国内空分低温填料精馏塔故障分析

第29卷第3期低温与特气Low Temperature and Specialty GasesJun,2011安全技术国内空分低温填料精馏塔故障分析李美玲,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30002)摘要: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。关键词:空分;填料塔;故障中图分类号:TQ116.43文献标志码:A文章编号: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早期人们采用石块、竹片充当填料,1914年,期。极其遗憾的是,虽然填料塔技术已经非常成世界上第一种工业化填料陶瓷拉西环的发明标志着熟, Kister通过调查分析1950年以后国外公开的近填料塔技术的研究及应用进入科学发展时期,经1000个填料塔故障的案例(其中1/3发生在头40过近一个世纪的漫长岁月,填料塔技术已经发展成年,1/3发生在此后的10年,1/3发生在最后5年为技术最成熟、应用最广泛的分离技术,尤其是规中),得出了惊人的结论:尽管填料塔技术取得巨整填料塔技术。尽管膜、吸附等分离技术发展迅大进展,填料塔故障的案例在不断增加,且呈现加猛,但是在今后相当长时间里,填料塔技术仍是完速态势12。成分离任务的首选技术。与其他分离技术相比,填国内空分填料塔技术的应用始于20世纪90年料塔技术的优点主要有两个:一是易于实现大规模代初期,无氢制氩、填料上塔得到全面推广。几乎生产,二是可以实现多组分清晰切割。图1为填料所有装置的上塔、粗氬塔、精氬塔均采用规整填塔技术发展的S型曲线,图中注明了一些高性能填料,部分下塔也开始采用规整填料。一方面,空分料的发明,填料塔技术从20世纪80年代进人成熟装置的规模越来越大,早先国内填料塔应用的空分收稿日期:2011-03-1846低温与特气第29卷只有3000Nm3/hO2等级,目前已经达到80000另有几个案例涉及到塔内杂物堵塞分布器的分Nm3/hO2甚至超过100000Nm3/hO2;另一方面,布孔,一例为分布器方位安装错误,与进料管错由于国内经济的发展,特别是近年来化肥、石化、位,只有部分进料进入分布器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2填料的结构及安装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。佥属阶梯环丝网波纹块,竹子拉西环丝网规整图2波纹填料结构图1填料塔技术发展的S型曲线Fig. 2 Structure forFig 1 s types curve for technology难以想象,近两年中,有10多个案例涉及填development of packed column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、1液体分布器波峰的锐度、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。填料塔技术中最为关键的是液体的均匀分布对于波纹填料的这些细微结构,国内没有研发力量因此液体分布器的设计、制造及安装直接关系到填的小型填料制造商很难把握。虽然填料加工制造的料塔的成败。液体初始分布质量不仅仅影响填料的门槛很低,但是填料的性能及应用还是有技术门槛效率,还会影响填料塔的操作弹性及通量。分布器的,一旦采用不合理结构,就会导致沟流、分布不的设计必需掌握流体力学,充分考虑均匀性、气相均、璧流、阻力增大、通量减小、效率下降等问分布与阻力、制造、安装、运输等诸多因素,没有题。越来越多的厂商开始介人空分填料的生产制足够的实际经验和理论基础,仅靠“见多识广造,因此必须对填料性能进行检测,而目前国内几照葫芦画瓢”,难免要出故障。分布器允许小规大空分制造厂还不具备检测条件,因此填料采购存模不良分布的存在,但是绝对不允许大规模不良分在风险。布。近几年,国内填料塔失败的案例中超过20个有个别案例由填料与塔壁空隙过大引起,气体案例涉及液体分布器的设计,占总数50%以上,在壁区的短路对于高纯度产品切割是致命的,因此包括布点不合理、孔流系数取值错误、液面落差、填料制造厂商与塔体制造厂商必须良好协作,控制弹性不足、液体混合不足等。越来越多的空分填填料盘直径与塔体直径的公差。装填完毕的填料塔料塔直径要超过4m,运输对液体分布器的设计、要经受长途颠簸,填料的松紧度、机械强度也要重安装要求越来越高,另外,大流量的初始分布也要视,尤其是在目前填料塔的直径不断增加的形势慎重处理。下第3期李美玲,等:国内空分低温填料精馏塔故障分析建议用户采购天津大学、苏尔寿等这类历史较不能解决问题,两相进料管的不合理设计会引起工长的专业填料制造商的产品,到目前为止,没有故况波动、液体分布器失常,国内这两种案例都有发障案例涉及这两家填料产品质量。生大量气体的进出都会影响气体的分布,在塔径3填料分段较小时,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髙度,气体分布的重液体在填料层内流动时,由于填料结构的微小要性与液体分布一样极为关键。下塔气体密度高缺陷、操作条件的波动以及其他一些随机因素,会液体喷淋强度大,气体的分布尤为重要。如果气体在局部产生沟流、偏流等现象,从而影响分离效分布不引起足够的重视,未来大型空分的填料塔会率,虽然通过填料的自分布能力能够修正这些偏出现大量的故障。