精餾塔技術(shù)的發(fā)展

1、1Position PaperPosition Paper塔設(shè)備的歷史發(fā)展和未來(lái)展望塔設(shè)備的歷史發(fā)展和未來(lái)展望劉艷升劉艷升 20032003年年1111月月2精餾塔的歷史發(fā)展及展望精餾塔的歷史發(fā)展及展望一一 背背 景景w塔設(shè)備的歷史發(fā)展塔設(shè)備的歷史發(fā)展w塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì)塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì)w化學(xué)工程研究的一般規(guī)律化學(xué)工程研究的一般規(guī)律w現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望w塔設(shè)備研究的發(fā)展方向塔設(shè)備研究的發(fā)展方向w結(jié)論結(jié)論3一 背景v當(dāng)今中國(guó)加入WTO ：w降低加工成本w提高殘?jiān)娃D(zhuǎn)化率w提高產(chǎn)品質(zhì)量w開(kāi)發(fā)高附加值的精細(xì)化工產(chǎn)品 u精餾過(guò)程w量大面廣w規(guī)模經(jīng)濟(jì)wCPI中的wor

2、khorse4二 塔設(shè)備歷史發(fā)展 從精餾設(shè)備的歷史發(fā)展來(lái)看，精餾技術(shù)與石油、化學(xué)加工工業(yè)的發(fā)展是相輔相成、相互刺激、共同進(jìn)步的發(fā)展關(guān)系。精餾技術(shù)的任何進(jìn)步，都會(huì)極大刺激化學(xué)加工工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，同樣在石油、化學(xué)加工工業(yè)發(fā)展的每一個(gè)歷史階段都會(huì)對(duì)精餾設(shè)備技術(shù)提出更高的要求。5二 塔設(shè)備歷史發(fā)展 塔設(shè)備的廣泛應(yīng)用是伴隨著十九世紀(jì)初期迅猛發(fā)展的煉油工業(yè)，并且隨著煉油和石化企業(yè)的不斷發(fā)展而成為主導(dǎo)的工業(yè)單元操作過(guò)程。l 階段階段I(I(二十世紀(jì)二十世紀(jì)20205050年代年代)l 階段階段II (50II (507070年代年代) ) l 階段階段III (70III (709090年代年代) : )

3、: l 階段階段IV (80-90IV (80-90年代后期年代后期) ) 6二 塔設(shè)備歷史發(fā)展7二 塔設(shè)備歷史發(fā)展階段階段I: 2050I: 2050年代年代u1920年，有溢流的泡罩塔板開(kāi)始應(yīng)用于煉油工業(yè)，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的煉油時(shí)代。u泡罩塔板對(duì)設(shè)計(jì)水平要求不高、對(duì)各類操作的適應(yīng)能力強(qiáng)、對(duì)操作控制要求低等特性在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是無(wú)可替代的板型。uRachig環(huán)填料塔主要應(yīng)用于較小直徑的無(wú)機(jī)分離塔設(shè)備中，同時(shí)也開(kāi)發(fā)了Pall環(huán),標(biāo)志著現(xiàn)代亂堆填料的誕生。8二 塔設(shè)備歷史發(fā)展階段階段II (50II (507070年代年代)u消除放大效應(yīng)的研究:AIChE研究u浮閥塔板的開(kāi)發(fā)浮閥塔板的開(kāi)發(fā) uFRI的成

4、立u系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法： 1955年，Monsanto公司的Bolles發(fā)表了著名的“泡罩塔板設(shè)計(jì)手冊(cè)”，首先提出了科學(xué)的、規(guī)范化塔板設(shè)計(jì)技術(shù)，該方法到目前為止仍然廣泛流行。u大孔篩板的研究 9二 塔設(shè)備歷史發(fā)展階段階段III (70III (709090年代年代) :) :u大型液體分布器的基礎(chǔ)研究,使得填料塔的放大研究成功，并在減壓塔中應(yīng)用獲得極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 ;u計(jì)算機(jī)應(yīng)用w輔助精餾塔放大效應(yīng)的研究,計(jì)算塔板效率w精餾過(guò)程設(shè)計(jì)u新型高性能浮閥塔板的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用10二 塔設(shè)備歷史發(fā)展階段階段IV (80IV (80末末- -至今至今) ) u新型高性能塔板的開(kāi)發(fā)及工業(yè)應(yīng)用u塔板設(shè)計(jì)、開(kāi)

