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精馏技术研究进展与工业应用
2021-07-04 阅读：次
精馏是化学工业中应用最广泛的关键共性技术，广泛应用于石油、化工、化肥、制药、环境保护等行业。精馏具有应用广泛、技术成熟等优点，但存在设备投资大、分离能耗高等问题，因此研究开发新型高效传质元件、开发新型节能精馏技术，具有重要的社会意义和经济价值。本文从精馏塔类型、流体力学性能、传质性能、塔器大型化、过程节能、过程强化等方面，介绍了精馏技术的研究进展与工业应用。对于板式塔，从气液两相流动状态、压降、漏液和雾沫夹带方面研究了塔板的流体力学性能；对于填料塔，从压降、液泛和持液量方面研究了填料塔的流体力学性能，但目前的研究仍以经验关联式为主，缺乏严谨的的理论模型。对于气液两相的传质性能研究，简述了气液两相传质理论，但科学、精准的传质模型尚未提出。对于塔器大型化的应用研究，介绍了塔板、气液分布器和支撑装置等大型化关键技术的工业应用。从精馏过程典型节能技术、耦合节能技术、流程节能技术、低温余热回收和特殊精馏等方面，介绍了精馏过程节能与强化的应用进展。文章最后对精馏过程的传质、强化和集成进行了展望。
化学工业是国民经济的支柱产业，分离技术则为化工生产过程中的原料净化、产品提纯和废物处理等提供了技术保证。随着化学工程技术的发展，分离技术逐渐向着多元化发展。常规的化工分离技术包括精馏、吸收、结晶、吸附、膜分离等。精馏仍是应用最广泛、技术最成熟的分离方法之一，在工业生产中占有相当的比重。精馏塔伴随着板式塔和填料塔交替式发展，两者各有其优缺点，现呈现出并行发展的趋势。板式塔具有结构简单、适应性强、造价较低、易于放大等特点；填料塔具有高效率、高通量、低压降、低持液等优势。尽管随着精馏塔的广泛应用，人们对精馏塔的认识越来越深刻，但由于塔内部流体流动及传质过程的复杂性，致使精馏塔的设计仍依靠大量的经验和半经验的数据。塔内流体力学、传质动力学、过程动态学的计算等基础传递问题的研究仍需重视，尽可能地摆脱经验。同时，随着化学工业的发展，生产大型化、优化节能、高效填料与新型塔板的开发与应用等问题仍需探索。因此，对精馏塔的研究非但不能削弱，而是需要进一步加强，以迎接新的挑战。近年来，我国精馏塔技术在基础研究与应用方面取得了巨大进步，对精馏塔的结构、性能等进行了较为系统的实验研究，并且获得了丰富的实验数据和研究成果，为推动我国化学工业的发展与进步，做出了显著贡献。本文对精馏塔类型、流体力学性能、传质性能、塔器大型化、过程节能与强化等方面的研究进展进行综述。1精馏塔类型精馏塔按塔内件结构不同，分为板式塔和填料塔。20世纪70年代前，板式塔的研究及应用处于地位。70年代后，填料塔的研究取得了较大进展，填料塔与板式塔相比，具有压降低、效率高、处理量大和持液量低等优点。1.1板式塔1813年，CELLIER提出泡罩塔板，已有200多年历史。板式塔具有结构简单、造价低等优点，特别适合于加压和多侧线采出的工艺流程[1]，板式塔主要包括泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板和其他新型塔板。1.1.1泡罩塔板CELLIER[2]提出的泡罩塔板，最早应用在酿造业，后来被推广到精馏、吸收等单元操作中。泡罩塔板具有适用范围广、操作弹性大、不易堵塞和便于操作等优点；但是，泡罩塔板具有结构复杂、造价高、压降大等缺点[3-4]。美国SoconyMobilOilCompany[5]开发了一种新型的S形塔板，该塔板兼顾泡罩塔板的优点，但造价明显低于泡罩塔板。研究者在条形泡罩塔板的基础上开发出了槽式泡罩塔板，GUERRIERI等[6-7]指出，槽式泡罩塔板具有压降低，漏液少等特点，被广泛应用在石油化工与精细化工中[8]。