1 前言
    塔設備是化工、石化、煉油、醫藥等工業中的重要組成部分。它對整個流程的生產能力、產品質量、能耗與原料消耗、環境保護等，均會產生重大影響。據統計，石油和化學工業的能耗占工業總能耗的很大部分，其中約60%就用于精餾過程，而精餾過程是由塔設備來實現的。塔設備投資約占化工、石化項目總投資的30%～40%。塔設備的分離效率，在生產中對產品的純度、產品的回收率、工業過程的能耗等，都起著至關重要的作用。{TodayHot}
    塔設備按其結構分為兩大類：板式塔；填料塔。
    其中，板式塔的研究起步較早，它具有結構簡單、造價低、適應性強、易于放大等優點。最近幾十年來，填料塔技術也取得長足的進步。由于性能優良的新型高效填料的相繼問世，特別是規整填料及新型塔內件的不斷開發和基礎理論的深入，填料塔的應用也越來越廣泛。新型高效塔內件在技術改造中，可以節省投資、降低消耗、提高裝置運行的經濟性。其中，高效導向篩板、新型填料、高性能液體分布器等塔內件，在生產應用中尤為突出。{HotTag}

2 高效導向篩板

    高效導向篩板是北京化工大學在對包括篩板塔板在內的各種塔板進行深入細致研究的基礎上，發揮篩板塔板結構簡單、造價低廉的特點，克服其漏液點高、效率較低的缺點，并且通過對各種塔板進行深入研究、綜合比較，結合塔板上流體力學與傳質學的研究成果，研究開發的新型高效塔板。
    高效導向篩板具有生產能力大、塔板效率高、塔壓降低、結構簡單、造價低廉、維修方便的特點。目前，已廣泛應用于化學工業、石油化工、精細化工、輕工化工、醫藥工業、香料工業、原子能工業等領域，所應用的物系包括甲醇－水(原料中還會有粘性樹脂和發泡劑等雜質)、乙醇－水(發酵醪制乙醇)、醋酸－水、醋酸－醋酸乙烯、醋酸甲酯－醋酸乙烯－水、乙炔－乙醛－醋酸乙烯、聚醋酸乙烯－醋酸乙烯－甲醇、乙苯－苯乙烯、鄰硝基氯苯－對硝基氯苯、香葉醇分離、重水分離等等。
    高效導向篩板的工作原理如圖1所示。

