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喷射型立体连续塔板及其在精馏技术的应用
杜佩衡
河北工业大学
天津衡创工大现代塔器技术有限公司

经过长期潜心的研究,我们开发出来喷射型立体连续传质塔板技术,可用三个发展阶段予以简介:

  • 第一阶段:新型垂直筛板(New-VST)技术;
  • 第二阶段:梯矩形立体连续传质塔板(LLCT)技术;
  • 第三阶段:国家发明专利技术。

鉴于第一阶段New-VST技术近二十年来已在化工、石油化工、制药化工、氯碱化工、煤化工等多个行业广泛采用,对其结构、操作原理与技术特性等已为大家所熟知,因而不予以赘述。这里仅就第二、三阶段尤其是第二阶段梯矩形立体连续传质塔板技术着重进行介绍。
1.梯矩形立体连续传质塔板(LLCT)技术
LLCT技术是近几年在New-VST技术长期工业实践成果的基础上经过分析总结并作进一步深入研究开发出来的水平更高、效果更好的喷射型立体连续传质塔板,与New-VST相比具有更大的处理能力、更高的传质效率、更小的流动阻力及更优的操作弹性,并且与New-VST一样具有独特的防有机物自聚堵塞的能力与防固体悬浮物堵塞的能力,并特别适用于脏粘物料与易发泡物系的操作。
目前,LLCT技术已在PVC、甲醇、氟化工、煤化工、精细化工等行业的多种精馏操作中成功使用。
1.1 LLCT的结构、操作工况与性能
1.1.1 LLCT的结构、操作工况

图1 LLCT帽罩结构简图 图2 LLCT结构和操作工况
LLCT(梯矩形立体连续传质塔板)系新型高效喷射型塔板,塔板上采用矩形开孔,矩形孔上方设置带有矩形窗与筛孔并置的梯矩形喷射罩体(参图1)。操作时液体自罩底孔隙四周进入罩内,气体自矩形板孔进入罩体中,将液体通过托液拉膜,破膜粉碎形成诸多细小液滴并分散在气体中,此气液混合物上升至罩顶碰撞到顶盖板后将部分折返,返回的气体及液滴与后续上升的气液激烈碰撞、混合;气液混合物自罩体上部侧面的矩形窗与筛孔向两侧水平向下方向喷射而出,此喷出的气液混合物中的大液滴回落至液层中,经帽罩底隙再被压入罩体进行循环,而气液混合物(其中含有细小的液滴)则上升到罩体上方并上升至上一层塔板,这样在一层一层塔板中循环达到传质、传热分离的目的(参图2)。
该塔板打破了传统塔板(如泡罩、浮阀、筛板塔板等)平面的、阶梯式(间歇式)的传质区域的局限,使气液两相接触传质区域发展成为罩内、罩外、罩顶空间的范围,使板式塔板间空间全用于传质,在全塔上下形成了立体连续全方位传质,因而具有很好的传热传质作用(参图2)。
1.1.2LLCT的技术性能
1.1.2.1 传质效率高。LLCT仍采用喷射型帽罩结构,由于操作中快速上升的气体(相)能将液体破碎成很细小的液滴(通常0.5~5mm的液滴约占95%)分散在气相中且不断翻腾,确保了它具有很大的气液接触面积与颇大的传质系数,且由于气液混合物在板间空间停留时间(即气液接触传质时间)长,即大大提升了气液两相接触传质时间,从而大大提高了传质效率,与New-VST相比可提高5~10%以上。
1.1.2.2 处理能力大。由于采用梯矩形帽罩结构,即在塔板上采用矩形开孔,与New-VST圆形板开孔相比可以提高开孔率,以φ1500~φ3000的塔径的塔而言,一般可提高约30%的开孔率。加上其它一些结构因素(比如帽罩顶盖构造的改进),可以提高气流速度,从而使其生产处理能力与New-VST相比可提高50~70%。
1.1.2.3 气体流动阻力小。由于LLCT的帽罩在其上部开了天窗(New-VST帽罩则没有天窗),加上塔板板孔孔口边缘进行圆弧形导角处理等结构的改变,使气体流动的阻力下降,与New-VST相比大约可以降低20~40%。
1.1.2.4 其它技术性能。LLCT在生产中由于气液混合物具有很高的流动速度,故对气流通道具有很强的冲刷作用,既具有特别强的抗堵塞能力,因而很适用于处理含固体悬浮粒的物系与易产生自聚的物料。另外,由于LLCT这种塔板在生产运行中板上的液体始终处于清液(而非泡沫液)状态,进入降液装置的液体乃是清液,故对易发泡物料具有独特的适应性。
1.2 LLCT在化工生产精馏技术中的应用
1.2.1 PVC行业氯乙烯精馏塔
从1988年起,采用New-VST技术改造氯乙烯提纯用的低沸(物)精馏塔与高沸(物)精馏塔取得良好的效果。这已在有关文章中发表过[1、2、3]。为了更进一步提高PVC行业的低、高沸精馏塔的技术水平,尤其在精馏分离效果相同的要求下再提高生产能力与节约能耗,近几年我们已改采用LLCT技术对PVC行业的低、高沸精馏塔进行技术改造,迄今已有近20余家企业采用了LLCT技术。表1列出了部分应用厂家的情况。
表1 采用LLCT技术改造氯乙烯精馏塔部分厂家


