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波紋填料塔工業(yè)應用進展
2020-01-22 閱讀：次
摘要
概述波紋填料塔開發(fā)研究的發(fā)展歷程,介紹了上海化工研究院在推廣應用中的技術手段與效果,列舉的國內重要工業(yè)應用實例表明波紋填料塔適用于新產品開發(fā)與技術改造中大量的分離過程,值得深入推廣應用。
一、前言
塔器是化工廠的標志,它廣泛用于精餾吸收(解吸)、、洗滌、化學交換、生化處理、熱交換等單元操作。在煉油、石油化工、化肥、核工業(yè)及等部門中都占有重要地位。表1總了我國大型企業(yè)上海石油化工總廠塔設備概況。顯然,塔器屬于量大、面廣的重要化工設備一般的占總設備投資的20%左右,有的甚至高達30%。另外,蒸餾(精餾)又是多,熱效率低(5%)的耗能大戶,美國蒸餾耗能約占化工行業(yè)的71.6%,有些競占52%一04%。因此,塔器無論在投資還是在能耗方面都具有舉足輕重的地位,它一直是世界上普遍關注的重要課題,上已召開過五次精餾與吸收專會議。我國也舉辦了三次塔器會議。
塔器分為兩大類:板式塔和填料塔。板式塔有泡罩塔、篩板塔,浮閥塔等。一般而言,其結構較簡單適應性強,易于放大、造價較低,但效率低,壓降高,持液量大;而填料填料塔則效率高,壓降小,持液量小,但有些填料價格較高,對初始分布敏感,隔一定高度需要裝收集分布器裝置等。過去板式塔的開發(fā)及應用研究速度一直保持,然而近二十年來填料塔的開發(fā)應用研究卻加快了速度。各種新型高效填料特別是波紋填料的開發(fā)成功和基礎理論研究的成果已基本上解決了填料塔工程放大之后應用發(fā)展更迅速,日益大型化。由于它們適應了當前化工、尤其是煉油,石油化工、精細化工、化肥的需要,又滿足了節(jié)能及的要求,所以應用日趨廣泛。尤其在取代傳統(tǒng)填料及部分板式塔的技術改造中取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益,已引起人們的普遍關注,這是當前上塔器研究與應用的一個重要突破。美國學者Fair教授認為近十年蒸餾裝置的頭號新聞是汽一液接觸的填料塔逐步取代板式塔。規(guī)整填料作為低壓降下具有高傳質效率裝置而成為佼者,這種評價符合現(xiàn)代填料塔分離進展實際情況。
二、規(guī)整塔填料
眾所周知,填料塔的核心是填料,它的性能往往決定了塔器的應用。填料按其結構形狀區(qū)分有散堆填料和規(guī)填料兩大類,前者為一定幾何形狀和尺寸的填料顆粒體.通常以散裝方式堆積在塔內.如鮑爾環(huán)等;而規(guī)整填料則是由許多相同幾何形狀的填料單元組成。以整砌方式裝入塔內,因而在整個塔截面上形成許多并列藕合、空間對稱的傳質單元。規(guī)整填料的分類及主要類型與規(guī)格如圖l及表2所示`
顯然,在規(guī)整填料中,波紋填料和格柵型填料成為代表,特別是波紋填料由于其良的流體力學和傳質及線性放大的性能(如表3所示),所以其規(guī)格與工業(yè)應用發(fā)展更快。成為當今推廣應用的熱點。
三、波紋填料的工業(yè)應用
塔器是投資大、能耗多,量大面廣的重要單元設備,其分離所得產品往往與加工密切相關。
目前我國塔器仍比較落后,木格子填料、拉西環(huán)、泡罩塔板等處處可見。經(jīng)常出現(xiàn)產量低、質量差、能耗高、污染嚴重等問題。就是弓}進裝置中,經(jīng)過十多年運轉也面臨不適應增產節(jié)能需要的局面,所以我國塔器技術進步要求迫切,技術改造任務寵大,北京燕山石油化工總廠、上海石油化工總廠、山東齊魯石化總廠、大慶石化總廠、無錫合成化工廠、北京制藥二廠等單位先后引進新型波紋填料塔并已見成效,但總的看來數(shù)量有限。面臨增產節(jié)能的迫切需要,許多單位紛紛采取國產化技術改造的途徑,業(yè)已取得事半功倍的實效,如上海高橋化工廠環(huán)氧丙烷精餾塔、苯乙烯精餾塔,蘭州合成橡膠廠、常州化工廠、岳陽石化總廠苯乙烯精餾塔,北京燕山石化總廠汽油分餾塔、脫甲烷塔、脫乙烷塔、南京金陵石化公司、杭州電化廠環(huán)氧丙烷精餾塔,天津助劑廠環(huán)氧乙烷精餾塔,_匕海煉油廠脫臘油酚精制塔、上海溶劑廠三聚甲醛精餾塔以及湖南湘潭化工廠、湖北宜昌五二五廠、老河口化工廠、遼寧慶陽化工廠、廣茂名化工廠,浙東寧波化工、山東曲阜化工廠、江蘇常州化工廠等的硝基甲苯精餾塔等等不勝枚舉?，F(xiàn)簡要介紹一些波紋填料在蒸餾、吸收、解吸領域的重要應用:
