1、我國(guó)大型塔器技術(shù)進(jìn)展與技術(shù)創(chuàng)新摘要:介紹了我國(guó)大型規(guī)整填料塔、大型散裝填料塔和大型塔盤的技術(shù)進(jìn)展,展示了硬件系列自主創(chuàng)新技術(shù)zupak、da2pak、zhaopak、zugrid 新型規(guī)整填料;增強(qiáng)型imtp 填料;槽盤、盤槽、盤槽管式液體分布器;輻散式進(jìn)氣初始分布器、新型雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器;柵梁、一梁托多盤桁架梁、空間網(wǎng)架梁等的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)。介紹了以塔器氣液分布器優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律、進(jìn)氣初始分布器與二次氣體分布盤的優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律、支撐裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律和多溢流塔盤全盤液體優(yōu)流模型為代表的首創(chuàng)性全塔硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律。列舉了集成創(chuàng)新技術(shù)及硬件優(yōu)化規(guī)律在兩座大型塔中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:塔器;填料;液

2、體分布器;氣體分布器;支撐梁;塔盤;煉油;乙烯1 000 萬t/ a 煉油裝置和100 萬t/ a 乙烯裝置等大型石油化工企業(yè)的建設(shè)發(fā)展,促進(jìn)了我國(guó)大型塔器技術(shù)的現(xiàn)代化。在“自主創(chuàng)新,重點(diǎn)跨越,支撐發(fā)展,引領(lǐng)未來”我國(guó)現(xiàn)代科技方針及國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)國(guó)產(chǎn)化政策的指引下,我國(guó)塔器科技工作者以原創(chuàng)技術(shù)和驕人業(yè)績(jī)展示了中華大型塔器、技術(shù)后來者居上的態(tài)勢(shì),努力實(shí)現(xiàn)大型塔器重點(diǎn)跨越的目標(biāo)。1 規(guī)整填料、格柵填料和散裝填料的技術(shù)進(jìn)展與創(chuàng)新1.1 垂直板波紋填料垂直板波紋填料經(jīng)歷了4 個(gè)發(fā)展階段或有4 種類型:單向斜波、雙向斜波、單向曲波和雙向曲波1 。1.1.1 單向斜波填料單向斜波填料的結(jié)構(gòu)特征為:單

3、向波紋、傾斜通道、斜交錯(cuò)排列,旋轉(zhuǎn)90安裝(見圖1) 。它是一種高通量、低壓降、高效的工業(yè)規(guī)整填料。以250y型為例,每米約23 塊理論板,每米填料壓降100300 pa 。圖1 單向斜波填料單向斜波填料包括mellapak、flexipac 、gempak、montzpak、ralupak 和我國(guó)的j kb 系列波紋填料(天大天久科技股份有限公司) 、sm系列波紋填料(上海化工研究院) 、sp 系列波紋填料(南京大學(xué)) 等。1.1.2 雙向斜波填料雙向斜波填料的結(jié)構(gòu)特征為:雙向波紋、傾斜通道、斜交錯(cuò)排列、旋轉(zhuǎn)90安裝(見圖2) 。它與相應(yīng)型號(hào)的單向斜波填料相比,在分離效率不變的情況下,通量可

4、提高20 %以上,壓降降低30 %以上。雙向斜波填料包括rasching super - pak、intalox structured paking 和我國(guó)的zupak、dapak (天大天久科技股份有限公司) 等。圖2 雙向斜波填料1.1.3 單向曲波填料單向曲波填料的結(jié)構(gòu)特征為:單向波紋、彎曲通道、斜交錯(cuò)排列旋轉(zhuǎn)90安裝(見圖3) 。它與相應(yīng)型號(hào)的單向斜波填料相比,在分離效率略有下降的情況下,通量可提高20 %30 %。單向曲波填料包括mellapakplus、flexipac hc、montzpak typ m等。圖3 單向曲波填料1.1.4 雙向曲波填料雙向曲波填料的結(jié)構(gòu)特征為:雙向波

