新型高效塔设备技术及其应用

    1 前言     塔设备是化工、石化、炼油、医药等工业中的重要组成部分。它对整个流程的生产能力、产品质量、能耗与原料消耗、环境保护等，均会产生重大影响。据统计，石油和化学工业的能耗占工业总能耗的很大部分，其中约60%就用于精馏过程，而精馏过程是由塔设备来实现的。塔设备投资约占化工、石化项目总投资的30%～40%。塔设备的分离效率，在生产中对产品的纯度、产品的回收率、工业过程的能耗等，都起着至关重要的作用。{TodayHot}    塔设备按其结构分为两大类：板式塔；填料塔。    其中，板式塔的研究起步较早，它具有结构简单、造价低、适应性强、易于放大等优点。最近几十年来，填料塔技术也取得长足的进步。由于性能优良的新型高效填料的相继问世，特别是规整填料及新型塔内件的不断开发和基础理论的深入，填料塔的应用也越来越广泛。新型高效塔内件在技术改造中，可以节省投资、降低消耗、提高装置运行的经济性。其中，高效导向筛板、新型填料、高性能液体分布器等塔内件，在生产应用中尤为突出。{HotTag}

2 高效导向筛板

    高效导向筛板是北京化工大学在对包括筛板塔板在内的各种塔板进行深入细致研究的基础上，发挥筛板塔板结构简单、造价低廉的特点，克服其漏液点高、效率较低的缺点，并且通过对各种塔板进行深入研究、综合比较，结合塔板上流体力学与传质学的研究成果，研究开发的新型高效塔板。    高效导向筛板具有生产能力大、塔板效率高、塔压降低、结构简单、造价低廉、维修方便的特点。目前，已广泛应用于化学工业、石油化工、精细化工、轻工化工、医药工业、香料工业、原子能工业等领域，所应用的物系包括甲醇－水(原料中还会有粘性树脂和发泡剂等杂质)、乙醇－水(发酵醪制乙醇)、醋酸－水、醋酸－醋酸乙烯、醋酸甲酯－醋酸乙烯－水、乙炔－乙醛－醋酸乙烯、聚醋酸乙烯－醋酸乙烯－甲醇、乙苯－苯乙烯、邻硝基氯苯－对硝基氯苯、香叶醇分离、重水分离等等。    高效导向筛板的工作原理如图1所示。

