精馏塔技术的发展

1PositionPaper塔设备的历史发展和未来展望刘艳升2003年11月2精馏塔的历史发展及展望一背景二塔设备的历史发展三塔内件应用的趋势四化学工程研究的一般规律五现有塔板技术的分析及未来展望六塔设备研究的发展方向七结论3一背景当今中国加入WTO：降低加工成本提高残渣油转化率提高产品质量开发高附加值的精细化工产品精馏过程量大面广规模经济CPI中的workhorse4二塔设备历史发展从精馏设备的历史发展来看，精馏技术与石油、化学加工工业的发展是相辅相成、相互刺激、共同进步的发展关系。精馏技术的任何进步，都会极大刺激化学加工工业的技术发展，同样在石油、化学加工工业发展的每一个历史阶段都会对精馏设备技术提出更高的要求。5二塔设备历史发展塔设备的广泛应用是伴随着十九世纪初期迅猛发展的炼油工业，并且随着炼油和石化企业的不断发展而成为主导的工业单元操作过程。阶段I(二十世纪20～50年代)∶阶段II(50～70年代)∶阶段III(70～90年代):阶段IV(80-90年代后期)∶6二塔设备历史发展7二塔设备历史发展阶段I:20~50年代1920年，有溢流的泡罩塔板开始应用于炼油工业，开创了一个新的炼油时代。泡罩塔板对设计水平要求不高、对各类操作的适应能力强、对操作控制要求低等特性在当时被认为是无可替代的板型。Rachig环填料塔主要应用于较小直径的无机分离塔设备中，同时也开发了Pall环,标志着现代乱堆填料的诞生。8二塔设备历史发展阶段II(50～70年代)∶消除放大效应的研究:AIChE研究浮阀塔板的开发FRI的成立系统化的设计方法：1955年，Monsanto公司的Bolles发表了著名的“泡罩塔板设计手册”，首先提出了科学的、规范化塔板设计技术，该方法到目前为止仍然广泛流行。大孔筛板的研究9二塔设备历史发展阶段III(70～90年代):大型液体分布器的基础研究,使得填料塔的放大研究成功，并在减压塔中应用获得极大的经济效益和社会效益;计算机应用辅助精馏塔放大效应的研究,计算塔板效率精馏过程设计新型高性能浮阀塔板的开发及应用10二塔设备历史发展阶段IV(80末-至今)∶新型高性能塔板的开发及工业应用塔板设计、开发更趋于科学化的方向11三、塔内件应用的趋势伴随着炼油、石油加工和化学加工工业的历史发展，为了适应生产的需要，在不同历史时期相继成功地开发出数百种不同汽液接触结构、不同汽液流动型式的塔内件构型，以适应不同操作压力、设备规模、物系性质、操作特性和不同生产要求等的广谱的精馏过程。12三、塔内件应用的趋势与之相应的大量的设备流体力学、传质特性的基础研究。在这些研究工作和工程经验不断积累的基础上，当今精馏塔的设计成功率已接近100%，以致使得工程技术人员产生了塔设备是成熟技术，毋需继续进行深入的研究开发等错觉，13三、塔内件应用的趋势“真理是相对的！”任何塔内件的构型仅仅是某一个历史发展阶段的产物，其技术水平本身受相关支撑科学的限制。在20世纪50年代以前,泡罩塔板当时岂不是也被认为是“不可替代的”。14三、塔内件应用的趋势15三、塔内件应用的趋势各类塔内件的工业应用相对趋势在不同时代都呈现出波浪式前进和螺旋式上升的变化规律。在每个石油化学加工工业发展的历史阶段，都对塔内件有特定的要求，呈现出需求决定发展，发展中不断完善、开拓，继续促进需求的发展的自然辩证原理。16三、塔内件应用的趋势由于塔设备对操作体系和生产要求的广谱适应性，不可能开发出一种“万能的塔内件”。随着人类文明的不断进步，虽然在某一历史阶段和特定的市场要求下，某一类塔内件的需求可能占主导，但在总体上，未来塔内件应用形势将呈现出各类塔内件并存，相互竞争，相互补充，共同发展的趋向，不存在熟优熟劣的问题。17高速发展期：o经验研究平缓发展期：o经验研究向理论方向发展缓慢发展期：o支撑科学水平的限制，发展速率降低四、化学工程研究的一般规律18五、现有塔板技术的分析及未来展望填料塔液体分布器开发和应用现状：当前液体分布器和气体进料分布器在减压体系已经可以放大到相当的塔径。在国外最大塔径已经达到16m,在国内也已经达到9m（茂名）,基本已经满足最近和未来不长时间的生产要求。当前技术在常压和加压体系的应用塔径相对于减压低的多，鉴于液体分布器和气体进料分布器是单相流动问题，对于常压和加压体系不会产生放大效应问题。存在问题：分布器的抗堵塞能力和操作弹性；塔内雾沫夹带问题发展方向：极低喷淋密度时，的分布方式；分布器结构的简单化19填料应用和开发现状：新型填料的开发主要在大处理能力下，降低HETP的研究，如SulzerOptiflow填料，针对低喷淋密度性能优良的JeagerMaxpak填料。存在问题：填料在常压和加压体系应用及其基础研究。加压体系的性能不稳定性原因分析；填料塔设计模型的理论化研究。发展方向：自分布性能优良的规整填料五、现有塔板技术的分析及未来展望20塔板按照当前化学工程的发展水平分析，新型板式塔的发展可以归类为两个主要方面：传统塔设备构型的改进，属于简单机制的深化；传统塔设备构型的强化，属于简单机制的复杂化。