5、紋、彎曲通道、斜交錯(cuò)排列旋轉(zhuǎn)90安裝(見圖4) 。它與相應(yīng)型號(hào)的單向斜波填料相比,在分離效率稍有降低的情況下,通量可提高25 %35 %。圖4 雙向曲波填料雙向曲波填料又稱作zhaopak ,是天大天久公司專利2 產(chǎn)品。與當(dāng)代同類產(chǎn)品相比,具有國(guó)際領(lǐng)先水平,是最有價(jià)值的規(guī)整填料之一。已成功地用于8 400 大型塔中。1.2 垂直格柵填料1.2.1 單向斜波格柵填料單向斜波格柵填料的代表是mellagrid ,其結(jié)構(gòu)特征是:單向光面波紋、傾斜通道、斜交錯(cuò)排列。它與相應(yīng)的水平格柵(如ef- 25a) 相比,通量更大,壓力降更低,剛度更大,體積傳熱系數(shù)略低。1.2.2 雙向斜波格柵填料雙向斜波格柵填

6、料天久格柵填料也稱zu2grid ,是天大天久公司的專有技術(shù)(見圖5) 。其結(jié)構(gòu)特征是:雙向光面波紋、傾斜通道、下端帶翻邊、斜交錯(cuò)排列。它與相應(yīng)型號(hào)(64x) 的mellagrid 格柵填料相比,通量更大,壓力降更低,剛度更大,體積傳熱系數(shù)更高(比ef- 25a 還高) 。圖5 雙向斜波填料天久格柵zugrid 64天久格柵zugrid 填料已成功地用在9 000、8 400、6 000 等多座大型塔器中。1.3 散裝填料1.3.1 增強(qiáng)型金屬矩鞍環(huán)填料金屬矩鞍環(huán)intalox 填料是一種性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛的散裝填料(見圖6) 。其美中不足是環(huán)形板條的剛度較差,當(dāng)床層較高時(shí)容易被壓扁變形。為此

7、,天大天久公司研發(fā)了一種增強(qiáng)型金屬矩鞍環(huán)專利3 產(chǎn)品,極大地提高了環(huán)形板條的剛度,其壓力降和分離效率與相同型號(hào)的intalox 填料無異。圖6 增強(qiáng)型imtp 填料增強(qiáng)矩鞍環(huán)填料已成功地用于4 900、4 800、5 200、5 400、6 200、8 800 和12 600等多座大型塔器中。2 填料塔液體分布器技術(shù)進(jìn)展、技術(shù)創(chuàng)新及優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律2.1 管式液體分布器1 2.1.1 單層排管式液體分布器該類分布器多用于小塔,在大中型塔中用作預(yù)分布管,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,布液欠均勻。雖然開變徑小孔可以改善液體分布的均勻度,但實(shí)用性欠佳。切實(shí)可行的措施是在各噴淋孔下焊接導(dǎo)液管,可有效地調(diào)整并改善一級(jí)槽內(nèi)液位

8、的水平度,并可防止沖擊氣泡。2.1.2 雙層排管式液體分布器雙層排管式液體分布器也稱作復(fù)合管式液體分布器。它是一種高彈性管式液體分布器,適用于高彈性中小塔,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。2.1.3 槽管復(fù)合式液體分布器天津大學(xué)化學(xué)工程研究所將管式液體分布器與槽式液體分布器的二級(jí)槽相復(fù)合,研制出槽管復(fù)式液體分布器4 。這也是一種高彈性液體分布器,其不足之處是抗堵塞能力較差。2.1.4 盤槽管式氣液分布器盤槽管式氣液分布器是天大天久公司的專有技術(shù)。它并非螺旋形盤管,而是塔盤或集液盤與槽式、管式液體分布器三合一,把管式液體分布器推進(jìn)到了一個(gè)新階段。它從結(jié)構(gòu)上徹底解決了管式液體分布器橫主管內(nèi)變速流靜壓頭不相同所造成的各

