淺談氟化工中填料塔及其附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)

吳 建，葉文華，陳 鋼

（中化藍(lán)天氟材料有限公司，浙江 紹興 312369）

0 概述

板式塔為逐級(jí)接觸式設(shè)備，主要類型包括泡罩塔、篩板塔、浮閥塔等。板式塔發(fā)展歷史悠久，最早是于1813年提出的泡罩塔[8-10]。板式塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于放大，在20世紀(jì)70年代以前一直作為主要的化工分離設(shè)備。但是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，板式塔存在分離效率低、壓降高、持液量大等缺陷。尤其在20世紀(jì)70年代后，由于工業(yè)化進(jìn)程加快，能源危機(jī)凸顯[11-12]。此時(shí)，對(duì)于產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量都有了更高的要求，因此對(duì)于分離設(shè)備的要求也更為嚴(yán)格。由于板式塔的上述不足，使得填料塔在這一時(shí)期異軍突起。在分離難分離物系時(shí)，諸如具有腐蝕性或熱敏性物系時(shí)，填料塔的分離效率更高。同時(shí)，相較于板式塔，塔填料更換方便，選材更廣，也越來越多得到相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注[13]。

氟化工企業(yè)一般都是以氯代烷烴或氯代烯烴等為原料，在催化劑的作用下與氟化氫進(jìn)行加成或取代反應(yīng)，然后反應(yīng)氣經(jīng)洗滌、冷卻、壓縮、精餾等工序得到最終產(chǎn)品。系統(tǒng)中通常都含有氟化氫、氯化氫、氯氣等強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)，因此洗滌之前的物料氣一般都是選用填料塔進(jìn)行分離。而對(duì)于產(chǎn)品精餾工序來說，雖然需分離的物質(zhì)既沒有腐蝕性也比較穩(wěn)定，但由于氟化工產(chǎn)品的噸位一般都不大，用板式塔不經(jīng)濟(jì)，因此也通常采用填料塔。本文主要闡述填料塔在氟化工中的應(yīng)用及注意事項(xiàng)。

某公司的精餾塔基本采用填料塔，操作壓力為常壓、加壓、負(fù)壓三種，其中絕大多數(shù)為加壓精餾。塔釜形式有夾套式、固定管板式、熱虹吸式三種，冷凝器基本采用列管式冷凝器。精餾塔基本情況如表1所示。

1 填料的設(shè)計(jì)

填料塔主要構(gòu)成包括筒體、塔內(nèi)件和填料三部分。其中筒體的作用是為塔填料裝填提供場(chǎng)所，塔內(nèi)件的作用主要是用于固定填料，并使氣液流體分布更為均勻，避免壁流，而填料則是填料塔的核心構(gòu)件，一方面為氣液兩相提供了傳質(zhì)及傳熱的場(chǎng)所，另一方面也為兩相的流動(dòng)規(guī)定了固定的流道。

塔填料主要分為兩種:散堆填料和規(guī)整填料。兩種填料各有其特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)選取[6-7]。

表1 某公司精餾塔形式匯總

1.1 散堆填料

散堆填料，是一種幾何尺寸小、在填料塔內(nèi)以亂堆方式裝填的填料，因此也可稱之為顆粒型填料。散裝填料主要有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)及矩鞍環(huán)等。散堆填料具有抗堵、易加工等優(yōu)點(diǎn)，但傳質(zhì)效率低；在分離效率要求不高或含少量固體精餾分離可選用散堆填料[14-15]。表2是一些散堆填料的特點(diǎn)。

表2 散堆填料的特點(diǎn)

1.2 規(guī)整填料

規(guī)整填料有著規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)，通常整塊地堆砌在填料塔內(nèi)，這樣的規(guī)整結(jié)構(gòu)規(guī)定了氣液兩相在填料內(nèi)的流動(dòng)通道，可有效降低由于溝流和壁流而產(chǎn)生的壓力降，并且規(guī)整填料也完美解決了傳統(tǒng)填料通量小的問題，傳質(zhì)效率高，能耗小[16-17]，諸多的優(yōu)點(diǎn)使規(guī)整填料一出現(xiàn)就受到極力追捧，在一些分離要求高、真空蒸餾、熱敏感分離過程都有著較為廣泛的應(yīng)用[18-20]。主要包括波紋填料、格柵填料等。表3是兩種規(guī)整填料的特點(diǎn)。

1）扭轉(zhuǎn)沖擊工具可將流體的液壓能轉(zhuǎn)換成周向的、高頻的機(jī)械能，用于給鉆頭施加周期性的低幅高頻扭轉(zhuǎn)沖擊，能對(duì)鉆頭施加高效的破巖扭矩，大幅減小或消除鉆頭的黏滑振動(dòng)。

表3 規(guī)整填料的特點(diǎn)