企业名称

生产能力
万tPVC/a

新设计或改造

低沸塔直径

高沸塔直径

备注

宝硕集团电化公司(保定)

4.0-5.0

改造

φ500

φ800

2003.1

宝硕集团电化公司(保定)

8.0-10.0

新设计

φ700

φ900

2003.10

杭州电化集团

4.5-5.0

改造

φ700

φ800

2003.4

无锡电化集团

5.0-8.0

改造

φ700

 

2002.12

张家口盛华化工公司

6.0

改造

φ500

φ700

2003.10

南通江山农药化工有限公司

4.0-6.5

新设计

φ600

φ800

2003.11

宜昌宜化集团

5.25

新设计

φ600

φ800

2004.2

山东恒通(郯城)化工公司

5.0-10.0(12.0)

新设计

φ800

φ1100

2003.2

山西榆社化工有限公司

6.0-10.0

新设计

φ700

φ900

2003.12

新疆天业化工股份公司

5.0-10.0

新设计

φ700

φ900

2004.1

唐山三友集团冀东化工厂

4.0-4.5

改造

φ600

φ600

2004.2

江苏天成化工股份公司

5.0-6.0

新设计

φ600

φ700

2004.4

唐山三友集团氯碱公司

6.0-12.0

新设计

φ700

φ900

2004.8

宜昌山水投资公司

2.0

改造

φ500

 

2004.9

浙江衢化电化厂

10.0(12.0)

新设计

φ700

φ900

2004.9

武汉葛化集团

9万吨/年vcm

改造

φ800

φ1200

2005.3

浙江衢化电化厂

10.0

改造

φ700

φ800

2005.5

河北盛华化工有限公司

10.0-12.0
tpvc/a

新设计

φ700

 