9、支管噴淋孔噴液量不均勻的問題,有效地提高了盤槽管式液體分布器液體分布的均勻度。2.2 槽式液體分布器帶管式預(yù)分布器的兩級(jí)槽式液體分布器在大型填料塔中應(yīng)用頗廣。縱觀其發(fā)展史,可歸納為5 個(gè)發(fā)展階段。2.2.1 填料壓圈托槽式液體分布器由于常規(guī)填料壓圈的剛度不足以支撐其上面的二級(jí)槽式液體分布器,因此當(dāng)填料床層凹凸變形時(shí),槽式液體分布器的水平度難以保證,現(xiàn)已很少采用。2.2.2 低位懸槽式液體分布器圖7 懸槽式液體分布器利用一個(gè)主梁和2 個(gè)副梁(或弧形立板) 將二級(jí)槽懸吊起來,懸離填料壓圈100300 mm ,一級(jí)槽放在二級(jí)槽上并三維限位。這樣槽式液體分布器的水平度便一勞永逸,不再受填料床層變化的影

10、響。國(guó)內(nèi)已成功地將其用于9 000、8 400、10 000 和10 200 多座大型塔器中。2.2.3 埋藏梁托槽式液體分布器這是一項(xiàng)國(guó)產(chǎn)專有技術(shù)。在某種情況下,留給槽式液體分布器的空間高度有限,不宜采用低位懸槽式液體分布器,而又不能采用填料壓圈托槽式液體分布器時(shí),埋藏梁托槽式液體分布器應(yīng)運(yùn)而生。在填料層上端,設(shè)計(jì)24 根約500 mm 高的云梯式柵梁,梁上端面齊平,云梯內(nèi)外鑲嵌填料,填料壓圈與梁上端齊平,然后將二級(jí)槽放于柵梁上即可。1998 年,天久公司將此技術(shù)首次成功地用于茂名石化公司8 400 減壓塔中。2.2.4 盤槽式氣液分布器(ptlgd) 5 盤槽式氣液分布器是天大天久公司最新

11、專利產(chǎn)品6 (見圖8) 。相對(duì)于低位懸槽式液體分布器而言,它是一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的高位懸槽式液體分布器。它是由塔盤或集液盤與二級(jí)槽式液體分布器復(fù)合而成的。取前者一個(gè)盤字,取后者一個(gè)槽字,命名為盤槽式氣液分布器。由于塔盤和集液盤是眾所周知的成熟技術(shù),二級(jí)槽式液體分布器也是成熟的廣泛應(yīng)用的技術(shù),故盤槽式氣液分布器雖鮮為人知,但卻是成熟可靠的技術(shù)。與當(dāng)代同類技術(shù)相比,該技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平,是最有價(jià)值的液體分布器之一。圖8 盤槽式氣液分布器盤槽式氣液分布器有3 種基本模式: 塔盤/ 二級(jí)槽式液體分布器相復(fù)合; 集液盤(集油箱) / 二級(jí)槽式液體分布器相復(fù)合; 遮擋式集液環(huán)(o 形、形等) / 二級(jí)槽式液體

12、分布器相復(fù)合。盤槽式氣液分布器既具有塔盤或集液盤的功能,又具有兩級(jí)槽式液體分布器的功能,其突出性能是:(1) 多功能。它既具有塔盤的傳質(zhì)傳熱、液體收集、氣體均布和側(cè)線采出功能;又具有二級(jí)槽式液體分布器的高通量、低壓降、液體溫度及濃度的混合、液體均布和液體淋降傳質(zhì)傳熱功能;還具有集油箱的液體收集、內(nèi)回流入槽或不入槽、側(cè)線采出以及外回流液體(或進(jìn)料) 穿越集油箱而直接入槽的功能。(2) 低占位。尤其是用于塔盤/ 填料復(fù)合塔結(jié)合部時(shí),其總占位高度比兩級(jí)槽式、篩孔盤式和槽盤式液體分布器的總占位高度低約115 m。(3) 用途廣。它可以用在填料/ 填料之間、塔盤/填料之間、常規(guī)塔盤/ 穿流塔盤之間,是老

