空分設(shè)備中塔器的現(xiàn)狀和展望

練 琳

(液化空氣(杭州)有限公司，浙江 杭州 311112)

1 空氣設(shè)備和塔器

空分設(shè)備就是把空氣作為原材料，通過壓縮、冷卻、干燥純化、深度冷凍等方法把空氣由氣體變?yōu)橐簯B(tài)，然后再經(jīng)過精餾的方式從液態(tài)的空氣中逐漸分離并生產(chǎn)出來氧氣、氮氣和氬氣及惰性氣體的設(shè)備。塔器就是一種將液體和氣體或者液體和液體進行傳遞的設(shè)備，按塔器結(jié)構(gòu)不同可以分為填料塔(散裝及規(guī)整填料)和板式塔這兩大類型。板式板塔的內(nèi)部設(shè)有相當數(shù)量的塔板，需要傳遞的氣體以鼓泡或者噴射的形式和塔板上的液層接觸并且進行物質(zhì)及熱量傳遞。填料塔設(shè)備的內(nèi)部裝有固定高度的充填材料，需要傳遞的液體沿著充填材料以自上向下的方向流動在填料表面產(chǎn)生液膜，氣體以由下向上的方式和液膜進行逆流接觸，以此發(fā)生物質(zhì)及熱量傳遞。這種技術(shù)經(jīng)常被應(yīng)用在蒸餾、萃取、吸水、換熱等等操作之中。

塔器在空分裝置中是核心設(shè)備，在投資和耗能方面都有很重要的地位，其中有氮水塔、空冷塔、精餾塔(塔中壓塔、低壓塔、粗氬塔、精氬塔、稀有氣體塔等)。

氮水塔的作用降低水溫。通過水同污氮氣的接觸，利用污氮氣及多余氮氣低溫和干燥度把水的溫度降低，當然后者是主要，同時減少空氣的放空量，節(jié)約了能源。殼體可以是碳鋼容器(一般使用Q235A)，也可以采用水泥結(jié)構(gòu);部分內(nèi)件使用0Cr18Ni9屬于常壓容器，頂部開口直接通大氣，存在氮氣的安全排放安全問題，要遠離操作平臺，及考慮風向影響。

空冷塔的作用冷卻從空壓機后排出的高溫空氣;原料空氣與水直接接觸，進行換熱使空氣溫度降低，空氣中有些有害的雜質(zhì)氣體，例如NH3、SO2、SO3等可以同時被洗去。通常采用單層或雙層填料塔，殼體材料為Q345R(SA516-70)，部分內(nèi)件使用0Cr18Ni9(SA240-304)，屬于壓力容器。

氮水塔及空冷塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括填料支撐、散裝填料段、氣液分配器，絲網(wǎng)除沐器等內(nèi)件組成。隨著空分裝置的大型化趨勢，空冷塔、氮水塔的直徑相應(yīng)增大，如何確保進口氣體的均勻分布、氣液分配器的氣液均勻分配和采用新型高效填料是設(shè)計的關(guān)鍵，同時要對分配器的現(xiàn)場安裝組對提出更高要求，選用高效的除沐器及如何防止空冷塔的液泛帶水是設(shè)計和操作共同關(guān)注的問題。