圖1 高效導向篩板工作原理

   在高效導向篩板上，開設了大量篩孔及少部分導向孔，通過篩孔的氣體在塔板上與液體錯流，穿過液層垂直上升，通過導向篩板的氣體，沿塔板水平前進，將動量傳遞給塔板上水平流動的液體，從而推動液體在塔板上均勻穩定前進，克服了原來塔板上的液面落差和液相返混，提高了生產能力和板效率，解決了堵塔、液泛等問題。另外，在傳統塔板上，由于存在液面梯度，在塔板的上游總是存在著一個非活化區，在此區域內，氣流無法穿過液層而上升鼓泡，如對浮閥塔板，上游的幾排浮閥無法打開，而對篩板塔板，上游的一個區域內無氣泡鼓出。根據實驗測定，非活化區的面積往往占塔截面積的1/3左右。高效導向篩板在液流入口處增加了向上凸成斜臺狀的鼓泡促進器，促使液體一進入塔板就能生產鼓泡，帶來了良好的氣液接觸與傳質效果。
2.1 高效導向篩板特點
2.1.1 生產能力大
    高效導向篩板比傳統塔板的生產能力高出50%～80％，甚至更高，其原因如下：
    a.克服了液流上游存在的非活化區，使得氣流通道增加了1/3以上。
    b.消除了液面梯度，氣速均勻。在傳統塔板上，由于上游液層厚而下游液層薄，氣速在整個塔截面上是不均勻的，下游液層較薄處氣速較大，該處液層率先被吹開時，則達到了生產能力的最大值。而對導向篩板，由于整個塔截面上氣速均勻，即全塔平均氣速達到最大時，才是生產能力的最大值。
    c.從篩孔中上升的氣體是垂直向上，從導向孔中上升的氣體是水平向前，氣體的合成氣速是斜向上方的。這樣，既延長了氣體夾帶霧滴的運動軌跡，減小了霧沫夾帶，又提高了氣速和生產能力。
    d.由于導向篩板效率高，同樣塔板數時回流比可以降低，進而提高塔的負荷與生產能力。
2.1.2 效率高
    a.由于克服了非活化區，使得塔板上鼓泡區域增加，增加了氣液傳質機會，提高了塔板效率。
    b.液相返混是影響傳統塔板效率的最重要的因素之一。高效導向篩板很好地克服了液相返混現象，提高了塔板效率。
    c.消除了液面梯度，降低了漏液量和霧沫夾帶，提高了塔板效率。
2.1.3 壓降低
    與泡罩塔板、浮閥塔板相比，篩板塔板由于結構簡單，氣流通道順暢，因此操作壓降最低。實驗和生產經驗表明，導向孔的阻力降比篩孔的低20％左右，導向篩板的壓降比篩板塔板的還低10％左右。
2.1.4 抗堵能力強
    由于從導向孔中噴出的氣體推動物料在塔板上水平前進，這樣可以強化液體在塔板上的流動，對粘性物料，可以多設置導向孔。尤其是對發酵醪的蒸餾、聚合物與單體的分離等，有其獨到之處。
2.1.5 結構簡單、造價低廉
    由于高效導向篩板只是在鋼板上開些篩孔和導向孔，而無其他組件，因此其結構簡單，重量較輕，這樣工人在拆裝過程中非常方便。相應的造價也很低，高效導向篩板的造價相當于泡罩塔板的40%～50％，浮閥塔板的60%～70％。
    綜上所述，高效導向篩板適用于要求生產能力大或擴產改造的場合；要求分離效率高以及精密分離的場合；要求壓降低、特別是真空精餾的場合。它對粘性物料或含有固體顆粒的物料，有很強的抗污和抗堵能力，還能夠有效地破除塔板上的泡沫，降低霧沫夾帶，防止液泛發生。高效導向篩板的成功之處，還在于其結構簡單，造價低廉，拆裝方便。
2.2 應用實例
2.2.1 高粘度物料精餾的技術改造
    在福建紡織化纖集團有限公司聚乙烯醇生產的聚合工段，醋酸乙烯在聚合釜中反應生成聚醋酸乙烯，在聚合一塔中，將聚合物與未聚合的單體進行分離。從聚合釜出來的反應液聚醋酸乙烯含量高達36%，物料粘度大，這給聚合一塔的脫單體精餾帶來一定的困難。聚合一塔原來采用泡罩塔板，物料在板上流動阻力大，常常造成液泛、堵塔等生產事故。因此，生產要求對聚合一塔進行技術改造。
    在采用導向篩板對聚合一塔進行技術改造時，僅用導向篩板替換原泡罩塔板，塔體、塔內支承件均不動，自1997年3月投入運行以來，操作一直穩定正常，狀態良好，達到了很高的技術指標。塔的分離指標及操作回流比見表1、表2。

表1 塔的分離指標

表2 塔的操作回流比

   由表1、表2可以看出，技改后，塔釜VAC(醋酸乙烯)含量由原來的0.26%降低為0.02%～0.03%，大大提高了VAC的回收率和聚合物的質量。塔頂VAC含量由50%提高到60%，減少了后續工段的處理負荷與能耗。同時，由于導向篩板塔板效率高，聚合一塔的回流比由原來泡罩塔板的1.3，降為0.7，降低了45%，節能36%。并且，技改后，徹底解決了生產中堵塔、液泛等問題。
    聚合一塔為直徑2000mm、塔板數40層的大塔，技改的設備投資約為22萬元，而僅計節能、節水、提高VAC回收率和提高產品質量幾項，每年增加效益約321萬元，改造的投資回收期不到30d。另外，技術改造還將聚合工段VAC處理量由5400L/h增加到8200L/h，產量增大了50%。
2.2.2 聚合三塔與回收三塔的技術改造
    在石家莊化工化纖有限公司采用導向篩板的技術改造中，將聚合三塔與回收三塔合并成一個塔，使其產量擴大了150%，回流比由原來的4.2降為1.8，塔頂甲醇由原來的99.5%提高到99.8%，達到了擴產、節能、降耗的效果。
2.2.3 回收一塔技術的改造
    在廣西維尼綸(集團)有限公司的回收一塔技術改造中，采用高效導向篩板塔，擴產50%。同時，回流比由原來的2.5降為1.8，塔頂醋酸甲酯含量由65%提高到83%，大大降低了該塔和后續工段的負荷與能耗。塔釜醋酸甲酯含量由0.2%降為0.05%，提高了其回收率，達到了很高的技術指標，并創造了良好的經濟效益。

