李美玲,高曉凡,朱慧銘

(1.開封空分集團設計院,河南開封 475002;2.天津市天大北洋化工設備有限公司,天津 300072; 3.天津大學化學工程研究所,天津 300072）

·安全技術·

國內空分低溫填料精餾塔故障分析①

李美玲1,高曉凡2,朱慧銘3

(1.開封空分集團設計院,河南開封 475002;2.天津市天大北洋化工設備有限公司,天津 300072; 3.天津大學化學工程研究所,天津 300072）

對過去 20年國內空分低溫填料精餾塔的故障進行了分析,超過 70%的故障案例源于液體分布器與填料問題?？辗衷O備企業(yè)應加強研發(fā)以杜絕填料塔故障。

空分;填料塔;故障

早期人們采用石塊、竹片充當填料,1914年,世界上第一種工業(yè)化填料陶瓷拉西環(huán)的發(fā)明標志著填料塔技術的研究及應用進入科學發(fā)展時期[1],經過近一個世紀的漫長歲月,填料塔技術已經發(fā)展成為技術最成熟、應用最廣泛的分離技術,尤其是規(guī)整填料塔技術。盡管膜、吸附等分離技術發(fā)展迅猛,但是在今后相當長時間里,填料塔技術仍是完成分離任務的首選技術。與其他分離技術相比,填料塔技術的優(yōu)點主要有兩個:一是易于實現大規(guī)模生產,二是可以實現多組分清晰切割。圖 1為填料塔技術發(fā)展的 S型曲線,圖中注明了一些高性能填料的發(fā)明,填料塔技術從 20世紀 80年代進入成熟期。極其遺憾的是,雖然填料塔技術已經非常成熟,Kister通過調查分析 1950年以后國外公開的近1000個填料塔故障的案例 (其中 1/3發(fā)生在頭 40年,1/3發(fā)生在此后的 10年,1/3發(fā)生在最后 5年中）,得出了驚人的結論:盡管填料塔技術取得巨大進展,填料塔故障的案例在不斷增加,且呈現加速態(tài)勢[2]。

國內空分填料塔技術的應用始于 20世紀 90年代初期,無氫制氬、填料上塔得到全面推廣。幾乎所有裝置的上塔、粗氬塔、精氬塔均采用規(guī)整填料,部分下塔也開始采用規(guī)整填料。一方面,空分裝置的規(guī)模越來越大,早先國內填料塔應用的空分只有 3000 Nm3/h O2等級,目前已經達到 80 000 Nm3/h O2甚至超過 100 000 Nm3/h O2;另一方面,由于國內經濟的發(fā)展,特別是近年來化肥、石化、煤化工等規(guī)模過程行業(yè)的迅猛發(fā)展,空分行業(yè)空前繁榮。與其他技術迅速推廣應用一樣,20年來填料塔故障的案例不斷加速呈現,近兩年達到峰值,本文通過總結國內空分填料塔故障的案例,希冀未來 10年中填料塔故障案例數銳減。

圖 1 填料塔技術發(fā)展的 S型曲線Fig.1 S types curve for techno logy developm entof packed co lum n

1 液體分布器

填料塔技術中最為關鍵的是液體的均勻分布,因此液體分布器的設計、制造及安裝直接關系到填料塔的成敗。液體初始分布質量不僅僅影響填料的效率,還會影響填料塔的操作彈性及通量。分布器的設計必需掌握流體力學,充分考慮均勻性、氣相分布與阻力、制造、安裝、運輸等諸多因素,沒有足夠的實際經驗和理論基礎,僅靠 “見多識廣”、“照葫蘆畫瓢”,難免要出故障。分布器允許小規(guī)模不良分布的存在,但是絕對不允許大規(guī)模不良分布。近幾年,國內填料塔失敗的案例中超過 20個案例涉及液體分布器的設計,占總數 50%以上,包括布點不合理、孔流系數取值錯誤、液面落差、彈性不足、液體混合不足等等。越來越多的空分填料塔直徑要超過 4 m,運輸對液體分布器的設計、安裝要求越來越高,另外,大流量的初始分布也要慎重處理。

