金属丝网波纹填料的性能研究

研究与开发(334~337)
金属丝网波纹填料的性能研究
李亚军,林泰明
(中国石油兰州石化公司化工研究院,甘肃兰州730060)
摘要:分别对BX 型、1700X 型金属丝网波纹填料进行流体力学性能和分离性能测试。

结果表明,2种填料的分离能力均较高,BX 型填料通过能力大,操作范围宽,1700X 型填料只适合在低负荷下使用。

关键词:丝网填料;性能;分离能力中图分类号:TQ051.8+
1
文献标识码:B 文章编号:1009-0045(2000)06-0334-04
近年来,无论是板式塔还是填料塔,都在迅
速发展,新型塔板、新型填料竟相涌现,向节能、高效和大型化发展,并在工业生产中取得了很好的应用效果。

国际著名蒸馏专家K.E.Porter 教授曾指出:近15年来,在蒸馏和吸收领域中,最突出的变化是新型填料,特别是规整填料在大直径塔中开始广泛应用,这标志着塔填料、塔内件以及填料塔的综合设计技术进入了一个新阶段
[1]。

目前,规整填料在工业生产中应用较多的是用各种材质制成的波纹填料。

金属丝网波纹填料是60年代由瑞士苏尔寿(Sulzer)公司开发的一种规整填料。

它由若干平行的金属丝网冲压成波纹网片,并垂直叠合组装成盘状填料构成整装的填料单元。

由于它具有良好的分离性能和高的通过能力,且只要设计合理,几乎可以消除放大效应
[2]。

该类型的填料被
广泛地应用于难分离系统的精密蒸馏中,其作为低压降下具有高传质效率的装置而倍受青睐。

金属丝网波纹填料按波纹倾角的不同,可分为X 型和Y 型2种类型,前者波纹倾角为30 ,后者为45 。

填料结构形状的不同,造成填料性能的差异。

由于填料性能对填料塔传质性能的好坏、负荷的大小、操作是否稳定及应用范围有很大的影响,因而苏尔寿公司在开发此填料过程中,进行了大量的填料性能试验,且发表有较完整的填料性能数据,可供设计计算时参考采用。

目前国内各厂所产填料的规格,大都与苏尔寿公司的规格类似,虽也有各自生产的填料的特性数据
[2]
,但仔细比较就会发现,各厂所列的填料结
构尺寸和特性差别不大,且与苏尔寿数据极为相
似。

因此,采用类似工业生产条件对这类填料进行性能测试,对于推动这些高效填料的工业应用很有实际意义。

1 试验部分
1.1 试验流程
试验所用的设备和流程,采用某示范生产装置的一个溶剂回收蒸馏塔。

此设备已在示范生产装置的试验研究中正常运转多时,且被证明其数据完全符合设计要求,操作稳定可靠。

试验流程如图1所示。

图1 试验流程简图
1-加料泵;2-转子流量计;3-进料预热器;4-填料塔;
5-冷凝器;6-回流比调节器;7-再沸器
收稿日期:2000-04-17;修回日期:2000-09-28
作者简介:李亚军(1969-),女,山东巨野人,硕士,工程师。

第18卷 第6期
2000年12月
石化技术与应用Petrochemical T echnology &Application
Vol.18 No.6
Dec.2000
主要设备是直径为150mm的填料塔,塔内精馏段和提馏段均装有试验用的金属丝网波纹填料;进料口和液体回流入塔处均装有液体分布器;塔顶和塔釜有测温点、测压点和取样点,供测取数据和取样用。

1.2 试验物系
试验选用的物系为甲醇 水系统,即由甲醇和水配成的一定质量分数(50%~65%)的醇 水溶液。

甲醇为兰州石化公司化肥厂产品,优级纯,符合GB338-92的要求,含水量小于0.05%。

二级脱盐水由兰州石化公司石油化工厂提供,符合二级脱盐水的质量要求。

1.3 分析方法
原料和塔顶产品的分析,采用GB6283规定的方法,即卡尔费休测定样品中的水含量的通用方法。

塔釜出料液的分析,采用气相色谱法。

2 结果与讨论
试验采用2种丝网波纹填料,一种是BX型填料,此填料已在示范生产装置上经过较长时间运转;另一种是深圳某科技公司新开发的1700X 型高精度丝网波纹填料,该公司认为此填料有更高的分离效率,适于理论板数特高的场合应用。