填料選擇應(yīng)該注意以下三點(diǎn):

（1）填料選擇過程中需要考慮填料表面最小潤(rùn)濕速率，一般可查取經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中采用的液體噴淋密度應(yīng)大于最小噴淋密度。

（2）填料支承板的自由流動(dòng)凈截面積應(yīng)該在塔截面積的65%以上（甚至更高），并大于填料本身的自由截面積。

（3）規(guī)整填料采購(gòu)時(shí)一般建議填料外徑比塔內(nèi)徑小3 mm左右，便于安裝，又不易形成壁流。

2 塔釜再沸器的設(shè)計(jì)

填料塔塔釜再沸器形式一般為夾套式、固定管板式、熱虹吸式三種形式。表3是三種再沸器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比[21-23]。

表3 塔釜再沸器優(yōu)缺點(diǎn)

在進(jìn)行再沸器的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下五點(diǎn):

（1）熱虹吸式再沸器設(shè)計(jì)安裝時(shí)要確保處于滿液狀態(tài)，提升換熱效率，避免界面腐蝕。

（2）固定管板式再沸器溫差大于40℃應(yīng)設(shè)置膨脹節(jié)。

（3）塔釜換熱面積選取一般比理論值大2～3倍，選擇固定管板式塔釜，塔釜外側(cè)留有夾套。在精餾非高溫物料時(shí)，外夾套可利用余熱同步加熱，降低塔釜熱負(fù)荷。

（4）塔釜泵宜與塔釜留有一定距離的安裝高度，以避免虹吸的發(fā)生，提高運(yùn)行穩(wěn)定性。

（5）對(duì)于多用途填料塔釜加熱方式設(shè)計(jì)，可采用熱水、蒸汽切換使用的設(shè)計(jì)方式。

3 塔頂冷凝器的設(shè)計(jì)

塔頂冷凝器一般可采用列管式換熱器、螺旋板式換熱器，某公司分餾塔頂冷凝器基本采用列管式換熱器。塔頂冷凝器冷熱媒流向設(shè)計(jì)宜采用逆流換熱，其具有提高效率、節(jié)能降耗、提高設(shè)備使用穩(wěn)定性、減少設(shè)備投資等優(yōu)點(diǎn)，在相同的傳熱系數(shù)下，逆流比順流所需換熱面積可下降20%以上[24-26]。

塔頂冷凝器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):

（1）列管式換熱器一般需要配套不凝性氣體排放工藝，不凝性氣體收集口需在換熱器的最頂端，最好比換熱介質(zhì)進(jìn)口位置略高。

（2）冷凝器冷媒選擇上進(jìn)側(cè)出、上進(jìn)下出、側(cè)進(jìn)下出方式時(shí)，要求流量控制調(diào)節(jié)閥（包括氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥組）安裝在換熱器的出口管路上，同時(shí)出口管路有比設(shè)備高的液封管。

（3）換熱器熱交換的兩種介質(zhì)通道選擇也有一定要求，一般情況下，易結(jié)垢易堵塞的介質(zhì)最好選擇在易清洗的一側(cè)；另外，還需根據(jù)工藝特點(diǎn)，最好把易結(jié)垢易堵塞介質(zhì)的工藝管路配為上進(jìn)下出或側(cè)進(jìn)下出，使其具有自沖刷、自清理等作用。

（4）冷凝器氣相進(jìn)口設(shè)計(jì)大口徑，塔頂進(jìn)氣口類似，以降低阻力。

（5）臥式冷凝器設(shè)備放置時(shí)宜向冷凝液出口方向下傾2～4度；回流管也有一定要求——設(shè)備本體冷凝液出口至塔體回流接口之間的管路，宜比回流管徑大2～3倍，塔體回流接口以下位置的管路，再變徑至正常直徑 。

（6）臥式冷凝器冷凝液出口接管宜設(shè)置高度差，避免在冷凝器內(nèi)積液。

（7）冷凝器殼體與管壁溫差一般要小于40℃，大于40℃應(yīng)設(shè)置膨脹節(jié)。

（8）由于污垢層導(dǎo)熱系數(shù)小，熱阻較大，根據(jù)污垢層厚度與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，對(duì)冷卻效果要求較高的設(shè)備，列管冷凝器封頭設(shè)計(jì)成可拆卸式，便于列管清洗。

（9）塔頂冷凝器設(shè)計(jì)如需要兩種以上冷媒，不同冷媒間的切換閥門采用三閥控制設(shè)計(jì)。

4 總結(jié)

本文淺談了氟化工中精餾塔及其附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，望能對(duì)氟化工企業(yè)精餾塔及其附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型有一定的指導(dǎo)作用，同時(shí)對(duì)實(shí)際出現(xiàn)的問題也有一定參考價(jià)值。