1.1.2筛孔塔板19世纪30年代，研究者开发出了筛孔塔板，并首先应用于酿造工业。但是早期人们对筛孔塔板的研究不充分，认为其操作不易稳定而未得到广泛应用。直到20世纪50年代，人们对筛孔塔板的结构、性能进行了充分的研究，使筛孔塔板的应用日趋广泛。随着化学工业的发展，人们开发出了很多新型筛孔塔板。MD筛板[9]是美国联碳公司开发的用于高液量的气液传质元件。美国环球油品公司（UOP）在此基础上又开发出了ECMD、EEMD、VGMD等[10]新型多降液管塔板。国内浙江工业大学开发的DJ塔板[11]是对MD筛孔塔板的改进，主要对塔板结构和流型作了改进，主要有DJ-1型、DJ-2型和DJ-3型3种型号。Linde公司开发的导向筛板[12]最早应用于空分装置，之后开始用于乙苯-苯乙烯的分离装置中，取得了显著的效果。1.1.3浮阀塔板20世纪50年代，美国先开发出了浮阀塔板，其兼有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，具有生产能力大、操作弹性大和传质效率高等优点[13]，广泛应用于石油、化学工业中。国内外开发了多种形式的浮阀，具代表性的是美国Glitsch公司开发的圆形浮阀——V1浮阀（国内称为F1型）。美国学者Nutter等提出了条形浮阀，国内学者在Nutter条阀的基础上，开发出了很多新型条形浮阀，如T形条阀、L1形条阀及HTV船形条阀等。华东理工大学开发的导向条形浮阀[14]，结合了导向筛板和条形浮阀的优点，能有效地降低塔板上的液面梯度和液体返混。天津大学开发的导向梯形浮阀[15]吸取了条形浮阀塔板、V形栅板、固舌塔板和导向筛板的优点，可进一步改善塔板上的液体流动状况。清华大学在F1浮阀的基础上开发出ADV微分浮阀[16]，进一步提高了浮阀塔板传质效率。天津大学和科学院沈阳金属所共同研究开发了碳化硅泡沫浮阀[17]，泡沫碳化硅使气体以均匀的小气泡穿过塔板，具有压降低、漏液少及效率高等优点。Glitsch公司开发的高性能Superfrac塔板[18]，处理量较筛孔塔板和浮阀塔板高20%～40%。鉴于浮阀塔板兼有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，已广泛应用于石油化工、气分等装置
1.1.4其他塔板除上述常规塔板外，科研人员还开发出了很多其他类型的塔板。如Nutter公司开发的固阀塔板，具有压降小、抗堵塞等优点。CHUANG等[19]将填料与筛板结合在一起，大大提高了塔板的传质效率。徐崇嗣与CHUANG[20]在此基础上，将填料放置在塔板之间，塔板不设降液管，能使塔板的处理量提高15%左右。李鑫钢课题组[21]开发的螺旋喷嘴与塔板相结合的雾化概念塔板，具有传质效率高和压降低等优点。日本三井造船株式会社[22]开发的垂直筛板是一种全新的喷射型塔板，具有通量大、抗堵塞等优点。河北工业大学[23]在垂直筛板的基础上开发出立体传质塔板（CTST），广泛用于化肥、石化、煤化工等行业的旧塔改造中，取得了巨大的经济效益和社会效益。
1.2填料塔
填料分散堆填料和规整填料两类。散堆填料是具有一定外型结构的颗粒体；规整填料是具有规则几何图形、堆砌整齐的填料。
1.2.1规整填料
