李美玲,高曉凡,朱慧銘

(1.開(kāi)封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)院,河南開(kāi)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 300072）

·安全技術(shù)·

國(guó)內(nèi)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(kāi)封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)院,河南開(kāi)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 300072）

對(duì)過(guò)去 20年國(guó)內(nèi)空分低溫填料精餾塔的故障進(jìn)行了分析,超過(guò) 70%的故障案例源于液體分布器與填料問(wèn)題。空分設(shè)備企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)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(dāng)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(biāo)志著填料塔技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)入科學(xué)發(fā)展時(shí)期[1],經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的漫長(zhǎng)歲月,填料塔技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的分離技術(shù),尤其是規(guī)整填料塔技術(shù)。盡管膜、吸附等分離技術(shù)發(fā)展迅猛,但是在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里,填料塔技術(shù)仍是完成分離任務(wù)的首選技術(shù)。與其他分離技術(shù)相比,填料塔技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個(gè):一是易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),二是可以實(shí)現(xiàn)多組分清晰切割。圖 1為填料塔技術(shù)發(fā)展的 S型曲線(xiàn),圖中注明了一些高性能填料的發(fā)明,填料塔技術(shù)從 20世紀(jì) 80年代進(jìn)入成熟期。極其遺憾的是,雖然填料塔技術(shù)已經(jīng)非常成熟,Kister通過(guò)調(diào)查分析 1950年以后國(guó)外公開(kāi)的近1000個(gè)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(jié)論:盡管填料塔技術(shù)取得巨大進(jìn)展,填料塔故障的案例在不斷增加,且呈現(xiàn)加速態(tài)勢(shì)[2]。

國(guó)內(nèi)空分填料塔技術(shù)的應(yīng)用始于 20世紀(jì) 90年代初期,無(wú)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(kāi)始采用規(guī)整填料。一方面,空分裝置的規(guī)模越來(lái)越大,早先國(guó)內(nèi)填料塔應(yīng)用的空分只有 3000 Nm3/h O2等級(jí),目前已經(jīng)達(dá)到 80 000 Nm3/h O2甚至超過(guò) 100 000 Nm3/h O2;另一方面,由于國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,特別是近年來(lái)化肥、石化、煤化工等規(guī)模過(guò)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(lái)填料塔故障的案例不斷加速呈現(xiàn),近兩年達(dá)到峰值,本文通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)空分填料塔故障的案例,希冀未來(lái) 10年中填料塔故障案例數(shù)銳減。

圖 1 填料塔技術(shù)發(fā)展的 S型曲線(xiàn)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(shù)中最為關(guān)鍵的是液體的均勻分布,因此液體分布器的設(shè)計(jì)、制造及安裝直接關(guān)系到填料塔的成敗。液體初始分布質(zhì)量不僅僅影響填料的效率,還會(huì)影響填料塔的操作彈性及通量。分布器的設(shè)計(jì)必需掌握流體力學(xué),充分考慮均勻性、氣相分布與阻力、制造、安裝、運(yùn)輸?shù)戎T多因素,沒(méi)有足夠的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ),僅靠 “見(jiàn)多識(shí)廣”、“照葫蘆畫(huà)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(duì)不允許大規(guī)模不良分布。近幾年,國(guó)內(nèi)填料塔失敗的案例中超過(guò) 20個(gè)案例涉及液體分布器的設(shè)計(jì),占總數(shù) 50%以上,包括布點(diǎn)不合理、孔流系數(shù)取值錯(cuò)誤、液面落差、彈性不足、液體混合不足等等。越來(lái)越多的空分填料塔直徑要超過(guò) 4 m,運(yùn)輸對(duì)液體分布器的設(shè)計(jì)、安裝要求越來(lái)越高,另外,大流量的初始分布也要慎重處理。

另有幾個(gè)案例涉及到塔內(nèi)雜物堵塞分布器的分布孔,一例為分布器方位安裝錯(cuò)誤,與進(jìn)料管錯(cuò)位,只有部分進(jìn)料進(jìn)入分布器。

2 填料的結(jié)構(gòu)及安裝

圖 2 波紋填料結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure for corrugated packing

