新型精馏塔填料、塔内件的开发应用

2020-01-12崔晓慧赵亚南

化工设计通讯 2020年8期

崔晓慧，赵亚南

（1.山东省医药工业设计院，山东济南 250100；2.汇智工程科技股份有限公司，山东济南 250100)

化工生产是一项复杂工作，实际生产作业具有高事故率和独特性等特点。若在生产期间发生事故，会造成严重后果。因此，在化工生产期间，要想实现全程合理控制，要采取合理措施进行处理，同时，还要从实际情况出发，加强对新型精馏塔填料、塔内件的开发，通过合理方式对其进行应用。

1 精馏塔定义

蒸馏塔是一种用于精馏的塔式汽液接触装置，分为填料塔和板式塔两种不同类型。依据操作方式上的差别，可以分为间歇精馏塔和连续精馏塔两种不同类型。一般来说，蒸汽会从塔的底部进入到塔内，而蒸发气相会与下降的液体接触，两项接触中下降液中易挥发分会不断朝着气相方向转移，气相中难挥发分会不断向下降的液相中转移[1]。从实际生产情况来看，越接近塔顶气相，易挥发的组分浓度也就越高，而下降液接近塔底，则会富集大量的难以挥发的组分，进而实现分离不同组分的目的。塔顶上升气相会进入到冷凝器中，部分冷凝液体会回流到塔顶，重新进入精馏塔中，其余部分将成为馏出液，最终会被采出。从塔底流出的一部分液体会被再送到再沸器中，对其进行再次加热，形成蒸发相，进而返回到塔中，而其余部分液体则被当残液取出[2]。此外，在对简单蒸馏进行分析基础上，比较和引申了精馏操作原理以及相应方法，掌握简单蒸馏和精馏两者间的区别，从而促进我国化工行业的发展。

2 网孔波纹填料

二十世纪八十年代，我国具有公司生产了SW型网孔波纹填料，该类型填料在具体应用期间的优点主要体现在以下几个方面：

1）提升了精馏塔内不同液体之间的分离效率，气体通量与丝网填料相比，前者要大很多。

2）其强度与丝网填料相比，要高很多，能够满足不同工况精馏塔应用需求。

3）针对介质不同的化工液体来说，可以采取不同类型的抗腐蚀金属板材，使精馏塔内件的使用寿命得到延长，解决精馏塔内件在应用期间遇到的易损害、易腐蚀、寿命短等各种问题。

大量的实际经验表明，在规格相同的一层精馏塔中，与压孔填料和孔板填料相比，采用网孔波纹填料能源消耗量能够减少约30%，在精馏塔中对网孔波纹填料进行应用，能够使精馏塔在运行期间的蒸馏效率提升约30%，而蒸汽能源消耗量减少约30%。此外，在设计精馏塔时，对塔直径、塔高都可以依据网孔填料的性能完成相应设计，依据实际情况，完成相应的计算及设计，从而减少精馏塔制造时的原材料消耗量，而且也使精馏塔在应用期间的分离效率得到了进一步提升。

3 精馏塔内件再分布器

精馏塔内液体再分布器的种类有很多，常的类型有通气管式、槽式、盘式等。盘式、槽式是通气量较大的两种类型，其经常被应用。从实际情况来看，在精馏塔内无论选择何种类型的分布器，都要解决下列几项技术问题：

1）避免精馏塔内出现气体偏流情况。

2）避免精馏塔内液体出现塔壁流情况。

3）避免塔内出现气流死角，以及部分区域不存液情况。

在对精馏塔进行应用时，为了使上述各项技术问题得到解决，研发了托盘式液体收集再分布器，在槽式再分布器的基础上加以改良和优化，其具有槽盘式分布器在应用期间的各项优点，同时在塔壁周围设置了气体通道，使沿塔壁一圈填料层内的气液得到了充分交换。该方法解决了精馏塔壁流现象，提高了精馏塔在使用期间的分离效率，减少了塔壁温差，确保了精馏塔内温度平稳，不会出现突发改变，保证了气液体平衡稳定。为了能够更好地将托盘式再分布器应用到具有入口的塔器中，相关工作人员开发了分块托盘式再分布器，该类型的再分布器连接方式独特、牢固，在高温环境下，不会发生严重变形，而且安装起来十分简单。在精馏塔内，能够通过再分布器调节塔内压差，通过塔内压差梯度变化，可以使塔内气体的整体分布变得更加均匀，从而获取最佳状态，进而确保精馏塔在运行时的高效性、节能性，使精馏塔能够满足应用需求，确保化工企业生产作业的顺利进行。

4 精馏塔的分类

4.1 依据材料类型进行精馏塔分类

依据材料类型的不同，精馏塔可分为不锈钢精馏塔、石英玻璃精馏塔、不锈钢聚四氟塑料衬里精馏塔等类型。石英玻璃精馏塔指的是利用石英玻璃材料制造而成的精馏塔，石英玻璃材料在实际应用期间具有良好的耐腐蚀性。通过对石英精馏塔精馏提纯四氯化硅或三氯氢硅的研究发现，使用石英材质的设备不会造成严重污染，通过对其进行应用，可以完成对产品的提纯，最终能够获取高精纯的产品。也正是因为如此，我国在生产电子材料期间，加强了对石英玻璃筛板塔的应用，并且从具体应用情况来看，也取得了不错的应用效果。

近几年，我国电子工业得到了快速发展，人们对硅材料的需求不断增多，这也加大了硅材料生产量，这就对精馏塔设备材料提出了更高的要求，只有性能良好的精馏塔才能满足生产需求。石英玻璃自身性质十分脆弱，这对其应用造成了一定限制，主要应用在小型精馏塔中，目前无法满足工业大规模生产需求，因此，石英玻璃被高纯度不锈钢取代，而且从具体应用情况来看，也取得了不错效果。为了解决不锈钢精馏塔在应用期间容易污染被提纯物这一缺点，研制出了不锈钢聚四氟塑料衬里精馏塔。从实际情况应用来看，聚四氟塑料对三氯氢硅或四氯化硅的沾污与不锈钢相比更少，能够大幅度提高产品纯度，进而使精馏产品质量能够得到进一步提升，满足应用需求。

4.2 依据构造不同进行分类

4.2.1 填料塔

填料塔指的是将填料放置在塔柱中间的精馏塔。在填料塔中，气体从塔底进入塔内，然后气体向上流动，塔顶回流的液体向下流动，气液两相在填料层进行传质接触。可见，填料性能和质量十分重要。从实际生产情况来看，填料比面积越大越好，对气体的阻力则是越小越好，同时，填料要具有足够的化学稳定性和强度。在生产多晶硅时，常用的填料都是由四氟塑料或不锈钢制造而成的。采用细薄壁石英玻璃管可以制作更适合多晶硅生产的填料。石英玻璃填料阻力小、表面大、化学稳定性强，而且强度能够满足应用需求。石英玻璃就是硅材料制作而成的，因此，在生产中对其进行应用，不会沾污三氯氢硅或四氯化硅。

4.2.2 板式塔

板式塔主要分为舌形塔、筛板塔等多种类型，但是，在生产多晶硅中，常用板式塔为筛板塔。在采用筛板塔进行生产时，塔内回流液体会向下流动，筛板塔会起到一定阻挡作用，此时，在筛板上会形成液体层；从塔底进入到塔内的气体，会不断向上流动，气体经过筛孔进入到液体层中鼓泡，在筛板上气液相会充分接触。筛板上液层厚度受降液管控制，当液层厚度大于降液管高度时，液体会降落到下层塔板，进而使液体层厚度能够保持相对稳定状态，确保生产作业顺利进行。