图1 高效导向筛板工作原理

   在高效导向筛板上，开设了大量筛孔及少部分导向孔，通过筛孔的气体在塔板上与液体错流，穿过液层垂直上升，通过导向筛板的气体，沿塔板水平前进，将动量传递给塔板上水平流动的液体，从而推动液体在塔板上均匀稳定前进，克服了原来塔板上的液面落差和液相返混，提高了生产能力和板效率，解决了堵塔、液泛等问题。另外，在传统塔板上，由于存在液面梯度，在塔板的上游总是存在着一个非活化区，在此区域内，气流无法穿过液层而上升鼓泡，如对浮阀塔板，上游的几排浮阀无法打开，而对筛板塔板，上游的一个区域内无气泡鼓出。根据实验测定，非活化区的面积往往占塔截面积的1/3左右。高效导向筛板在液流入口处增加了向上凸成斜台状的鼓泡促进器，促使液体一进入塔板就能生产鼓泡，带来了良好的气液接触与传质效果。2.1 高效导向筛板特点2.1.1 生产能力大    高效导向筛板比传统塔板的生产能力高出50%～80％，甚至更高，其原因如下：    a.克服了液流上游存在的非活化区，使得气流通道增加了1/3以上。    b.消除了液面梯度，气速均匀。在传统塔板上，由于上游液层厚而下游液层薄，气速在整个塔截面上是不均匀的，下游液层较薄处气速较大，该处液层率先被吹开时，则达到了生产能力的最大值。而对导向筛板，由于整个塔截面上气速均匀，即全塔平均气速达到最大时，才是生产能力的最大值。    c.从筛孔中上升的气体是垂直向上，从导向孔中上升的气体是水平向前，气体的合成气速是斜向上方的。这样，既延长了气体夹带雾滴的运动轨迹，减小了雾沫夹带，又提高了气速和生产能力。    d.由于导向筛板效率高，同样塔板数时回流比可以降低，进而提高塔的负荷与生产能力。2.1.2 效率高    a.由于克服了非活化区，使得塔板上鼓泡区域增加，增加了气液传质机会，提高了塔板效率。    b.液相返混是影响传统塔板效率的最重要的因素之一。高效导向筛板很好地克服了液相返混现象，提高了塔板效率。    c.消除了液面梯度，降低了漏液量和雾沫夹带，提高了塔板效率。2.1.3 压降低    与泡罩塔板、浮阀塔板相比，筛板塔板由于结构简单，气流通道顺畅，因此操作压降最低。实验和生产经验表明，导向孔的阻力降比筛孔的低20％左右，导向筛板的压降比筛板塔板的还低10％左右。2.1.4 抗堵能力强    由于从导向孔中喷出的气体推动物料在塔板上水平前进，这样可以强化液体在塔板上的流动，对粘性物料，可以多设置导向孔。尤其是对发酵醪的蒸馏、聚合物与单体的分离等，有其独到之处。2.1.5 结构简单、造价低廉    由于高效导向筛板只是在钢板上开些筛孔和导向孔，而无其他组件，因此其结构简单，重量较轻，这样工人在拆装过程中非常方便。相应的造价也很低，高效导向筛板的造价相当于泡罩塔板的40%～50％，浮阀塔板的60%～70％。    综上所述，高效导向筛板适用于要求生产能力大或扩产改造的场合；要求分离效率高以及精密分离的场合；要求压降低、特别是真空精馏的场合。它对粘性物料或含有固体颗粒的物料，有很强的抗污和抗堵能力，还能够有效地破除塔板上的泡沫，降低雾沫夹带，防止液泛发生。高效导向筛板的成功之处，还在于其结构简单，造价低廉，拆装方便。2.2 应用实例2.2.1 高粘度物料精馏的技术改造    在福建纺织化纤集团有限公司聚乙烯醇生产的聚合工段，醋酸乙烯在聚合釜中反应生成聚醋酸乙烯，在聚合一塔中，将聚合物与未聚合的单体进行分离。从聚合釜出来的反应液聚醋酸乙烯含量高达36%，物料粘度大，这给聚合一塔的脱单体精馏带来一定的困难。聚合一塔原来采用泡罩塔板，物料在板上流动阻力大，常常造成液泛、堵塔等生产事故。因此，生产要求对聚合一塔进行技术改造。    在采用导向筛板对聚合一塔进行技术改造时，仅用导向筛板替换原泡罩塔板，塔体、塔内支承件均不动，自1997年3月投入运行以来，操作一直稳定正常，状态良好，达到了很高的技术指标。塔的分离指标及操作回流比见表1、表2。

