MellapakPlusTM填料在四氟乙烯精馏改造中的成功应用

徐圣君 沈沙丽 李海杰

(上海苏尔寿工程机械制造有限公司， 上海 201306)

0 前言

四氟乙烯(TFE)是一种重要的氟化工原料，主要用于生产氟塑料等高分子材料，也是合成多种含氟精细化工产品的主要原料，其用途广泛，是目前最主要的氟化工原料，其质量对含氟聚合物的质量至关重要。为了获得高性能的含氟高聚物，必须保证四氟乙烯的纯度，所以国内外四氟乙烯生产厂都十分重视四氟乙烯的纯化工作。20世纪90年代，国外已要求四氟乙烯的纯度高达99.999 4%[1]。

在四氟乙烯生产过程中，精馏提纯是保证四氟乙烯产品质量关键的一步，也是装置中能耗较高的一个单元。由于进料热解气的组分复杂，轻重组分分离难度大，往往需要耗费较高的能耗，才能达到市场要求的四氟乙烯产品纯度。

当下的市场竞争日益激烈，追求能耗优化以降低生产成本对生产厂商来说变得尤为迫切，这使得对四氟乙烯纯化单元的设计优化有了重要的意义。

1 设计分析和改进方案

一般而言，四氟乙烯的纯化过程装置主要包含5个塔：脱轻塔、TFE精馏塔、TFE回收塔、脱高沸物塔和HCFC-22回收塔。通过精馏提纯的方式，从进料热解气中得到高纯度的四氟乙烯产品[1]。其中，脱轻塔和TFE精馏塔是生产合格四氟乙烯产品的两个关键设备，其设计特点可概括为：产品纯度要求高；高理论板数；高回流比；高操作压力；塔径较小；物料容易聚合。

由于对理论板数的要求高，迫使目前国内的设计中大量采用了CY700型丝网填料，同时较高的填料高度以及多个填料床层的设计，使得该塔在塔径不大的情况下，整塔高度非常高。与此同时，较高的回流比设计造成了该塔的能耗过高，生产成本大幅提高。

苏尔寿在了解了脱轻塔和TFE精馏塔的设计参数后，发现两个塔的操作压力均在1.0～1.8 MPa，这与工业界普遍认为的适合使用规整填料的条件相差甚远。因为担心规整填料在该塔中的使用效率问题，苏尔寿对该塔规整填料的设计进行了合理性分析。

分析发现，该体系中的物性参数与常规烃类加工中的物性参数相差甚远，其中关键的物性参数为：气相密度50～60 kg/m3；液相密度1 200～1 280 kg/m3；液气密度比20～25；液相黏度0.54～0.79 mPa·s；液相表面张力7～10 mN/m。

虽然由于操作压力的原因导致气相密度较高，但非常高的液相密度使得液气密度比仍在20以上，这有利于规整填料在该物系中的效率发挥，同时液体的表面张力和黏度也都说明了该物系适用规整填料。所以，经过初步分析认为，脱轻塔和TFE精馏塔使用规整填料是合理的。

考虑到脱轻塔和TFE精馏塔的理论板数要求较高，而且塔径不大，国内在设计这两个塔时一般选用CY700型丝网填料，该填料被普遍认为具有分离效率高、压降小、生产能力大等优点。

从前面的合理性分析和该物系的分离难易度来看，设计选用丝网填料似乎没有太大的问题，而且丝网填料作为高效填料毋庸置疑，但实际使用的效果却并不尽如人意。

在客户改造项目的执行过程中，苏尔寿通过了解现有运行塔的设计参数和运行情况，并综合评估了这两个塔的水力学设计。最终发现，由于这两个塔的操作压力高，分离难度大，所需的操作回流比大，所以造成了该塔的液相载荷较大。两台塔的水力学评估汇总如表1和表2所示(丝网填料CY700水力学核算基于苏尔寿丝网填料CY的核算结果)。

表1 脱轻塔水力学参数(苏尔寿CY)

