国内空分低温填料精馏塔故障分析①

李美玲,高晓凡,朱慧铭

(1.开封空分集团设计院,河南开封 475002;2.天津市天大北洋化工设备有限公司,天津 300072; 3.天津大学化学工程研究所,天津 300072）

·安全技术·

国内空分低温填料精馏塔故障分析①

李美玲1,高晓凡2,朱慧铭3

(1.开封空分集团设计院,河南开封 475002;2.天津市天大北洋化工设备有限公司,天津 300072; 3.天津大学化学工程研究所,天津 300072）

对过去 20年国内空分低温填料精馏塔的故障进行了分析,超过 70%的故障案例源于液体分布器与填料问题。空分设备企业应加强研发以杜绝填料塔故障。

空分;填料塔;故障

早期人们采用石块、竹片充当填料,1914年,世界上第一种工业化填料陶瓷拉西环的发明标志着填料塔技术的研究及应用进入科学发展时期[1],经过近一个世纪的漫长岁月,填料塔技术已经发展成为技术最成熟、应用最广泛的分离技术,尤其是规整填料塔技术。尽管膜、吸附等分离技术发展迅猛,但是在今后相当长时间里,填料塔技术仍是完成分离任务的首选技术。与其他分离技术相比,填料塔技术的优点主要有两个:一是易于实现大规模生产,二是可以实现多组分清晰切割。图 1为填料塔技术发展的 S型曲线,图中注明了一些高性能填料的发明,填料塔技术从 20世纪 80年代进入成熟期。极其遗憾的是,虽然填料塔技术已经非常成熟,Kister通过调查分析 1950年以后国外公开的近1000个填料塔故障的案例 (其中 1/3发生在头 40年,1/3发生在此后的 10年,1/3发生在最后 5年中）,得出了惊人的结论:尽管填料塔技术取得巨大进展,填料塔故障的案例在不断增加,且呈现加速态势[2]。

国内空分填料塔技术的应用始于 20世纪 90年代初期,无氢制氩、填料上塔得到全面推广。几乎所有装置的上塔、粗氩塔、精氩塔均采用规整填料,部分下塔也开始采用规整填料。一方面,空分装置的规模越来越大,早先国内填料塔应用的空分只有 3000 Nm3/h O2等级,目前已经达到 80 000 Nm3/h O2甚至超过 100 000 Nm3/h O2;另一方面,由于国内经济的发展,特别是近年来化肥、石化、煤化工等规模过程行业的迅猛发展,空分行业空前繁荣。与其他技术迅速推广应用一样,20年来填料塔故障的案例不断加速呈现,近两年达到峰值,本文通过总结国内空分填料塔故障的案例,希冀未来 10年中填料塔故障案例数锐减。

图 1 填料塔技术发展的 S型曲线Fig.1 S types curve for techno logy developm entof packed co lum n

1 液体分布器

填料塔技术中最为关键的是液体的均匀分布,因此液体分布器的设计、制造及安装直接关系到填料塔的成败。液体初始分布质量不仅仅影响填料的效率,还会影响填料塔的操作弹性及通量。分布器的设计必需掌握流体力学,充分考虑均匀性、气相分布与阻力、制造、安装、运输等诸多因素,没有足够的实际经验和理论基础,仅靠 “见多识广”、“照葫芦画瓢”,难免要出故障。分布器允许小规模不良分布的存在,但是绝对不允许大规模不良分布。近几年,国内填料塔失败的案例中超过 20个案例涉及液体分布器的设计,占总数 50%以上,包括布点不合理、孔流系数取值错误、液面落差、弹性不足、液体混合不足等等。越来越多的空分填料塔直径要超过 4 m,运输对液体分布器的设计、安装要求越来越高,另外,大流量的初始分布也要慎重处理。

另有几个案例涉及到塔内杂物堵塞分布器的分布孔,一例为分布器方位安装错误,与进料管错位,只有部分进料进入分布器。

2 填料的结构及安装

图 2 波纹填料结构Fig.2 Structure for corrugated packing

难以想象,近两年中,有 10多个案例涉及填料结构不合理。波纹规整填料结构相对简单,但是,填料表面的细小纹路、开孔的大小及开孔率、波峰的锐度、通道倾角等都会影响填料的润湿率(即填料的传质面积）、传质效率、阻力和通量。对于波纹填料的这些细微结构,国内没有研发力量的小型填料制造商很难把握。虽然填料加工制造的门槛很低,但是填料的性能及应用还是有技术门槛的,一旦采用不合理结构,就会导致沟流、分布不均、壁流、阻力增大、通量减小、效率下降等问题。越来越多的厂商开始介入空分填料的生产制造,因此必须对填料性能进行检测,而目前国内几大空分制造厂还不具备检测条件,因此填料采购存在风险。

有个别案例由填料与塔壁空隙过大引起,气体在壁区的短路对于高纯度产品切割是致命的,因此填料制造厂商与塔体制造厂商必须良好协作,控制填料盘直径与塔体直径的公差。装填完毕的填料塔要经受长途颠簸,填料的松紧度、机械强度也要重视,尤其是在目前填料塔的直径不断增加的形势下。