另有幾個案例涉及到塔內雜物堵塞分布器的分布孔,一例為分布器方位安裝錯誤,與進料管錯位,只有部分進料進入分布器。

2 填料的結構及安裝

圖 2 波紋填料結構Fig.2 Structure for corrugated packing

難以想象,近兩年中,有 10多個案例涉及填料結構不合理。波紋規(guī)整填料結構相對簡單,但是,填料表面的細小紋路、開孔的大小及開孔率、波峰的銳度、通道傾角等都會影響填料的潤濕率(即填料的傳質面積）、傳質效率、阻力和通量。對于波紋填料的這些細微結構,國內沒有研發(fā)力量的小型填料制造商很難把握。雖然填料加工制造的門檻很低,但是填料的性能及應用還是有技術門檻的,一旦采用不合理結構,就會導致溝流、分布不均、壁流、阻力增大、通量減小、效率下降等問題。越來越多的廠商開始介入空分填料的生產制造,因此必須對填料性能進行檢測,而目前國內幾大空分制造廠還不具備檢測條件,因此填料采購存在風險。

有個別案例由填料與塔壁空隙過大引起,氣體在壁區(qū)的短路對于高純度產品切割是致命的,因此填料制造廠商與塔體制造廠商必須良好協作,控制填料盤直徑與塔體直徑的公差。裝填完畢的填料塔要經受長途顛簸,填料的松緊度、機械強度也要重視,尤其是在目前填料塔的直徑不斷增加的形勢下。

建議用戶采購天津大學、蘇爾壽等這類歷史較長的專業(yè)填料制造商的產品,到目前為止,沒有故障案例涉及這兩家填料產品質量。

3 填料分段

液體在填料層內流動時,由于填料結構的微小缺陷、操作條件的波動以及其他一些隨機因素,會在局部產生溝流、偏流等現象,從而影響分離效率,雖然通過填料的自分布能力能夠修正這些偏差,但是這些偏差造成的濃度差異會進一步影響分離效率。隨著填料高度的增加,發(fā)生這些現象的幾率快速增加,因此填料的合理分段極其重要,填料段過高并不能充分發(fā)揮所有填料的效率,因此一些項目雖然填料高度增加了較大的余量,但余量并沒有充分發(fā)揮作用。一般認為填料的分段以 20～30塊理論板為限,但是高度的限制往往被忽略,填料高度超過 5～6m也要引起注意,對分布器、填料型號要做必要的調整。

近幾年發(fā)生過至少 5個案例,涉及分段的不合理性造成產品濃度不達標,但是很少引起重視,尤其是粗氬塔及下塔。

4 進出料口

空分上塔具有多進出料口的特點,隨著裝置規(guī)模的增大,由進出料口的設計不當而引起的故障案例將會大幅度增加。氣體大量采出時,一定要避免液體的夾帶,一個典型的案例是下塔塔頂氣體采出時夾帶液體,下塔回流液不足,整塔分離能力和產量下降;另一個案例發(fā)生在污氮采出口,同樣是液體夾帶,只能在低負荷下才能達到分離能力。

低溫精餾塔的液相進料往往會發(fā)生部分氣化閃蒸,因此兩相進料管首先必須保證流動穩(wěn)定和暢通,比如上塔中,氣體密度與液體密度相差兩個數量級,部分液體進料管中氣體的體積流量反而要比液體高一個數量級,因此從體積流量的角度來看,這反而是一股氣相進料。簡單地開一些分布孔顯然不能解決問題,兩相進料管的不合理設計會引起工況波動、液體分布器失常,國內這兩種案例都有發(fā)生。

大量氣體的進出都會影響氣體的分布,在塔徑較小時,影響不會太大,而對于直徑 4m以上填料塔,填料段直徑往往大于填料高度,氣體分布的重要性與液體分布一樣極為關鍵。下塔氣體密度高,液體噴淋強度大,氣體的分布尤為重要。如果氣體分布不引起足夠的重視,未來大型空分的填料塔會出現大量的故障。

