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填料塔气液分布器优化设计原则

赵 汝 文

天津天大天久科技股份有限公司

2005年6月
填料塔气液分布器优化设计原则
―填料塔硬件系列优化设计之一
赵 汝 文
（天津天大天久科技股份有限公司，天津300072）

摘要：提出、研究、应用了大中型填料塔及填料/塔盘复合塔所用气液分布器的硬件优化设计原则，逐条阐明了优选原则，并列举了在炼油、乙烯行业中的成功应用实例，为塔器硬件系列优化拉开了序幕。
关键词：填料塔；液体分布器；优化设计；减压塔；汽油分馏塔
众所周知，我国现代化的关键是科学技术现代化，而科学技术现代化的关键是工程技术现代化。由于种种原因，塔器硬件优化远远落后于工艺及控制的优化。因此，把塔器硬件技术全面搞上去是塔器工作者义不容辞、刻不容缓的任务。积多年从事大型塔器工程技术的研发、设计、应用的经验和教训，提出并锁定了“填料塔硬件系列优化设计原则”这一课题。本文实为第一块探路石，意在引出通灵宝玉，使我国塔器硬件技术全面上水平。
1. 填料塔气液分布器优化设计原则
填料塔的气液分布器约几十种，它们随着填料塔技术的发展而发展。在大中型填料塔中，多采用槽式、盘式、管式或喷嘴式。迄今为止，国内外尚没有一个气液分布器优化设计指导原则，塔器硬件优化进程缓慢。一是因为维护知识产权和保护经济利益，各公司一般不肯将其高水平的专利气液分布器公开；二是世界上还没有一个公认的权威单位牵头制定这样一个硬件优化模型。
经二十多年的研发、设计和应用，我们做了一点尝试性工作，现将“填料塔气液分布器优化设计原则”———“赵汝文模型”介绍给大家。
填料塔气液分布器优化设计原则
塔顶回流槽优先， 抗堵喷头或槽盘。
集液布流出侧线， 首选槽盘是关键。
液位太低控制难， 外流盘槽换槽盘。
集液布液无侧线， 筛盘、槽盘任君选。
若遇循环取热段， 首推盘槽、盘槽管。
小采下边设循环， 新荐环槽共槽盘。
填料上面是塔盘， 优选盘槽、盘槽管。
填料下面是塔盘， 梁挂一盘挺圆满。
常规盘下穿流板， 连创盘槽、盘槽管。
设计改造省空间， 新连通槽摘桂冠。
闪蒸进料属高难， 管式、槽式有麻烦。
气液初布加槽盘， 各种进料包容全。
实践是检验真理的唯一标准，实践也会给该原则作出定论。深信随着塔器技术的深入发展，该原则将会不断得到完善和发展，并造福于人类。
2. 填料塔气液分布器优化设计原则详解
2.1 塔顶回流槽优先
大中型填料塔塔顶回流分布器在无脏堵情况下应优先选择带管式预分布器的二级槽式液体分布器，以便于安装、检修，不易形成液沫挟带。
其他形式的液体分布器都不太合适。如筛孔盘式液体分布器和槽盘式气液分布器上下都需安装空间，所占总的空间高度相对较高，并需多开一个人孔；管式液体分布器布液的均匀性较差；喷嘴式液体分布器容易形成液沫挟带，如增设捕沫器会使设计复杂化。
2.2 抗堵喷嘴或槽盘
当某段填料的液体分布器容易被脏物堵塞时，应优先选用螺旋喷嘴式液体分布器或者槽盘式气液分布器。
螺旋式喷嘴式液体分布器是压力式液体分布器，管内液体流速较高。既不容易堵管，也不容易堵塞喷嘴，其抗脏堵能力相对较强。
槽盘式气液分布器是一种重力式液体分布器，它就是为解决空间高度低和抗堵塞两大难题而诞生的。由于该分布器的喷淋孔开在升气管的中上部，设计液位一般在小孔之上100毫米左右。重脏物沉于盘底，小孔以下200～300毫米高的空间内可以贮存大量的重脏物；轻脏物浮在液层上面；液层中的小孔难以被堵塞。
应着重指出的是当液体容易发生自聚、缩聚等聚合时，槽盘式气液分布器的喷淋孔也会被堵塞。此时应选用螺旋喷嘴式液体分布器。
2.3 集液布液出侧线 首选槽盘是关键
常减压蒸馏装置中的常压塔和减压塔属于多侧线塔。多侧线塔的液体收集及侧线采出过去多采用集油箱（即集液盘）液体分布则采用二级槽式液体分布器。
我们之所以首选槽盘式气液分布器是因为它一个塔内件具有集油箱和槽式液体分布器两个塔内件的功能，即它具有液体收集、液体分布、气体分布和侧线采出四大功能，而且总占位高度又低，投资又省，具有国际竞争力。