规整填料具有效率高、压降低、操作弹性大、处理量大、适应性强等优点[24-28]。目前规整填料种类繁多，具代表性的是Sulzer公司开发的金属丝网波纹规整填料和金属板波纹规整填料[24]。Glitsch公司推出的垂直格栅填料，具有低压降、高通量、抗堵塞等特点，适用于脏物系的工艺流程[25-26]。天津大学开发的产品双向金属折峰式波纹填料Zupak系列规整填料与Sulzer公司的金属板波纹填料相比，比表面积增加了8%～10%，具有分离效率更高、压降更低等优点[26]。Montz公司开发出了Montz-pak系列规整填料和BSH系列规整填料，BSH系列规整填料是介于丝网与板波纹之间的规整填料，广泛应用在空分、制药和反应精馏领域[26]。Norton公司开发的Intalox系列规整填料，其波峰与波谷每隔一段间距，形成错位双波纹结构，起到强化传质的效果[25]。Kuhni公司开发的Rombopak系列规整填料，其特点是对气液相流道进行了优化布置[26]。Jeager公司开发的Max-Pak系列规整填料，对填料进行反向开孔，强化了气液两相的混合，有效地提高了填料的传质效率[27]。Envicon公司开发的Jalousiepacking系列规整填料，具有不易堵塞的特点[26]。类似的还有Koch公司开发出Flexipac系列规整填料、Raschig公司开发的Raschig-Superpak填料[25-26]。上海化工研究院开发的SM、SW、SC和SB系列规整填料，已成功应用在国内多座塔器中，效果显著[28]。随着化工分离技术的发展，Sulzer公司在20世纪90年代末，开发出了MellapakPlus系列规整填料，与Mellapak系列规整填料比较，具有更大的通量、更低的压降，已广泛应用于化工分离装置.
1.2.2散堆填料
散堆填料主要包括环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。拉西环[29]的开发成功，是填料塔进入科学发展轨道的标志。鲍尔环[29]通过在拉西环壁上开内伸的舌叶窗孔，改善气液两相的流动状况，有效地降低了填料压降、提高了传质效率。MassTransfer公司开发的阶梯环填料（CMR）[28]，增加了侧端翻边，不但增加了空隙率，减小了气体阻力，而且提高了填料的传质效率，使阶梯环的性能在鲍尔环的基础上又前进一步。清华大学开发的扁环填料[28]，用于液液时，具有优异的传质性能。鞍形填料[29]主要包括弧鞍形与矩鞍形两种：鞍形填料的弧形通道可有效减小流体阻力，使鞍形填料的压降更低；矩鞍环填料[29]将开孔环形填料和鞍形填料的优点集合于一身，具有压降小、通量大、效率高等优点，是性能良的散堆填料之一。球型填料[29]的优点是堆积均匀，利于流体分布，多用于气体吸收、净化和除尘等化工过程。散堆填料向着空隙率逐渐、压降逐渐减小和效率逐渐提高的方向发展。散堆填料较规整填料具有优良的抗堵性能，其在气体净化、石油化工及焦化等领域应用广泛。
化学工业是国民经济的支柱产业，分离技术则为化工生产过程中的原料净化、产品提纯和废物处理等提供了技术保证。随着化学工程技术的发展，分离技术逐渐向着多元化发展。常规的化工分离技术包括精馏、吸收、结晶、吸附、膜分离等。精馏仍是应用最广泛、技术最成熟的分离方法之一，在工业生产中占有相当的比重。精馏塔伴随着板式塔和填料塔交替式发展，两者各有其优缺点，现呈现出并行发展的趋势。板式塔具有结构简单、适应性强、造价较低、易于放大等特点；填料塔具有高效率、高通量、低压降、低持液等优势。尽管随着精馏塔的广泛应用，人们对精馏塔的认识越来越深刻，但由于塔内部流体流动及传质过程的复杂性，致使精馏塔的设计仍依靠大量的经验和半经验的数据。塔内流体力学、传质动力学、过程动态学的计算等基础传递问题的研究仍需重视，尽可能地摆脱经验。同时，随着化学工业的发展，生产大型化、优化节能、高效填料与新型塔板的开发与应用等问题仍需探索。因此，对精馏塔的研究非但不能削弱，而是需要进一步加强，以迎接新的挑战。近年来，我国精馏塔技术在基础研究与应用方面取得了巨大进步，对精馏塔的结构、性能等进行了较为系统的实验研究，并且获得了丰富的实验数据和研究成果，为推动我国化学工业的发展与进步，做出了显著贡献。