3 新型高效填料

    北京化工大學開發了多種規整填料、散堆填料、液體收集器、液體分布器等塔內件。其中，填料是填料塔最重要的傳質內件。
    填料的性能主要取決于填料表面的濕潤程度和汽液兩相流體分布的均勻程度。因為填料提供了單位體積中較大的表面積，這僅是填料的幾何表面，起氣液傳質作用的表面要比幾何表面小，總有一部分填料表面未被濕潤，減少了氣液有效接觸的相界面，從而降低了傳質效果。若想達到較好的傳質效果，必須使液體在整個填料表面充分濕潤，形成均勻的液膜。填料表面的濕潤性能，主要依賴于所處理物料的表面張力、粘度和填料表面的性質等。尤其是對水、甘油等表面張力大的物系，必須對填料表面進行物理處理和化學處理，提高填料表面的濕潤性能。對金屬材質填料，采用物理方法、化學方法及聯合方法，對金屬絲網波紋填料與金屬板波紋填料進行表面處理，大大提高了液體在填料表面的成膜和填料的分離效率，甚至使有的分離過程由不可能成為可能，強化了分離技術與工藝。
    在塑料填料方面，對于聚丙烯、聚乙烯等材質的填料，無論是對于規整填料還是散堆填料，北京化工大學均開發了最為先進的高分子表面接枝技術，對塑料表面的0.1μm內進行接枝改性，大大提高了填料表面的濕潤性，進而提高了填料的傳質效率，經過在惡劣環境(酸、堿環境下)下的應用結果表明，塑料填料同樣具有很高的傳質性能和流體力學性能，且價格便宜。
    尤其值得一提的是，北京化工大學研制開發的雙層、三層金屬填料，具有大通量、低壓降、效率高的特點。由于填料效率極高，在精密分離過程及舊塔改造過程中，可以有效地降低塔的高度，在新塔設計與要求滿足原有空間的舊塔改造過程中，都有著很高的實用價值。
    如北京某廠位于四環路邊上，排放氣體中含有一些甲醇、醋酸甲酯，采用三層金屬絲網填料塔進行設計，使分離后的甲醇、醋酸甲酯等有機物均為檢不出，大大高于環保部門對氣體排放的要求，順利通過了環保驗收。
3.1 新型高效規整填料
    近年來，研究開發和推廣應用的新型高效規整填料，主要包括金屬板波紋填料和金屬絲網波紋填料兩大類，在將其進行物理和化學方法處理后，填料的分離效率大為提高。
    主要優點如下：
    a.理論塔數高、通量大、壓力降低。
    b.低負荷性能好，理論板數隨氣體負荷的降低而增加，幾乎沒有低負荷極限。
    c.放大效應不明顯。
    d.適于減壓精餾，能夠滿足精密、大型、高真空精餾裝置的要求，為難分離物系、熱敏性物系及高純度產品的精餾分離，提供了有利的條件。
    北京化工大學研究開發的新型高效規整填料的主要型號、規格、性能見表3。