5、發(fā)更趨于科學(xué)化的方向11三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì)三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì) 伴隨著煉油、石油加工和化學(xué)加工工業(yè)的歷史發(fā)展，為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要，在不同歷史時(shí)期相繼成功地開(kāi)發(fā)出數(shù)百種不同汽液接觸結(jié)構(gòu)、不同汽液流動(dòng)型式的塔內(nèi)件構(gòu)型，以適應(yīng)不同操作壓力、設(shè)備規(guī)模、物系性質(zhì)、操作特性和不同生產(chǎn)要求等的廣譜的精餾過(guò)程。12三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì)三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì) 與之相應(yīng)的大量的設(shè)備流體力學(xué)、傳質(zhì)特性的基礎(chǔ)研究。 在這些研究工作和工程經(jīng)驗(yàn)不斷積累的基礎(chǔ)上，當(dāng)今精餾塔的設(shè)計(jì)成功率已接近100%，以致使得工程技術(shù)人員產(chǎn)生了塔設(shè)備是成熟技術(shù)，毋需繼續(xù)進(jìn)行深入的研究開(kāi)發(fā)等錯(cuò)覺(jué)，13三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì)三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì)

6、“真理是相對(duì)的！” 任何塔內(nèi)件的構(gòu)型僅僅是某一個(gè)歷史發(fā)展階段的產(chǎn)物，其技術(shù)水平本身受相關(guān)支撐科學(xué)的限制。 在20世紀(jì)50年代以前, 泡罩塔板當(dāng)時(shí)豈不是也被認(rèn)為是“不可替代的”。14 三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì)三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì)15三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì)三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì) 各類塔內(nèi)件的工業(yè)應(yīng)用相對(duì)趨勢(shì)在不同時(shí)代都呈現(xiàn)出波浪式前進(jìn)和螺旋式上升的變化規(guī)律。在每個(gè)石油化學(xué)加工工業(yè)發(fā)展的歷史階段，都對(duì)塔內(nèi)件有特定的要求，呈現(xiàn)出需求決定發(fā)展，發(fā)展中不斷完善、開(kāi)拓，繼續(xù)促進(jìn)需求的發(fā)展的自然辯證原理。16三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì)三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢(shì) 由于塔設(shè)備對(duì)操作體系和生產(chǎn)要求的廣譜適應(yīng)性，不可能開(kāi)發(fā)出一種“萬(wàn)能的

7、塔內(nèi)件”。 隨著人類文明的不斷進(jìn)步，雖然在某一歷史階段和特定的市場(chǎng)要求下，某一類塔內(nèi)件的需求可能占主導(dǎo)，但在總體上，未來(lái)塔內(nèi)件應(yīng)用形勢(shì)將呈現(xiàn)出各類塔內(nèi)件并存，相互競(jìng)爭(zhēng)，相互補(bǔ)充，共同發(fā)展的趨向，不存在熟優(yōu)熟劣的問(wèn)題。 17v高速發(fā)展期：o 經(jīng)驗(yàn)研究 v平緩發(fā)展期：o 經(jīng)驗(yàn)研究向理論方向發(fā)展v緩慢發(fā)展期 ：o支撐科學(xué)水平的限制，發(fā)展速率降低四、化學(xué)工程研究的一般規(guī)律四、化學(xué)工程研究的一般規(guī)律 18五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望u填料塔液體分布器填料塔液體分布器w開(kāi)發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀 ：當(dāng)前液體分布器和氣體進(jìn)料分布器在減壓體系已經(jīng)可以放大到相當(dāng)?shù)乃?。在?guó)

8、外最大塔徑已經(jīng)達(dá)到16m,在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)達(dá)到9m （茂名）,基本已經(jīng)滿足最近和未來(lái)不長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)要求。當(dāng)前技術(shù)在常壓和加壓體系的應(yīng)用塔徑相對(duì)于減壓低的多，鑒于液體分布器和氣體進(jìn)料分布器是單相流動(dòng)問(wèn)題，對(duì)于常壓和加壓體系不會(huì)產(chǎn)生放大效應(yīng)問(wèn)題。w存在問(wèn)題存在問(wèn)題 ：分布器的抗堵塞能力和操作彈性；塔內(nèi)霧沫夾帶問(wèn)題 w發(fā)展方向發(fā)展方向 ：極低噴淋密度時(shí)，的分布方式；分布器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化 19u填料填料w應(yīng)用和開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀應(yīng)用和開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 ：新型填料的開(kāi)發(fā)主要在大處理能力下，降低HETP的研究，如Sulzer Optiflow填料，針對(duì)低噴淋密度性能優(yōu)良的Jeager Maxpak填料。 w存在問(wèn)題存在問(wèn)題 ：填