難以想象,近兩年中,有 10多個(gè)案例涉及填料結(jié)構(gòu)不合理。波紋規(guī)整填料結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,但是,填料表面的細(xì)小紋路、開(kāi)孔的大小及開(kāi)孔率、波峰的銳度、通道傾角等都會(huì)影響填料的潤(rùn)濕率(即填料的傳質(zhì)面積）、傳質(zhì)效率、阻力和通量。對(duì)于波紋填料的這些細(xì)微結(jié)構(gòu),國(guó)內(nèi)沒(méi)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(mén)檻很低,但是填料的性能及應(yīng)用還是有技術(shù)門(mén)檻的,一旦采用不合理結(jié)構(gòu),就會(huì)導(dǎo)致溝流、分布不均、壁流、阻力增大、通量減小、效率下降等問(wèn)題。越來(lái)越多的廠(chǎng)商開(kāi)始介入空分填料的生產(chǎn)制造,因此必須對(duì)填料性能進(jìn)行檢測(cè),而目前國(guó)內(nèi)幾大空分制造廠(chǎng)還不具備檢測(cè)條件,因此填料采購(gòu)存在風(fēng)險(xiǎn)。

有個(gè)別案例由填料與塔壁空隙過(guò)大引起,氣體在壁區(qū)的短路對(duì)于高純度產(chǎn)品切割是致命的,因此填料制造廠(chǎng)商與塔體制造廠(chǎng)商必須良好協(xié)作,控制填料盤(pán)直徑與塔體直徑的公差。裝填完畢的填料塔要經(jīng)受長(zhǎng)途顛簸,填料的松緊度、機(jī)械強(qiáng)度也要重視,尤其是在目前填料塔的直徑不斷增加的形勢(shì)下。

建議用戶(hù)采購(gòu)天津大學(xué)、蘇爾壽等這類(lèi)歷史較長(zhǎng)的專(zhuān)業(yè)填料制造商的產(chǎn)品,到目前為止,沒(méi)有故障案例涉及這兩家填料產(chǎn)品質(zhì)量。

3 填料分段

液體在填料層內(nèi)流動(dòng)時(shí),由于填料結(jié)構(gòu)的微小缺陷、操作條件的波動(dòng)以及其他一些隨機(jī)因素,會(huì)在局部產(chǎn)生溝流、偏流等現(xiàn)象,從而影響分離效率,雖然通過(guò)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(huì)進(jìn)一步影響分離效率。隨著填料高度的增加,發(fā)生這些現(xiàn)象的幾率快速增加,因此填料的合理分段極其重要,填料段過(guò)高并不能充分發(fā)揮所有填料的效率,因此一些項(xiàng)目雖然填料高度增加了較大的余量,但余量并沒(méi)有充分發(fā)揮作用。一般認(rèn)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(guò) 5～6m也要引起注意,對(duì)分布器、填料型號(hào)要做必要的調(diào)整。

近幾年發(fā)生過(guò)至少 5個(gè)案例,涉及分段的不合理性造成產(chǎn)品濃度不達(dá)標(biāo),但是很少引起重視,尤其是粗氬塔及下塔。

4 進(jìn)出料口

空分上塔具有多進(jìn)出料口的特點(diǎn),隨著裝置規(guī)模的增大,由進(jìn)出料口的設(shè)計(jì)不當(dāng)而引起的故障案例將會(huì)大幅度增加。氣體大量采出時(shí),一定要避免液體的夾帶,一個(gè)典型的案例是下塔塔頂氣體采出時(shí)夾帶液體,下塔回流液不足,整塔分離能力和產(chǎn)量下降;另一個(gè)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(dá)到分離能力。

低溫精餾塔的液相進(jìn)料往往會(huì)發(fā)生部分氣化閃蒸,因此兩相進(jìn)料管首先必須保證流動(dòng)穩(wěn)定和暢通,比如上塔中,氣體密度與液體密度相差兩個(gè)數(shù)量級(jí),部分液體進(jìn)料管中氣體的體積流量反而要比液體高一個(gè)數(shù)量級(jí),因此從體積流量的角度來(lái)看,這反而是一股氣相進(jìn)料。簡(jiǎn)單地開(kāi)一些分布孔顯然不能解決問(wèn)題,兩相進(jìn)料管的不合理設(shè)計(jì)會(huì)引起工況波動(dòng)、液體分布器失常,國(guó)內(nèi)這兩種案例都有發(fā)生。