2006.10

综合上述企业在采用LLCT技术改造氯乙烯低沸精馏塔与高沸精馏塔后使用的结果,与此前使用New-VST技术改造氯乙烯低沸精馏塔与高沸精馏塔使用结果相比各方面的性能确有了新的提高。
(1)处理能力更大。比如表1 中浙江巨化电化厂10.0万t(12.0万t)PVC/a 能力的低沸精馏塔、高沸精馏塔采用LLCT技术其两塔塔径分别为φ700与φ900;而采用New-VST技术时同样生产能力的低沸精馏塔、高沸精馏塔两塔塔径则分别为φ900与φ1200,两者相比用LLCT技术比用New-VST技术生产能力可提高 50~70%以上。另外,早期用New-VST技术改造的低沸精馏塔,比如天津大沽化工厂的φ600塔生产处理能力为4.5~5.0万t PVC/a ,而近年张家口盛华化工有限公司6.0万t PVC/a的低沸精馏塔采用LLCT技术其塔径仅为φ500,两者相比采用LLCT技术比采用New-VST技术可使生产处理能力提高72%。
(2)传质效率更高。采用New-VST技术时,产品氯乙烯中杂质含量达到:低沸物(C2H2)含量为4~5ppm;高沸物(二氯乙烷等)含量为30~40ppm,而采用LLCT技术后,产品氯乙烯中杂质含量可确保达到:低沸物含量为“0”ppm(指仪表测不出来),高沸物含量为0~5ppm。
(3)阻力更小。相关一些企业提供的数字表明:使用LLCT技术塔内气相总阻力比用New-VST技术时可下降35%左右。
(4)操作弹性更好。一些企业提供的情况表明采用LLCT技术后比采用New-VST技术时操作弹性提高大约30%。
(5)能耗降低。采用LLCT技术的低、高沸精馏塔的回流比R值与采用New-VST技术的低、高沸精馏塔回流比值相比一般可下降50%~70%。这使塔顶冷凝器冷却剂量与塔釜加热介质量大为下降,从而节约了能耗。
另外,防止氯乙烯自聚而堵塞的能力方面,采用LLCT技术与采用New-VST技术时相同,即也具有独特的防有机物自聚堵塞的能力。
1.2.2甲醇行业精馏塔
甲醇精馏分离提纯有两塔流程(由预塔与主塔构成)与三塔流程(由预塔、加压塔、常压塔构成),其各塔塔内件以前通常采用浮阀塔板、斜孔筛板、浮动舌形塔板等,但使用效果均不理想,这些年我们曾先后用New-VST与LLCT技术予以改造,下面分别加以介绍。

1.2.2.1用New-VST技术改造甲醇精馏塔
某化肥厂主要生产碳酸氢铵并联产甲醇,其甲醇生产能力为1.2万t甲醇/a,于2000年用我们的New-VST技术改造原主精馏塔,塔径为φ1200,希望仍用φ1200的旧塔通过改造使生产能力提升至2.5万t甲醇/a。原来1.2万t甲醇/a时为85块浮阀塔板,我们仅用65块New-VST塔板予以替代,但塔板间距、塔板支撑梁、降液管维持不变。经改造后结果如下:
(1)生产能力增加。达到2.56万t甲醇/a。
(2)精馏分离效果提高。甲醇产品质量全为优级品(原来根本达不到),使每吨产品价格可提高100元以上(指当年),经济效益显著。
(3)蒸气消耗量降低。由改造前的1.8~2.0t蒸气/t甲醇降低到1.5t蒸气/t甲醇,即每年可节约12000t蒸气/a以上,大大降低了生产成本。
1.2.2.2 用LLCT技术改造甲醇精馏塔
以上情况表明使用New-VST技术比使用浮阀塔板技术为优越。但近几年我们改而采用LLCT技术对甲醇精馏塔进行改造,体现出LLCT技术比New-VST技术具有更优良的性能。表2列出使用LLCT技术改造的部分企业的甲醇精馏塔的情况。

表2 使用LLCT改造的部分甲醇精馏塔的情况

企业 项目

塔径(mm)

原生产能力
(万t/a)

改造后生产能力
(万t/a)

浙江绍兴化工有限公司
(双塔流程)

预塔φ800

新上

2.5~3.0

主塔φ1000

江苏泗洪化工有限公司
(双塔流程)

预塔φ800

1.0

2.5

主塔φ1000

江苏沭阳化工有限公司
(双塔流程)

预塔φ800

1.0

2.2

主塔φ1000

江苏泗阳化工有限公司
(双塔流程)

预塔φ800

1.0

2.2

主塔φ1000

山东垦利化肥厂
(三塔流程)

预塔φ1000

 

5.0

加压塔φ1000

常压塔φ1400

河北深县化肥厂
(三塔流程)

预塔φ1000

 

5.0

加压塔φ1000

常压塔φ1400

河南卫辉化肥厂
(三塔流程)