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5回流比率快速增加,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,因此一些最佳回流比的确定极其重要,回流比增加,热项目虽然填料高度增加了较大的余量,但余量并没负荷增加,操作费用提高,理论板减少,节省设备有充分发挥作用。一般认为填料的分段以20~30投资,这是设备投资与操作费用之间的平衡。2块理论板为限,但是高度的限制往往被忽略,填料世纪60年代,设计回流比为最小回流比的1.4倍高度超过5~6m也要引起注意,对分布器、填料20世纪70年代能源危机最小回流比降为1.2倍,型号要做必要的调整。目前随着设计水平的提高及能源价格的飞涨,先进近几年发生过至少5个案例,涉及分段的不合指标为1.1~1.15倍。图3为回流比与理论塔板数理性造成产品浓度不达标,但是很少引起重视,尤间关系的示意图,必须注意,由于设计回流比离最其是粗氩塔及下塔。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4进出料口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。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抑时夹带液体,下塔回流液不足,整塔分离能力和产设计点量下降;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回流比蒸,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图3回流比与理论塔板数间关系Fig 3 The relation between reflux ration and the量级,部分液体进料管中气体的体积流量反而要比tical pla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,但是产品的低温与特气第29卷质量不能达标,通过增加理论板来改造原塔后,产较大的经济损失,耽误工期。品浓度仍然不合格,仔细计算后发现液体会流量不虽然近年来发生了大量的填料塔故障,其实这够。对于常规的上塔,如果塔计算总板数超过90只是“冰山一角”。事实上国内空分填料塔设计人块,或者氩馏分口以下超过32块,一定要对塔进员缺少专业、系统的培训,填料增加的余量高达行敏感性分析,除非有足够的冷量保证。过高的能20%左右,正是这20%左右的余量掩盖了绝大多耗指标与提取率只有通过创新才能达到,而不是简数的设计缺陷。几大空分设备公司也没有相关的设单的设计计算就能实现的。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6爆炸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。最近几年,每到夏天,就会发生空分填料塔爆本文部分内容曾在2010年大型空分设备技术炸的事件。目前空分低温精馏塔所釆用的填料都是交流会议进行交流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。在湿参考文献:热的夏季,安装中的填料塔如果有开口通大气,由[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,1996:1483.于白天与夜晚温差作用,填料塔产生呼吸效应,使[2] KISTER, H Z. What Caused Tower Malfunctions in得水分在塔中积聚,加上污染的空气,发生化学反Last 50 Years? [J]. Chemical Engineering Research and应,生成氢气。空分填料比表面积通常高达500~Design,2003,81(1):526.750m2/m3,一个3m直径,装填30m高750Y填料的粗氬塔,内含反应面积高达160000m2。由于作者简介:氢气的密度只有空气的1/15,因此产生的氢气都李美玲(1970),女,现在开封空分集团有限公司设计集聚在顶部,极易达到爆炸极限。一旦发生爆炸,院从事填料塔及空分工艺流程设计工作。即使没有人员伤亡,也会破坏塔内件及填料,带来匹cEEE《ccc【上接第16页】參考文献:[1]陈建,魏玺群.多元混合气在炭质吸附剂上的吸附行4结论为[J].天然气化工,2000,25(6):2528[2] YANG R T.吸附剂原理与应用[M].北京:高等教育出版社,2010:18-191)采用 Langmuir方程的线性形式进行吸附[3] YANG R T.吸附法气体分离[M].北京:化学工业出等温线的拟合时,误差比较大,并且随着压力的增版社,1991:27-35加,误差也越大;总体而言,气体在硅胶上的等温[4]张世强.曲线回归的拟合优度指标的探讨[J].中国线拟合得最好,在分子筛上的拟合效果最差。卫生统计,2002,19(1):911(2)采用非线性的方法利用 Langmuir方程对5]张世强,吕杰能,蒋峥,等.关于相关系数的探讨吸附等温线拟合时,对于绝大部分气体都能很好地[J].数学的实践与认识,2009,39(19):102-107拟合,部分等温线的拟合曲线与测试点能够基本重合;线性拟合时出现的拟合线与测试点分叉的现象作者简介李小荣(1979),女,理学硕士,工程师,从事变压吸已经不明显。附的研究。