表2 TFE精馏塔水力学参数(苏尔寿CY)

其中F因子是气体密度校正后的气相空塔速率，单位为Pa0.5，可按式(1)计算[2]：

水力学核算结果显示，CY填料已处于合理的水力学操作范围之外，这时填料的效率因为填料内部早期液泛的产生而急剧下降，虽然塔还未液泛，但使用效果会大打折扣。显然，在该塔现有操作条件及塔径下，苏尔寿CY填料也不适合在该塔中使用。

根据苏尔寿的研究发现，丝网波纹填料和金属板波纹填料各具特点。在真空应用中, 丝网波纹填料以低压降和高效率而著称。然而，在某些情况下，相对板波纹填料，丝网波纹填料的这些优势可能会完全消失。自20世纪60年代苏尔寿首次发明规整填料以来，市场上存在各种各样的规整填料产品，这些形式各异的填料常常困惑着使用方。由于使用方无法辨别其性能高低，所以在业界中具有争议的做法之一，就是仅仅以产品的比表面积和波纹角度来衡量该产品的性能高低。但对填料来说, 这种做法并不正确。

苏尔寿丰富的实验室数据包含市场上一些常见的产品测试结果。为了便于说明，本研究引用一款从国内市场上采购的具有代表性的丝网波纹填料，并与苏尔寿相关产品进行了比较。

这款具有代表性的丝网填料的名义比表面积标注为500 m2/m3，波纹夹角为30°。尽管与Sulzer BX具有相似的名义比表面积，但是该填料的织物与Sulzer BX的织物有显著不同。为方便起见，将这款丝网填料称为W500。

测试是在标准二元测试混合物单氯苯和乙苯的全回流条件下进行，操作压力分别为5、10和96 kPa。在不同压力下，不同填料的测试结果分别如图1、图2和图3所示。

通过对比图1～图3中的测试结果，发现尽管具有相同的比表面积和波纹角度，从国内市场上采购的丝网波纹填料并未表现出苏尔寿工业标准产品Sulzer BX的高效率，其测试结果类似于苏尔寿板波纹填料MellapakTM的特征。通过对W500的测试，也间接说明了CY700填料的性能类似于苏尔寿板波纹填料MellapakTM，而无法真正达到Sulzer CY的同等效率。

图1 W500和Sulzer BX 在5 kPa下的压降曲线和效率曲线

图2 W500、Sulzer BX、Sulzer Mellapak 500.X在10 kPa下的压降曲线和效率曲线

图3 W500、Sulzer BX、Sulzer Mellapak 500.X在96 kPa下的压降曲线和效率曲线

在图1～图3中，NTSM为每米理论板数，代表了填料的效率，数值越大说明效率越高。dp/dz为单位压降，单位压降越高，说明填料产生的压降就越高[2]。

以上引用的数据显示，丝网波纹填料建议仅在真空和低液负荷下使用，在常压和液体量比较大的应用中，丝网填料对MellapakTM的效率优势逐步消失。在这种工况下, 由于成本优势, MellapakTM应该是更好的选择。 使用苏尔寿板波纹填料MellapakTM对脱轻塔和TFE精馏塔进行水力学核算，水力学评估汇总如表3和表4所示。

表3 脱轻塔水力学参数(苏尔寿MellapakTM)

表4 TFE精馏塔水力学参数(苏尔寿MellapakTM)

水力学核算结果显示，使用与CY700结构相似的MellapakTM填料，也已处于合理的水力学操作范围之外，这时填料的效率因为填料内部早期液泛的产生而急剧下降，虽然塔还未液泛，但使用效果会大打折扣。

总之，如果使用几何结构相似的苏尔寿填料(丝网填料CY或结构特征类似的板波纹填料MellapakTM)来评估CY700在这两个塔中的水力学性能，从表1～表4的水力学计算结果就可以看出，CY700填料已接近液泛，这对填料的性能发挥产生了一定的影响。所以建议使用苏尔寿规整填料MellapakPlusTM对该塔进行改造，同时更换所有的液体分布器，以达到要求的液相分布质量，从而确保填料的效率。使用苏尔寿规整填料MellapakPlusTM对脱轻塔和TFE精馏塔进行水力学核算，水力学评估汇总如表5和表6所示。

