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    精餾技術研究進展與工業應用
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    精餾技術研究進展與工業應用

    2021-07-04      閱讀:
    精餾是化學工業中應用最廣泛的關鍵共性技術,廣泛應用于石油、化工、化肥、制藥、環境保護等行業。精餾具有應用廣泛、技術成熟等優點,但存在設備投資大、分離能耗高等問題,因此研究開發新型高效傳質元件、開發新型節能精餾技術,具有重要的社會意義和經濟價值。本文從精餾塔類型、流體力學性能、傳質性能、塔器大型化、過程節能、過程強化等方面,介紹了精餾技術的研究進展與工業應用。對于板式塔,從氣液兩相流動狀態、壓降、漏液和霧沫夾帶方面研究了塔板的流體力學性能;對于填料塔,從壓降、液泛和持液量方面研究了填料塔的流體力學性能,但目前的研究仍以經驗關聯式為主,缺乏嚴謹的的理論模型。對于氣液兩相的傳質性能研究,簡述了氣液兩相傳質理論,但科學、精準的傳質模型尚未提出。對于塔器大型化的應用研究,介紹了塔板、氣液分布器和支撐裝置等大型化關鍵技術的工業應用。從精餾過程典型節能技術、耦合節能技術、流程節能技術、低溫余熱回收和特殊精餾等方面,介紹了精餾過程節能與強化的應用進展。文章最后對精餾過程的傳質、強化和集成進行了展望。