13、塔改造和新塔設(shè)計(jì)不可多得的新技術(shù)。2.2.5 新聯(lián)通槽式液體分布器常規(guī)聯(lián)通槽式液體分布器難以作為集液- 再布器使用,天大天久公司研發(fā)的新聯(lián)通槽液體分布器卻打破了這一常規(guī)。該液體分布器的最大特點(diǎn)是其在塔內(nèi)的總占位高度比其他任何形式的液體分布器都低,而且可以出側(cè)線。它適用于高理論板數(shù)、多段床層的填料塔。與當(dāng)代同類技術(shù)比處于國(guó)際領(lǐng)先水平,是最有價(jià)值的液體分布器之一。2.3 盤式液體分布器1 盤式液體分布器也經(jīng)歷了4 個(gè)發(fā)展階段,或者說具有4 種基本結(jié)構(gòu)型式。2.3.1 篩孔盤式液體分布器該盤式分布器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,篩孔開在盤底部,占位高度低,抗臟堵能力較差,該產(chǎn)品歷史悠久,應(yīng)用頗廣,以美國(guó)norton 公

14、司的117 型為代表。2.3.2 溢流盤式液體分布器該分布器升氣管上端開溢流孔,占位高度也較低,抗臟堵能力強(qiáng)于篩孔盤式液體分布器。當(dāng)升氣管內(nèi)的氣體動(dòng)能因子f 410 時(shí),溢流液則被高速氣流挾帶上去。因此操作彈性較小,應(yīng)用受到限制,以美國(guó)norton 公司798 型為代表。2.3.3 列管盤式液體分布器為解決篩孔盤式液體分布器抗臟堵能力問題,盤底設(shè)有上下各伸出一定長(zhǎng)度的細(xì)管,形似列管式換熱器的管束,稱之為列管盤式液體分布器。這種液體分布器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,檢修困難。2.3.4 槽盤式氣液分布器(tplgd) 7 槽盤式氣液分布器是天大天久公司的專利8 產(chǎn)品(見圖9) ,是盤式液體分布器的最新進(jìn)展,該產(chǎn)

15、品屬國(guó)際首創(chuàng),達(dá)到當(dāng)代國(guó)際領(lǐng)先水平。已被定為國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)9 ,已推廣應(yīng)用于上千座塔中,最大塔徑達(dá)到9 000。圖9 槽盤式氣液分布器該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征為:噴淋孔和溢流孔分別開在矩形升氣管的中部上,同一垂線上的異徑孔被位于升氣管內(nèi)的導(dǎo)液管罩住。它具有優(yōu)良的綜合性能:低占位、多功能、抗堵塞、帶液停、升液位、高彈性、宜采出、適閃蒸、防漏液、耐擺動(dòng)、利傳熱、抗變形、混合良、水平恒、氣均勻、液均衡、壓降低、通量增、用途廣、投資省。其主要特性是抗堵塞,多功能和利傳熱。2.4 噴嘴式液體分布器管式、槽式和盤式液體分布器的布液狀態(tài)由多點(diǎn)分布發(fā)展到多線分布,而噴嘴式液體分布器則實(shí)現(xiàn)了液體的小粒徑面分布。噴嘴式液體