表1 塔的分离指标

表2 塔的操作回流比

   由表1、表2可以看出，技改后，塔釜VAC(醋酸乙烯)含量由原来的0.26%降低为0.02%～0.03%，大大提高了VAC的回收率和聚合物的质量。塔顶VAC含量由50%提高到60%，减少了后续工段的处理负荷与能耗。同时，由于导向筛板塔板效率高，聚合一塔的回流比由原来泡罩塔板的1.3，降为0.7，降低了45%，节能36%。并且，技改后，彻底解决了生产中堵塔、液泛等问题。    聚合一塔为直径2000mm、塔板数40层的大塔，技改的设备投资约为22万元，而仅计节能、节水、提高VAC回收率和提高产品质量几项，每年增加效益约321万元，改造的投资回收期不到30d。另外，技术改造还将聚合工段VAC处理量由5400L/h增加到8200L/h，产量增大了50%。2.2.2 聚合三塔与回收三塔的技术改造    在石家庄化工化纤有限公司采用导向筛板的技术改造中，将聚合三塔与回收三塔合并成一个塔，使其产量扩大了150%，回流比由原来的4.2降为1.8，塔顶甲醇由原来的99.5%提高到99.8%，达到了扩产、节能、降耗的效果。2.2.3 回收一塔技术的改造    在广西维尼纶(集团)有限公司的回收一塔技术改造中，采用高效导向筛板塔，扩产50%。同时，回流比由原来的2.5降为1.8，塔顶醋酸甲酯含量由65%提高到83%，大大降低了该塔和后续工段的负荷与能耗。塔釜醋酸甲酯含量由0.2%降为0.05%，提高了其回收率，达到了很高的技术指标，并创造了良好的经济效益。

3 新型高效填料

    北京化工大学开发了多种规整填料、散堆填料、液体收集器、液体分布器等塔内件。其中，填料是填料塔最重要的传质内件。    填料的性能主要取决于填料表面的湿润程度和汽液两相流体分布的均匀程度。因为填料提供了单位体积中较大的表面积，这仅是填料的几何表面，起气液传质作用的表面要比几何表面小，总有一部分填料表面未被湿润，减少了气液有效接触的相界面，从而降低了传质效果。若想达到较好的传质效果，必须使液体在整个填料表面充分湿润，形成均匀的液膜。填料表面的湿润性能，主要依赖于所处理物料的表面张力、粘度和填料表面的性质等。尤其是对水、甘油等表面张力大的物系，必须对填料表面进行物理处理和化学处理，提高填料表面的湿润性能。对金属材质填料，采用物理方法、化学方法及联合方法，对金属丝网波纹填料与金属板波纹填料进行表面处理，大大提高了液体在填料表面的成膜和填料的分离效率，甚至使有的分离过程由不可能成为可能，强化了分离技术与工艺。    在塑料填料方面，对于聚丙烯、聚乙烯等材质的填料，无论是对于规整填料还是散堆填料，北京化工大学均开发了最为先进的高分子表面接枝技术，对塑料表面的0.1μm内进行接枝改性，大大提高了填料表面的湿润性，进而提高了填料的传质效率，经过在恶劣环境(酸、碱环境下)下的应用结果表明，塑料填料同样具有很高的传质性能和流体力学性能，且价格便宜。    尤其值得一提的是，北京化工大学研制开发的双层、三层金属填料，具有大通量、低压降、效率高的特点。由于填料效率极高，在精密分离过程及旧塔改造过程中，可以有效地降低塔的高度，在新塔设计与要求满足原有空间的旧塔改造过程中，都有着很高的实用价值。    如北京某厂位于四环路边上，排放气体中含有一些甲醇、醋酸甲酯，采用三层金属丝网填料塔进行设计，使分离后的甲醇、醋酸甲酯等有机物均为检不出，大大高于环保部门对气体排放的要求，顺利通过了环保验收。3.1 新型高效规整填料    近年来，研究开发和推广应用的新型高效规整填料，主要包括金属板波纹填料和金属丝网波纹填料两大类，在将其进行物理和化学方法处理后，填料的分离效率大为提高。    主要优点如下：    a.理论塔数高、通量大、压力降低。    b.低负荷性能好，理论板数随气体负荷的降低而增加，几乎没有低负荷极限。    c.放大效应不明显。    d.适于减压精馏，能够满足精密、大型、高真空精馏装置的要求，为难分离物系、热敏性物系及高纯度产品的精馏分离，提供了有利的条件。    北京化工大学研究开发的新型高效规整填料的主要型号、规格、性能见表3。