表3 新型高效填料型號、規格及性能

3.2 新型高效散堆填料
    新型高效散堆填料，主要包括金屬鮑爾環填料；金屬階梯環填料；金屬環矩鞍填料等。
3.2.1 金屬鮑爾環填料
    金屬鮑爾環填料是20世紀40年代德國BASF公司在拉西環填料的基礎上開發的，它采用金屬薄板沖扎制成，在環壁上開出了兩排帶有內伸舌葉的窗孔，每排窗有5個舌葉彎入環內，指向環心，在中心處幾乎相搭，上下兩層窗孔的位置相互錯開，一般開孔的總面積約為整個環面積的35%左右。由于在環壁上開了許多窗孔，使得填料層內的氣、液分布情況及傳質性能比拉西環有較大的改善。
3.2.2 金屬階梯環填料
    階梯環填料是20世紀70年代初由英國傳質公司應用價值分析技術開發出來的一種改進的開孔環填料。這種填料降低了環的高度，并在環的兩個側端增加了錐形翻邊，使其性能較鮑爾環填料有了較大的進步。在同樣液體噴淋密度下，其泛點氣速較鮑爾環提高了10%～20%；在同樣氣速下，壓力降較鮑爾環低30%～40%。
3.2.3 金屬環矩鞍填料
    金屬環矩鞍填料是美國諾頓(Norton)公司率先研究開發的一種新型填料，國內簡稱為英特洛克斯填料。這種填料巧妙地把環形和鞍型兩類填料的特點綜合為一體，使其既有環形填料通量大的特點，又有鞍型填料液體分布性能好的優勢，從而成為當前顆粒型填料中的佼佼者。
    新型高效散堆填料主要型號、規格、性能見表4。

表4 幾種新型散堆填料的型號、規格及性能

   北京化工大學開發的新型高效填料已經在北京有機化工廠、石家莊化工化纖有限公司、江西維尼綸廠、貴州有機化工總廠、云南云維股份公司、蘭州維尼綸(集團)公司、北京第三制藥廠、北京化工實驗廠等幾十家企業的塔器中得到應用，均取得了擴產、節能、降耗，大幅度提高經濟效益的成績。應用的物系包括甲醇－水、乙醇－水、NaOH水溶液脫硫、磷、NaOH水洗滌等醋酸乙烯－醋酸甲酯分離、醋酸-醋酸乙烯分離、乙醛－醋酸乙烯分離、乙苯－苯乙烯分離、硝基氯苯同分異物體分離等。在制藥行業的溶劑回收應用中，也得到了廣泛的好評。

4 計算機模擬計算與優化設計

    精餾計算是化工計算中最復雜的計算過程之一。對于精餾計算，采用計算機模擬技術，可以進行改變回流比、塔板數、回流溫度、加料溫度、加料口位置、中采位置、頂采位置、釜采流量等各參數的多種精餾方案的計算，最后得到最佳工藝方案。這種方案可以做到降低回流比(從而可以大幅度地節能)、提高產品質量、降低釜液中輕物質的含量(減少物料消耗)。根據最后確定的優化方案，得到各層塔板上精餾的熱力學性質和流體力學數據(如流量、密度、表面張力、壓縮因子等)，進而對塔板(或填料塔)進行流體力學設計，確定塔徑、塔板的開孔率、降液管面積，根據計算出的各股物料流量(加料、氣相或液相采出量、餾出量、釜出量)，進而對全塔的各管路進行設計。
    根據這些流量與管徑大小，可以進行泵、儀表等的選型設計。根據計算機精確計算出塔頂冷凝冷卻負荷與塔釜熱負荷，可以方便地進行整個化工過程的工藝計算及配套設計。
    需要說明的是，如果采用傳統的手工計算，對于5組分、40層塔板的精餾計算，可能需要半年以上的時間。而計算機計算可以在幾分鐘內完成，這樣可以改變參數，進行多種方案的精餾計算，進一步得到優化的精餾設計方案。
    任何一個分離過程的設計，總是將從工廠中取得的數據轉化為計算機識別的數據，用從國外引進的最先進的化工過程計算軟件(CAD)，在計算機上進行詳細計算，最后得到優化的工藝方案和流體熱力學數據，進而進行各塔和整個工藝的優化設計。
    應用計算機優化計算(曾為5家大型化工企業進行整個工藝的詳細規劃和工藝計算，共包括5個工段、30余個塔器及附屬設備)，可計算出各個工段、各個塔及其附屬設備、各條管路、再沸器等的技改需要數據，并計算出技改后能達到的指標，技改的設備投資及可以達到的經濟效益。優化計算為企業的技術改造提供了準確可靠的方案，并且在實施過程中達到了預期目的，獲得了巨大的經濟效益。

