第29卷第3期低溫與特氣Low Temperature and Specialty GasesJun,2011安全技術(shù)國內(nèi)空分低溫填料精餾塔故障分析李美玲,高曉凡2,朱慧銘3(1.開封空分集團設(shè)計院河南開封475002;2.天津市天大北洋化工設(shè)備有限公司,天津300072;3.天津大學(xué)化學(xué)工程研究所天津30002)摘要:對過去20年國內(nèi)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(shè)備企業(yè)應(yīng)加強研發(fā)以杜絕填料塔故障。關(guān)鍵詞:空分;填料塔;故障中圖分類號:TQ116.43文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1007-7804(2011)03-0045-04doi:10.3969/iss.1007804.201103.010Malfunction Analysis of Cryogenic Packed Columnin Domestic air plantsLI Meiling, GAO Xiaofan, ZHU Huiming(1. Kaifeng Air Separation Group Co., Ltd., Kaifeng 475002, China, 2. Tianjin Tianda Beiyang ChemicalEquipment Co, Ltd ., Ti3. Chemical Engineering Research Center, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: Malfunctioning case histories of cryogenic packed column in domestic air plants over the last 20 years were ana-lyzed. Problems of liquid distributors and packing make up more than 70% of the reviewed malfunctions. The manufacturers of air separation plant should enhance research to extinct malfunctions of packed columnKey words: packed column; malfunctions; air cryogenic separation早期人們采用石塊、竹片充當(dāng)填料,1914年,期。極其遺憾的是,雖然填料塔技術(shù)已經(jīng)非常成世界上第一種工業(yè)化填料陶瓷拉西環(huán)的發(fā)明標(biāo)志著熟, Kister通過調(diào)查分析1950年以后國外公開的近填料塔技術(shù)的研究及應(yīng)用進入科學(xué)發(fā)展時期,經(jīng)1000個填料塔故障的案例(其中1/3發(fā)生在頭40過近一個世紀(jì)的漫長歲月,填料塔技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成年,1/3發(fā)生在此后的10年,1/3發(fā)生在最后5年為技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的分離技術(shù),尤其是規(guī)中),得出了驚人的結(jié)論:盡管填料塔技術(shù)取得巨整填料塔技術(shù)。盡管膜、吸附等分離技術(shù)發(fā)展迅大進展,填料塔故障的案例在不斷增加,且呈現(xiàn)加猛,但是在今后相當(dāng)長時間里,填料塔技術(shù)仍是完速態(tài)勢12。成分離任務(wù)的首選技術(shù)。與其他分離技術(shù)相比,填國內(nèi)空分填料塔技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年料塔技術(shù)的優(yōu)點主要有兩個:一是易于實現(xiàn)大規(guī)模代初期,無氫制氬、填料上塔得到全面推廣。幾乎生產(chǎn),二是可以實現(xiàn)多組分清晰切割。圖1為填料所有裝置的上塔、粗氬塔、精氬塔均采用規(guī)整填塔技術(shù)發(fā)展的S型曲線,圖中注明了一些高性能填料,部分下塔也開始采用規(guī)整填料。一方面,空分料的發(fā)明,填料塔技術(shù)從20世紀(jì)80年代進人成熟裝置的規(guī)模越來越大,早先國內(nèi)填料塔應(yīng)用的空分收稿日期:2011-03-1846低溫與特氣第29卷只有3000Nm3/hO2等級,目前已經(jīng)達到80000另有幾個案例涉及到塔內(nèi)雜物堵塞分布器的分Nm3/hO2甚至超過100000Nm3/hO2;另一方面,布孔,一例為分布器方位安裝錯誤,與進料管錯由于國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展,特別是近年來化肥、石化、位,只有部分進料進入分布器煤化工等規(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(shù)迅速推廣應(yīng)用一樣,20年來填2填料的結(jié)構(gòu)及安裝料塔故障的案例不斷加速呈現(xiàn),近兩年達到峰值本文通過總結(jié)國內(nèi)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(shù)銳減。