9、料在常壓和加壓體系應(yīng)用及其基礎(chǔ)研究。加壓體系的性能不穩(wěn)定性原因分析；填料塔設(shè)計(jì)模型的理論化研究。 w發(fā)展方向發(fā)展方向 ：自分布性能優(yōu)良的規(guī)整填料 五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望20u塔板 按照當(dāng)前化學(xué)工程的發(fā)展水平分析，新型板式塔的發(fā)展可以歸類為兩個(gè)主要方面：w傳統(tǒng)塔設(shè)備構(gòu)型的改進(jìn)，屬于簡(jiǎn)單機(jī)制的深化；w傳統(tǒng)塔設(shè)備構(gòu)型的強(qiáng)化，屬于簡(jiǎn)單機(jī)制的復(fù)雜化。五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望21五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望u塔板技術(shù)的發(fā)展：w開(kāi)孔方式及其新開(kāi)孔構(gòu)件的發(fā)展；w塔板空間的合理利用；w新降液管結(jié)

10、構(gòu)w氣液接觸構(gòu)型的復(fù)合和交融22 通過(guò)以上對(duì)現(xiàn)有塔設(shè)備技術(shù)發(fā)展的評(píng)述得出，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有板式塔設(shè)備技術(shù)的發(fā)展是在傳統(tǒng)簡(jiǎn)單機(jī)制技術(shù)基礎(chǔ)上的深化和完善，并在當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)良的操作性能，獲得了可以滿足現(xiàn)有生產(chǎn)要求的操作效果。 五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來(lái)展望23六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向 Kister 認(rèn)為，精餾過(guò)程是一個(gè)Case Study過(guò)程，這其中包含了精餾過(guò)程工藝、設(shè)備問(wèn)題，同時(shí)也包括了操作控制實(shí)施中廣義的概念。 狹義地講，對(duì)于精餾設(shè)備開(kāi)發(fā)而言，精餾塔內(nèi)件的發(fā)展也逐漸向Case Study過(guò)程發(fā)展，即針對(duì)特殊的生產(chǎn)要求、生產(chǎn)環(huán)境以及預(yù)

11、定的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，傳統(tǒng)的“普適性”塔內(nèi)件技術(shù)市場(chǎng)越來(lái)越小，塔內(nèi)件技術(shù)也必將由粗放型向精細(xì)化的方向發(fā)展。24六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向 按照復(fù)雜的化工過(guò)程都可以分解為由數(shù)個(gè)簡(jiǎn)單過(guò)程構(gòu)成的原理，未來(lái)塔設(shè)備的開(kāi)發(fā)可以按照分別實(shí)現(xiàn)某一技術(shù)指標(biāo)的簡(jiǎn)單機(jī)制的技術(shù)共同偶合的策略，按照第一開(kāi)發(fā)目標(biāo)和第二開(kāi)發(fā)目標(biāo)的次序分別確定一些典型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終形成一個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)制復(fù)雜化技術(shù)模型，或者構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜機(jī)制技術(shù)構(gòu)思。對(duì)這些構(gòu)思進(jìn)行CFD（Computational Fluid Dynamics）理論計(jì)算分析或試驗(yàn)研究及優(yōu)化，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，通過(guò)試驗(yàn)不斷完善，最終形成新的技術(shù)。

12、25六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向26六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向 另一方面是對(duì)傳統(tǒng)簡(jiǎn)單機(jī)制的復(fù)雜化。在開(kāi)發(fā)思路或試驗(yàn)室研究中都表現(xiàn)出極為優(yōu)良的操作性能，但當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用報(bào)導(dǎo)的實(shí)例極少，其中涉及了當(dāng)前相關(guān)支撐技術(shù)的限制，生產(chǎn)條件的限制以及操作控制等方面的制約。但無(wú)論如何，隨著人類文明的進(jìn)步和相關(guān)支撐科學(xué)的發(fā)展，煉油和石化工業(yè)新的需求將激勵(lì)這些技術(shù)的發(fā)展和變更，在未來(lái)十年里，將會(huì)大幅度地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)，并且隨著對(duì)傳質(zhì)理論的深入理解，將會(huì)重新形成更為復(fù)雜化的塔設(shè)備構(gòu)型，更加豐富了塔設(shè)備技術(shù)。27六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向 對(duì)于簡(jiǎn)單機(jī)制性能預(yù)

