淺談氟化工中填料塔及其附屬設備的設計

吳 建，葉文華，陳 鋼

（中化藍天氟材料有限公司，浙江 紹興 312369）

0 概述

板式塔為逐級接觸式設備，主要類型包括泡罩塔、篩板塔、浮閥塔等。板式塔發展歷史悠久，最早是于1813年提出的泡罩塔[8-10]。板式塔結構簡單，易于放大，在20世紀70年代以前一直作為主要的化工分離設備。但是，在實際生產過程中，板式塔存在分離效率低、壓降高、持液量大等缺陷。尤其在20世紀70年代后，由于工業化進程加快，能源危機凸顯[11-12]。此時，對于產品產量、質量都有了更高的要求，因此對于分離設備的要求也更為嚴格。由于板式塔的上述不足，使得填料塔在這一時期異軍突起。在分離難分離物系時，諸如具有腐蝕性或熱敏性物系時，填料塔的分離效率更高。同時，相較于板式塔，塔填料更換方便，選材更廣，也越來越多得到相關領域研究人員的關注[13]。

氟化工企業一般都是以氯代烷烴或氯代烯烴等為原料，在催化劑的作用下與氟化氫進行加成或取代反應，然后反應氣經洗滌、冷卻、壓縮、精餾等工序得到最終產品。系統中通常都含有氟化氫、氯化氫、氯氣等強腐蝕性物質，因此洗滌之前的物料氣一般都是選用填料塔進行分離。而對于產品精餾工序來說，雖然需分離的物質既沒有腐蝕性也比較穩定，但由于氟化工產品的噸位一般都不大，用板式塔不經濟，因此也通常采用填料塔。本文主要闡述填料塔在氟化工中的應用及注意事項。

某公司的精餾塔基本采用填料塔，操作壓力為常壓、加壓、負壓三種，其中絕大多數為加壓精餾。塔釜形式有夾套式、固定管板式、熱虹吸式三種，冷凝器基本采用列管式冷凝器。精餾塔基本情況如表1所示。

1 填料的設計

填料塔主要構成包括筒體、塔內件和填料三部分。其中筒體的作用是為塔填料裝填提供場所，塔內件的作用主要是用于固定填料，并使氣液流體分布更為均勻，避免壁流，而填料則是填料塔的核心構件，一方面為氣液兩相提供了傳質及傳熱的場所，另一方面也為兩相的流動規定了固定的流道。

塔填料主要分為兩種:散堆填料和規整填料。兩種填料各有其特點，在實際生產中可根據需求進行設計選取[6-7]。

表1 某公司精餾塔形式匯總

1.1 散堆填料

散堆填料，是一種幾何尺寸小、在填料塔內以亂堆方式裝填的填料，因此也可稱之為顆粒型填料。散裝填料主要有拉西環、鮑爾環及矩鞍環等。散堆填料具有抗堵、易加工等優點，但傳質效率低；在分離效率要求不高或含少量固體精餾分離可選用散堆填料[14-15]。表2是一些散堆填料的特點。

表2 散堆填料的特點

1.2 規整填料

規整填料有著規則的幾何結構，通常整塊地堆砌在填料塔內，這樣的規整結構規定了氣液兩相在填料內的流動通道，可有效降低由于溝流和壁流而產生的壓力降，并且規整填料也完美解決了傳統填料通量小的問題，傳質效率高，能耗小[16-17]，諸多的優點使規整填料一出現就受到極力追捧，在一些分離要求高、真空蒸餾、熱敏感分離過程都有著較為廣泛的應用[18-20]。主要包括波紋填料、格柵填料等。表3是兩種規整填料的特點。

1）扭轉沖擊工具可將流體的液壓能轉換成周向的、高頻的機械能，用于給鉆頭施加周期性的低幅高頻扭轉沖擊，能對鉆頭施加高效的破巖扭矩，大幅減小或消除鉆頭的黏滑振動。

表3 規整填料的特點

填料選擇應該注意以下三點:

（1）填料選擇過程中需要考慮填料表面最小潤濕速率，一般可查取經驗值，實際設計過程中采用的液體噴淋密度應大于最小噴淋密度。

（2）填料支承板的自由流動凈截面積應該在塔截面積的65%以上（甚至更高），并大于填料本身的自由截面積。

（3）規整填料采購時一般建議填料外徑比塔內徑小3 mm左右，便于安裝，又不易形成壁流。

2 塔釜再沸器的設計

填料塔塔釜再沸器形式一般為夾套式、固定管板式、熱虹吸式三種形式。表3是三種再沸器的優缺點對比[21-23]。

表3 塔釜再沸器優缺點

在進行再沸器的設計時應注意以下五點:

（1）熱虹吸式再沸器設計安裝時要確保處于滿液狀態，提升換熱效率，避免界面腐蝕。

（2）固定管板式再沸器溫差大于40℃應設置膨脹節。

（3）塔釜換熱面積選取一般比理論值大2～3倍，選擇固定管板式塔釜，塔釜外側留有夾套。在精餾非高溫物料時，外夾套可利用余熱同步加熱，降低塔釜熱負荷。

（4）塔釜泵宜與塔釜留有一定距離的安裝高度，以避免虹吸的發生，提高運行穩定性。

（5）對于多用途填料塔釜加熱方式設計，可采用熱水、蒸汽切換使用的設計方式。

3 塔頂冷凝器的設計

塔頂冷凝器一般可采用列管式換熱器、螺旋板式換熱器，某公司分餾塔頂冷凝器基本采用列管式換熱器。塔頂冷凝器冷熱媒流向設計宜采用逆流換熱，其具有提高效率、節能降耗、提高設備使用穩定性、減少設備投資等優點，在相同的傳熱系數下，逆流比順流所需換熱面積可下降20%以上[24-26]。

塔頂冷凝器設計時應考慮以下幾點:

（1）列管式換熱器一般需要配套不凝性氣體排放工藝，不凝性氣體收集口需在換熱器的最頂端，最好比換熱介質進口位置略高。

（2）冷凝器冷媒選擇上進側出、上進下出、側進下出方式時，要求流量控制調節閥（包括氣動調節閥組）安裝在換熱器的出口管路上，同時出口管路有比設備高的液封管。

（3）換熱器熱交換的兩種介質通道選擇也有一定要求，一般情況下，易結垢易堵塞的介質最好選擇在易清洗的一側；另外，還需根據工藝特點，最好把易結垢易堵塞介質的工藝管路配為上進下出或側進下出，使其具有自沖刷、自清理等作用。

（4）冷凝器氣相進口設計大口徑，塔頂進氣口類似，以降低阻力。

（5）臥式冷凝器設備放置時宜向冷凝液出口方向下傾2～4度；回流管也有一定要求——設備本體冷凝液出口至塔體回流接口之間的管路，宜比回流管徑大2～3倍，塔體回流接口以下位置的管路，再變徑至正常直徑 。

（6）臥式冷凝器冷凝液出口接管宜設置高度差，避免在冷凝器內積液。

（7）冷凝器殼體與管壁溫差一般要小于40℃，大于40℃應設置膨脹節。

（8）由于污垢層導熱系數小，熱阻較大，根據污垢層厚度與運行時間的關系，對冷卻效果要求較高的設備，列管冷凝器封頭設計成可拆卸式，便于列管清洗。

（9）塔頂冷凝器設計如需要兩種以上冷媒，不同冷媒間的切換閥門采用三閥控制設計。

4 總結

本文淺談了氟化工中精餾塔及其附屬設備的設計要點，望能對氟化工企業精餾塔及其附屬設備的設計和選型有一定的指導作用，同時對實際出現的問題也有一定參考價值。