練 琳

(液化空氣(杭州)有限公司，浙江 杭州 311112)

1 空氣設(shè)備和塔器

空分設(shè)備就是把空氣作為原材料，通過壓縮、冷卻、干燥純化、深度冷凍等方法把空氣由氣體變?yōu)橐簯B(tài)，然后再經(jīng)過精餾的方式從液態(tài)的空氣中逐漸分離并生產(chǎn)出來氧氣、氮?dú)夂蜌鍤饧岸栊詺怏w的設(shè)備。塔器就是一種將液體和氣體或者液體和液體進(jìn)行傳遞的設(shè)備，按塔器結(jié)構(gòu)不同可以分為填料塔(散裝及規(guī)整填料)和板式塔這兩大類型。板式板塔的內(nèi)部設(shè)有相當(dāng)數(shù)量的塔板，需要傳遞的氣體以鼓泡或者噴射的形式和塔板上的液層接觸并且進(jìn)行物質(zhì)及熱量傳遞。填料塔設(shè)備的內(nèi)部裝有固定高度的充填材料，需要傳遞的液體沿著充填材料以自上向下的方向流動在填料表面產(chǎn)生液膜，氣體以由下向上的方式和液膜進(jìn)行逆流接觸，以此發(fā)生物質(zhì)及熱量傳遞。這種技術(shù)經(jīng)常被應(yīng)用在蒸餾、萃取、吸水、換熱等等操作之中。

塔器在空分裝置中是核心設(shè)備，在投資和耗能方面都有很重要的地位，其中有氮水塔、空冷塔、精餾塔(塔中壓塔、低壓塔、粗氬塔、精氬塔、稀有氣體塔等)。

氮水塔的作用降低水溫。通過水同污氮?dú)獾慕佑|，利用污氮?dú)饧岸嘤嗟獨(dú)獾蜏睾透稍锒劝阉臏囟冉档?，?dāng)然后者是主要，同時減少空氣的放空量，節(jié)約了能源。殼體可以是碳鋼容器(一般使用Q235A)，也可以采用水泥結(jié)構(gòu);部分內(nèi)件使用0Cr18Ni9屬于常壓容器，頂部開口直接通大氣，存在氮?dú)獾陌踩欧虐踩珕栴}，要遠(yuǎn)離操作平臺，及考慮風(fēng)向影響。

空冷塔的作用冷卻從空壓機(jī)后排出的高溫空氣;原料空氣與水直接接觸，進(jìn)行換熱使空氣溫度降低，空氣中有些有害的雜質(zhì)氣體，例如NH3、SO2、SO3等可以同時被洗去。通常采用單層或雙層填料塔，殼體材料為Q345R(SA516-70)，部分內(nèi)件使用0Cr18Ni9(SA240-304)，屬于壓力容器。

氮水塔及空冷塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括填料支撐、散裝填料段、氣液分配器，絲網(wǎng)除沐器等內(nèi)件組成。隨著空分裝置的大型化趨勢，空冷塔、氮水塔的直徑相應(yīng)增大，如何確保進(jìn)口氣體的均勻分布、氣液分配器的氣液均勻分配和采用新型高效填料是設(shè)計的關(guān)鍵，同時要對分配器的現(xiàn)場安裝組對提出更高要求，選用高效的除沐器及如何防止空冷塔的液泛帶水是設(shè)計和操作共同關(guān)注的問題。

