高效导向筛板的研究开发及其工业应用

李群生，郭　凡，张武龙，崔　侨

(北京化工大学化学工程学院，北京100029)

随着现代化生产的不断发展，各企业对气液传质设备提出了许多新的要求，效率高、通量大、能耗低的塔器设备也越来越广泛地受到了人们的关注。近些年来，北京化工大学在塔板改进方面做了大量的工作，通过对包括筛板塔板在内的多种类型塔板进行深入细致研究，在发扬传统筛板塔板结构简单、造价低廉等特点的基础上，结合塔板上流体力学与传质学的一系列研究成果，进行塔板结构优化，克服其漏液点高、效率较低的缺点，开发出了一种新型高效导向筛板。高效导向筛板具有生产能力大、塔板效率高、结构简单、塔板压降低、造价低廉、维修方便等特点，目前已广泛应用到化工、化纤、石化、轻工等多个行业的1 000余座塔器设备中，所应用的物系包括甲醇与水体系、乙醇与水体系、醋酸与醋酸乙烯体系、醋酸甲酯-醋酸乙烯-水混合体系、聚醋酸乙烯-醋酸乙烯-甲醇混合体系、乙炔-乙醛-醋酸乙烯混合体系、三氯氢硅-四氯化硅体系、乙苯-苯乙烯体系以及碳五分离体系等［1］。

1　高效导向筛板的开发思路

图1　传统塔板上的液面梯度Fig．1　Gradient of liquid level of traditional trays and the high efficiency flow-guided sieve tray

液体在传统的精馏塔板上流动时，在液流的上、下游之间存在着较大液面梯度，如图1a)所示，它是推动液体在塔板上流动的动力，且液体黏度越高，液面梯度越大。对于高黏度物料的精馏分离，上游液面易升高达上层塔板，发生液泛;对于易自聚物料，在塔板两侧弓形区域存在液相返混、液流停滞，因而易发生自聚，造成液流不畅、堵塔、液泛等现象;对于含固体颗粒物料，容易因物料流动不畅造成固体在塔板上沉积，进而堵塔、液泛，从而导致生产事故的发生。北京化工大学在研究开发过程中，深入研究了上述各类问题的成因，针对这些特殊物系精馏时液面梯度大、容易出现堵塔、液泛等现象，对塔板上气液两相进行了流体力学和传质学两个方面的研究与分析。分析结果如下:高黏度等物料在塔板上流动时，液面梯度较大，在流体力学方面，由于运动阻力大，容易形成液泛;在传质学方面，由于液面不均，上游液层厚而下游液层薄，气流一般从下游较薄处冲出，而上游液层厚处很少有上升气体，即气体在塔板上的分布不均匀，影响了塔的分离效率。从液体在塔板上的分布来看，由于液流在塔板的中间区域流动很快，在两侧的弓形区域流动迟缓，甚至出现液相返混，因此液体在塔板上的不均匀流动也造成了分离效率的低下。上述现象实际上也减少了气流、液流的正常流速和流通面积，降低了生产能力。归结来看，问题的主要原因即在于传统塔板上存在着较大的液面梯度，对于高黏度、易自聚等特殊物料，液面梯度则更大，问题更为突出。

鉴于此，北京化工大学提出了优化设计思路和实施方法，主要设想是在塔板上设置一部分结构优化、大小适宜、布局合理的导向孔，使从导向孔中水平喷出的气体推动塔板上液流均匀稳定地流动，消除塔板上的液面梯度、液相返混和液泛，达到如图1b)所示的液流的理想效果，有效避免上述安全生产隐患。

2　高效导向筛板的结构与特点

为使塔板不同区域气液稳定、均匀分布及减少塔板“非活化区”对塔板效率的影响，从而提高装置分离效率、减少生产能耗，北京化工大学对导向筛板进行了系统的研究，结合塔板上流体力学与传质学的研究成果，开发出一种新型高效导向筛板，并逐渐推向了全国。