    化學工業是國民經濟的支柱產業,分離技術則為化工生產過程中的原料凈化、產品提純和廢物處理等提供了技術保證。隨著化學工程技術的發展,分離技術逐漸向著多元化發展。常規的化工分離技術包括精餾、吸收、結晶、吸附、膜分離等。精餾仍是應用最廣泛、技術最成熟的分離方法之一,在工業生產中占有相當的比重。精餾塔伴隨著板式塔和填料塔交替式發展,兩者各有其優缺點,現呈現出并行發展的趨勢。板式塔具有結構簡單、適應性強、造價較低、易于放大等特點;填料塔具有高效率、高通量、低壓降、低持液等優勢。盡管隨著精餾塔的廣泛應用,人們對精餾塔的認識越來越深刻,但由于塔內部流體流動及傳質過程的復雜性,致使精餾塔的設計仍依靠大量的經驗和半經驗的數據。塔內流體力學、傳質動力學、過程動態學的計算等基礎傳遞問題的研究仍需重視,盡可能地擺脫經驗。同時,隨著化學工業的發展,生產大型化、優化節能、高效填料與新型塔板的開發與應用等問題仍需探索。因此,對精餾塔的研究非但不能削弱,而是需要進一步加強,以迎接新的挑戰。近年來,我國精餾塔技術在基礎研究與應用方面取得了巨大進步,對精餾塔的結構、性能等進行了較為系統的實驗研究,并且獲得了豐富的實驗數據和研究成果,為推動我國化學工業的發展與進步,做出了顯著貢獻。本文對精餾塔類型、流體力學性能、傳質性能、塔器大型化、過程節能與強化等方面的研究進展進行綜述。1精餾塔類型精餾塔按塔內件結構不同,分為板式塔和填料塔。20世紀70年代前,板式塔的研究及應用處于地位。70年代后,填料塔的研究取得了較大進展,填料塔與板式塔相比,具有壓降低、效率高、處理量大和持液量低等優點。1.1板式塔1813年,CELLIER提出泡罩塔板,已有200多年歷史。板式塔具有結構簡單、造價低等優點,特別適合于加壓和多側線采出的工藝流程[1],板式塔主要包括泡罩塔板、篩孔塔板、浮閥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,最早應用在釀造業,后來被推廣到精餾、吸收等單元操作中。泡罩塔板具有適用范圍廣、操作彈性大、不易堵塞和便于操作等優點;但是,泡罩塔板具有結構復雜、造價高、壓降大等缺點[3-4]。美國SoconyMobilOilCompany[5]開發了一種新型的S形塔板,該塔板兼顧泡罩塔板的優點,但造價明顯低于泡罩塔板。研究者在條形泡罩塔板的基礎上開發出了槽式泡罩塔板,GUERRIERI等[6-7]指出,槽式泡罩塔板具有壓降低,漏液少等特點,被廣泛應用在石油化工與精細化工中[8]。1.1.2篩孔塔板19世紀30年代,研究者開發出了篩孔塔板,并首先應用于釀造工業。但是早期人們對篩孔塔板的研究不充分,認為其操作不易穩定而未得到廣泛應用。直到20世紀50年代,人們對篩孔塔板的結構、性能進行了充分的研究,使篩孔塔板的應用日趨廣泛。隨著化學工業的發展,人們開發出了很多新型篩孔塔板。MD篩板[9]是美國聯碳公司開發的用于高液量的氣液傳質元件。美國環球油品公司(UOP)在此基礎上又開發出了ECMD、EEMD、VGMD等[10]新型多降液管塔板。國內浙江工業大學開發的DJ塔板[11]是對MD篩孔塔板的改進,主要對塔板結構和流型作了改進,主要有DJ-1型、DJ-2型和DJ-3型3種型號。Linde公司開發的導向篩板[12]最早應用于空分裝置,之后開始用于乙苯-苯乙烯的分離裝置中,取得了顯著的效果。1.1.3浮閥塔板20世紀50年代,美國先開發出了浮閥塔板,其兼有泡罩塔板和篩孔塔板的優點,具有生產能力大、操作彈性大和傳質效率高等優點[13],廣泛應用于石油、化學工業中。國內外開發了多種形式的浮閥,具代表性的是美國Glitsch公司開發的圓形浮閥——V1浮閥(國內稱為F1型)。美國學者Nutter等提出了條形浮閥,國內學者在Nutter條閥的基礎上,開發出了很多新型條形浮閥,如T形條閥、L1形條閥及HTV船形條閥等。華東理工大學開發的導向條形浮閥[14],結合了導向篩板和條形浮閥的優點,能有效地降低塔板上的液面梯度和液體返混。天津大學開發的導向梯形浮閥[15]吸取了條形浮閥塔板、V形柵板、固舌塔板和導向篩板的優點,可進一步改善塔板上的液體流動狀況。清華大學在F1浮閥的基礎上開發出ADV微分浮閥[16],進一步提高了浮閥塔板傳質效率。天津大學和科學院沈陽金屬所共同研究開發了碳化硅泡沫浮閥[17],泡沫碳化硅使氣體以均勻的小氣泡穿過塔板,具有壓降低、漏液少及效率高等優點。Glitsch公司開發的高性能Superfrac塔板[18],處理量較篩孔塔板和浮閥塔板高20%~40%。鑒于浮閥塔板兼有泡罩塔板和篩孔塔板的優點,已廣泛應用于石油化工、氣分等裝置
    1.1.4其他塔板除上述常規塔板外,科研人員還開發出了很多其他類型的塔板。如Nutter公司開發的固閥塔板,具有壓降小、抗堵塞等優點。CHUANG等[19]將填料與篩板結合在一起,大大提高了塔板的傳質效率。徐崇嗣與CHUANG[20]在此基礎上,將填料放置在塔板之間,塔板不設降液管,能使塔板的處理量提高15%左右。李鑫鋼課題組[21]開發的螺旋噴嘴與塔板相結合的霧化概念塔板,具有傳質效率高和壓降低等優點。日本三井造船株式會社[22]開發的垂直篩板是一種全新的噴射型塔板,具有通量大、抗堵塞等優點。河北工業大學[23]在垂直篩板的基礎上開發出立體傳質塔板(CTST),廣泛用于化肥、石化、煤化工等行業的舊塔改造中,取得了巨大的經濟效益和社會效益。
    1.2填料塔
    填料分散堆填料和規整填料兩類。散堆填料是具有一定外型結構的顆粒體;規整填料是具有規則幾何圖形、堆砌整齊的填料。
    1.2.1規整填料
    規整填料具有效率高、壓降低、操作彈性大、處理量大、適應性強等優點[24-28]。目前規整填料種類繁多,具代表性的是Sulzer公司開發的金屬絲網波紋規整填料和金屬板波紋規整填料[24]。Glitsch公司推出的垂直格柵填料,具有低壓降、高通量、抗堵塞等特點,適用于臟物系的工藝流程[25-26]。天津大學開發的產品雙向金屬折峰式波紋填料Zupak系列規整填料與Sulzer公司的金屬板波紋填料相比,比表面積增加了8%~10%,具有分離效率更高、壓降更低等優點[26]。Montz公司開發出了Montz-pak系列規整填料和BSH系列規整填料,BSH系列規整填料是介于絲網與板波紋之間的規整填料,廣泛應用在空分、制藥和反應精餾領域[26]。Norton公司開發的Intalox系列規整填料,其波峰與波谷每隔一段間距,形成錯位雙波紋結構,起到強化傳質的效果[25]。Kuhni公司開發的Rombopak系列規整填料,其特點是對氣液相流道進行了優化布置[26]。Jeager公司開發的Max-Pak系列規整填料,對填料進行反向開孔,強化了氣液兩相的混合,有效地提高了填料的傳質效率[27]。Envicon公司開發的Jalousiepacking系列規整填料,具有不易堵塞的特點[26]。類似的還有Koch公司開發出Flexipac系列規整填料、Raschig公司開發的Raschig-Superpak填料[25-26]。上;ぱ芯吭洪_發的SM、SW、SC和SB系列規整填料,已成功應用在國內多座塔器中,效果顯著[28]。隨著化工分離技術的發展,Sulzer公司在20世紀90年代末,開發出了MellapakPlus系列規整填料,與Mellapak系列規整填料比較,具有更大的通量、更低的壓降,已廣泛應用于化工分離裝置.

    1.2.2散堆填料
    散堆填料主要包括環形填料、鞍形填料、環鞍形填料及球形填料等。拉西環[29]的開發成功,是填料塔進入科學發展軌道的標志。鮑爾環[29]通過在拉西環壁上開內伸的舌葉窗孔,改善氣液兩相的流動狀況,有效地降低了填料壓降、提高了傳質效率。MassTransfer公司開發的階梯環填料(CMR)[28],增加了側端翻邊,不但增加了空隙率,減小了氣體阻力,而且提高了填料的傳質效率,使階梯環的性能在鮑爾環的基礎上又前進一步。清華大學開發的扁環填料[28],用于液液時,具有優異的傳質性能。鞍形填料[29]主要包括弧鞍形與矩鞍形兩種:鞍形填料的弧形通道可有效減小流體阻力,使鞍形填料的壓降更低;矩鞍環填料[29]將開孔環形填料和鞍形填料的優點集合于一身,具有壓降小、通量大、效率高等優點,是性能良的散堆填料之一。球型填料[29]的優點是堆積均勻,利于流體分布,多用于氣體吸收、凈化和除塵等化工過程。散堆填料向著空隙率逐漸、壓降逐漸減小和效率逐漸提高的方向發展。散堆填料較規整填料具有優良的抗堵性能,其在氣體凈化、石油化工及焦化等領域應用廣泛。
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