表3 新型高效填料型号、规格及性能

3.2 新型高效散堆填料    新型高效散堆填料，主要包括金属鲍尔环填料；金属阶梯环填料；金属环矩鞍填料等。3.2.1 金属鲍尔环填料    金属鲍尔环填料是20世纪40年代德国BASF公司在拉西环填料的基础上开发的，它采用金属薄板冲扎制成，在环壁上开出了两排带有内伸舌叶的窗孔，每排窗有5个舌叶弯入环内，指向环心，在中心处几乎相搭，上下两层窗孔的位置相互错开，一般开孔的总面积约为整个环面积的35%左右。由于在环壁上开了许多窗孔，使得填料层内的气、液分布情况及传质性能比拉西环有较大的改善。3.2.2 金属阶梯环填料    阶梯环填料是20世纪70年代初由英国传质公司应用价值分析技术开发出来的一种改进的开孔环填料。这种填料降低了环的高度，并在环的两个侧端增加了锥形翻边，使其性能较鲍尔环填料有了较大的进步。在同样液体喷淋密度下，其泛点气速较鲍尔环提高了10%～20%；在同样气速下，压力降较鲍尔环低30%～40%。3.2.3 金属环矩鞍填料    金属环矩鞍填料是美国诺顿(Norton)公司率先研究开发的一种新型填料，国内简称为英特洛克斯填料。这种填料巧妙地把环形和鞍型两类填料的特点综合为一体，使其既有环形填料通量大的特点，又有鞍型填料液体分布性能好的优势，从而成为当前颗粒型填料中的佼佼者。    新型高效散堆填料主要型号、规格、性能见表4。

表4 几种新型散堆填料的型号、规格及性能

   北京化工大学开发的新型高效填料已经在北京有机化工厂、石家庄化工化纤有限公司、江西维尼纶厂、贵州有机化工总厂、云南云维股份公司、兰州维尼纶(集团)公司、北京第三制药厂、北京化工实验厂等几十家企业的塔器中得到应用，均取得了扩产、节能、降耗，大幅度提高经济效益的成绩。应用的物系包括甲醇－水、乙醇－水、NaOH水溶液脱硫、磷、NaOH水洗涤等醋酸乙烯－醋酸甲酯分离、醋酸-醋酸乙烯分离、乙醛－醋酸乙烯分离、乙苯－苯乙烯分离、硝基氯苯同分异物体分离等。在制药行业的溶剂回收应用中，也得到了广泛的好评。

4 计算机模拟计算与优化设计

    精馏计算是化工计算中最复杂的计算过程之一。对于精馏计算，采用计算机模拟技术，可以进行改变回流比、塔板数、回流温度、加料温度、加料口位置、中采位置、顶采位置、釜采流量等各参数的多种精馏方案的计算，最后得到最佳工艺方案。这种方案可以做到降低回流比(从而可以大幅度地节能)、提高产品质量、降低釜液中轻物质的含量(减少物料消耗)。根据最后确定的优化方案，得到各层塔板上精馏的热力学性质和流体力学数据(如流量、密度、表面张力、压缩因子等)，进而对塔板(或填料塔)进行流体力学设计，确定塔径、塔板的开孔率、降液管面积，根据计算出的各股物料流量(加料、气相或液相采出量、馏出量、釜出量)，进而对全塔的各管路进行设计。    根据这些流量与管径大小，可以进行泵、仪表等的选型设计。根据计算机精确计算出塔顶冷凝冷却负荷与塔釜热负荷，可以方便地进行整个化工过程的工艺计算及配套设计。    需要说明的是，如果采用传统的手工计算，对于5组分、40层塔板的精馏计算，可能需要半年以上的时间。而计算机计算可以在几分钟内完成，这样可以改变参数，进行多种方案的精馏计算，进一步得到优化的精馏设计方案。    任何一个分离过程的设计，总是将从工厂中取得的数据转化为计算机识别的数据，用从国外引进的最先进的化工过程计算软件(CAD)，在计算机上进行详细计算，最后得到优化的工艺方案和流体热力学数据，进而进行各塔和整个工艺的优化设计。    应用计算机优化计算(曾为5家大型化工企业进行整个工艺的详细规划和工艺计算，共包括5个工段、30余个塔器及附属设备)，可计算出各个工段、各个塔及其附属设备、各条管路、再沸器等的技改需要数据，并计算出技改后能达到的指标，技改的设备投资及可以达到的经济效益。优化计算为企业的技术改造提供了准确可靠的方案，并且在实施过程中达到了预期目的，获得了巨大的经济效益。