预塔φ1400

 

10.0

加压塔φ1500

常压塔φ1800

河南遂平化肥厂

预塔φ1400

 

10.0

加压塔φ1500

常压塔φ1800

山西介休化肥厂
两塔流程时
改三塔流程后

预塔φ1200

3.0

6.0

主塔φ1400

预塔φ1200

 

加压塔φ1000

常压塔φ1400

河北曲阳化肥厂
两塔流程时
改三塔流程后

预塔φ1000

2.5

5.0

主塔φ1200

预塔φ1000

 

加压塔φ1000

常压塔φ1200

表2中采取双塔流程时,预塔我们只用45块LLCT塔板,主塔我们只用60块LLCT塔板(传统的双塔流程预塔与主塔分别用60~65块与80~85块浮阀塔板),三塔流程时预塔只用45块LLCT塔板,加压塔与常压塔均为70块LLCT塔板,表明设备投资节省了,而且使用LLCT技术后技术性能更好了。
(1)生产能力进一步增加,一般可提高30~40%以上。若同样的处理能力,则塔径可以更小。
(2)精馏分离效率进一步提高。在甲醇产品确保全为优级品的前提下,蒸气消耗量可降低至0.9~1.0 t蒸气/ t甲醇的水平,这是由于LLCT技术具有更高的传质效率,因而可以使操作回流比大为降低,遂使塔釜的蒸发量下降,即可以节省加热蒸气量,同时塔顶冷却介质消耗量也可以降低,这样使能耗、物耗均可下降,生产成本自然也可以大大节省。
1.2.3 偏氯乙烯高沸精馏塔
浙江巨化电化厂原偏氯乙烯高沸精馏塔Φ600原为填料塔,因偏氯乙烯极易自聚而经常堵塞,经常需停车检修。由于2004年9月该企业PVC氯乙烯低沸精馏塔、高沸精馏塔采用我们的LLCT技术取得十分好的效果。不仅产量提高、产品杂质大为降低,且防止了因偏氯乙烯自聚堵塞的严重问题,于是在2006年也让我们用LLCT技术改造偏氯乙烯高沸精馏塔。据厂方反馈的使用效果如下:
(1)首先,从投产迄今已两年,设备没有产生堵塞现象,完全避免了以往经常自聚堵塞而停车检修,实现了长期持续稳定生产。
(2)提高了生产处理能力,从原来0.8万t Vdc/a 提高至1.2万t Vdc/a,并且认为还有扩产的潜力。
(3)操作回流比R下降了200%,因而大大节约了能耗,降低了成本。
(4)产品(Vdc—偏氯乙烯)中高沸物含量也由改造前的3500ppm降为1500ppm,而塔顶放空气中有害气体成分由50ppm下降为10ppm以下。
1.2.4 氟化工行业F22精馏分离塔
浙江巨化巨圣氟化工有限公司于2005年在国内首次采用我们的LLCT技术对F22A、B、C三座精馏塔进行扩产改造,将原来的泡罩塔板更换为LLCT塔板。改造前(采用泡罩塔板时)生产处理能力为5000t/a,由于组分很容易自聚,生产常因自聚堵塞而需经常停产检修。但采用LLCT技术改造后,这一问题得到彻底解决。据厂方反馈回来的情况表明:
(1)生产能力从5000t/a提升至10000t/a,即生产能力增加了一倍。根据他们进一步的希望,我们仍用原设备(φ600塔径)将生产能力再提高至15000t/a。
(2)产品中的杂质含量由用LLCT技术改造前的100ppm骤降至2ppm。
(3)操作回流比R由改造前的R=6下降至R=4,与此相应的蒸气消耗量由原来的1200kg/t下降至800kg/t。冷却水消耗量也由原来的100t下降至70t。表明能耗大大节省,随之成本大大降低。
1.2.5 其它行业
LLCT技术在石油化工、煤化工、精细化工等行业也已获得了广泛的应用,均取得良好的使用效果,具体:
(1)石油化工行业:常压塔、干气脱硫塔、污水脱硫塔、气分丙烯塔、气分丙烷塔、脱碳塔、PTA醋酸脱水塔;