1.三聚甲醛精制
工程塑料聚甲醛的聚合單體是三聚甲醛,這是一種甲醛的環(huán)狀三聚體,由于其合成反應中間發(fā)生一系列副反應,生成甲醇、甲縮醛等多種產物。另外工藝中需加入二氯乙烷及未反應的甲醛使三聚甲醛的反應液含有大量雜質,而且由于聚甲醛聚合反應對單體純度要求很高(工藝指標總雜質含量在400ppm以下),這就對三聚甲醛的精制提出很高的要求,采毛金屬絲網(wǎng)波紋填料分離三聚甲醛精制品獲得成功,產品純度大于”.59%,雜質含量小于300pp二.提高了生產能力,降低了能耗,每年經(jīng)濟效益達420萬元。
2.對、鄰、間硝基甲苯分離
硝基甲苯是合成甲苯胺和某些染料的重要原料。硝基甲苯同分異構體沸點十分相近.高溫下又易碳化.是難分離的熱敏性物質。過去國內常用精餾(板式塔)—結晶法,產品純度不高,操作不易連續(xù),勞動條件差。生產過程中產生的冷母液。利用率下降。作為彩色影劑CD一2的寶貴原料間硝基甲苯隨冷母液排放導致公害。采用三座金屬絲網(wǎng)波紋填料塔全精餾分離新工藝獲得成功·鄰硝基甲苯純度達99.7%,產量達到德國拜耳公司水平,國內外。波紋填料塔與板式塔的比較如表4所示,其生產能力提高了二倍。目前國內大部分硝基甲苯分離裝置均采用波紋填料全精餾法生產.總生產能力在4萬噸/年以上,年產值超過2.5億無,利稅超過4千萬/年,已形成全行業(yè)推行技術改造。
生產實踐表明.金屬絲網(wǎng)波紋填料塔效率為板式塔的4倍.分離能力達01倍。充分體現(xiàn)了金屬絲網(wǎng)波紋填料真空精餾塔效率高、壓降小、通量大的特點。而且開停車方便,可以過續(xù)生產。操作條件好、勞動強度低.塔釜溫度低,有效地了結焦,改善了環(huán)境保護條件。
3.環(huán)氧丙烷提純
對一套6500噸/年的環(huán)氧丙烷常壓精餾裝置進行技術改造,原精餾裝置包括一座直徑800毫米粗餾塔和兩座直徑分別為800毫米和600毫米的精餾塔(三塔均為05塊浮閥塔板),將三座浮閥塔改造為一座直徑800毫米的金屬孔板波紋填料塔,其中精餾段為61米孔板波紋填料,分為五段,中間設液體收集分布器,提餾段為20塊浮動噴射板(板間距400毫米),改造后獲得成功,實現(xiàn)了環(huán)氧丙烷分離的單塔流程,塔頂直接得到環(huán)氧丙烷成品,質量達到部頒級品,釜底排液環(huán)氧丙烷含量簇l%,直接排至二氯沉降槽。在塔截面和回流比相同的情況下,生產能力提高25~04%,能耗顯著下降,蒸汽單耗是原精餾裝置的三分之一,每年為企業(yè)增加收益約230萬元,裝置的改造費用81萬元.
4乙苯/苯乙烯分離
孔板波紋填料在乙苯/苯乙烯分離裝置上取得成功,一套年產1萬噸苯乙烯分離塔,直徑2.6健米,采用205型孔板波紋填料進行技術改造后與板式塔相比,全塔壓降05一06毫米汞柱.塔釜溫度減小20℃(由103℃降至80一83℃)物系聚合度大大降低,同進也減少了蒸汽耗量,生產能力提高25%。另外,在目前我國大的一套年產3萬噸苯乙烯裝置中,乙苯蒸出塔和苯乙烯精餾塔均采用金屬孔板波紋填料,其中乙苯蒸出塔直徑3.2/2.8米,總高26米,由化工流程模擬軟件P二cess進行化設計,同時采用合理塔內件.建成投產后一次開車成功。經(jīng)過一年運轉確認:技術指標達到設計要求,效率和負荷明顯于原定指標,每年為企業(yè)增創(chuàng)經(jīng)濟效益數(shù)百萬元。表5匯總了國內外苯乙烯精餾裝置改造情況的比較。據(jù)報導,全世界苯乙烯單體產量的04%是從孔板波紋填料塔中分離得到的。