2.4 液位太低控制难 外流盘槽换槽盘
常减压蒸馏装置中的减压塔，其净洗段（分馏段）的液体喷淋密度有时低到0.6～1.5（m3/m2.h）。这时，喷淋孔上的液位仅有20～40毫米，槽盘式气液分布器的侧线采出量稍一增加，孔上液位很快就变小。此时净洗段的喷淋密度就会变得更小，容易造成填料“干板”形成堵塞。为此，当槽盘式液体分布器的液位太低时给控制带来了一定难度。为了更好地保证回流量的稳定性，可将槽盘式气液分布器换成盘槽式气液分布器，并将采出的液体分出一股来，以外回流形式定量地打回塔内的“盘槽式气液分布器”中，并均匀地分布到下部填料上。
2.5 集液布液无侧线 筛盘、槽盘任君选
乙苯/苯乙烯分馏塔，中间进料，塔顶、塔底出产品，无侧线采出，全塔填料层共分了六、七段，是典型的多段填料塔。塔顶回流分布器选择槽式液体分布器，而其他各段的集液—再分布器选用筛孔盘式或槽盘式气液分布器比选用“带环形集液槽的斜板式收集器加二级槽式液体分布器”液体收集器更加完全，气体分布更加均匀，空间高度更低，投资更省。
2.6 若遇循环取热段 首推盘槽、盘槽管
填料塔中常有循环取热段。如炼油常减压蒸馏中的常一中循环段、常二中循环段、减一中循环段、减二中循环段；乙烯汽油分馏塔中的中质油循环段、急冷油循环段等。过去，此段多采用集油箱加二级槽式液体分布器的形式。这种结构形式有两点不足：一是所占空间高度偏高，二是没能发挥淋降传热作用。
当盘槽式和盘槽管式气液分布器问世之后就取代了集液盘加二级槽式液体分布器的模式。盘槽和盘槽管式气液分布器所占空间高度较低，而且充分发挥了淋降传热作用，如大港Φ8200燃料油型减压塔的生产实测证明，1.0米高的淋降空间约有10oC的传热温差。
2.7 小采下边设循环 新荐环槽共槽盘
填料层下部需要设置集液器，采出少量液体（如5～10％），而其下边又设有循环取热段时，我们最新推荐采用环槽和槽盘相结合的模式。例如，乙烯装置汽油分馏塔分馏段下部需采出5％左右的轻柴油，应设计集液器。该集液器的下边是中质油循环段的液体分布器。按原则应当选用盘槽式气液分布器，既可以全集液，部分采出；又可以完成液体的混合及再分布。鉴于侧线采出量很小（5％），没有必要采用全集液型的液体收集器，只要设计一个集液量占20％左右的环槽就可以满足5％的采出量。然后在下面再设置一个槽盘式气液分布器就可以了，从而简化了设计。
2.8 填料上面是塔盘 优选盘槽、盘槽管
塔盘/填料的复合塔颇为多见。过去，多采用二级槽式液体分布器，当盘槽式气液分布器和盘槽管式气液分布器发明之后，一下子便成为该种情况下的最佳选择。
2.9 填料下面是塔盘 梁挂一盘挺圆满
对于填料/塔盘复合塔，当全塔理论板数偏少时，可以在支撑填料的工字钢梁的下横翅上挂一层与下面的塔盘相匹配的塔盘即可。
2.10 常规盘下穿流板 连创盘槽、盘槽管
有时板式塔中会遇到常规塔盘/穿流塔盘的复合塔盘，当全塔的设计理论板数较紧张时，应当考虑在两块塔盘之间设置液体分布器。在齐鲁乙烯Φ9200汽油分馏塔的竞标中，我们就遇到了这种情况。为了防止分馏段下部的聚合物堵塞常规塔盘板及降液管，下面的几层塔盘我们采用了大孔穿流筛板，于是，就成了四溢流浮阀塔盘与大孔穿流筛板的复合塔盘。逼着我们发明了盘槽式气液分布器和盘槽管式气液分布器两项专利技术。前者已成功地应用于济南炼厂Φ6000润滑油型减压塔减二中循环段。继而，又成功地用于天津大港炼厂Φ8200燃料油型减压塔减一中和减二中循环段，又推广到长庆、华北油田等多座减压塔中。
2.11 设计改造省空间 新连通槽摘桂冠
高理论板数的精馏塔，一直在寻求一种所占空间高度更低的集液—再分布器，以降低塔高。新连通槽式液体分布器应运而生。
常用的连通槽式液体分布器虽然所占空间高度很低，但遗憾的是它不具有液体收集功能。
新连通槽式液体分布器保留了连通槽式液体分布器的优点，又巧妙地解决了液体全收集的难题。它具有液体全收集、液体再分布、气体分布、液体进料及侧线采出的功能。
2.12 闪蒸进料属高难 管式、槽式有麻烦
气液初布加槽盘 各种进料包容全
填料塔闪蒸进料容易造成两大问题：一是严重的液沫挟带，二是液体分布不均匀。