精餾塔分為板式塔和填料塔，為低溫容器，殼體材料有不銹鋼、鋁合金及銅。板式塔的結(jié)構(gòu)比較簡單(內(nèi)部主要由塔板組成)而且適應(yīng)性相對較強(qiáng)，具有造價低和易于放大的優(yōu)點，但是板式塔的效率比較低、持液量大而且壓降比較高。我國在90年代前，在空氣設(shè)備中，板式塔占有主導(dǎo)地位，經(jīng)過20～30年來，技術(shù)人員不斷對塔器進(jìn)行研究和探索，加快了填料塔的開發(fā)和應(yīng)用，各種各樣的高效能填料塔發(fā)展迅速，其中波紋規(guī)整填料已普遍應(yīng)用空分裝置中的中壓塔、低壓塔、粗氬塔、精氬塔和稀有氣體塔器中。填料塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有氣液分配器、填料、填料支撐，根據(jù)精餾功能的需要分成若干填料段，相應(yīng)的分配器結(jié)構(gòu)和填料規(guī)格型號有所不同，規(guī)整填料材質(zhì)一般為鋁，為進(jìn)一步確保安全性，根據(jù)介質(zhì)特性，低壓塔底部采用銅填料，稀有氣體塔中氪氙精餾塔全部采用銅填料。波紋規(guī)整填料持液率高，比表面積的大，能夠提高精餾效率，使塔阻力大大降低，有效降低能耗，并能實現(xiàn)全精餾制氬，操作范圍可達(dá)到50%～110%。雖然造價要高比板式塔高但是還是大型空氣設(shè)備優(yōu)先選擇的塔器種類。

塔器發(fā)展的要求大體就是優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和高效，滿足節(jié)能，降低成本、提高產(chǎn)品純度及提取率成為其研究的主要目標(biāo)之一。隨著空氣分離設(shè)備的發(fā)展，對填料塔中關(guān)鍵部件-分配器的氣液分配均勻、效率高等要求越來越重視。在分配器的性能研究上，工業(yè)上建立了計算漏液量的模型，而且發(fā)現(xiàn)了漏液分布不均對分離效率產(chǎn)生的影響，建立了參數(shù)和分配器效率的計算方法，對分配器的改進(jìn)具有很重要的幫助作用。

填料塔中的核心部件填料具有更大的開發(fā)潛力，填料應(yīng)具有盡可能多的表面積以提供液體鋪展，形成較多的氣液接觸界面，流體通過填料床層的阻力與空隙率密切相關(guān)，為了減少氣體的流動阻力，提高填料塔的允許氣速(處理能力)，填料層應(yīng)有盡可能大的空隙率。形狀理想的填料為氣液兩相提供合適的通道，氣體流動的壓降低，通量大，且液流易于鋪展成液膜，液膜的表面更新迅速。新型填料研發(fā)主要是改進(jìn)散裝填料形狀、及規(guī)整填料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

新技術(shù)的應(yīng)用可使塔器的直徑和高度更合理，滿足工藝需求及負(fù)荷變化的要求，且能使使生產(chǎn)成本降低。

2 空氣設(shè)備中塔器的展望

填料塔往后可能會從兩個不同的方面得到一定的發(fā)展，第一個方向是不斷的開發(fā)和應(yīng)用更簡單并且更高效的填充材料，也就是沿著理想的塔器填充才料的方向發(fā)展，而所謂的理想的塔器填充才料就是要求傳遞物質(zhì)的效率提高、分離能力變大、壓降降低而且成本降低;第二就是塔內(nèi)件，這是讓填充材料的塔器放大的最大關(guān)鍵之一，空氣設(shè)備的塔器發(fā)展方向應(yīng)該是開發(fā)研究高效和先進(jìn)的與填料匹配度高且壓降很低的氣液分布系統(tǒng)，另外往后在填充材料和塔內(nèi)件的開發(fā)上，塔器的設(shè)計制造和推廣應(yīng)用將會結(jié)成一體而且形成一套完整的體系，而且在有些方面要針對某些不尋常的工藝作品需要，開發(fā)出一些特別結(jié)構(gòu)的塔器設(shè)備，比如受到人民們廣泛青睞的填充材料和塔板相結(jié)合的一種復(fù)合塔板。在板式塔和填料塔的競爭里，填料塔可以有效改造舊式的塔器而且可以有效的進(jìn)行真空蒸餾，但是就新的高壓蒸餾來說，板式塔還是有其獨(dú)特的性能的，所以在空氣設(shè)備中，塔器的發(fā)展將長期處于一種板式塔和填料塔共同存在競爭的局面。

3 結(jié)語

對空氣設(shè)備中塔器的探索和改善對空氣設(shè)備有很重要的意義，廣大的學(xué)者們還要繼續(xù)努力。