表5 脱轻塔水力学参数(苏尔寿MellapakPlusTM)

表6 TFE精馏塔水力学参数(苏尔寿MellapakPlusTM)

水力学核算结果显示，使用与CY700效率相当的MellapakPlusTM填料，仍处于合理的水力学操作范围之内，完全可以满足操作要求。

MellapakPlusTM规整填料集合了MellapakTM填料的所有优点并具有新的特点，即在每个填料单元的上部和下部，波纹的方向渐渐接近垂直方向, 这样的好处是：汽相在相邻两个填料单元接触面渐渐地改变方向，平滑的流过；在两层填料交接的部位，汽相流动的方向几乎与垂直方向平行，汽相流速因此相对于填料单元内部降低了25%。

以上两点降低了压降和汽液相之间相互作用的剪切力，这对于存在厚而且不稳定液膜的填料连接处至关重要，这样就降低了两层填料连接处早期液泛的可能性。MellapakTM和MellapakPlusTM的持液量测试结果如图4所示。

图4 MellapakTM和MellapakPlusTM的持液量测试结果

MellapakPlusTM的性能通过了美国精馏协会(FRI)的测试认证。它的优势为： 对于新塔，可以缩小塔径；对于改造塔，在维持同等效率的前提下可以显著提升处理能力或降低操作压降。MellapakTM和MellapakPlusTM的性能对比如图5所示。

图5 MellapakTM和MellapakPlusTM的性能对比

2 方案实施和开车效果

在改造方案的实施过程中，苏尔寿通过对现有运行塔中内件设计和填料安装的大致了解，发现以下问题：1)国内丝网填料在质量控制上参差不齐，局部填料出现挤压变形；2)填料安装时的错误操作，造成填料的挤压变形；3)分布器和塔内件设计不合理，无法满足高效率填料的汽液相分布要求。这些因素会直接影响填料的效率和实际处理能力，导致塔的运行效果不佳。

苏尔寿在机械设计以及后续的安装过程中，严格把控各个环节的质量，并对每个分布器出厂前进行了分布性能的测试，确保达到设计要求的液体分布质量，这对高效率填料的性能发挥是至关重要的。

经过改造并在系统重新开车后，客户对这两个塔的运行参数进行了收集和评估，对比改造前后的数据发现，改造后节能效果明显且产品质量有所提高，具体对比参数如表7和表8所示。

表7 改造前后的能耗对比

表8 改造前后的产品质量对比

对于此次的改造效果，客户非常满意，TFE精馏塔的节能效果尤为显著，除此之外，四氟乙烯产品纯度也明显优于以往。同时客户明显感觉到这两个塔在改造后，操作调整上也更平稳，对于本次的改造给予了很高的评价和肯定，并在后续相同和类似的装置改造及新建中，双方继续合作，在节能降耗以及产品升级方面取得了进一步的成功。

3 结论

填料塔的操作弹性大，汽液传质效果好，为获得高纯的四氟乙烯单体提供了良好的条件。但不适当的填料塔设计，也会给操作造成很多问题。

上海苏尔寿通过对现有装置中四氟乙烯纯化单元能耗高的问题进行分析， 提出了对脱轻塔和TFE精馏塔的合理化改造方案，通过将现有的CY700型丝网填料更换为苏尔寿新一代规整填料MellapakPlusTM后，改善效果明显。

同时，通过本次成功的改造，对于该塔的设计及填料的选型有了一个全新的认识，并不是在任何情况下，丝网填料都是高效填料的代名词。板波纹填料在特定情况下，配合合理的塔内件设计，完全可以提供优于丝网填料的效率及处理能力。在精馏塔的设计过程中，只有合适的设计才是最好的设计。