空分设备中塔器的现状和展望

2013-08-15练琳

河南科技 2013年10期

练琳

(液化空气(杭州)有限公司，浙江杭州 311112)

1 空气设备和塔器

空分设备就是把空气作为原材料，通过压缩、冷却、干燥纯化、深度冷冻等方法把空气由气体变为液态，然后再经过精馏的方式从液态的空气中逐渐分离并生产出来氧气、氮气和氩气及惰性气体的设备。塔器就是一种将液体和气体或者液体和液体进行传递的设备，按塔器结构不同可以分为填料塔(散装及规整填料)和板式塔这两大类型。板式板塔的内部设有相当数量的塔板，需要传递的气体以鼓泡或者喷射的形式和塔板上的液层接触并且进行物质及热量传递。填料塔设备的内部装有固定高度的充填材料，需要传递的液体沿着充填材料以自上向下的方向流动在填料表面产生液膜，气体以由下向上的方式和液膜进行逆流接触，以此发生物质及热量传递。这种技术经常被应用在蒸馏、萃取、吸水、换热等等操作之中。

塔器在空分装置中是核心设备，在投资和耗能方面都有很重要的地位，其中有氮水塔、空冷塔、精馏塔(塔中压塔、低压塔、粗氩塔、精氩塔、稀有气体塔等)。

氮水塔的作用降低水温。通过水同污氮气的接触，利用污氮气及多余氮气低温和干燥度把水的温度降低，当然后者是主要，同时减少空气的放空量，节约了能源。壳体可以是碳钢容器(一般使用Q235A)，也可以采用水泥结构;部分内件使用0Cr18Ni9属于常压容器，顶部开口直接通大气，存在氮气的安全排放安全问题，要远离操作平台，及考虑风向影响。

空冷塔的作用冷却从空压机后排出的高温空气;原料空气与水直接接触，进行换热使空气温度降低，空气中有些有害的杂质气体，例如NH3、SO2、SO3等可以同时被洗去。通常采用单层或双层填料塔，壳体材料为Q345R(SA516-70)，部分内件使用0Cr18Ni9(SA240-304)，属于压力容器。

氮水塔及空冷塔内部结构包括填料支撑、散装填料段、气液分配器，丝网除沐器等内件组成。随着空分装置的大型化趋势，空冷塔、氮水塔的直径相应增大，如何确保进口气体的均匀分布、气液分配器的气液均匀分配和采用新型高效填料是设计的关键，同时要对分配器的现场安装组对提出更高要求，选用高效的除沐器及如何防止空冷塔的液泛带水是设计和操作共同关注的问题。

精馏塔分为板式塔和填料塔，为低温容器，壳体材料有不锈钢、铝合金及铜。板式塔的结构比较简单(内部主要由塔板组成)而且适应性相对较强，具有造价低和易于放大的优点，但是板式塔的效率比较低、持液量大而且压降比较高。我国在90年代前，在空气设备中，板式塔占有主导地位，经过20～30年来，技术人员不断对塔器进行研究和探索，加快了填料塔的开发和应用，各种各样的高效能填料塔发展迅速，其中波纹规整填料已普遍应用空分装置中的中压塔、低压塔、粗氩塔、精氩塔和稀有气体塔器中。填料塔的内部结构有气液分配器、填料、填料支撑，根据精馏功能的需要分成若干填料段，相应的分配器结构和填料规格型号有所不同，规整填料材质一般为铝，为进一步确保安全性，根据介质特性，低压塔底部采用铜填料，稀有气体塔中氪氙精馏塔全部采用铜填料。波纹规整填料持液率高，比表面积的大，能够提高精馏效率，使塔阻力大大降低，有效降低能耗，并能实现全精馏制氩，操作范围可达到50%～110%。虽然造价要高比板式塔高但是还是大型空气设备优先选择的塔器种类。

塔器发展的要求大体就是优质、节能和高效，满足节能，降低成本、提高产品纯度及提取率成为其研究的主要目标之一。随着空气分离设备的发展，对填料塔中关键部件-分配器的气液分配均匀、效率高等要求越来越重视。在分配器的性能研究上，工业上建立了计算漏液量的模型，而且发现了漏液分布不均对分离效率产生的影响，建立了参数和分配器效率的计算方法，对分配器的改进具有很重要的帮助作用。

填料塔中的核心部件填料具有更大的开发潜力，填料应具有尽可能多的表面积以提供液体铺展，形成较多的气液接触界面，流体通过填料床层的阻力与空隙率密切相关，为了减少气体的流动阻力，提高填料塔的允许气速(处理能力)，填料层应有尽可能大的空隙率。形状理想的填料为气液两相提供合适的通道，气体流动的压降低，通量大，且液流易于铺展成液膜，液膜的表面更新迅速。新型填料研发主要是改进散装填料形状、及规整填料的内部结构。

新技术的应用可使塔器的直径和高度更合理，满足工艺需求及负荷变化的要求，且能使使生产成本降低。

2 空气设备中塔器的展望

填料塔往后可能会从两个不同的方面得到一定的发展，第一个方向是不断的开发和应用更简单并且更高效的填充材料，也就是沿着理想的塔器填充才料的方向发展，而所谓的理想的塔器填充才料就是要求传递物质的效率提高、分离能力变大、压降降低而且成本降低;第二就是塔内件，这是让填充材料的塔器放大的最大关键之一，空气设备的塔器发展方向应该是开发研究高效和先进的与填料匹配度高且压降很低的气液分布系统，另外往后在填充材料和塔内件的开发上，塔器的设计制造和推广应用将会结成一体而且形成一套完整的体系，而且在有些方面要针对某些不寻常的工艺作品需要，开发出一些特别结构的塔器设备，比如受到人民们广泛青睐的填充材料和塔板相结合的一种复合塔板。在板式塔和填料塔的竞争里，填料塔可以有效改造旧式的塔器而且可以有效的进行真空蒸馏，但是就新的高压蒸馏来说，板式塔还是有其独特的性能的，所以在空气设备中，塔器的发展将长期处于一种板式塔和填料塔共同存在竞争的局面。