精餾塔分為板式塔和填料塔，為低溫容器，殼體材料有不銹鋼、鋁合金及銅。板式塔的結(jié)構(gòu)比較簡單(內(nèi)部主要由塔板組成)而且適應(yīng)性相對較強，具有造價低和易于放大的優(yōu)點，但是板式塔的效率比較低、持液量大而且壓降比較高。我國在90年代前，在空氣設(shè)備中，板式塔占有主導(dǎo)地位，經(jīng)過20～30年來，技術(shù)人員不斷對塔器進行研究和探索，加快了填料塔的開發(fā)和應(yīng)用，各種各樣的高效能填料塔發(fā)展迅速，其中波紋規(guī)整填料已普遍應(yīng)用空分裝置中的中壓塔、低壓塔、粗氬塔、精氬塔和稀有氣體塔器中。填料塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有氣液分配器、填料、填料支撐，根據(jù)精餾功能的需要分成若干填料段，相應(yīng)的分配器結(jié)構(gòu)和填料規(guī)格型號有所不同，規(guī)整填料材質(zhì)一般為鋁，為進一步確保安全性，根據(jù)介質(zhì)特性，低壓塔底部采用銅填料，稀有氣體塔中氪氙精餾塔全部采用銅填料。波紋規(guī)整填料持液率高，比表面積的大，能夠提高精餾效率，使塔阻力大大降低，有效降低能耗，并能實現(xiàn)全精餾制氬，操作范圍可達到50%～110%。雖然造價要高比板式塔高但是還是大型空氣設(shè)備優(yōu)先選擇的塔器種類。

塔器發(fā)展的要求大體就是優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和高效，滿足節(jié)能，降低成本、提高產(chǎn)品純度及提取率成為其研究的主要目標之一。隨著空氣分離設(shè)備的發(fā)展，對填料塔中關(guān)鍵部件-分配器的氣液分配均勻、效率高等要求越來越重視。在分配器的性能研究上，工業(yè)上建立了計算漏液量的模型，而且發(fā)現(xiàn)了漏液分布不均對分離效率產(chǎn)生的影響，建立了參數(shù)和分配器效率的計算方法，對分配器的改進具有很重要的幫助作用。

填料塔中的核心部件填料具有更大的開發(fā)潛力，填料應(yīng)具有盡可能多的表面積以提供液體鋪展，形成較多的氣液接觸界面，流體通過填料床層的阻力與空隙率密切相關(guān)，為了減少氣體的流動阻力，提高填料塔的允許氣速(處理能力)，填料層應(yīng)有盡可能大的空隙率。形狀理想的填料為氣液兩相提供合適的通道，氣體流動的壓降低，通量大，且液流易于鋪展成液膜，液膜的表面更新迅速。新型填料研發(fā)主要是改進散裝填料形狀、及規(guī)整填料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

新技術(shù)的應(yīng)用可使塔器的直徑和高度更合理，滿足工藝需求及負荷變化的要求，且能使使生產(chǎn)成本降低。

2 空氣設(shè)備中塔器的展望

填料塔往后可能會從兩個不同的方面得到一定的發(fā)展，第一個方向是不斷的開發(fā)和應(yīng)用更簡單并且更高效的填充材料，也就是沿著理想的塔器填充才料的方向發(fā)展，而所謂的理想的塔器填充才料就是要求傳遞物質(zhì)的效率提高、分離能力變大、壓降降低而且成本降低;第二就是塔內(nèi)件，這是讓填充材料的塔器放大的最大關(guān)鍵之一，空氣設(shè)備的塔器發(fā)展方向應(yīng)該是開發(fā)研究高效和先進的與填料匹配度高且壓降很低的氣液分布系統(tǒng)，另外往后在填充材料和塔內(nèi)件的開發(fā)上，塔器的設(shè)計制造和推廣應(yīng)用將會結(jié)成一體而且形成一套完整的體系，而且在有些方面要針對某些不尋常的工藝作品需要，開發(fā)出一些特別結(jié)構(gòu)的塔器設(shè)備，比如受到人民們廣泛青睞的填充材料和塔板相結(jié)合的一種復(fù)合塔板。在板式塔和填料塔的競爭里，填料塔可以有效改造舊式的塔器而且可以有效的進行真空蒸餾，但是就新的高壓蒸餾來說，板式塔還是有其獨特的性能的，所以在空氣設(shè)備中，塔器的發(fā)展將長期處于一種板式塔和填料塔共同存在競爭的局面。

3 結(jié)語

對空氣設(shè)備中塔器的探索和改善對空氣設(shè)備有很重要的意義，廣大的學者們還要繼續(xù)努力。