该高效导向筛板的工作原理如图2所示，俯视图见图3。筛板上开设有一定数量的筛孔及部分导向孔，其中通过筛孔的气体速度方向为垂直向上，在塔板上与液体进行错流接触;通过导向孔的气体速度方向为沿塔板水平向前，通过碰撞接触将动量传递给在塔板上水平流动的液体，从而推动液体在塔板上均匀稳定地前进。该设计不仅可以减小或消除原来塔板上的液面落差，克服液相返混，解决了生产中常见的液泛、堵塔等问题，同时还提高了生产能力和板效率，解决了生产中常见的液泛、堵塔等问题。另外，由于存在着较大的液面梯度，在传统塔板上游存在一个“非活化区”，该区域内的气流通常无法穿过液层而鼓泡上升，成为了塔板上传质的无效区。根据大量实验测定结果可知，塔板上非活化区的面积约占塔截面积的1/3左右，严重制约了塔板传质效率的提高。为了解决这一问题，高效导向筛板在液流的入口区域增设了向上凸起、呈斜台状的鼓泡促进器，该设计使得此区域内液层厚度减薄、开孔数增多，促使液体一进入塔板后即可鼓泡，从而改善气液接触与传质状况。改进后的高效导向筛板具有几大特点［2］。1)生产能力大。①鼓泡促进器的设置减小了液流上游存在的非活化区面积，使得气相通道面积增加了1/3以上。②在传统塔板上液层厚度不均匀，上游较厚而下游较薄，当下游较薄液层被气体吹开时即达到了该塔板的限制气速，也就是生产能力的最大值，故较薄液层厚度及塔板下游气速限制了传统塔板的生产能力。导向孔的设置消除了液面梯度，使得塔板上液层厚度接近一致，两相接触更加稳定，整个塔截面上气速均匀，即全塔平均气速达到最大时，才是生产能力的最大值。③从筛孔中上升的气体速度方向为垂直向上，从导向孔中上升的气体速度方向为水平向前，故气体的合成速度为斜向上方，这样既在有限空间内延长了气体夹带雾滴的运动轨迹，有效减小了雾沫夹带量，又提高了极限气速与装置生产能力。④在相同的分离要求下，塔板数可较普通塔板少，或在塔板数一定的情况下可有效降低操作回流比，从而提高塔的负荷与生产能力。综上，高效导向筛板相比于传统塔板，其生产能力可提高50%～100%。

图2　高效导向筛板工作原理图Fig．2　The schematic diagram of the high efficiency flow-guided sieve tray

图3　高效导向筛板俯视图Fig．3　Top view of the high efficiency flow-guided sieve tray

2)分离效率高。①由于设置导向孔减小了“非活化区”面积，使得塔板上鼓泡区域增大，增加了气液两相接触传质的机会，从而提高了塔板传质效率。②因很好地克服了液相返混现象，大大提高了塔板传质性能。③有效消除了液面梯度，均匀流动降低了塔板漏液量和雾沫夹带量，提高了板效率。其分离效率相比于传统塔板提高了约20%～40%。

3)塔板压降低。与浮阀、泡罩等传统塔板相比，筛板塔板压降相对较低。而大量实验和生产经验表明，与普通筛孔的阻力降相比，导向孔的阻力降还要低20%左右，故一般来说，实际生产中高效导向筛板的压降比筛板塔板的还低10%～20%。

4)抗堵能力强。由于导向孔的增设，从孔中喷出的气体可水平推动物料在塔板上前进，强化液体在塔面上的流动，有利于消除死角，防止堵塔、液泛现象的发生。对黏性较大的物料可适当多增设导向孔，尤其适用于对发酵醪、易自聚物系的蒸馏或聚合物脱单体分离等。

5)结构简单、造价低廉。高效导向筛板的结构简单，只需在钢板上开设一定数量的筛孔和导向孔，无其他复杂组件，因此加工简易，质量较轻，且便于拆装。一般来说，高效导向筛板的造价仅为泡罩塔板的40%～50%，为浮阀塔板的60%～70%。

3　高效导向筛板的工业应用

3.1　高效导向筛板在聚氯乙烯高低沸塔中的应用

在聚氯乙烯(简称PVC)生产过程中，精馏工段的核心目标是将中间产品进行分离、提纯。低沸塔和高沸塔在原设计中使用的是传统的浮阀塔板，低沸塔塔顶、塔釜的性能长期达不到要求指标，随乙炔排放的氯乙烯含量严重超标，增加了原料消耗，同时也严重影响了PVC产品的质量。

采用高效导向筛板进行新塔技改设计后在生产中一次试车成功，开车2 h后塔顶、塔釜即达到了要求指标，生产能力增大40%。表1和表2列出了采用高效导向筛板对高、低沸塔进行技改前后的技术指标对比，技改后塔的生产能力有所提高，回流比和塔压降均降低，分离指标较好，很好地提高了塔的技术指标和经济性能［3］。

通过采用高效导向筛板代替原塔板进行技术改造后，给企业带来了可观的经济效益，主要包括4个方面。

1)降低回流比，实现节省能耗。低沸塔回流比由6.0左右降至4.0，减少能耗29%;高沸塔回流比由1.0左右降至0.6，减少能耗20%。折合经济效益约150万元/a。