大量氣體的進(jìn)出都會(huì)影響氣體的分布,在塔徑較小時(shí),影響不會(huì)太大,而對(duì)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(guān)鍵。下塔氣體密度高,液體噴淋強(qiáng)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(lái)大型空分的填料塔會(huì)出現(xiàn)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(fù)荷增加,操作費(fèi)用提高,理論板減少,節(jié)省設(shè)備投資,這是設(shè)備投資與操作費(fèi)用之間的平衡。20世紀(jì) 60年代,設(shè)計(jì)回流比為最小回流比的 1.4倍, 20世紀(jì) 70年代能源危機(jī)最小回流比降為 1.2倍,目前隨著設(shè)計(jì)水平的提高及能源價(jià)格的飛漲,先進(jìn)指標(biāo)為 1.1～1.15倍。圖 3為回流比與理論塔板數(shù)間關(guān)系的示意圖,必須注意,由于設(shè)計(jì)回流比離最小回流比越來(lái)越近,理論塔板數(shù)迅速增加,一旦實(shí)際操作回流比低于設(shè)計(jì)值,額外需要的理論塔板數(shù)就可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)填料的設(shè)計(jì)余量,對(duì)液體沒(méi)有余量的裝置,產(chǎn)品不可能合格。

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 num berof theoreticalp lates

有個(gè)只有氣體氧產(chǎn)品的上塔案例,流程計(jì)算可以通過(guò),設(shè)備制造安裝質(zhì)量也非常高,但是產(chǎn)品的質(zhì)量不能達(dá)標(biāo),通過(guò)增加理論板來(lái)改造原塔后,產(chǎn)品濃度仍然不合格,仔細(xì)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)液體會(huì)流量不夠。對(duì)于常規(guī)的上塔,如果塔計(jì)算總板數(shù)超過(guò) 90塊,或者氬餾分口以下超過(guò) 32塊,一定要對(duì)塔進(jìn)行敏感性分析,除非有足夠的冷量保證。過(guò)高的能耗指標(biāo)與提取率只有通過(guò)創(chuàng)新才能達(dá)到,而不是簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)計(jì)算就能實(shí)現(xiàn)的。

6 爆炸

最近幾年,每到夏天,就會(huì)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(yīng)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(kāi)口通大氣,由于白天與夜晚溫差作用,填料塔產(chǎn)生呼吸效應(yīng),使得水分在塔中積聚,加上污染的空氣,發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成氫氣?？辗痔盍媳缺砻娣e通常高達(dá) 500～750m2/m3,一個(gè) 3m直徑,裝填 30m高 750Y填料的粗氬塔,內(nèi)含反應(yīng)面積高達(dá) 160 000m2。由于氫氣的密度只有空氣的 1/15,因此產(chǎn)生的氫氣都集聚在頂部,極易達(dá)到爆炸極限。一旦發(fā)生爆炸,即使沒(méi)有人員傷亡,也會(huì)破壞塔內(nèi)件及填料,帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失,耽誤工期。

雖然近年來(lái)發(fā)生了大量的填料塔故障,其實(shí)這只是“冰山一角”。事實(shí)上國(guó)內(nèi)空分填料塔設(shè)計(jì)人員缺少專(zhuān)業(yè)、系統(tǒng)的培訓(xùn),填料增加的余量高達(dá)20%左右,正是這 20%左右的余量掩蓋了絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)缺陷。幾大空分設(shè)備公司也沒(méi)有相關(guān)的設(shè)計(jì)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(lái) 10年都不會(huì)得到顯著改善。因此空分設(shè)備公司必須加強(qiáng)填料塔技術(shù)的研發(fā),減少甚至杜絕填料塔故障。

本文部分內(nèi)容曾在 2010年大型空分設(shè)備技術(shù)交流會(huì)議進(jìn)行交流。

[1]王樹(shù)楹,黃杰,朱慧銘.化學(xué)工程手冊(cè) [M].2版.北京:化學(xué)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(xiàn)在開(kāi)封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)院從事填料塔及空分工藝流程設(shè)計(jì)工作。