内弯弧型筋片扁环填料

清华大学化学工程系研究员 费维扬

 

    化工塔器在化工、石油炼制、环境保护、食品加工、医药工业等领域有着广泛的应用，它们往往是工厂中最高和最庞大的设备，对它们的技术经济指标具有决定性的影响。但是化工塔器内两相流传递现象极为复杂，往往成为制约其性能的瓶颈。为了提高化学工业、石油化工、环境工程等国家支柱产业在21世纪的竞争力和综合实力，提高分离技术在各个工业领域中的发展潜力和辐射功能，化工塔器的发展正面临着新的机遇和挑战。

 

     散装填料塔是一类重要的化工塔器。随着化学工业的发展和科学技术的进步，散装填料不断地改进，从简单的拉西环到鲍尔环、阶梯环、环矩鞍等新型填料，从瓷质到各种金属材质和塑料等，品种繁多，不胜枚举。由于散装填料结构比较简单，制造和安装比较方便，易于用多种材质制造，应用十分广泛。大量实验数据和工程经验表明,散装填料在在液-气比大的吸收和解吸操作, 高压精馏和液-液萃取的情况下, 性能优于其它类型的塔内构件。但国内外开发的一些新型填料大多是针对气液分离过程的特点而研制的, 用于液-液萃取过程等场合效果不理想。例如液-液萃取的两相密度差小, 粘度大, 过去一些使用传统填料的萃取塔性能较差。后来发展的一些搅拌萃取塔如转盘萃取塔等在大型化过程中遇到了轴向混合严重, 效率下降和易造成溶剂二次夹带而污染环境等问题。近年来一些石化企业从国外引进的Kuhni塔、Scheibal塔和大孔筛板塔性能也不尽人意。因而，有必要从两相流体力学和传质机理的研究出发，克服国外引进的多种填料的缺点，创制一种既能特别适用于液－液萃取，又能广泛用于气－液传质进程的新型填料，满足现有装置革新挖潜和消化吸收引进技术的迫切需要。

 

    QH-1型扁型填料(即内弯弧形筋片扁环填料)是清华大学根据国外化工塔器的最新进展和四化建设的迫切需要而研制的一种新型散装填料, 获国家发明专利(专利号ZL89109152.1)。内弯弧形筋片扁环填料的商品名QH-1型扁环填料。

   

 此种填料主要技术特点为:

 

    ①采用和传统填料不同的内弯弧形筋片结构, 使填料内部的流道更为合理, 促进了液滴群的分散―聚合―再分散循环, 大大提高了填料的传质效率。同时，这种结构能够提高填料的强度，避免使用可能引起液滴聚结或物料结焦的翻边。

    ②采用0.3的极低的高径比,使填料在乱堆时也能体现有序排列的特点,从而降低了填料的阻力降,有效地抑制两相的非理想流动。进一步提高处理能力和传质效率。

 

    ③可以根据体系和生产要求,采用碳钢、不锈钢、铝材、塑料和陶瓷等多种材质加工。有 16mm, 25mm, 38mm, 50mm, 75mm等多种规格。选用范围宽、设计弹性大。

 

 

      系统的实验研究和工业应用表明，内弯弧形筋片扁环填料具有优异的性能：用于液液萃取时,此填料的性能明显优于鲍尔环、Intalox等国外引进的新型填料；用于气-液传质过程时,在大液体喷淋密度下,性能也优于国外引进的鲍尔环、Intalox和Mellapak等填料。例如：

 

      ①用于低界面张力体系的液-液萃取时,此填料的性能明显优于鲍尔环、Intalox等国外引进的新型填料, 轴向混合小, 处理能力大, 传质效率提高20%以上。

 

      ②用于中等界面张力体系的液-液萃取时, 此填料的性能优于鲍尔环和Mellapak填料。

 

      ③用脉冲填料萃取塔时, 其处理能力比陶瓷拉西环大20%以上, 而传质效率比不锈钢拉西环大25%以上。

 

     ④用于气-液传质过程时, 处理能力大、阻力降小、传质效率高。在实验条件下, 性能优于国外引进的Intalox和Mellapak填料。

 

      ⑤用于环丁砜芳烃抽提时, QH-1型扁环的传质效率比从美国UOP公司引进的大孔筛板塔高40%左右, 处理能力也有所提高。

 

      ⑥用于润滑油精制, 此种填料的性能明显优于转盘塔和传统填料塔。

 

 

    目前QH-I型扁环填料已在润滑油糠醛精制和酚精制、芳烃抽提, 重芳烃反抽提、液化气脱硫、含酚废水处理、木酚萃取、汽油脱硫醇、裂解气洗涤、丙酮回收等过程的上百座工业装置的技术改造中得到了成功的应用。获得了重大的经济效益和社会效益。本技术用于新建装置，也可以提高装置的技术经济指标，有利于赶超国际先进水平。一些典型的应用实例如下表所示。以清华大学和上海炼油厂合作于93年对酚精制装置1^#塔进行了技术改造为例，采用QH-1型扁环代替原有的国外十分流行的Intalox填料，并对液体分布器等塔内构件进行了优化设计。技术改造后装置开车一次成功，塔的传质效率明显提高，溶剂比降幅达15%，精制油收率提高了2%，装置处理能力7.8%，能耗下降5.6%，装置全年开工可获得880万元的年经济效益。

 

    由于这种填料结构新颖,性能优异,推广应用效果显著,获得了1996年国家发明四等奖，国家专利发明创造金奖和多项省、部委科技进步奖。在44届布鲁塞尔世界发明博览会上，此项发明引起了国外专家的关注，获得了布鲁塞尔世界发明博览会的特别金奖。Kirk-Othmer 化工技术大全报道了此项成果。该成果也被列为国家科委95重点推广项目，已在近百座工业装置中得到了应用。