B、C中的液体量就不相同,u乐国际,下一层每块塔板上的流量也不一样。由于溢流 堰、溢流斗负荷及阻力等多个值的计算与塔板上的液体重量有关,所以依据以前方法计算的 数据并不准确。塔径越大,液体在塔板上的分布越不容易做到均匀。笔者认为国内一部分不 成功项目的原因之一是设计下塔时忽视液体分布最终导致下塔氮气纯度难以达标。今后在设 计四溢流以上的对流筛板塔时应该引入一套合理的计算方法,设计塔板和溢流斗时应调整其 比例,以保证液体被平均分配到每一块塔板上。 3规整填料下塔的特点 3.1规整填料下塔的阻力较小 规整填料下塔的阻力仅为4~4.5kPa,较筛板下塔的15-17kPa阻力下降了11kPa以 上,这直接导致空压机排气压力降低,仅这一项改变就能使空压机的电耗降低1.O%~1.2%,使空分设备运行成本降低,购买规整填料多投资的一次成本将很快收回。中国空分 设备有限公司设计制造的20000m3/la等级空分设备规整填料下塔实际开车阻力不到41daa。 3.2规整填料下塔的变负荷能力强 筛板塔一旦发生液漏或者液泛现象,塔器就不能正常工作。为了避免液漏现象的发生或 者阻力过大甚至发生液泛,要保证工作时筛板上气体负荷值y处于7~17的工作区间。 筛板上气体负荷的公式为: ‘3600F99式中:y为气体负荷值;V为工作状态下气体流量,m3/h;』Dv为工作状态下气体密 度,kg/m3;Fg为孔板面积,m2;9为开孔率,%。 可见影响气体负荷值的因素除了工况下气体状态外,还有塔径和开孔率,设计时要调整 好塔径和开孔率以适应空分设备工况的变化。由于负荷值可变范围较窄,因此一般筛板下塔 的变负荷范围在75%--105%,如想提高筛板下塔的变负荷范围。可采用的手段则很少。 规整填料塔的可适应变工况范围由填料和液体分布器的适应范围决定。规整填料负荷上 限为产生泛点速度所对应的负荷,下限为产生液体最小喷淋密度所对应的负荷。空分流程中 的物料属于不易发泡物质,设计塔径时可按照泛点速度的60%一80%来取值,填料负荷上 限可以达到120%;规整填料的最小合理喷淋密度为3.0m3/(m2 h),根据此数据计算的负 荷值在25%以下。所以对于填料来说,可适应的变工况范围很大。分布器的设计也是提高 空分设备变负荷能力的关键因素,选取适当槽高和开孔率能够满足液体量变化的要求,如果 液体量变化很大。还可以采用2层甚至3层分布器来满足变化要求。在中国空分设备有限公 司的1套液体空分设备的设计中,上塔液氮量最小设计值只有最大设计值的30%,采用双 层分布器后也能满足设计要求。因此,下塔采用规整填料能提高空分设备对负荷变化的适应 性。中国空分设备有限公司设计制造的邯钢20000m3/h空分设备曾长期在70%至110%工 况下变负荷运行,到目前为止运行情况稳定。 3.3使用规整填料下塔空分设备的开车时间短 填料塔的持液量一般只有5%左右,而筛板塔的塔板持液量则高达8%~12%,加上溢 流斗持液量甚至可高达20%。现以1套20|000m3/h外压缩流程空分设备为例来分析。 用双溢流筛板塔时.塔径D取3300ram,总持液量计算公式为: 62。Ht=£l(FA+F’A)n/2+JIl斗(2Fuc+F’DE)n/2 式中:tl为塔板上静液层高度;^斗为溢流斗中液面高度;FA为边上塔板有效面积; F7A为中间塔板有效面积;FDc为边上溢流斗面积;F’耽为中间溢流斗面积;,z为实际塔板 经过计算得到tl亍21.7mm,^斗=89.8mm,FA一6.72m2,F’A=7.91m2,FDc=0.914m2,F’Dc=0.644m2,咒取54。则Ht=14.565m3,塔板间距取180mm,则持液量百 分比为17.5%。 用M750Y型规整填料塔时,塔径D取2900mm,总持液量计算公式为[2】: J}I。=瓦4Ft(PL3cg/zLesUlLn口)la ge-0.59(警) 式中:h。为持液量百分比;Ft为有效润湿表面修正系数;dH为填料当量直径;g为重 力加速度;口为填料几何角;”L为液体空塔流速;IDG为气相密度;PL为液相密度;E为填 料空隙率。 