僉屬階梯環(huán)絲網(wǎng)波紋塊,竹子拉西環(huán)絲網(wǎng)規(guī)整圖2波紋填料結(jié)構(gòu)圖1填料塔技術(shù)發(fā)展的S型曲線Fig. 2 Structure forFig 1 s types curve for technology難以想象,近兩年中,有10多個案例涉及填development of packed column料結(jié)構(gòu)不合理。波紋規(guī)整填料結(jié)構(gòu)相對簡單,但是,填料表面的細小紋路、開孔的大小及開孔率、1液體分布器波峰的銳度、通道傾角等都會影響填料的潤濕率(即填料的傳質(zhì)面積)、傳質(zhì)效率、阻力和通量。填料塔技術(shù)中最為關(guān)鍵的是液體的均勻分布對于波紋填料的這些細微結(jié)構(gòu),國內(nèi)沒有研發(fā)力量因此液體分布器的設(shè)計、制造及安裝直接關(guān)系到填的小型填料制造商很難把握。雖然填料加工制造的料塔的成敗。液體初始分布質(zhì)量不僅僅影響填料的門檻很低,但是填料的性能及應(yīng)用還是有技術(shù)門檻效率,還會影響填料塔的操作彈性及通量。分布器的,一旦采用不合理結(jié)構(gòu),就會導(dǎo)致溝流、分布不的設(shè)計必需掌握流體力學(xué),充分考慮均勻性、氣相均、璧流、阻力增大、通量減小、效率下降等問分布與阻力、制造、安裝、運輸?shù)戎T多因素,沒有題。越來越多的廠商開始介人空分填料的生產(chǎn)制足夠的實際經(jīng)驗和理論基礎(chǔ),僅靠“見多識廣造,因此必須對填料性能進行檢測,而目前國內(nèi)幾照葫蘆畫瓢”,難免要出故障。分布器允許小規(guī)大空分制造廠還不具備檢測條件,因此填料采購存模不良分布的存在,但是絕對不允許大規(guī)模不良分在風(fēng)險。布。近幾年,國內(nèi)填料塔失敗的案例中超過20個有個別案例由填料與塔壁空隙過大引起,氣體案例涉及液體分布器的設(shè)計,占總數(shù)50%以上,在壁區(qū)的短路對于高純度產(chǎn)品切割是致命的,因此包括布點不合理、孔流系數(shù)取值錯誤、液面落差、填料制造廠商與塔體制造廠商必須良好協(xié)作,控制彈性不足、液體混合不足等。越來越多的空分填填料盤直徑與塔體直徑的公差。裝填完畢的填料塔料塔直徑要超過4m,運輸對液體分布器的設(shè)計、要經(jīng)受長途顛簸,填料的松緊度、機械強度也要重安裝要求越來越高,另外,大流量的初始分布也要視,尤其是在目前填料塔的直徑不斷增加的形勢慎重處理。下第3期李美玲,等:國內(nèi)空分低溫填料精餾塔故障分析建議用戶采購天津大學(xué)、蘇爾壽等這類歷史較不能解決問題,兩相進料管的不合理設(shè)計會引起工長的專業(yè)填料制造商的產(chǎn)品,到目前為止,沒有故況波動、液體分布器失常,國內(nèi)這兩種案例都有發(fā)障案例涉及這兩家填料產(chǎn)品質(zhì)量。生大量氣體的進出都會影響氣體的分布,在塔徑3填料分段較小時,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髙度,氣體分布的重液體在填料層內(nèi)流動時,由于填料結(jié)構(gòu)的微小要性與液體分布一樣極為關(guān)鍵。下塔氣體密度高缺陷、操作條件的波動以及其他一些隨機因素,會液體噴淋強度大,氣體的分布尤為重要。如果氣體在局部產(chǎn)生溝流、偏流等現(xiàn)象,從而影響分離效分布不引起足夠的重視,未來大型空分的填料塔會率,雖然通過填料的自分布能力能夠修正這些偏出現(xiàn)大量的故障。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(xiàn)象的幾5回流比率快速增加,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,因此一些最佳回流比的確定極其重要,回流比增加,熱項目雖然填料高度增加了較大的余量,但余量并沒負(fù)荷增加,操作費用提高,理論板減少,節(jié)省設(shè)備有充分發(fā)揮作用。一般認(rèn)為填料的分段以20~30投資,這是設(shè)備投資與操作費用之間的平衡。2塊理論板為限,但是高度的限制往往被忽略,填料世紀(jì)60年代,設(shè)計回流比為最小回流比的1.4倍高度超過5~6m也要引起注意,對分布器、填料20世紀(jì)70年代能源危機最小回流比降為1.2倍,型號要做必要的調(diào)整。目前隨著設(shè)計水平的提高及能源價格的飛漲,先進近幾年發(fā)生過至少5個案例,涉及分段的不合指標(biāo)為1.1~1.15倍。圖3為回流比與理論塔板數(shù)理性造成產(chǎn)品濃度不達標(biāo),但是很少引起重視,尤間關(guān)系的示意圖,必須注意,由于設(shè)計回流比離最其是粗氬塔及下塔。小回流比越來越近,理論塔板數(shù)迅速增加,一旦實際操作回流比低于設(shè)計值,額外需要的理論塔板數(shù)4進出料口就可能遠遠超過填料的設(shè)計余量,對液體沒有余量的裝置,產(chǎn)品不可能合格?？