孔板波紋填料在乙苯/苯乙烯分離裝置上取得成功,一套年產1萬噸苯乙烯分離塔,直徑2.6健米,采用205型孔板波紋填料進行技術改造后與板式塔相比,全塔壓降05一06毫米汞柱.塔釜溫度減小20℃(由103℃降至80一83℃)物系聚合度大大降低,同進也減少了蒸汽耗量,生產能力提高25%。另外,在目前我國大的一套年產3萬噸苯乙烯裝置中,乙苯蒸出塔和苯乙烯精餾塔均采用金屬孔板波紋填料,其中乙苯蒸出塔直徑3.2/2.8米,總高26米,由化工流程模擬軟件P二cess進行化設計,同時采用合理塔內件.建成投產后一次開車成功。經(jīng)過一年運轉確認:技術指標達到設計要求,效率和負荷明顯于原定指標,每年為企業(yè)增創(chuàng)經(jīng)濟效益數(shù)百萬元。表5匯總了國內外苯乙烯精餾裝置改造情況的比較。據(jù)報導,全世界苯乙烯單體產量的04%是從孔板波紋填料塔中分離得到的。
5.丁烯一2分離
采用金屬絲網(wǎng)波紋填料應用于分離丁烯一2的工業(yè)裝置,從碳四中成功地獲得了丁烯一2餾份供農藥廠應用,為生產高效低毒新型農藥提供了原料,同時它也是一種重要化工原料。該塔平均操作溫度55℃,塔頂壓力6kg/厘米’(絕壓)與板式塔比較如表6所示。
由表6可見,采用波紋填料時產量有所提高.在相同工藝條件和分離要求下,波紋填料塔有較大生產能力,全塔壓降減小0.6kgc/mZ相應釜溫約可降低6℃,節(jié)約塔釜加熱蒸汽約01%·由于波紋填料分離效率高,塔體積顯著降低,使用同樣進料泵,回流泵的情況下,可節(jié)電03一04%.重整橡膠溶劑油塔技術改造應用計算機化工流程模擬系統(tǒng)對橡膠溶劑油塔的生產方案及操作條件進行了模擬化,拆除
局部塔板,改用新型高效波紋填料,次在一座塔內分離出三種牌號溶劑油#6、#9、#210。溶劑油的收率提高了6.5%%,而且#6抽提溶劑油的質量大為提高.己烷含量從09%一19%提高到96%~97%,達到金獎的標準,新增經(jīng)濟效益每年800萬元以上,改造成功達到預期日標.同時表明應用化工流程模擬軟件對老裝置的生產方案和操作條件進行化改造,投入少,效果好。為老裝置挖潛改造提供了有效途徑,值得廣泛推廣應用。
7常減壓蒸餾置改造
某廠常壓塔中部分浮閥塔板用波紋填料代替,其中包括液體分布器,支承柵等內件,并用常三線供二中回流返回到填料上方,技術改造投產成功,強化了塔的分離能力,如表7表所示。更換波紋填料后,常二中的運行并不影響320“重液蠟產量,相反得到改善,餾程變窄與常二重迭下降近10`C.另外,減少了汽提蒸汽用量,提高了換熱終溫,降低了常頂負荷,節(jié)省了大量冷卻水,緩和了本廠供水予盾,經(jīng)濟效益顯著,1、2個月即可收回改造投資。
8化肥廠解吸塔改造
某氣化肥廠系日產1620噸乒氧化碳汽提法的尿素生產廠,回收稀氨水中氨及二氧化碳的解吸塔為浮閥塔,設計入塔氨水含量2.82%,含二氧化碳1.97%,解吸后廢水含氨005%,但投產以來上述指標均超過設計值,尤其近幾年來因汽提塔堵較多,03MPa尾氣回收系統(tǒng)投用等原因,稀氨水中氨及二氧化碳含量進一步升高,達設計值2倍半,只好減少加熱蒸汽量,造成廢水含氨高達05一1%,再通過的二解吸塔進一步解吸以保證排放廢水達標,但這樣做能耗大,又造成新的大氣污染,今采用孔板波紋填料對解吸塔進行改造取得成功,解吸廢水含氨003一。05%而且不論操作條件如何變化從未發(fā)生液泛。其回收氨及節(jié)能經(jīng)濟效益也很大,投資回收期不到半年,效益也十分顯著。
綜上所述,以波紋填料為代表的規(guī)整填料具高、通量大、壓降小、放大效應不明顯,操作彈性大適用面廣等顯著點,集中體現(xiàn)了現(xiàn)代先進塔填料的技術水平。出現(xiàn)了新型規(guī)整填料不取代傳統(tǒng)填料而且在適當條件下代替板式塔乃至在煉油,石油化工等行業(yè)形成與塔板相競爭的新局面,估計世界上應用波紋填料塔數(shù)千座,大直徑41米,產生了顯著的經(jīng)濟和社會效益。這就是新型填料塔分離技術的主要發(fā)展趨勢之一。新型填料塔開發(fā)應用方興未艾預計90年代還將持續(xù)下去,為使我國規(guī)整填料塔推廣更進一步,化工部組織了上?；ぱ芯吭?、天津大學、化工部六設計院和化工機械研究院編寫了《工業(yè)塔新型規(guī)整填料應用手冊》,這是我國規(guī)整填料設計與應用的一部書,約40萬字,200多幅圖表和138個應用實例,現(xiàn)已出版發(fā)行,堅信我國規(guī)整填料工業(yè)應用定會取得更大成效。
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