5 高性能填料塔内件

    塔内件是填料塔的组成部分，它与填料及塔体共同构成一个完整的填料塔。    所有塔内件的作用都是为了使气液在塔内更好地接触，以便发挥填料塔的最大效率和最大生产能力。所以，塔内件设计的好坏，直接影响到填料性能的发挥和整个填料塔的操作运行。另外，填料塔的“放大效应”除了填料本身固有因素外，塔内件对它的影响也很大。近几年来，北京化工大学对塔内件的研究与开发工作取得了很大的进展，使填料塔的设计与应用日趋完善。    塔内件主要包括以下几个部分：    a.液体分布装置；    b.填料紧固装置；    c.填料支撑装置；    d.液体收集再分布及进出料装置；    e.气体进料及分布装置；    f.除沫装置。

6 板填复合塔板

    板填复合塔板是在经对板式塔与填料塔进行深入研究的基础上，充分利用板式塔中塔板间距的空隙，设置高效填料，以实现降低雾沫夹带、提高气体在塔内的流速和塔的生产能力的目的。同时，气液在高效填料表面再次传质，进一步提高了塔板效率，由于负荷下限未变而上限大幅度提高，因此塔的操作弹性也大为提高。    板填复合塔板的工作原理如下：    气体从塔板下方以一定的气速通过塔板上的开孔进入提液管，液体也通过提液管与塔板间隙被带入提液管中，并被拉成液膜，二者并流上升。在上升过程中，在液膜表面进行气液传质，接着气液并流进入填料中，在填料表面液体被碰碎，进一步实现与气体的传质。从填料中喷出的气体进入上层填料，液体下降到下层塔板，继续进行传质与分离。    由于气流高速通过塔板开孔，并将液膜夹带进入填料层，因此板填复合塔板生产能力大，一般空塔动能因子可达0.8～3.5m/s，且经过提液管与填料两类传质，故其板效率高，可达75%～90％。这种塔板压降很低，一般每板为30～50mm H2 O。

7 新型高效丝网除雾器

    丝网除雾器是用来将气体中夹带的雾沫(雾滴)除去，回收昂贵的雾滴(贵重物料)，或净化气体，减少气体中的杂质。它是将细小的金属扁丝，采用特殊的经纬方式编织而成，也可根据物料易腐蚀情况，选用聚四氟乙烯等材质。    试验及工业应用表明，这种丝网除雾器具有压降低、通量大、除雾效率高的特点。对于1μm以上的雾滴，其脱除效率可以达到99％以上。目前，在工业中已应用于数十座塔，包括发酵气体中含有淡酒精回收、合成气体进反应器前脱水(减少副反应)、酸性雾滴脱除(避免后续设备腐蚀)、产品气相侧采脱杂(脱除液滴所含杂质)、塔器设备顶部脱出雾沫以及气液分离器的除雾等，在这些关键之处应用后，均为企业带来了巨大的经济效益。

8 结语

    近几十年来，化工技术发生了巨大变化，新型高效分离技术层出不穷。在工业实践应用中，高效导向筛板、新型填料、高性能塔内件等，均大幅度提高了产量和分离效率，进而提高了产品质量，降低了能耗和原料消耗。这些技术既适用于旧塔改造，也适合于新建装置的应用。

  作者简介：李群生，博士，副教授，现就职于北京化工大学化学工程学院，主要从事传质与分离技术的研究工作。

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