表1　低沸塔技改前后的技术指标Table 1　Technical indexes of low-boiling tower before and after the technology reform

表2　高沸塔技改前后的技术指标Table 2　Technical indexes of high-boiling tower before and after the technology reform

2)提高产品质量。产品中乙炔等低沸物质量分数由 20×10－6降至 0～2×10－6，二氯乙烷等高沸物质量分数由 200×10－6降至 0～3×10－6以下，水分质量分数小于 100×10－6，单体氯乙烯总质量分数由99.952%提高到99.999%(干基)，产品质量更高。折合经济效益约150万元/a。

3)防止自聚。技改前，原塔因自聚堵塔，每4～6个月需中途停车处理1次，自2004年技改后，至今无需检修。

4)产量增加。产量增加，折合经济效益约200万元/a。

3.2　高效导向筛板在醋酸乙烯精馏中的应用

在聚乙烯醇(简称PVA)生产过程中，中间产品醋酸乙烯由乙炔与醋酸反应生成后送入到精馏一塔中，脱除其中的轻组分，精馏一塔釜液送至精馏二塔中，脱除醋酸等重组分，在精馏二塔塔顶可得到纯度较高的精醋酸乙烯，供后续聚合工段使用。该过程的难点在于精馏二塔分离醋酸乙烯与重组分醋酸的同时，需要将影响醋酸乙烯活度的杂质做到严格分离，同时还要求该塔的设计点生产能力提高80%左右，以满足原厂扩产的要求。采用高效导向筛板替代原塔传统筛板进行技改，开车以后生产持续稳定，各项指标均满足要求。该厂技改前后具体技术指标对比见表3和表4［4］。

采用高效导向筛板进行技改后:1)扩大了产量。塔的进料处理量增大至19 000 kg/h，相比于原来的16 000 kg/h提高了约20%。2)提高了分离效率。塔顶、塔釜指标均有较大程度提高，每年多回收的醋酸乙烯产品约220 t，由此可带来经济效益约175万元。3)降低了能耗。操作回流比由原来的1.7～2.0下降为1.2～1.4，节能65%左右。由此可节省蒸汽消耗约7 800 t/a，节省冷却水用量约520 kt，两者合计每年可节省经济投入65万元/a。4)生产操作稳定。在增大进料负荷约20%后，采用高效导向筛板的压力降与改造前相近，未有明显增高，且未出现过较大的生产波动。

表3　塔顶技术指标实测值对比表Table 3　Comparison of technical index for top of tower II

表4　塔釜技术指标实测值对比表Table 4　Comparison of technical indexes for bottom of tower II

3.3　高效导向筛板在PVA聚合一塔中的应用

PVA聚合工段主要是进行聚醋酸乙烯(PVAC)以及混合物的分离。醋酸乙烯(VAC)在聚合釜中反应生成聚醋酸乙烯，在聚合工段第一精馏塔(聚合一塔)中将聚合物与未聚合的单体进行分离，聚合物送往下一工段，醋酸乙烯单体进一步精制，循环使用。从聚合釜出来的反应液聚醋酸乙烯含量很高，物料黏度大(6 000～50 000 cp，而一般有机液体的黏度仅为几厘泊)。该塔原来采用泡罩塔板，物料在板上流动阻力大，造成液泛、堵塔等生产事故，平均每月出现1～2次，严重时使前序的聚合釜爆聚甚至爆炸。

采用高效导向筛板对聚合一塔进行技术改造，塔径2 000 mm，塔板数40层，板间距285 mm。仅用高效导向筛板替换原泡罩塔板，塔体、塔内支承件均不动，自1997年3月投入运行以来，操作一直稳定正常，状态良好，达到了很高的技术指标。表5和表6为改造前后聚合一塔指标对比［5-6］。

从表5和表6中可以看出，技改后塔的操作达到和超过了要求指标，尤其塔釜VAC含量由原来的0.26%降低为0.02%～0.03%，比要求值(≤0.08%)低很多，使得VAC吹出率高达99.85%～99.90%，这不仅大大提高了VAC的回收率，还有效避免了醋酸乙烯含量超标，致使产品聚乙烯醇发黄、发脆、质量不合格的问题。塔顶VAC含量由50%提高到60%，减少了后续工段的处理负荷与能耗。

