蒸馏技术在石油炼制工业中的发展与展望

１　蒸馏过程大型化技术在石油炼制工业中的发展

１　．１　　蒸馏过程大型化技术重点概述

蒸馏设备直径以后，其效率随之下降，从而产生设备大型化所共有的放大效应。蒸馏设备大型化的难点在于，如何解决好放大效应及长期运转所带来的震动、堵塞等问题。具体来说，蒸馏设备大型化研究过程中主要遇到的问题有：
（１）分布问题，大型化带来的突出问题是气、液相分布不均，这是塔内的气、液相流动、传质、传热效率主要因素；

（２）长周期运行问题，精馏塔长周期运转要解决设备稳定性和堵塞结焦问题，以免影响装置正常运转；
（３）大型化的力学问题，塔器大型化需要解决内构件支撑结构静态力学强度、刚度和长期处于受热状态的热变形及变形问题。针对以上问题，国内相关科研人员进行了长期的研究和实践，研究的主要方向也集中在新型塔盘、高效填料、液体分布器、气体分布器、支撑技术这几个关键塔内件技术上［７－８］。

１．２　数字化设计技术的发展

数字化设计是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像并进行交互处理的理论、方法和技术。数字化设计改变了传统的设计方法，旨在利用计算流体力学、模拟计算等手段实现精馏塔以及塔内件的参数化，并将参数模型导入有限元分析软件，对精馏塔塔体和塔内件以及支撑结构在外界载荷的作用下以及不同的操作工况的强度、刚度、稳定性和可靠性给出精确的校核计算［９－１２］。

相比于传统的实验和经验为主的设计过程，数字化设计过程具有容易改变参数、不受条件限制、耗时短、减少人力物力投入等点，这不为设计过程节省了时间和费用，也间接地为企业创造了经济效益。在蒸馏设备大型化的过程中，数字化设计主要应用在塔板、规整填料、分布器、支撑元件的结构设计上。通过改变物理模型中的几何参数，观察所设计结构中的流体力学及力学性能数据，从而筛选出较的塔内件结构［１３－１４］。Ｌｉ等［１５］、刘德新等［１６］、李瑞等［１７］和王晓玲［１８］对塔板上的气、液相流动进行了仿真模拟，给出了接近真实的模拟结果。

陈保卫等［１９］和周永生等［２０］用Ｆｌｕｅｎｔ模拟了规整填料塔内的气、液相流场分布情况，与所观测到的实际情况基本相符。金红杰等［２１］和刘德新等［２２］模拟了双切向气分布器中的气、液两相流的流动状况，并对多种分布器进行了性能比较和结构改进。如今，很多国内外学者已经习惯于先将要设计的新型塔内件进行数字化设计，再将得到的结果进行实质性物化试验，在这方面的文献报道屡见不鲜。

虽然数字化设计技术给设备设计过程带来了很大的便利，并节省了一大部分设计投入。但由于传递理论的不成熟以及计算机技术的局限，数字化设计的可信度还是不能和实践经验相提并论。数字化设计的结论能作为参考使用，设计的真实效果还需要实践来检验。相信在不远的将来，随着传递理论越来越能描述实际现象，计算机技术取得突破发展，数字化设计会提供完全可靠的设计参数，将设计方面的投入降到低。

１．３　塔内件重点技术革新

近些年，国内的塔内件技术取得了突飞猛进的发展，使得我国化工产品能耗逐渐降低，分离效率显著提升，有的技术已经达到水平。

１．３．１　塔盘技术的革新 

塔盘技术的革新主要集中在开孔结构的设计上。

目前，国内的研究重点主要集中在浮阀及固定阀的结构设计上。华东理工大学以条形浮阀为基础，相继开发了组合导向浮阀塔板［２３］、Ｂ型导向浮阀塔板［２４］、组合波纹导向浮阀塔板［２５］、ＨＬＦＶ浮阀塔板［２６］等，这些新型浮阀塔板均能有效地塔板上的液体返混，减小液面梯度，传质效果。浙江工业大学以ＭＤ塔盘为基础开发的ＤＪ系列塔盘，