取F=O.94,dn=5mm,g=9.8m屉,口=47。,牡L=4.13E一3m/s,IDG=23kg/ma. PL=716kg/m3,e=0.94,得到持液量百分比为5.22%。 可见填料塔持液量比筛板塔要少得多,20000m3/h等级空分设备下塔持液量就比筛板下 塔少10m3。那么空分设备开车启动时所需冷量要少很多,建立正常工况的速度也比筛板下 塔快,使用填料下塔后一般能节省开车启动时间4小时以上。 3.4使用规整填料下塔的塔径小 现代空分设备大型化的特点越来越突出,公路运输的限制成为阻碍大型空分设备发展的 瓶颈,而下塔往往是空分设备中直径最大的设备。假定直径4000rnln是某路段的运输极限. 如果选择筛板塔,下塔直径4000rrlnl时吸入气量为217000kg/h,此气量对应38000m3/la等 级外压缩流程空分设备。如果使用规整填料下塔.选用填料型号为M750Y,正常工况运行 时气体负荷为极限值的70%左右,按照直径4000mm计算得到吸入气量228000kg/h时负荷 为74%,此气量对应40000m3/h等级外压缩流程空分设备。现在M750Y型填料出现了改型 产品——M752Y.其比表面积与M750Y型一样,但填料头部和尾部使用了专利技术的 PLUS结构。使用这种新型填料能使吸入气量更大,按照直径4000mm计算得到吸人气量 63268000kg/h时负荷为72.7%,此气量对应47000m3/h等级外压缩流程空分设备。可见,随 着内陆城市对更大规模空分设备的需求不断增加,填料下塔是未来必然的发展方向。 4空分设备填料下塔应用于化工行业 现代空分设备越来越多的应用于化工企业,而化工企业对空分产品氮气的纯度要求往往 高于钢铁企业。最近,中国空分设备有限公司承接的一个28000m3/h空分设备项目就提出 了氮中氩含量小于9010-6的要求。以往对氮产品的要求为氮中氧含量小于10 X10~,对 氮中氩含量不作要求。根据测算,氮中氧含量为1010-6时氩含量高达几十甚至几百倍, 想要得到9010_6以下氩含量的氮产品,要控制氮中氧含量在110-6以下。想要得到高质 量的氮产品方法有几个:一是增大下塔回流液体量,扩大液汽比;二是增加理论塔板数,提 高下塔的分离效果。在这个项目中通过调整流程适当增大下塔回流比,增加了理论塔板数, 计算得到的氮中氩含量小于3010~。按照筛板塔进行设计时,如果保证塔径不变,由于 下塔液体量大使得塔板上液层厚度增加,单板阻力增大,塔板数也比一般流程多,则下塔阻 力值就很大。笔者按照一般流程的设计方法进行筛板下塔设计,得到的下塔阻力值超过 20kPa;如果想保证下塔阻力在正常的范围内,就必须增大下塔塔径,。降低塔板上开孔率, 最后计算得到的塔径增大了400ram,实际塔板数增加了12块。如果使用填料下塔,只需增 加8盘填料,塔径仅需增加lOOmm。笔者认为在这种情况下使用填料下塔更加适宜。 5结论 虽然使用规整填料后下塔高度略有增加,制造成本也比筛板塔高,但填料下塔特点突 出,优势明显。在能源日渐紧张的现状下,不断研发降低工业能耗的设备是空分行业发展的 方向。国家目前出台的政策要求淘汰一系列落后产能,空分设备的第三代产品已经处于淘汰 产品目录中,笔者相信很快第四代、第五代空分设备也会被时代淘汰。国产空分设备在近十 年的发展过程中没有出现革命性的技术变革。降低能耗的手段并不多,下塔使用填料无疑是 一项重要的举措。虽然近几年国内厂家不断进行填料下塔的尝试,但填料下塔所占的比例还 很低。希望将来填料下塔会取代筛板下塔,在大中型空分设备中成为主流产品。 参考文献: [1】黄洁,郭维光,张学.金属孔板波纹填料的传质计算[J】.化工设计,1998(6):l&22. [2】骆广生,朱桢林.规整填料精馏塔的设计计算[J】.化学工程,1995(4):28-32.2.

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