表5　聚合一塔塔顶技术指标实测值对比表Table 5　Comparison of technical indexes on top of tower I

表6　聚合一塔塔底技术指标实测值对比表Table 6　Comparison of technical indexes on bottom of tower I

由于塔板效率高，在完成分离任务的前提下，新设计的高效导向筛板聚合一塔的回流比由原来泡罩塔板的1.3降为0.7，降低了45%，节能36%，超过了技改的要求指标。并且技改后彻底解决了生产中堵塔、液泛等问题。聚合一塔为直径2 000 mm、塔板数40层的大塔，技改的设备投资约为22万元，而仅计节能、节水、提高VAC回收率和提高产品质量几项，增加效益约321万元/a，改造的投资回收期不到一个月。另外，技术改造还将聚合工段VAC产能增大了50%。

3.4　高效导向筛板在甲醇精馏中的应用

在PVA聚合工段，聚合三塔的主要作用是将甲醇与水以及其他杂质进行分离，得到可作为溶剂循环使用的甲醇产品。该塔原来采用的是孔径为4 mm的筛板塔板，但由于进料中含有高黏性的聚醋酸乙烯，在生产中经常会出现堵塔、液泛等现象。为了解决该问题，同时实现整体工艺的简化与节能，技改要求将原来投入到回收三塔中的物料也送入聚合三塔中，相当于扩产170%。本项技改采用新型高效导向筛板替代原塔筛板塔板，塔体及其他部分均不做改动，成功解决了这一难题，提高了塔的生产能力和分离效率，很好地满足了技改要求。此项技术改造改动范围少、投资节省、周期短见效快，同时还大大提高了聚合三塔的抗堵能力［7］。具体见表7。

表7　甲醇精馏塔技术指标实测值对比表Table 7　Comparison of technical indexes before and after the technical reform in methanol tower

由于导向筛板塔板效率高，聚合三塔回流比由原来的4.25降为了1.80，节能约47%，由此可节省蒸汽1.22万t/a，节约费用约73.2万元/a;同时技改后可节省冷却水88万t/a，折合人民币约8.8万元;另外，因塔釜甲醇含量由原来的0.05%降到了0.01%，显著提高了甲醇产品回收率，多回收的甲醇量约计12.5万元/a;由于两塔操作改为一塔操作，节省原回收三塔的维修费和部分操作费用，由此可节省支出约8万元/a;甲醇的比活度由570 s降至530～550 s，甲醇质量有明显提高，使得聚合反应能够顺利进行，带来综合经济效益50万元/a;此外因提高了聚合三塔的生产能力和产品产量，可带来综合经济效益120万元/a。

由上可知，技改后由扩产、节能、降耗等带来经济效益为272.5万元/a，技改的设备投资仅需5万元，在技术及经济上均十分合理。

3.5　高效导向筛板在PVA回收一塔中的应用

在聚乙烯醇生产过程中，回收工段的主要作用是将醇解工段产生的大量废液进行回收精制。其中回收一塔的进料主要由甲醇、醋酸甲酯、水、醋酸钠和其他杂质组成。其中醋酸钠为易发泡物质，易发生雾沫夹带和液泛，导致精馏塔效率降低。该塔原来采用浮阀塔板，生产中存在易液泛、效率低、生产能力小等问题，成为了制约生产的瓶颈。技改中选用高效导向筛板替代原来回收一塔的浮阀塔板，新塔设计后一次试车成功，开车2 h后塔顶、塔釜指标即达到正常值，且生产能力扩大50%左右。

技改后回流比由原来的2.5左右降至1.5左右，节能约40%，每小时可节省蒸汽20 t，同时每小时可节水130 t;塔压降由原来的0.03 MPa降为0.015～0.020 MPa，塔的操作更加平稳;塔顶 w(醋酸甲酯)要求76.0%，实际达到76.5%，塔釜w(醋酸甲酯)要求≤0.28%，实际运行达到0.05%，比要求指标低了75%以上，可多回收醋酸甲酯162 t/a，并减轻了后续工段甲醇精馏的压力。而该塔投资回收期仅不足1个月。由于高效导向筛板有较强的破泡作用，解决了发泡物质的精馏难题。开车以来，生产一直保持稳定，未发生过堵塔、泛塔、雾沫夹带等异常现象。

3.6　高效导向筛板在碳五分离中的应用

在碳五分离过程中，因含有双烯的异戊二烯在精馏时极易自聚，产生黏性微团，在实际生产中经常堵塔、液泛，使装置不能正常发挥其经济效益。而异戊二烯在其泡点温度下的自聚又难以避免，因此该问题长期以来未能得到解决。