13、測(cè)和估計(jì)的可靠性是復(fù)雜塔內(nèi)件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。這需要建立在大量的應(yīng)用基礎(chǔ)研究之上。當(dāng)基礎(chǔ)研究達(dá)到一定水平，由簡(jiǎn)單機(jī)制構(gòu)成復(fù)雜的可靠性將大幅度提高，同時(shí)當(dāng)基礎(chǔ)研究達(dá)到很高的水平后，復(fù)雜機(jī)制的性能就可以通過(guò)簡(jiǎn)單機(jī)制可靠計(jì)算和預(yù)測(cè)，如果技術(shù)達(dá)到相當(dāng)水平后，對(duì)于新型塔內(nèi)件的開(kāi)發(fā)就可以象化工過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)一樣，按照精餾塔對(duì)塔內(nèi)件性能要求，對(duì)塔內(nèi)件進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計(jì)，并繪制施工圖紙，然后委托加工生產(chǎn)、安裝實(shí)施。一旦塔內(nèi)件技術(shù)發(fā)展到該階段，塔內(nèi)件專利技術(shù)將不存在，當(dāng)然要達(dá)到該技術(shù)水平，人類文明必須發(fā)展到更高的階段，并需要大量的基礎(chǔ)研究積累。28六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向 綜上所述，未

14、來(lái)塔內(nèi)件技術(shù)逐漸向復(fù)雜機(jī)制的方向發(fā)展，隨著基礎(chǔ)研究的不斷積累和深化，復(fù)雜機(jī)制的操作性能可以通過(guò)構(gòu)成這一復(fù)雜機(jī)制所有簡(jiǎn)單機(jī)制的性能計(jì)算和預(yù)測(cè)，一旦技術(shù)發(fā)展達(dá)到到一水平，未來(lái)塔內(nèi)件無(wú)需通過(guò)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)，僅需通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計(jì)，并繪制出最適宜的塔內(nèi)件機(jī)械圖紙，塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)完全象化工過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)一樣容易，基礎(chǔ)研究恰是該技術(shù)發(fā)展的可靠保證。29七、結(jié)論1.從發(fā)展歷史來(lái)看，盡管在過(guò)去的文獻(xiàn)中進(jìn)行了最為廣泛的不同板式塔和填料塔流型、構(gòu)型應(yīng)用基礎(chǔ)研究和開(kāi)發(fā)，但由于塔設(shè)備涉及體系、操作條件要求、分離要求以及相關(guān)支撐條件的差異，不可能開(kāi)發(fā)一種(類)萬(wàn)能的精餾塔內(nèi)件與之相匹配，塔內(nèi)件的應(yīng)用形勢(shì)是多種不同類型塔內(nèi)

15、件相互并存、相互補(bǔ)充、相互匹配的發(fā)展局面。新型板式塔將繼續(xù)成為工業(yè)應(yīng)用的主流，隨著基礎(chǔ)研究和計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)技術(shù)將由經(jīng)驗(yàn)型逐漸走向科學(xué)化的道路。30七、結(jié)論2.從歷史發(fā)展來(lái)看，塔內(nèi)件的相對(duì)應(yīng)用趨勢(shì)表現(xiàn)出螺旋式上升、波浪式前進(jìn)的變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)出需求決定發(fā)展，發(fā)展中不斷完善、開(kāi)拓，繼續(xù)促進(jìn)需求的發(fā)展的自然辯證原理。 31七、結(jié)論3.化學(xué)工程研究的規(guī)律一般包括3個(gè)階段：高速增長(zhǎng)期，平緩增長(zhǎng)期和緩慢增長(zhǎng)期，這三個(gè)階段也是描述了技術(shù)由簡(jiǎn)單機(jī)制向復(fù)雜機(jī)制的變更和發(fā)展的過(guò)程，每個(gè)階段發(fā)展的速率取決于人類文明的進(jìn)步和相關(guān)支撐學(xué)科、基礎(chǔ)研究發(fā)展的水平。 32七、結(jié)論4.當(dāng)前填料塔技術(shù)已經(jīng)基本可以滿足不遠(yuǎn)未來(lái)的需求；板式塔技術(shù)依然是未來(lái)發(fā)展的主流?，F(xiàn)有新型板式塔技術(shù)的發(fā)展主要是傳統(tǒng)簡(jiǎn)單技術(shù)的深化和傳統(tǒng)簡(jiǎn)單技術(shù)的復(fù)雜化，前