本文对精馏塔类型、流体力学性能、传质性能、塔器大型化、过程节能与强化等方面的研究进展进行综述。1精馏塔类型精馏塔按塔内件结构不同，分为板式塔和填料塔。20世纪70年代前，板式塔的研究及应用处于地位。70年代后，填料塔的研究取得了较大进展，填料塔与板式塔相比，具有压降低、效率高、处理量大和持液量低等优点。1.1板式塔1813年，CELLIER提出泡罩塔板，已有200多年历史。板式塔具有结构简单、造价低等优点，特别适合于加压和多侧线采出的工艺流程[1]，板式塔主要包括泡罩塔板、筛孔塔板、浮阀塔板和其他新型塔板。1.1.1泡罩塔板CELLIER[2]提出的泡罩塔板，最早应用在酿造业，后来被推广到精馏、吸收等单元操作中。泡罩塔板具有适用范围广、操作弹性大、不易堵塞和便于操作等优点；但是，泡罩塔板具有结构复杂、造价高、压降大等缺点[3-4]。美国SoconyMobilOilCompany[5]开发了一种新型的S形塔板，该塔板兼顾泡罩塔板的优点，但造价明显低于泡罩塔板。研究者在条形泡罩塔板的基础上开发出了槽式泡罩塔板，GUERRIERI等[6-7]指出，槽式泡罩塔板具有压降低，漏液少等特点，被广泛应用在石油化工与精细化工中[8]。1.1.2筛孔塔板19世纪30年代，研究者开发出了筛孔塔板，并首先应用于酿造工业。但是早期人们对筛孔塔板的研究不充分，认为其操作不易稳定而未得到广泛应用。直到20世纪50年代，人们对筛孔塔板的结构、性能进行了充分的研究，使筛孔塔板的应用日趋广泛。随着化学工业的发展，人们开发出了很多新型筛孔塔板。MD筛板[9]是美国联碳公司开发的用于高液量的气液传质元件。美国环球油品公司（UOP）在此基础上又开发出了ECMD、EEMD、VGMD等[10]新型多降液管塔板。国内浙江工业大学开发的DJ塔板[11]是对MD筛孔塔板的改进，主要对塔板结构和流型作了改进，主要有DJ-1型、DJ-2型和DJ-3型3种型号。Linde公司开发的导向筛板[12]最早应用于空分装置，之后开始用于乙苯-苯乙烯的分离装置中，取得了显著的效果。1.1.3浮阀塔板20世纪50年代，美国先开发出了浮阀塔板，其兼有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，具有生产能力大、操作弹性大和传质效率高等优点[13]，广泛应用于石油、化学工业中。国内外开发了多种形式的浮阀，具代表性的是美国Glitsch公司开发的圆形浮阀——V1浮阀（国内称为F1型）。美国学者Nutter等提出了条形浮阀，国内学者在Nutter条阀的基础上，开发出了很多新型条形浮阀，如T形条阀、L1形条阀及HTV船形条阀等。华东理工大学开发的导向条形浮阀[14]，结合了导向筛板和条形浮阀的优点，能有效地降低塔板上的液面梯度和液体返混。天津大学开发的导向梯形浮阀[15]吸取了条形浮阀塔板、V形栅板、固舌塔板和导向筛板的优点，可进一步改善塔板上的液体流动状况。清华大学在F1浮阀的基础上开发出ADV微分浮阀[16]，进一步提高了浮阀塔板传质效率。天津大学和科学院沈阳金属所共同研究开发了碳化硅泡沫浮阀[17]，泡沫碳化硅使气体以均匀的小气泡穿过塔板，具有压降低、漏液少及效率高等优点。Glitsch公司开发的高性能Superfrac塔板[18]，处理量较筛孔塔板和浮阀塔板高20%～40%。鉴于浮阀塔板兼有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，已广泛应用于石油化工、气分等装置