5 高性能填料塔內件

    塔內件是填料塔的組成部分，它與填料及塔體共同構成一個完整的填料塔。
    所有塔內件的作用都是為了使氣液在塔內更好地接觸，以便發揮填料塔的最大效率和最大生產能力。所以，塔內件設計的好壞，直接影響到填料性能的發揮和整個填料塔的操作運行。另外，填料塔的“放大效應”除了填料本身固有因素外，塔內件對它的影響也很大。近幾年來，北京化工大學對塔內件的研究與開發工作取得了很大的進展，使填料塔的設計與應用日趨完善。
    塔內件主要包括以下幾個部分：
    a.液體分布裝置；
    b.填料緊固裝置；
    c.填料支撐裝置；
    d.液體收集再分布及進出料裝置；
    e.氣體進料及分布裝置；
    f.除沫裝置。

6 板填復合塔板

    板填復合塔板是在經對板式塔與填料塔進行深入研究的基礎上，充分利用板式塔中塔板間距的空隙，設置高效填料，以實現降低霧沫夾帶、提高氣體在塔內的流速和塔的生產能力的目的。同時，氣液在高效填料表面再次傳質，進一步提高了塔板效率，由于負荷下限未變而上限大幅度提高，因此塔的操作彈性也大為提高。
    板填復合塔板的工作原理如下：
    氣體從塔板下方以一定的氣速通過塔板上的開孔進入提液管，液體也通過提液管與塔板間隙被帶入提液管中，并被拉成液膜，二者并流上升。在上升過程中，在液膜表面進行氣液傳質，接著氣液并流進入填料中，在填料表面液體被碰碎，進一步實現與氣體的傳質。從填料中噴出的氣體進入上層填料，液體下降到下層塔板，繼續進行傳質與分離。
    由于氣流高速通過塔板開孔，并將液膜夾帶進入填料層，因此板填復合塔板生產能力大，一般空塔動能因子可達0.8～3.5m/s，且經過提液管與填料兩類傳質，故其板效率高，可達75%～90％。這種塔板壓降很低，一般每板為30～50mm H2 O。

7 新型高效絲網除霧器

    絲網除霧器是用來將氣體中夾帶的霧沫(霧滴)除去，回收昂貴的霧滴(貴重物料)，或凈化氣體，減少氣體中的雜質。它是將細小的金屬扁絲，采用特殊的經緯方式編織而成，也可根據物料易腐蝕情況，選用聚四氟乙烯等材質。
    試驗及工業應用表明，這種絲網除霧器具有壓降低、通量大、除霧效率高的特點。對于1μm以上的霧滴，其脫除效率可以達到99％以上。目前，在工業中已應用于數十座塔，包括發酵氣體中含有淡酒精回收、合成氣體進反應器前脫水(減少副反應)、酸性霧滴脫除(避免后續設備腐蝕)、產品氣相側采脫雜(脫除液滴所含雜質)、塔器設備頂部脫出霧沫以及氣液分離器的除霧等，在這些關鍵之處應用后，均為企業帶來了巨大的經濟效益。

8 結語

    近幾十年來，化工技術發生了巨大變化，新型高效分離技術層出不窮。在工業實踐應用中，高效導向篩板、新型填料、高性能塔內件等，均大幅度提高了產量和分離效率，進而提高了產品質量，降低了能耗和原料消耗。這些技術既適用于舊塔改造，也適合于新建裝置的應用。

 
作者簡介：李群生，博士，副教授，現就職于北京化工大學化學工程學院，主要從事傳質與分離技術的研究工作。