若采用排管式液体分布器，压力降较大，布液欠均匀。若采用带闪蒸室（箱）的二级槽式液体分布器，即使一级槽上部设有多孔闪蒸室，也极易造成一级槽内液体的冲击飞溅，液位极不稳定，布液难以均匀，有时甚至将一级槽冲翻，致使塔器开车不成功。这种事情在工程上已多次发生。
有效的解决办法是：下部设有槽盘式气液分布器或筛孔盘式液体分布器，而上部设有气液初始分布的分布器；若能在塔外设置一个闪蒸罐，闪蒸后气液分相分别进塔则更好。
3. 填料塔气液分布器优化设计原则的工业应用
一项发明如果效果真好，它迟早会得到广泛应用。在举国创新奔现代的今天，填料塔气液分布器优化设计原则的广泛应用，无疑乃中华塔林期盼的一场及时雨。
3.1 填料塔气液分布器优化设计原则在炼油行业常减压蒸馏装置减压塔中的应用
在一九九0年以前，减压塔中的液体分布器基本上是两种：
（1） 喷嘴（顶循、减一中、减二中）
（2） 二级槽式液体分布器（分馏段、净洗段）
自一九九0年槽盘式气液分布器在减压塔上成功应用之后，减压塔中的液体分布器基本上也是两种：
（1） 二级槽式液体分布器（顶循、减一中、减二中）
（2） 槽盘式气液分布器（各分馏段、净洗段、气提段）
茂名Φ8400减压塔、兰州Φ8400减压塔均是如此。
自二00四年盘槽式气液分布器在减压塔中成功应用之后，减压塔气液分布器开始按优化设计原则进行。按优化设计原则，减压塔液体分布器分为三种形式：
（1） 二级槽式液体分布器（顶循）
（2） 槽盘式气液分布器（各分馏段、净洗段、气提段）
（3） 盘槽式气液分布器（减一中、减二中）
天津大港油田Φ8200减压塔，以及长庆油田Φ8200减压塔，华北油田 Φ8200减压塔等都是按优化设计原则设计的。
3.2 填料塔气液分布器优化设计原则在乙烯行业汽油分馏中的应用
乙烯装置汽油分馏塔是一座标志性难塔，它在一定程度上反映了一个国家化工分离工程技术水平的高低。该塔内产生的聚合物、缩聚物及由塔外带入的焦化物等对塔填料和气液分布器的堵塞难题至今国内外均未得到彻底解决。
回顾一下多年来液体分布器在汽油分馏塔中的应用颇有启迪。
1985年，天津大学第一次改造燕山乙烯Φ6800汽油分馏塔的分馏段，采用的是二级槽式液体分布器，抗脏堵能力较差。
1991年，齐鲁乙烯Φ6600汽油分馏塔的分馏段，采用筛孔盘式液体分布器，抗脏堵能力也较差。
1994年国内首次在齐鲁乙烯Φ6600汽油分馏塔的分馏段采用槽盘式气液分布器，很好地解决了分布器的堵塞问题，实现了长周期运行，获国家教委科技进步三等奖。
2001年，燕山乙烯Φ9000汽油分馏塔的分馏段采用了二级槽式液体分布器，有轻微堵塞现象。急冷油循环段国内第一次采用槽盘式气液分布器，至今没发生过堵塞现象。
2004年，大庆乙烯Φ6200汽油分馏塔气液分布器采用了优化设计原则，分馏段、中质油循环段及急冷油循环段均采用了槽盘式气液分布器，抗堵性能及气液分布性能具佳，塔顶温度t＝95oC～105oC，塔底温度t＝185oC～200oC。
2005年，天津乙烯Φ4900汽油分馏塔第二次改造，分馏段和急冷油循环段按优化设计原则均采用了槽盘式气液分布器，效果很好。在减粘塔未投运的情况下塔顶t＝107oC，塔底t＝185oC。在相同工艺规模的乙烯装置中，可以说天津乙烯汽油分馏塔的塔径更小（Φ4900），生产能力更大，技术指标更优。
2005年，我们为兰州乙烯设计了Φ8800汽油分馏塔，按照优化设计原则，将分馏段原方案的筛孔盘式液体分布器改为槽盘式气液分布器；将中质油循环段原设计方案的喷嘴式液体分布器改为槽盘式气液分布器或盘槽式气液分布器；中质油分馏段原设计的筛孔盘式液体分布器改为槽盘式气液分布器；急冷油循环段原设计为喷嘴式液体分布器，保留不变。
4. 结论
为了实现塔器技术全面发展与提高，塔器硬件系列优化设计原则的研究与制定势在必行，刻不容缓。
填料塔气液分布器优化设计原则的提出为塔器硬件系列优化开了个好头，对于提高气液分布器的设计水平起了一定的指导作用。它与工艺模拟软件一样，对塔器工程技术的现代化具有重要的促进作用。
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