塔設備的歷史發(fā)展與展望

1、1Position PaperPosition Paper塔設備的歷史發(fā)展和未來展望塔設備的歷史發(fā)展和未來展望劉艷升劉艷升 20032003年年1111月月2精餾塔的歷史發(fā)展及展望精餾塔的歷史發(fā)展及展望一一 背背 景景2 2塔設備的歷史發(fā)展塔設備的歷史發(fā)展3 3塔內件應用的趨勢塔內件應用的趨勢4 4化學工程研究的一般規(guī)律化學工程研究的一般規(guī)律5 5現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望6 6塔設備研究的發(fā)展方向塔設備研究的發(fā)展方向7 7結論結論3一 背景v當今中國加入WTO ：w降低加工成本w提高殘渣油轉化率w提高產品質量w開發(fā)高附加值的精細化工產品 u精餾過程w量大面廣w規(guī)

2、模經(jīng)濟wCPI中的workhorse4二 塔設備歷史發(fā)展 從精餾設備的歷史發(fā)展來看，精餾技術與石油、化學加工工業(yè)的發(fā)展是相輔相成、相互刺激、共同進步的發(fā)展關系。精餾技術的任何進步，都會極大刺激化學加工工業(yè)的技術發(fā)展，同樣在石油、化學加工工業(yè)發(fā)展的每一個歷史階段都會對精餾設備技術提出更高的要求。5二 塔設備歷史發(fā)展 塔設備的廣泛應用是伴隨著十九世紀初期迅猛發(fā)展的煉油工業(yè)，并且隨著煉油和石化企業(yè)的不斷發(fā)展而成為主導的工業(yè)單元操作過程。l 階段階段I(I(二十世紀二十世紀20205050年代年代)l 階段階段II (50II (507070年代年代) ) l 階段階段III (70III (7090

3、90年代年代) : ) : l 階段階段IV (80-90IV (80-90年代后期年代后期) ) 6二 塔設備歷史發(fā)展7二 塔設備歷史發(fā)展階段階段I: 2050I: 2050年代年代u1920年，有溢流的泡罩塔板開始應用于煉油工業(yè)，開創(chuàng)了一個新的煉油時代。u泡罩塔板對設計水平要求不高、對各類操作的適應能力強、對操作控制要求低等特性在當時被認為是無可替代的板型。uRachig環(huán)填料塔主要應用于較小直徑的無機分離塔設備中，同時也開發(fā)了Pall環(huán),標志著現(xiàn)代亂堆填料的誕生。8二 塔設備歷史發(fā)展階段階段II (50II (507070年代年代)u消除放大效應的研究:AIChE研究u浮閥塔板的開發(fā)浮閥

4、塔板的開發(fā) uFRI的成立u系統(tǒng)化的設計方法： 1955年，Monsanto公司的Bolles發(fā)表了著名的“泡罩塔板設計手冊”，首先提出了科學的、規(guī)范化塔板設計技術，該方法到目前為止仍然廣泛流行。u大孔篩板的研究 9二 塔設備歷史發(fā)展階段階段III (70III (709090年代年代) :) :u大型液體分布器的基礎研究,使得填料塔的放大研究成功，并在減壓塔中應用獲得極大的經(jīng)濟效益和社會效益 ;u計算機應用w輔助精餾塔放大效應的研究,計算塔板效率w精餾過程設計u新型高性能浮閥塔板的開發(fā)及應用10二 塔設備歷史發(fā)展階段階段IV (80IV (80末末- -至今至今) ) u新型高性能塔板的開發(fā)

5、及工業(yè)應用u塔板設計、開發(fā)更趨于科學化的方向11三、塔內件應用的趨勢三、塔內件應用的趨勢 伴隨著煉油、石油加工和化學加工工業(yè)的歷史發(fā)展，為了適應生產的需要，在不同歷史時期相繼成功地開發(fā)出數(shù)百種不同汽液接觸結構、不同汽液流動型式的塔內件構型，以適應不同操作壓力、設備規(guī)模、物系性質、操作特性和不同生產要求等的廣譜的精餾過程。12三、塔內件應用的趨勢三、塔內件應用的趨勢 與之相應的大量的設備流體力學、傳質特性的基礎研究。 在這些研究工作和工程經(jīng)驗不斷積累的基礎上，當今精餾塔的設計成功率已接近100%，以致使得工程技術人員產生了塔設備是成熟技術，毋需繼續(xù)進行深入的研究開發(fā)等錯覺，13三、塔內件應用的趨