辗稚纤哂卸噙M出料口的特點,隨著裝置規(guī)模的增大,由進出料口的設(shè)計不當(dāng)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抑時夾帶液體,下塔回流液不足,整塔分離能力和產(chǎn)設(shè)計點量下降;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(fù)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)生部分氣化閃回流比蒸,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(shù)圖3回流比與理論塔板數(shù)間關(guān)系Fig 3 The relation between reflux ration and the量級,部分液體進料管中氣體的體積流量反而要比tical pla液體高一個數(shù)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有個只有氣體氧產(chǎn)品的上塔案例,流程計算可以通過,設(shè)備制造安裝質(zhì)量也非常高,但是產(chǎn)品的低溫與特氣第29卷質(zhì)量不能達標(biāo),通過增加理論板來改造原塔后,產(chǎn)較大的經(jīng)濟損失,耽誤工期。品濃度仍然不合格,仔細計算后發(fā)現(xiàn)液體會流量不雖然近年來發(fā)生了大量的填料塔故障,其實這夠。對于常規(guī)的上塔,如果塔計算總板數(shù)超過90只是“冰山一角”。事實上國內(nèi)空分填料塔設(shè)計人塊,或者氬餾分口以下超過32塊,一定要對塔進員缺少專業(yè)、系統(tǒng)的培訓(xùn),填料增加的余量高達行敏感性分析,除非有足夠的冷量保證。過高的能20%左右,正是這20%左右的余量掩蓋了絕大多耗指標(biāo)與提取率只有通過創(chuàng)新才能達到,而不是簡數(shù)的設(shè)計缺陷。幾大空分設(shè)備公司也沒有相關(guān)的設(shè)單的設(shè)計計算就能實現(xiàn)的。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(shè)6爆炸備公司必須加強填料塔技術(shù)的研發(fā),減少甚至杜絕填料塔故障。最近幾年,每到夏天,就會發(fā)生空分填料塔爆本文部分內(nèi)容曾在2010年大型空分設(shè)備技術(shù)炸的事件。目前空分低溫精餾塔所釆用的填料都是交流會議進行交流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(yīng)生成易燃易爆氣體氫氣。在濕參考文獻:熱的夏季,安裝中的填料塔如果有開口通大氣,由[王樹楹,黃杰,朱慧銘.化學(xué)工程手冊[M].2版北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1996:1483.于白天與夜晚溫差作用,填料塔產(chǎn)生呼吸效應(yīng),使[2] KISTER, H Z. What Caused Tower Malfunctions in得水分在塔中積聚,加上污染的空氣,發(fā)生化學(xué)反Last 50 Years? [J]. Chemical Engineering Research and應(yīng),生成氫氣。空分填料比表面積通常高達500~Design,2003,81(1):526.750m2/m3,一個3m直徑,裝填30m高750Y填料的粗氬塔,內(nèi)含反應(yīng)面積高達160000m2。由于作者簡介:氫氣的密度只有空氣的1/15,因此產(chǎn)生的氫氣都李美玲(1970),女,現(xiàn)在開封空分集團有限公司設(shè)計集聚在頂部,極易達到爆炸極限。一旦發(fā)生爆炸,院從事填料塔及空分工藝流程設(shè)計工作。即使沒有人員傷亡,也會破壞塔內(nèi)件及填料,帶來匹cEEE《ccc【上接第16頁】參考文獻:[1]陳建,魏璽群.多元混合氣在炭質(zhì)吸附劑上的吸附行4結(jié)論為[J].天然氣化工,2000,25(6):2528[2] YANG R T.吸附劑原理與應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2010:18-191)采用 Langmuir方程的線性形式進行吸附[3] YANG R T.吸附法氣體分離[M].北京:化學(xué)工業(yè)出等溫線的擬合時,誤差比較大,并且隨著壓力的增版社,1991:27-35加,誤差也越大;總體而言,氣體在硅膠上的等溫[4]張世強.曲線回歸的擬合優(yōu)度指標(biāo)的探討[J].中國線擬合得最好,在分子篩上的擬合效果最差。衛(wèi)生統(tǒng)計,2002,19(1):911(2)采用非線性的方法利用 Langmuir方程對5]張世強,呂杰能,蔣崢,等.關(guān)于相關(guān)系數(shù)的探討吸附等溫線擬合時,對于絕大部分氣體都能很好地[J].數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識,2009,39(19):102-107擬合,部分等溫線的擬合曲線與測試點能夠基本重合;線性擬合時出現(xiàn)的擬合線與測試點分叉的現(xiàn)象作者簡介李小榮(1979),女,理學(xué)碩士,工程師,從事變壓吸已經(jīng)不明顯。附的研究。