针对这一具体情况，采用了特大孔径(Φ25 mm)高效导向筛板进行技改，孔径增大后有效地避免了堵塔等现象，同时采取合理开设导向孔、优化导向孔配置、合理设计孔动能因子的方式避免了大孔径筛板容易漏液的问题。工业应用证明本技术不仅解决了堵塔、液泛等问题，而且分离效率也提高近20%。表8列出了该公司T-301A/B塔的实施本项成果前后的技术指标对比［8］。

表8　技改前后T-301A/B塔的操作数据和质量指标Table 8　The operation data and quality indicators before and after the technical reform of the T-301A/B

经过改造后带来的效益有如下4点:1)生产操作稳定。原塔中因含有易自聚物料，液体流动不畅极易出现液泛与堵塔，开车周期仅15～25 d。应用高效导向筛板后将生产周期延长至120 d以上，并且从开车第二年开始，则全年无需因自聚堵塔而检修。2)提高异戊二烯产品质量。原来塔顶产品中环戊二烯含量经常超标，使异戊二烯产品不合格。应用本技术后，塔顶环戊二烯含量由原来的0.5×10－6～1.5×10－6降至0.6×10－6以下，提高了异戊二烯的产品质量。3)降低了能耗。由于原塔效率低，萃取剂用量较高，处理能力为650 kg/h时萃取剂用量为5.0 m3/h。采用本技术后，塔板效率明显提高，改造完成后实际生产能力可达1 050 kg/h，而萃取剂用量仅5.5 m3/h。仅此一项，可节省约5 000 t/a蒸汽和大量的冷却水，同时还减少了萃取剂消耗。4)扩大了产量。应用本项成果后，生产能力从原设计的不足2.5万t/a(实际上由于开工不足，远未达到)，提高到3万t/a。

3.7　高效导向筛板在食用酒精蒸馏中的应用

采用粮食发酵法生产食用酒精过程中，玉米、薯干等粮食经发酵转换为酒精后，需要通过蒸馏得到食用酒精。蒸馏塔的进料中含有约10%的固体物质，在塔板上流动困难，常造成堵塔现象。通过应用高效导向筛板替代原塔板后，成功地解决了这一问题，同时生产能力提高了60%，并降低了残液中的酒精含量。具体指标见表9。

表9　食用酒精蒸馏塔技改前后技术指标对比Table 9　Comparison of technical indexes before and after the technical reform in ethanol tower

技改后，加料量由22 400 kg/h增加到了35 700 kg/h，生产能力提高了60%;由于进料中含有固体物质，平均每4～6个月就因堵塔停车1次，技改后生产周期延长至18个月;塔顶w(酒精)由50%上升到了55%，釜液中残存w(酒精)由0.08%降至0.01%，大大提高了酒精的回收率。

3.8　高效导向筛板在丙烯酸酯物系分离中的应用

北京某化工厂T5011塔，处理物系为丙烯酸酯类物质，该类物质易发生自聚反应，产生黏性微团。原塔采用的是普通筛板，分离效果和运转能力达不到要求，并且经常发生堵塔、液泛等生产事故。技改中采用高效导向筛板，满足了生产要求，成功地解决了原塔雾沫夹带量大、塔板阻力过高的难题，使该塔的分离效率提高了30%以上，提高了塔的生产能力，降低了回流比，大大节省了水蒸气及冷凝水的用量，为该公司带来了可观的经济效益。该塔自技改以来，从未发生过堵塔、泛塔等异常现象。

3.9　高效导向筛板在汽油稳定塔中的应用

轻烃芳构化是将诸如油田凝析油、直馏汽油、焦化汽油、重整抽余油、重整拔头油、热裂解汽油、热裂解碳五馏分和液化石油气等轻烃转化为芳烃的过程，该过程的汽油稳定系统由多个塔组合而成。华北石化久久工贸有限公司在该过程汽油稳定系统的吸收塔、解吸塔、稳定塔、分馏塔以及甲苯塔、二甲苯塔等塔设备的选型与设计中，选用高效导向筛板塔进行设计与应用，很好地达到了高产、优质、生产稳定、节能降耗的效果，为企业生产的安、稳、长、满、优提供了可靠的技术支撑。

4　结论

1)高效导向筛板克服了传统筛板塔板的不足，具有生产能力大，效率高，压降低，抗堵性能强，结构简单，造价低廉等特点。

2)高效导向筛板经过了数十年的研究开发与技术改进，已很好地应用于化工、炼油、纺织、制药等多个领域的精馏、吸收等分离过程，实际应用中达到了上千座塔设备。

3)高效导向筛板推广应用后，大幅度减小了蒸汽消耗与冷凝水用量，减少了化学物料的排放，有效促进了生产过程的节能降耗，带来了巨大的经济效益与环境效益。

参考文献:

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