采用矩形悬挂式降液管，主要适用于处理高液／气比、大液量的精馏和吸收等操作过程，处理能力比一般塔板高３０％～５０％。通过在受液区增设导流装置和防冲击漏液装置，采用新型固定阀作为鼓泡元件以及在塔板下方复合填料的措施，改善板上液流分布，减少冲击漏液量和雾沫夹带量，从而大大提高塔板效率，操作弹性［２７］。清华大学化工系结合固定阀和浮阀塔板的缺点开发了一种两者相结合的高性能自适应浮阀塔板———ＨＡＶＴＨ塔板［２８］。

该塔板由ＭＶＧ固定阀塔板和Ｓｕｒｆａｃｅ微分浮阀塔板组合而成，其设计充分利用塔板上方的传质空间，提高塔的操作弹性；如果将整体形状改成梯形，还能够起到推动液体的作用。河北工业大学专注于立体传质塔盘（ＣＴＳＴ）的开发与应用，所研发的一系列ＣＴＳＴ塔盘已经在医药行业及传统化工分离工段得到广泛应用。ＣＴＳＴ塔板采用矩形开孔，开孔上方安装带筛孔的梯形喷射罩和分离板，充分利用了板上的传质空间，使得ＣＴＳＴ塔板拥有操作弹性大、板效率高、处理量大、物性适应性强、压降低等特点［２９－３１］。石油大学综合导向条阀和ＭＭＶＧ固阀的点，开发了双层导向浮阀塔板［３２］和ＳＦＶ全通导向浮阀塔板［３３］。
２种浮阀塔板都是在条形浮阀阀面上开设微型固阀，同时具备两者的良特性，并且在阀腿上都开有导向孔。这样可以加快塔板上液体流动，降低塔板上液面梯度，消除塔板两端液体停滞区，改善塔板上液体流动力学与传质性能。北京化工大学侧重于新型筛板塔的研究与应用，设计的导向筛板塔板不但保留了筛板塔传质效率高、结构简单等特点，还在一定程度上加大了操作弹性和处理通量，为筛板塔的应用提供了更广阔的空间［３４］。天津大学主要以条形浮阀和固定阀为基础，进行新型塔盘的开发［３５－３８］。近期，石化工程建设公司与天津大学合作开发的一种新型流线型导向固定阀塔板，其特点就是具有平滑的弯曲折边，液体流动呈流线型，而且阀上面具有推液作用的导向孔。实践证明，这种塔盘能够很好地分配气、液流场，具有低压降、液面差小、传质效率高等特点，以及具有能够装备大型塔器的条件［３９］。

１．３．２　填料技术的革新

规整填料是大型塔器传质元件的选。理想的规整填料应具有压降小、分离效率高、操作弹性大、适应性强、放大效应小等特点。压延刺孔波纹板填料是将金属薄板先辗压出密度很高的小刺孔，再压成波纹板组装而成的规整填料。由于金属压延刺孔波纹板表面特殊的微刺孔结构，它的毛细作用加强，润湿性能提高，分离性能良好，因此具有较好的传质效率［４０］。板网波纹填料是用金属薄板经冲切拉伸而成的金属板网（或网孔板）加工成的波纹填料。金属板网表面的菱形孔容易使液体在其表面形成液膜，在良好的条件下，实际传质表面积可大于金属本身的表面积，且液体膜受板网表面影响产生湍动混合与表面更新，因而提高了板波纹填料的传质效果［４１］。
清华大学研究开发的新型复合填料，是在规整填料基础上采用交错９０°排列的水平波纹（ＰＦＧ）组合而成。ＰＦＧ本身是填料，同时又起到分布器的作用，具有良好的自分布性能，传质效率比规整填料提高１５％～２０％。每米填料的理论板数比同规格的Ｓｕｌｚｅｒ填料高１５％左右［４２］。天津大学自主开发了组片式（Ｚｕｐａｋ）和峰谷搭片式（Ｄａｐａｋ）波纹填料。２种填料都是以金属波纹板填料为基础进行改造而成，具有良好的流体力学和传质性能，与相应型号的Ｍｅｌｌａｐａｋ相比，分离效率和通量都有不同程度的升高，目前两者都已成功在石油化工行业中广泛使用［４３］。

