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精馏技术研究进展与工业应用
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精馏技术研究进展与工业应用

2021-07-04      阅读:
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。
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