1.1.4其他塔板除上述常规塔板外，科研人员还开发出了很多其他类型的塔板。如Nutter公司开发的固阀塔板，具有压降小、抗堵塞等优点。CHUANG等[19]将填料与筛板结合在一起，大大提高了塔板的传质效率。徐崇嗣与CHUANG[20]在此基础上，将填料放置在塔板之间，塔板不设降液管，能使塔板的处理量提高15%左右。李鑫钢课题组[21]开发的螺旋喷嘴与塔板相结合的雾化概念塔板，具有传质效率高和压降低等优点。日本三井造船株式会社[22]开发的垂直筛板是一种全新的喷射型塔板，具有通量大、抗堵塞等优点。河北工业大学[23]在垂直筛板的基础上开发出立体传质塔板（CTST），广泛用于化肥、石化、煤化工等行业的旧塔改造中，取得了巨大的经济效益和社会效益。
1.2填料塔
填料分散堆填料和规整填料两类。散堆填料是具有一定外型结构的颗粒体；规整填料是具有规则几何图形、堆砌整齐的填料。
1.2.1规整填料
规整填料具有效率高、压降低、操作弹性大、处理量大、适应性强等优点[24-28]。目前规整填料种类繁多，具代表性的是Sulzer公司开发的金属丝网波纹规整填料和金属板波纹规整填料[24]。Glitsch公司推出的垂直格栅填料，具有低压降、高通量、抗堵塞等特点，适用于脏物系的工艺流程[25-26]。天津大学开发的产品双向金属折峰式波纹填料Zupak系列规整填料与Sulzer公司的金属板波纹填料相比，比表面积增加了8%～10%，具有分离效率更高、压降更低等优点[26]。Montz公司开发出了Montz-pak系列规整填料和BSH系列规整填料，BSH系列规整填料是介于丝网与板波纹之间的规整填料，广泛应用在空分、制药和反应精馏领域[26]。Norton公司开发的Intalox系列规整填料，其波峰与波谷每隔一段间距，形成错位双波纹结构，起到强化传质的效果[25]。Kuhni公司开发的Rombopak系列规整填料，其特点是对气液相流道进行了优化布置[26]。Jeager公司开发的Max-Pak系列规整填料，对填料进行反向开孔，强化了气液两相的混合，有效地提高了填料的传质效率[27]。Envicon公司开发的Jalousiepacking系列规整填料，具有不易堵塞的特点[26]。类似的还有Koch公司开发出Flexipac系列规整填料、Raschig公司开发的Raschig-Superpak填料[25-26]。上海化工研究院开发的SM、SW、SC和SB系列规整填料，已成功应用在国内多座塔器中，效果显著[28]。随着化工分离技术的发展，Sulzer公司在20世纪90年代末，开发出了MellapakPlus系列规整填料，与Mellapak系列规整填料比较，具有更大的通量、更低的压降，已广泛应用于化工分离装置.
1.2.2散堆填料
散堆填料主要包括环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。拉西环[29]的开发成功，是填料塔进入科学发展轨道的标志。鲍尔环[29]通过在拉西环壁上开内伸的舌叶窗孔，改善气液两相的流动状况，有效地降低了填料压降、提高了传质效率。MassTransfer公司开发的阶梯环填料（CMR）[28]，增加了侧端翻边，不但增加了空隙率，减小了气体阻力，而且提高了填料的传质效率，使阶梯环的性能在鲍尔环的基础上又前进一步。清华大学开发的扁环填料[28]，用于液液时，具有优异的传质性能。鞍形填料[29]主要包括弧鞍形与矩鞍形两种：鞍形填料的弧形通道可有效减小流体阻力，使鞍形填料的压降更低；矩鞍环填料[29]将开孔环形填料和鞍形填料的优点集合于一身，具有压降小、通量大、效率高等优点，是性能良的散堆填料之一。球型填料[29]的优点是堆积均匀，利于流体分布，多用于气体吸收、净化和除尘等化工过程。散堆填料向着空隙率逐渐、压降逐渐减小和效率逐渐提高的方向发展。散堆填料较规整填料具有优良的抗堵性能，其在气体净化、石油化工及焦化等领域应用广泛。
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