五、现有塔板技术的分析及未来展望21五、现有塔板技术的分析及未来展望塔板技术的发展：开孔方式及其新开孔构件的发展；塔板空间的合理利用；新降液管结构气液接触构型的复合和交融22通过以上对现有塔设备技术发展的评述得出，国内外现有板式塔设备技术的发展是在传统简单机制技术基础上的深化和完善，并在当前工业应用中表现出优良的操作性能，获得了可以满足现有生产要求的操作效果。五、现有塔板技术的分析及未来展望23六、塔设备研究的发展方向Kister认为，精馏过程是一个CaseStudy过程，这其中包含了精馏过程工艺、设备问题，同时也包括了操作控制实施中广义的概念。狭义地讲，对于精馏设备开发而言，精馏塔内件的发展也逐渐向CaseStudy过程发展，即针对特殊的生产要求、生产环境以及预定的开发目标，进行专门的设计和开发，传统的“普适性”塔内件技术市场越来越小，塔内件技术也必将由粗放型向精细化的方向发展。24六、塔设备研究的发展方向按照复杂的化工过程都可以分解为由数个简单过程构成的原理，未来塔设备的开发可以按照分别实现某一技术指标的简单机制的技术共同偶合的策略，按照第一开发目标和第二开发目标的次序分别确定一些典型的结构参数，最终形成一个简单机制复杂化技术模型，或者构成一个复杂机制技术构思。对这些构思进行CFD（ComputationalFluidDynamics）理论计算分析或试验研究及优化，验证设计的可靠性，通过试验不断完善，最终形成新的技术。25六、塔设备研究的发展方向26六、塔设备研究的发展方向另一方面是对传统简单机制的复杂化。在开发思路或试验室研究中都表现出极为优良的操作性能，但当前工业应用报导的实例极少，其中涉及了当前相关支撑技术的限制，生产条件的限制以及操作控制等方面的制约。但无论如何，随着人类文明的进步和相关支撑科学的发展，炼油和石化工业新的需求将激励这些技术的发展和变更，在未来十年里，将会大幅度地应用到工业生产，并且随着对传质理论的深入理解，将会重新形成更为复杂化的塔设备构型，更加丰富了塔设备技术。27六、塔设备研究的发展方向对于简单机制性能预测和估计的可靠性是复杂塔内件开发的基础。这需要建立在大量的应用基础研究之上。当基础研究达到一定水平，由简单机制构成复杂的可靠性将大幅度提高，同时当基础研究达到很高的水平后，复杂机制的性能就可以通过简单机制可靠计算和预测，如果技术达到相当水平后，对于新型塔内件的开发就可以象化工过程设备设计一样，按照精馏塔对塔内件性能要求，对塔内件进行相应的计算机结构模拟设计，并绘制施工图纸，然后委托加工生产、安装实施。一旦塔内件技术发展到该阶段，塔内件专利技术将不存在，当然要达到该技术水平，人类文明必须发展到更高的阶段，并需要大量的基础研究积累。28六、塔设备研究的发展方向综上所述，未来塔内件技术逐渐向复杂机制的方向发展，随着基础研究的不断积累和深化，复杂机制的操作性能可以通过构成这一复杂机制所有简单机制的性能计算和预测，一旦技术发展达到到一水平，未来塔内件无需通过试验开发，仅需通过计算机进行结构模拟设计，并绘制出最适宜的塔内件机械图纸，塔内件的设计完全象化工过程设备设计一样容易，基础研究恰是该技术发展的可靠保证。29七、结论1.从发展历史来看，尽管在过去的文献中进行了最为广泛的不同板式塔和填料塔流型、构型应用基础研究和开发，但由于塔设备涉及体系、操作条件要求、分离要求以及相关支撑条件的差异，不可能开发一种(类)万能的精馏塔内件与之相匹配，塔内件的应用形势是多种不同类型塔内件相互并存、相互补充、相互匹配的发展局面。新型板式塔将继续成为工业应用的主流，随着基础研究和计算技术的不断发展，塔内件的设计技术将由经验型逐渐走向科学化的道路。30七、结论2.从历史发展来看，塔内件的相对应用趋势表现出螺旋式上升、波浪式前进的变化趋势，呈现出需求决定发展，发展中不断完善、开拓，继续促进需求的发展的自然辩证原理。31七、结论3.化学工程研究的规律一般包括3个阶段：高速增长期，平缓增长期和缓慢增长期，这三个阶段也是描述了技术由简单机制向复杂机制的变更和发展的过程，每个阶段发展的速率取决于人类文明的进步和相关支撑学科、基础研究发展的水平。32七、结论4.当前填料塔技术已经基本可以满足不远未来的需求；板式塔技术依然是未来发展的主流。现有新型板式塔技术的发展主要是传统简单技术的深化和传统简单技术的复杂化，前者可以很好地满足现有生产局面对塔内件的要求，而后者将发展成未来板式塔的主流。33七、结论5.基础研究是一切化学工程技术开发的基础。未来塔内件技术逐渐向复杂机制的方向发展。随着基础研究的不断积累和深化，复杂机制的操作性能可以通过构成这一复杂机制所有简单机制的性能计算而预测，一旦技术发展到这种局面，未来塔内件无需通过试验开发，仅需通过计算机进行结构模拟设计，并绘制出最适宜的塔内件结构图，塔内件的设计完全象化工过程设备设计一样容易，塔内件也将无任何专利，科学由经验上升到理论高度。