对以上2种填料分别进行了测试实验。

2.1 BX型金属丝网波纹填料测试
BX型金属丝网波纹填料由天津大学填料厂生产,该填料的结构尺寸列于表1。

表1 BX填料的结构尺寸
结构名称
波峰高/mm
数值
6 3
结构名称
比表面积/m2 m-3
数值
500
波距/mm10.2当量直径/mm7.5
边长/mm8.11网片开孔孔径/mm3
齿形角/( )78开孔排列正三角形
波纹倾角/( )30孔间距/mm10
空隙率/%95开孔率/%8.16
堆积密度/kg m-3140材质不锈钢该填料的装填高度为:下部提馏段2.5m,上部精馏段2.8m,填料层总高度5.3m。

试验是在连续操作下进行的,改变进料量、回流比和操作气速等条件,以考察填料和操作性能,试验结果列于表2。

表2 BX型填料试验结果
进料量/kg h-1塔顶采出量
/kg h-1
回流比
塔顶温度
/
塔釜温度
/
塔顶压力
/kPa
塔釜压力
/kPa
全塔压降
/kPa
F因子
/m[s(kg/m3)0.5]-1
31.0117.76367.094.884.4684.720.26 1.216 31.0117.79467.494.884.4684.780.32 1.531 45.6027.24367.594.984.4684.830.37 1.787 27.3615.43668.094.884.4684.850.39 1.938 45.6022.97570.094.584.4685.180.72 2.609
从表2数据可以看出,B X填料的操作压降很小,在很宽的范围内操作,塔的工艺条件平稳,即使F因子达2.6以上,塔压降的增加幅度也很小,都属于可以平稳操作的范围。

经测定进料质量分数、塔顶和塔釜产物的组成后,用计算机进行逐板模拟计算,拟合出在不同操作条件下各组数据的理论板数见表3。

从表3可知,B X型填料的分离效率较高,每米填料所具有的理论板数为2.88~ 4.81。

随气、液负荷的增加,每米填料具有的理论板数呈下降趋势,但
表3 BX型填料分离能力计算结果
项目1#2#3#4#5# F因子
/m[s(kg/m3)0.5]-1
1.216 1.531 1.787 1.938
2.609液相负荷/m3 h-1
3.634
4.843
5.573
6.315
7.834每米填料理论板数/块 4.81 4.43 4.23 3.86 2.88每米填料压降/kPa m-10.0490.0600.0700.0740.135下降幅度不大,这与表1数据基本吻合。

图2、图3为BX型填料的测试性能图。

335
第6期 李亚军等 金属丝网波纹填料的性能研究
图2 BX 型填料每米理论板数图3 BX 型填料压降
2.2 1700X 型金属丝网波纹填料测试
1700X 型金属丝网波纹填料的特性数据如表4所示。

从外形结构分析,此填料波峰低,空隙率
小。

由于尚未见到过有关该种填料的测试数据和用于工业生产的报道,因此,此填料的分离能力、通过能力、压降及持液量等均值得考查。

表4 1700X 型填料的特性数据
填料型号比表面积/m 2 m -3空隙率/%堆积密度/kg m -3
F 因子/m[s (kg/m 3)0.5]-1
液体负荷/m 3 h -1压力降Pa m -1理论板数/块1700X 1700755950.80.2~20399.96251700X
1700
75
595
0.3
0.2~20
133.32
50
1700X 型填料的精馏测试试验在与BX 填料试验条件大体相同的条件下进行,目的是使二者具有可比性。

考虑到1700X 型填料的分离效率
可能较高,故填料层的填充高度较低,精馏段和提馏段均填充2m 。

1700X 型填料的试验结果列于表5。

表5 1700X 型填料试验结果
进料量/kg h -1塔顶采出量/kg h -1
回流比塔顶温度/
塔釜温度/
塔顶压力/kPa
塔釜压力/kPa
全塔压降/kPa
26.6420.040.86896.084.4685.50 1.0432.8020.50 2.06895.084.4685.79 1.3327.3016.32 3.06794.084.4686.06 1.6058.7032.600.96895.084.4686.92 2.4646.80
28.30
2.0
69
95.0
84.46
88.82
4.36
根据所测数据,用计算机软件进行数据整理,拟合出与塔顶塔釜质量分数和温度相对应时的全塔理论板数,其结果列于表6。