(2)煤化工行业:脱苯塔、粗苯精制塔、蒸氨塔、甲醇塔;
(3)其它行业:顺酐精制塔、碳酸二甲酯精馏塔、乙醛蒸馏塔、醋酸浓缩塔、三氯乙烯蒸馏塔。
2.国家发明专利技术
近年,我们在LLCT技术的基础上又进一步开发了更加先进的技术,并申报了发明专利,于2006年底与2007年初先后获得三项国家发明专利技术,具体情况如下:
(1)一种气液接触组合件及使用它的传质分离塔。 专利号:ZL200410093933.6
(2)气液接触组合元件设置方法及使用该方法的传质分离塔。 专利号:ZL200410093934.0
(3)一种气液接触组合件及使用它的传质分离塔。 专利号:ZL200410093935.5
这三项国家发明专利技术,是通过对梯矩形立体连续传质塔板(LLCT)及New-VST的帽罩结构进行多处更好的改造,并且将帽罩在塔板上的排布加以改变;即采用不同尺寸(含一些结构参数)、不同高度的帽罩进行高低错落的排布形成的,作了这些塔盘结构上的调整与变化,使其性能得以进一步的提升。
比如仅从不同尺寸与高度的帽罩进行错落排布的结果,使得相邻两个帽罩之间的距离可以大大缩小,于是可以减少两相邻帽罩喷射出来的气相中液滴相互碰撞并凝聚的倾向,因此可以使气液两相接触保持良好的状态。又比如帽罩顶盖外沿设置有可以调节的导向装置,这可使气液混合物从帽罩天窗往外喷射时以预先设计的方位喷出,这样可以使气液混合物中大液滴迅速回落塔板液层中并再进入帽罩进行循环,同时可以减少气体雾沫夹带量。这样一些改进使塔内气流速度可以大大增加,而雾沫夹带却可以大大降低,从而可以大大提高气体空塔动能因子FT值与加大操作弹性。根据测定其空塔动能因子可达FT≥3.4,操作弹性可达5~6以上。因此可以认定这些发明专利技术乃是一种超高速、超高通量、高操作弹性的喷射型立体连续塔板,属当今最优秀的板式塔技术之一。
2007年,我们采用上述国家发明专利技术对山西某企业生产顺酐的精制塔与吸收塔进行新建设计,由于技术的先进性,使设备投资从原先他人设计时的3000万元,下降至我们的设计仅需900万元。原先设计需用两台塔径为φ3200的精制塔与一台塔径为φ3600的吸收塔,而我们仅需用一台φ3200的精制塔与一台φ3200的吸收塔来完成10万t顺酐/a的生产任务。
3.结论
(1)LLCT技术系在New-VST技术的基础上开发出来的技术更加先进高效的立体连续传质塔板。两者相比采用LLCT比New-VST生产能力可以提高50~70%;传质效率可以增加5~10%左右;气体阻力可以下降35%左右,操作弹性可以增加大约30%,这在几个行业相关精馏塔实际应用中均得到证实。
(2)三项国家发明专利技术是在New-VST与LLCT技术基础上从帽罩构造、尺寸参数及塔盘上帽罩排布上进行多方精巧的构思与严谨的设计后取得的技术成果;它体现出超高速、高通量(FT≥3.4)、高操作弹性(5~6以上),乃是当今最优秀的板式塔之一。

4.参考文献

  • [1] 杜佩衡.新型垂直筛板塔在聚氯乙烯工业上的成功应用[J].聚氯乙烯,1997,5(总131期):19~23.
  • [2] 杜佩衡.新型垂直筛板塔在我国化工生产中的应用及其取得的进展[J].石油化工设备,1993,22(5):8~12.
  • [3] 杜剑婷,杜佩衡.我国垂直筛板塔流体力学与传质性能研究[J].石油化工设备,2002,31(5):35~40.
 
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