6、勢三、塔內件應用的趨勢 “真理是相對的！” 任何塔內件的構型僅僅是某一個歷史發(fā)展階段的產物，其技術水平本身受相關支撐科學的限制。 在20世紀50年代以前, 泡罩塔板當時豈不是也被認為是“不可替代的”。14 三、塔內件應用的趨勢三、塔內件應用的趨勢15三、塔內件應用的趨勢三、塔內件應用的趨勢 各類塔內件的工業(yè)應用相對趨勢在不同時代都呈現(xiàn)出波浪式前進和螺旋式上升的變化規(guī)律。在每個石油化學加工工業(yè)發(fā)展的歷史階段，都對塔內件有特定的要求，呈現(xiàn)出需求決定發(fā)展，發(fā)展中不斷完善、開拓，繼續(xù)促進需求的發(fā)展的自然辯證原理。16三、塔內件應用的趨勢三、塔內件應用的趨勢 由于塔設備對操作體系和生產要求的廣譜適應性，

7、不可能開發(fā)出一種“萬能的塔內件”。 隨著人類文明的不斷進步，雖然在某一歷史階段和特定的市場要求下，某一類塔內件的需求可能占主導，但在總體上，未來塔內件應用形勢將呈現(xiàn)出各類塔內件并存，相互競爭，相互補充，共同發(fā)展的趨向，不存在熟優(yōu)熟劣的問題。 17v高速發(fā)展期：o 經(jīng)驗研究 v平緩發(fā)展期：o 經(jīng)驗研究向理論方向發(fā)展v緩慢發(fā)展期 ：o支撐科學水平的限制，發(fā)展速率降低四、化學工程研究的一般規(guī)律四、化學工程研究的一般規(guī)律 18五、現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望五、現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望u填料塔液體分布器填料塔液體分布器w開發(fā)和應用現(xiàn)狀開發(fā)和應用現(xiàn)狀 ：當前液體分布器和氣體進料分布器在減壓體系已經(jīng)可

8、以放大到相當?shù)乃?。在國外最大塔徑已?jīng)達到16m,在國內也已經(jīng)達到9m （茂名）,基本已經(jīng)滿足最近和未來不長時間的生產要求。當前技術在常壓和加壓體系的應用塔徑相對于減壓低的多，鑒于液體分布器和氣體進料分布器是單相流動問題，對于常壓和加壓體系不會產生放大效應問題。w存在問題存在問題 ：分布器的抗堵塞能力和操作彈性；塔內霧沫夾帶問題 w發(fā)展方向發(fā)展方向 ：極低噴淋密度時，的分布方式；分布器結構的簡單化 19u填料填料w應用和開發(fā)現(xiàn)狀應用和開發(fā)現(xiàn)狀 ：新型填料的開發(fā)主要在大處理能力下，降低HETP的研究，如Sulzer Optiflow填料，針對低噴淋密度性能優(yōu)良的Jeager Maxpak填料。

9、w存在問題存在問題 ：填料在常壓和加壓體系應用及其基礎研究。加壓體系的性能不穩(wěn)定性原因分析；填料塔設計模型的理論化研究。 w發(fā)展方向發(fā)展方向 ：自分布性能優(yōu)良的規(guī)整填料 五、現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望五、現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望20u塔板 按照當前化學工程的發(fā)展水平分析，新型板式塔的發(fā)展可以歸類為兩個主要方面：w傳統(tǒng)塔設備構型的改進，屬于簡單機制的深化；w傳統(tǒng)塔設備構型的強化，屬于簡單機制的復雜化。五、現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望五、現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望21五、現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望五、現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望u塔板技術的發(fā)展：w開孔方式及其新開孔構件的發(fā)展；w塔板空間

10、的合理利用；w新降液管結構w氣液接觸構型的復合和交融22 通過以上對現(xiàn)有塔設備技術發(fā)展的評述得出，國內外現(xiàn)有板式塔設備技術的發(fā)展是在傳統(tǒng)簡單機制技術基礎上的深化和完善，并在當前工業(yè)應用中表現(xiàn)出優(yōu)良的操作性能，獲得了可以滿足現(xiàn)有生產要求的操作效果。 五、現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望五、現(xiàn)有塔板技術的分析及未來展望23六、塔設備研究的發(fā)展方向六、塔設備研究的發(fā)展方向 Kister 認為，精餾過程是一個Case Study過程，這其中包含了精餾過程工藝、設備問題，同時也包括了操作控制實施中廣義的概念。 狹義地講，對于精餾設備開發(fā)而言，精餾塔內件的發(fā)展也逐漸向Case Study過程發(fā)展，即針對特殊的