16、分布器多用于吸收塔、洗滌塔、冷卻塔、脫氣塔及蒸餾塔的換熱段、分餾段中,也可以作為穿流塔盤的液體分布器。bete公司的超大通徑抗堵塞噴嘴smp 實(shí)心圓錐形噴嘴(見圖10) 在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用,國(guó)內(nèi)已成功地用于8 800、12 600 等多座大型塔器中。圖10 bete 公司smp 型噴嘴3 填料塔進(jìn)氣初始分布器與二次氣體分布盤的技術(shù)進(jìn)展與創(chuàng)新1 3.1 進(jìn)氣初始分布器的分類按對(duì)稱性分為3 類:軸對(duì)稱類、面對(duì)稱類和不對(duì)稱類。按流型分為3 類:導(dǎo)流型、截流型和自流型。按流路分為3 類:三維流動(dòng)、二維流動(dòng)和一維流動(dòng)。按均勻度分為2 類:粗分型和精分型。3.2 進(jìn)氣初始分布器的排序初探(1) 軸對(duì)稱

17、類三維導(dǎo)流型進(jìn)氣初始分布器。如斜噴型輻散式進(jìn)氣初始分布器10 。待添加的隱藏文字內(nèi)容2(2) 軸對(duì)稱類三維復(fù)合導(dǎo)流型進(jìn)氣初始分布器。如帶復(fù)合導(dǎo)流板的逆輻散式進(jìn)氣初始分布器10 。(3) 軸對(duì)稱類二維導(dǎo)流型進(jìn)氣初始分布器。如水平噴輻散式進(jìn)氣初始分布器10 (見圖11) 和多切向式進(jìn)氣初始分布器。(4) 面對(duì)稱類三維導(dǎo)流型進(jìn)氣初始分布器。如雙列傾斜葉片式進(jìn)氣初始分布器10 。圖11 水平噴輻散式進(jìn)氣初始分布器(5) 面對(duì)稱類三維復(fù)合導(dǎo)流式進(jìn)氣初始分布器。如雙列復(fù)合葉片式進(jìn)氣初始分布器10 ,雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器10 (見圖12) 。圖12 新型雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器(6) 面對(duì)稱類二維導(dǎo)

18、流式進(jìn)氣初始分布器。如雙列葉片式進(jìn)氣初始分布器10 (見圖13) 和多徑向式進(jìn)氣初始分布器10 。此外,進(jìn)氣初始分布器還應(yīng)配置二次氣體分布盤,以實(shí)現(xiàn)兩級(jí)氣體均布。圖13 雙列葉片式進(jìn)氣初始分布器3.3 二次氣體分布盤的分類對(duì)于大型及超大型填料塔采用兩級(jí)布?xì)鉃榧选Ｈ绻f進(jìn)氣初始分布器是氣體的第一級(jí)分布,那么氣體分布盤則是氣體的第二級(jí)分布。二次氣體分布盤也可分為二類:粗分型和精分型。3.4 進(jìn)氣初始分布器與二次氣體分布盤的匹配模式進(jìn)氣初始分布器與二次氣體分布盤有4 種匹配模式,筆者推薦第1 種模式。(1) 粗分型進(jìn)氣初始分布器/ 精分型二次氣體分布盤。如三維復(fù)合導(dǎo)流式進(jìn)氣初始分布器與大孔穿流篩板或

19、角鋼塔盤的組合,已成功地用于9 000、4 900、4 800/ 5 200、5 400 和12 600 等多座大型塔中。(2) 精分型進(jìn)氣初始分布器/ 精分型二次氣體分布盤。如雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器與大孔穿流篩板的組合。(3) 精分型進(jìn)氣初始分布器/ 粗分型二次氣體分布盤。如雙切向環(huán)流式進(jìn)氣初始分布器與槽盤式集液盤的組合, 已成功地用于8 200、8 400、10 200 等多座大塔減壓塔中。(4) 粗分型進(jìn)氣初始分布器/ 粗分型二次氣體分布盤。如雙列葉片式進(jìn)氣初始分布器與槽盤式集液盤的組合。參考文獻(xiàn):1 趙汝文. 中華大型塔器技術(shù)新進(jìn)展 c/ / achemasia 會(huì)議論文. 北京:中國(guó)化工學(xué)會(huì),2004.2 天津大學(xué). 組