表6 1700X 型填料的分离能力计算结果
项目1#
2#
3#
4#
5#
F 因子
/m[s (kg/m 3)0.5]-10.6180.927 1.150 1.469 1.789液体负荷/m 3 h -1 1.097 2.797 3.458 4.502 5.011每米填料理论板数/块9.0
8.5
8.0
6.3
3.0
每米填料压降/kPa m -1
0.2600.3330.4000.615 1.090
从表5、表6可以看出,1700X 型填料每米理论板数达9块,约为BX 填料的2倍。

从表中数据可以看出,1700X 型填料的操作数据波动很大,且压降大,这与实际操作情况是符合的。

图4、图5为1700X 型填料的测试性能图。

在实际操作中,1700X 型填料在长周期下稳定操作是很困难的,常常是操作10~12h 后,塔的压降逐渐上升,塔内持液量逐渐增加。

例如,在F 因子为0.93,经过16h 操作后,收集塔内的动持液量,其值达0.48m 3
(以1m 3
填料计),可见持液量大是1700X 型填料的一个显著特点,也是
336
石 化 技 术 与 应 用 第18卷
图4 1700X
型填料每米理论板数
图5 1700X 型填料压降
塔操作条件不易稳定的主要原因。

持液量大,说明液体内存多,液体在填料层中的停留时间长,填料层中建立正常、稳定的质量分数和温度梯度分布的平衡时间长,不利于塔的平衡操作,调节控制也不灵敏,还增加了开工过程的时间和能耗,这是该填料的一个缺点。

根据实验情况分析,1700X 填料在F 因子为0.93时,即进入载液区。

有关文献认为[3]:填料操作在载液区是个渐近的过程,因此载点的准确确定是不太容易的,它可以存在一个区域,一般应用上可以近似地取压降为0.399kPa/m 的点为载点。

据此,表6中第3组数据就应是该填料的
载点了。

1700X 型填料虽有较高的分离能力,但
因其不易稳定操作,持液量太多,通过能力不高,故使其工业应用受到一定限制。

由于金属丝网波纹填料性能的好坏,不仅决定于它的型式,还决定于它选用的材料结构和规格,例如丝网的粗细度、丝网的目数、制作波纹的峰高、丝网波纹片的打孔与否等等。

丝网波纹填
料之所以有高的效率,关键在于它可以通过细小的金属丝的毛细作用,使填料表面润湿良好。

特别是片中开孔,已被证实有增加气液接触、增加横向混和的作用,因此1700X 型填料要实现工业应用,尚须进行改进。

3 结论
a.在工业示范装置上进行了BX 型和1700X 型丝网波纹填料的测试试验,证明这2种填料的分离能力均较高。

b.BX 型填料的操作范围很宽,通过能力大,操作非常稳定,确属通用型填料。

c.1700X 型填料,可能因结构原因,通过能力较低,操作不易稳定下来,持液量大,压降高,使其工业应用受到一定地限制,只适合于低负荷下应用。

参考文献:
[1]袁孝竟.塔器技术的最新进展[J ].石油化工设计.1994,11
(4):1.
[2]中国化工装备总公司,上海工程技术大学.塔填料产品及技
术手册[M] 北京:化学工业出版社,1995.
[3]PERRY R H.Chemical Engineers Handbook [M ].Ne w York:Me
Graw-Hill,1984.
Study on characters of ripple screen packing
LI Ya-jun,LI N Tai-ming
(Chemical Research Institute o f Lanzhou Petrochemical Co rporation,C NPC,Lanzhou,730060,China)Abstract:The characters of fluid dyna mics and separating power of two types of ripple screen packing,B X packing and 1700X packing,were tested by a distillation column.The result showed that these two packings had higher separating po wer,the BX packing could be easily manipulated and passed,and the 1700X packing could only be used at lower load condition.
Key words:screen packing;character;sepatating power
337 第6期 李亚军等 金属丝网波纹填料的性能研究。