5 回流比

最佳回流比的確定極其重要,回流比增加,熱負荷增加,操作費用提高,理論板減少,節(jié)省設備投資,這是設備投資與操作費用之間的平衡。20世紀 60年代,設計回流比為最小回流比的 1.4倍, 20世紀 70年代能源危機最小回流比降為 1.2倍,目前隨著設計水平的提高及能源價格的飛漲,先進指標為 1.1～1.15倍。圖 3為回流比與理論塔板數間關系的示意圖,必須注意,由于設計回流比離最小回流比越來越近,理論塔板數迅速增加,一旦實際操作回流比低于設計值,額外需要的理論塔板數就可能遠遠超過填料的設計余量,對液體沒有余量的裝置,產品不可能合格。

圖 3 回流比與理論塔板數間關系Fig.3 The relation between reflux ration and the num berof theoreticalp lates

有個只有氣體氧產品的上塔案例,流程計算可以通過,設備制造安裝質量也非常高,但是產品的質量不能達標,通過增加理論板來改造原塔后,產品濃度仍然不合格,仔細計算后發(fā)現液體會流量不夠。對于常規(guī)的上塔,如果塔計算總板數超過 90塊,或者氬餾分口以下超過 32塊,一定要對塔進行敏感性分析,除非有足夠的冷量保證。過高的能耗指標與提取率只有通過創(chuàng)新才能達到,而不是簡單的設計計算就能實現的。

6 爆炸

最近幾年,每到夏天,就會發(fā)生空分填料塔爆炸的事件。目前空分低溫精餾塔所采用的填料都是以鋁合金或純鋁箔為原料,而金屬鋁為兩性物,與酸、堿都很容易反應生成易燃易爆氣體氫氣。在濕熱的夏季,安裝中的填料塔如果有開口通大氣,由于白天與夜晚溫差作用,填料塔產生呼吸效應,使得水分在塔中積聚,加上污染的空氣,發(fā)生化學反應,生成氫氣。空分填料比表面積通常高達 500～750m2/m3,一個 3m直徑,裝填 30m高 750Y填料的粗氬塔,內含反應面積高達 160 000m2。由于氫氣的密度只有空氣的 1/15,因此產生的氫氣都集聚在頂部,極易達到爆炸極限。一旦發(fā)生爆炸,即使沒有人員傷亡,也會破壞塔內件及填料,帶來較大的經濟損失,耽誤工期。

雖然近年來發(fā)生了大量的填料塔故障,其實這只是“冰山一角”。事實上國內空分填料塔設計人員缺少專業(yè)、系統的培訓,填料增加的余量高達20%左右,正是這 20%左右的余量掩蓋了絕大多數的設計缺陷。幾大空分設備公司也沒有相關的設計規(guī)范和研發(fā)手段,如果不采取有效措施,這種狀況在未來 10年都不會得到顯著改善。因此空分設備公司必須加強填料塔技術的研發(fā),減少甚至杜絕填料塔故障。

本文部分內容曾在 2010年大型空分設備技術交流會議進行交流。

[1]王樹楹,黃杰,朱慧銘.化學工程手冊 [M].2版.北京:化學工業(yè)出版社,1996:14-83.

[2]K ISTER,H Z.W hat Caused TowerMalfunctions in the Last50 Years?[J].Chem ical Engineering Research and Design,2003,81(1）:5-26.

Ma lfunction Ana lysis of C ryogen ic Packed Co lum n in Dom estic A ir Plan ts

L IMeiling1,GAO X iaofan2,ZHU Huim ing3

(1.Kaifeng A ir Separation Group Co.,L td.,Kaifeng 475002,China,2.Tian jin Tianda Beiyang Chem ical Equipm entCo.,L td.,Tian jin 300072,China, 3.Chem ical Engineering Research Center,Tian jin University,Tian jin 300072,China）

Malfunctioning case histo riesof cryogenic packed co lum n in dom estic airp lantsover the last20 yearswere analyzed.Prob lem sof liquid distributorsand packingmake upmo re than 70%of the reviewedm alfunctions.Them anufacturersof air separation p lant shou ld enhance research to extinctm alfunctionsof packed co lum n.

packed co lum n;m alfunctions;air cryogenic separation

TQ116.43

A

1007-7804(2011）03-0045-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2011.03.010

2011-03-18

李美玲 (1970）,女,現在開封空分集團有限公司設計院從事填料塔及空分工藝流程設計工作。