11、生產要求、生產環(huán)境以及預定的開發(fā)目標，進行專門的設計和開發(fā)，傳統(tǒng)的“普適性”塔內件技術市場越來越小，塔內件技術也必將由粗放型向精細化的方向發(fā)展。24六、塔設備研究的發(fā)展方向六、塔設備研究的發(fā)展方向 按照復雜的化工過程都可以分解為由數(shù)個簡單過程構成的原理，未來塔設備的開發(fā)可以按照分別實現(xiàn)某一技術指標的簡單機制的技術共同偶合的策略，按照第一開發(fā)目標和第二開發(fā)目標的次序分別確定一些典型的結構參數(shù)，最終形成一個簡單機制復雜化技術模型，或者構成一個復雜機制技術構思。對這些構思進行CFD（Computational Fluid Dynamics）理論計算分析或試驗研究及優(yōu)化，驗證設計的可靠性，通過試驗不斷

12、完善，最終形成新的技術。25六、塔設備研究的發(fā)展方向六、塔設備研究的發(fā)展方向26六、塔設備研究的發(fā)展方向六、塔設備研究的發(fā)展方向 另一方面是對傳統(tǒng)簡單機制的復雜化。在開發(fā)思路或試驗室研究中都表現(xiàn)出極為優(yōu)良的操作性能，但當前工業(yè)應用報導的實例極少，其中涉及了當前相關支撐技術的限制，生產條件的限制以及操作控制等方面的制約。但無論如何，隨著人類文明的進步和相關支撐科學的發(fā)展，煉油和石化工業(yè)新的需求將激勵這些技術的發(fā)展和變更，在未來十年里，將會大幅度地應用到工業(yè)生產，并且隨著對傳質理論的深入理解，將會重新形成更為復雜化的塔設備構型，更加豐富了塔設備技術。27六、塔設備研究的發(fā)展方向六、塔設備研究的發(fā)展

13、方向 對于簡單機制性能預測和估計的可靠性是復雜塔內件開發(fā)的基礎。這需要建立在大量的應用基礎研究之上。當基礎研究達到一定水平，由簡單機制構成復雜的可靠性將大幅度提高，同時當基礎研究達到很高的水平后，復雜機制的性能就可以通過簡單機制可靠計算和預測，如果技術達到相當水平后，對于新型塔內件的開發(fā)就可以象化工過程設備設計一樣，按照精餾塔對塔內件性能要求，對塔內件進行相應的計算機結構模擬設計，并繪制施工圖紙，然后委托加工生產、安裝實施。一旦塔內件技術發(fā)展到該階段，塔內件專利技術將不存在，當然要達到該技術水平，人類文明必須發(fā)展到更高的階段，并需要大量的基礎研究積累。28六、塔設備研究的發(fā)展方向六、塔設備研究

14、的發(fā)展方向 綜上所述，未來塔內件技術逐漸向復雜機制的方向發(fā)展，隨著基礎研究的不斷積累和深化，復雜機制的操作性能可以通過構成這一復雜機制所有簡單機制的性能計算和預測，一旦技術發(fā)展達到到一水平，未來塔內件無需通過試驗開發(fā)，僅需通過計算機進行結構模擬設計，并繪制出最適宜的塔內件機械圖紙，塔內件的設計完全象化工過程設備設計一樣容易，基礎研究恰是該技術發(fā)展的可靠保證。29七、結論1.從發(fā)展歷史來看，盡管在過去的文獻中進行了最為廣泛的不同板式塔和填料塔流型、構型應用基礎研究和開發(fā)，但由于塔設備涉及體系、操作條件要求、分離要求以及相關支撐條件的差異，不可能開發(fā)一種(類)萬能的精餾塔內件與之相匹配，塔內件的應

15、用形勢是多種不同類型塔內件相互并存、相互補充、相互匹配的發(fā)展局面。新型板式塔將繼續(xù)成為工業(yè)應用的主流，隨著基礎研究和計算技術的不斷發(fā)展，塔內件的設計技術將由經(jīng)驗型逐漸走向科學化的道路。30七、結論2.從歷史發(fā)展來看，塔內件的相對應用趨勢表現(xiàn)出螺旋式上升、波浪式前進的變化趨勢，呈現(xiàn)出需求決定發(fā)展，發(fā)展中不斷完善、開拓，繼續(xù)促進需求的發(fā)展的自然辯證原理。 31七、結論3.化學工程研究的規(guī)律一般包括3個階段：高速增長期，平緩增長期和緩慢增長期，這三個階段也是描述了技術由簡單機制向復雜機制的變更和發(fā)展的過程，每個階段發(fā)展的速率取決于人類文明的進步和相關支撐學科、基礎研究發(fā)展的水平。 32七、結論4.當前填料塔技術已經(jīng)基本可以滿足不遠未來的需求；板式塔技術依然是未來發(fā)展的主流?，F(xiàn)有新型板式塔技術的發(fā)展主要是傳統(tǒng)簡單技術的深化和傳統(tǒng)簡單技術的復雜化，前