近些年，设计人员对规整填料进行开孔和开窗，并将金属板进行波纹化，尝试金属丝网双层化、金属板和金属丝网组合叠放等改进。结果表明，填料对于气体的分布更加均匀，并可形成更大的传质表面，提高了传质效率。同时，设计者将直线波纹进行曲线化，降低了气相局部速率，减小了局部涡流，使压降降低［４４］。

１．３．３　分布器技术革新（１）液体分布器

大型塔器的液体分布器需具有更高要求的液体均布和抗堵塞性能。针对以上目的，在槽式液体分布器基础上，开发了新型多级槽式液体分布器。分布器一级槽采用全联通结构，二级槽增设整流导流挡板结构。一级槽的全联通结构能够消除液面落差和主槽之间的偏流，保证槽内水平度；二级槽加设整流挡板，实现了液体分布器的线分布。这种设计既对液体分布质量有要求，又保证了长周期运行的工程要求。大型槽式液体分布器的预分布管设计非常重要。，普通等孔径预分布管内呈现两端流量大而中部流量小的特点，这会严重影响二级槽式分布器内的液体分布均匀性。天津大学采用实验和理论模拟相结合的方法，设计开发了变孔径的预分布器。这种预分布器的开孔呈现中间孔径大、两端孔径小的特点，使整个预分布管的流量均匀，解决了超大型分布器的初始分布问题［４５］。

基于盘式分布器开发的导液盘式液体分布器，国内习惯叫做槽盘式液体分布器，也成功运用在大型塔器上。分布器底圈固定在塔圈上，在塔盘开矩形升气管，升气管侧壁中、上部开布液孔，同时增加导液管。槽盘式液体分布器主要是为了解决多级槽式液体分布器在安装空间高度和抗阻塞的缺陷而设计的。该分布器的点是占用空间小，集液体收集、分布、侧线采出于一体，而布液孔的高位设计使得重脏物有时间也有空间沉降于盘底。全联通结构设置不影响气体分布，使气、液相分布均匀，抗阻塞、防雾沫夹带性能越，操作弹性大。该种分布器的缺点是，对安装要求严格，容易漏液，适应于大液量的场合［４６］。
（２）气体分布器

大型炼油减压塔多为低压降的填料塔，直径达到１０多米，而床层２ｍ左右。这种低压降、大直径、浅床层塔器气体的初始分布对于塔器的正常操作和气－液的传质传热有很大影响。常用的气体分布器有双切向环流气体分布器、辐散式进气初始分布器、三维复合导流式初始分布器、双列片进气初始分布器等。其中，双切向环流气体分布器气体分布均匀，压降小，雾沫夹带低，与各种气体分布器相比具有较好的综合性能，在大型塔器中尤其是大型减压塔中应用较为广泛。近些年，对于双切向环流气体分布器的结构化成为研究的重点。主要是依靠ＣＦＤ软件模拟针对导流板和套筒的参数设置来化分布器的气、液流场，从而使得大直径的塔器可以地发挥填料的效率，进料闪蒸空间高度也大大降低。这种分布器已广泛应用于较大直径（大于

４．０ｍ）的塔中，如炼油装置减压塔、乙烯装置的油洗塔和水洗塔［４５］。双层折返流气体分布器可以克服切向环流分布器气相环形通道上方气体分布不均的缺点，上层折返气体可以使气相分布更加均匀。

１．３．４　支撑技术革新

大型塔器中由于塔内件质量增加，气、液流场强度更高，同时还需满足长周期运行的要求，因而对支撑结构强度、刚度以及耐久度提出了更高的要求。普通的工字梁和槽钢支撑梁，在荷载的作用下自身变形，难以满足工艺的要求。借鉴铁路桥中桁架梁的设计思路，石化工程建设公司与天津大学合作，设计出大型塔用桁架支撑梁。这种支撑梁的桁架梁和支撑构件之间形成三角稳定结构，根据三角形的稳定性原理，可以有效地加强支撑梁的强度，减小支撑梁在负载时的挠度，同时提高整个桁架支撑梁的通透性，可以改善气流旋流的冲击，大大降低空间高度；与普通工字钢梁相比，可使气体实现横向混合，减少气相流动阻力，同时可减少金属材料的使用量［４６］。