第29卷第3期低溫與特氣Low Temperature and Specialty GasesJun,2011安全技術(shù)國(guó)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(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30002)摘要: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?？辗衷O(shè)備企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)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(hào):TQ116.43文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):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(guò)調(diào)查分析1950年以后國(guó)外公開(kāi)的近填料塔技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)入科學(xué)發(fā)展時(shí)期,經(jīng)1000個(gè)填料塔故障的案例(其中1/3發(fā)生在頭40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(jìn)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(zhǎng)時(shí)間里,填料塔技術(shù)仍是完速態(tài)勢(shì)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(guó)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(diǎn)主要有兩個(gè):一是易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模代初期,無(wú)氫制氬、填料上塔得到全面推廣。幾乎生產(chǎn),二是可以實(shí)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(kāi)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(jìn)人成熟裝置的規(guī)模越來(lái)越大,早先國(guó)內(nèi)填料塔應(yīng)用的空分收稿日期:2011-03-1846低溫與特氣第29卷只有3000Nm3/hO2等級(jí),目前已經(jīng)達(dá)到80000另有幾個(gè)案例涉及到塔內(nèi)雜物堵塞分布器的分Nm3/hO2甚至超過(guò)100000Nm3/hO2;另一方面,布孔,一例為分布器方位安裝錯(cuò)誤,與進(jìn)料管錯(cuò)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、位,只有部分進(jìn)料進(jìn)入分布器煤化工等規(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(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。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(gè)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(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、1液體分布器波峰的銳度、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。填料塔技術(shù)中最為關(guān)鍵的是液體的均勻分布對(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)力量因此液體分布器的設(shè)計(jì)、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(mén)檻很低,但是填料的性能及應(yīng)用還是有技術(shù)門(mén)檻效率,還會(huì)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(huì)導(dǎo)致溝流、分布不的設(shè)計(jì)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(wèn)分布與阻力、制造、安裝、運(yùn)輸?shù)戎T多因素,沒(méi)有題。越來(lái)越多的廠商開(kāi)始介人空分填料的生產(chǎn)制足夠的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ),僅靠“見(jiàn)多識(shí)廣造,因此必須對(duì)填料性能進(jìn)行檢測(cè),而目前國(guó)內(nèi)幾照葫蘆畫(huà)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(cè)條件,因此填料采購(gòu)存模不良分布的存在,但是絕對(duì)不允許大規(guī)模不良分在風(fēng)險(xiǎn)。布。近幾年,國(guó)內(nèi)填料塔失敗的案例中超過(guò)20個(gè)有個(gè)別案例由填料與塔壁空隙過(guò)大引起,氣體案例涉及液體分布器的設(shè)計(jì),占總數(shù)50%以上,在壁區(qū)的短路對(duì)于高純度產(chǎn)品切割是致命的,因此包括布點(diǎn)不合理、孔流系數(shù)取值錯(cuò)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(lái)越多的空分填填料盤(pán)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(guò)4m,運(yùn)輸對(duì)液體分布器的設(shè)計(jì)、要經(jīng)受長(zhǎng)途顛簸,填料的松緊度、機(jī)械強(qiáng)度也要重安裝要求越來(lái)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(shì)慎重處理。下第3期李美玲,等:國(guó)內(nèi)空分低溫填料精餾塔故障分析建議用戶采購(gòu)天津大學(xué)、蘇爾壽等這類歷史較不能解決問(wèn)題,兩相進(jìn)料管的不合理設(shè)計(jì)會(huì)引起工長(zhǎng)的專業(yè)填料制造商的產(chǎn)品,到目前為止,沒(méi)有故況波動(dòng)、液體分布器失常,國(guó)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(jìn)出都會(huì)影響氣體的分布,在塔徑3填料分段較小時(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髙度,氣體分布的重液體在填料層內(nèi)流動(dòng)時(shí),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(dòng)以及其他一些隨機(jī)因素,會(huì)液體噴淋強(qiáng)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(lái)大型空分的填料塔會(huì)率,雖然通過(guò)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(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(guò)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(xiàng)目雖然填料高度增加了較大的余量,但余量并沒(méi)負(fù)荷增加,操作費(fèi)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(fèi)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(jì)回流比為最小回流比的1.4倍高度超過(guò)5~6m也要引起注意,對(duì)分布器、填料20世紀(jì)70年代能源危機(jī)最小回流比降為1.2倍,型號(hào)要做必要的調(diào)整。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)近幾年發(fā)生過(guò)至少5個(gè)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(dá)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(jì)回流比離最其是粗氬塔及下塔。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)4進(jìn)出料口就可能遠(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。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抑時(shí)夾帶液體,下塔回流液不足,整塔分離能力和產(chǎn)設(shè)計(jì)點(diǎn)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)生部分氣化閃回流比蒸,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)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(jí),部分液體進(jìn)料管中氣體的體積流量反而要比tical pla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)品的低溫與特氣第29卷質(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)較大的經(jīng)濟(jì)損失,耽誤工期。品濃度仍然不合格,仔細(xì)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)液體會(huì)流量不雖然近年來(lái)發(fā)生了大量的填料塔故障,其實(shí)這夠。對(duì)于常規(guī)的上塔,如果塔計(jì)算總板數(shù)超過(guò)90只是“冰山一角”。事實(shí)上國(guó)內(nèi)空分填料塔設(shè)計(jì)人塊,或者氬餾分口以下超過(guò)32塊,一定要對(duì)塔進(jìn)員缺少專業(yè)、系統(tǒng)的培訓(xùn),填料增加的余量高達(dá)行敏感性分析,除非有足夠的冷量保證。過(guò)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(guò)創(chuàng)新才能達(dá)到,而不是簡(jiǎn)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)單的設(shè)計(jì)計(jì)算就能實(shí)現(xiàn)的。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)6爆炸備公司必須加強(qiáng)填料塔技術(shù)的研發(fā),減少甚至杜絕填料塔故障。最近幾年,每到夏天,就會(huì)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(huì)議進(jìn)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(xiàn):熱的夏季,安裝中的填料塔如果有開(kāi)口通大氣,由[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,1996:1483.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?？辗痔盍媳缺砻娣e通常高達(dá)500~Design,2003,81(1):526.750m2/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)160000m2。由于作者簡(jiǎn)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(kāi)封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)集聚在頂部,極易達(dá)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(jì)工作。即使沒(méi)有人員傷亡,也會(huì)破壞塔內(nèi)件及填料,帶來(lái)匹cEEE《ccc【上接第16頁(yè)】參考文獻(xiàn):[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(jìn)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(shí),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(qiáng).曲線回歸的擬合優(yōu)度指標(biāo)的探討[J].中國(guó)線擬合得最好,在分子篩上的擬合效果最差。衛(wèi)生統(tǒng)計(jì),2002,19(1):911(2)采用非線性的方法利用 Langmuir方程對(duì)5]張世強(qiáng),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(shí),對(duì)于絕大部分氣體都能很好地[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí),2009,39(19):102-107擬合,部分等溫線的擬合曲線與測(cè)試點(diǎn)能夠基本重合;線性擬合時(shí)出現(xiàn)的擬合線與測(cè)試點(diǎn)分叉的現(xiàn)象作者簡(jiǎn)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。