建议用户采购天津大学、苏尔寿等这类历史较长的专业填料制造商的产品,到目前为止,没有故障案例涉及这两家填料产品质量。

3 填料分段

液体在填料层内流动时,由于填料结构的微小缺陷、操作条件的波动以及其他一些随机因素,会在局部产生沟流、偏流等现象,从而影响分离效率,虽然通过填料的自分布能力能够修正这些偏差,但是这些偏差造成的浓度差异会进一步影响分离效率。随着填料高度的增加,发生这些现象的几率快速增加,因此填料的合理分段极其重要,填料段过高并不能充分发挥所有填料的效率,因此一些项目虽然填料高度增加了较大的余量,但余量并没有充分发挥作用。一般认为填料的分段以 20～30块理论板为限,但是高度的限制往往被忽略,填料高度超过 5～6m也要引起注意,对分布器、填料型号要做必要的调整。

近几年发生过至少 5个案例,涉及分段的不合理性造成产品浓度不达标,但是很少引起重视,尤其是粗氩塔及下塔。

4 进出料口

空分上塔具有多进出料口的特点,随着装置规模的增大,由进出料口的设计不当而引起的故障案例将会大幅度增加。气体大量采出时,一定要避免液体的夹带,一个典型的案例是下塔塔顶气体采出时夹带液体,下塔回流液不足,整塔分离能力和产量下降;另一个案例发生在污氮采出口,同样是液体夹带,只能在低负荷下才能达到分离能力。

低温精馏塔的液相进料往往会发生部分气化闪蒸,因此两相进料管首先必须保证流动稳定和畅通,比如上塔中,气体密度与液体密度相差两个数量级,部分液体进料管中气体的体积流量反而要比液体高一个数量级,因此从体积流量的角度来看,这反而是一股气相进料。简单地开一些分布孔显然不能解决问题,两相进料管的不合理设计会引起工况波动、液体分布器失常,国内这两种案例都有发生。

大量气体的进出都会影响气体的分布,在塔径较小时,影响不会太大,而对于直径 4m以上填料塔,填料段直径往往大于填料高度,气体分布的重要性与液体分布一样极为关键。下塔气体密度高,液体喷淋强度大,气体的分布尤为重要。如果气体分布不引起足够的重视,未来大型空分的填料塔会出现大量的故障。

5 回流比

最佳回流比的确定极其重要,回流比增加,热负荷增加,操作费用提高,理论板减少,节省设备投资,这是设备投资与操作费用之间的平衡。20世纪 60年代,设计回流比为最小回流比的 1.4倍, 20世纪 70年代能源危机最小回流比降为 1.2倍,目前随着设计水平的提高及能源价格的飞涨,先进指标为 1.1～1.15倍。图 3为回流比与理论塔板数间关系的示意图,必须注意,由于设计回流比离最小回流比越来越近,理论塔板数迅速增加,一旦实际操作回流比低于设计值,额外需要的理论塔板数就可能远远超过填料的设计余量,对液体没有余量的装置,产品不可能合格。

图 3 回流比与理论塔板数间关系Fig.3 The relation between reflux ration and the num berof theoreticalp lates

有个只有气体氧产品的上塔案例,流程计算可以通过,设备制造安装质量也非常高,但是产品的质量不能达标,通过增加理论板来改造原塔后,产品浓度仍然不合格,仔细计算后发现液体会流量不够。对于常规的上塔,如果塔计算总板数超过 90块,或者氩馏分口以下超过 32块,一定要对塔进行敏感性分析,除非有足够的冷量保证。过高的能耗指标与提取率只有通过创新才能达到,而不是简单的设计计算就能实现的。

6 爆炸

最近几年,每到夏天,就会发生空分填料塔爆炸的事件。目前空分低温精馏塔所采用的填料都是以铝合金或纯铝箔为原料,而金属铝为两性物,与酸、碱都很容易反应生成易燃易爆气体氢气。在湿热的夏季,安装中的填料塔如果有开口通大气,由于白天与夜晚温差作用,填料塔产生呼吸效应,使得水分在塔中积聚,加上污染的空气,发生化学反应,生成氢气。空分填料比表面积通常高达 500～750m2/m3,一个 3m直径,装填 30m高 750Y填料的粗氩塔,内含反应面积高达 160 000m2。由于氢气的密度只有空气的 1/15,因此产生的氢气都集聚在顶部,极易达到爆炸极限。一旦发生爆炸,即使没有人员伤亡,也会破坏塔内件及填料,带来较大的经济损失,耽误工期。

虽然近年来发生了大量的填料塔故障,其实这只是“冰山一角”。事实上国内空分填料塔设计人员缺少专业、系统的培训,填料增加的余量高达20%左右,正是这 20%左右的余量掩盖了绝大多数的设计缺陷。几大空分设备公司也没有相关的设计规范和研发手段,如果不采取有效措施,这种状况在未来 10年都不会得到显著改善。因此空分设备公司必须加强填料塔技术的研发,减少甚至杜绝填料塔故障。

本文部分内容曾在 2010年大型空分设备技术交流会议进行交流。

[1]王树楹,黄杰,朱慧铭.化学工程手册 [M].2版.北京:化学工业出版社,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,现在开封空分集团有限公司设计院从事填料塔及空分工艺流程设计工作。