１　蒸餾過程大型化技術(shù)在石油煉制工業(yè)中的發(fā)展

１?。薄　≌麴s過程大型化技術(shù)重點(diǎn)概述

蒸餾設(shè)備直徑以后，其效率隨之下降，從而產(chǎn)生設(shè)備大型化所共有的放大效應(yīng)。蒸餾設(shè)備大型化的難點(diǎn)在于，如何解決好放大效應(yīng)及長期運(yùn)轉(zhuǎn)所帶來的震動(dòng)、堵塞等問題。具體來說，蒸餾設(shè)備大型化研究過程中主要遇到的問題有：
（１）分布問題，大型化帶來的突出問題是氣、液相分布不均，這是塔內(nèi)的氣、液相流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱效率主要因素；

（２）長周期運(yùn)行問題，精餾塔長周期運(yùn)轉(zhuǎn)要解決設(shè)備穩(wěn)定性和堵塞結(jié)焦問題，以免影響裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)；
（３）大型化的力學(xué)問題，塔器大型化需要解決內(nèi)構(gòu)件支撐結(jié)構(gòu)靜態(tài)力學(xué)強(qiáng)度、剛度和長期處于受熱狀態(tài)的熱變形及變形問題。針對(duì)以上問題，國內(nèi)相關(guān)科研人員進(jìn)行了長期的研究和實(shí)踐，研究的主要方向也集中在新型塔盤、高效填料、液體分布器、氣體分布器、支撐技術(shù)這幾個(gè)關(guān)鍵塔內(nèi)件技術(shù)上［７－８］。

１．２　數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字化設(shè)計(jì)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將科學(xué)計(jì)算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或圖像并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。數(shù)字化設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，旨在利用計(jì)算流體力學(xué)、模擬計(jì)算等手段實(shí)現(xiàn)精餾塔以及塔內(nèi)件的參數(shù)化，并將參數(shù)模型導(dǎo)入有限元分析軟件，對(duì)精餾塔塔體和塔內(nèi)件以及支撐結(jié)構(gòu)在外界載荷的作用下以及不同的操作工況的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和可靠性給出精確的校核計(jì)算［９－１２］。

相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計(jì)過程，數(shù)字化設(shè)計(jì)過程具有容易改變參數(shù)、不受條件限制、耗時(shí)短、減少人力物力投入等點(diǎn)，這不為設(shè)計(jì)過程節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用，也間接地為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。在蒸餾設(shè)備大型化的過程中，數(shù)字化設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在塔板、規(guī)整填料、分布器、支撐元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。通過改變物理模型中的幾何參數(shù)，觀察所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的流體力學(xué)及力學(xué)性能數(shù)據(jù)，從而篩選出較的塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)［１３－１４］。Ｌｉ等［１５］、劉德新等［１６］、李瑞等［１７］和王曉玲［１８］對(duì)塔板上的氣、液相流動(dòng)進(jìn)行了仿真模擬，給出了接近真實(shí)的模擬結(jié)果。

陳保衛(wèi)等［１９］和周永生等［２０］用Ｆｌｕｅｎｔ模擬了規(guī)整填料塔內(nèi)的氣、液相流場分布情況，與所觀測到的實(shí)際情況基本相符。金紅杰等［２１］和劉德新等［２２］模擬了雙切向氣分布器中的氣、液兩相流的流動(dòng)狀況，并對(duì)多種分布器進(jìn)行了性能比較和結(jié)構(gòu)改進(jìn)。如今，很多國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)習(xí)慣于先將要設(shè)計(jì)的新型塔內(nèi)件進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，再將得到的結(jié)果進(jìn)行實(shí)質(zhì)性物化試驗(yàn)，在這方面的文獻(xiàn)報(bào)道屢見不鮮。

雖然數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)給設(shè)備設(shè)計(jì)過程帶來了很大的便利，并節(jié)省了一大部分設(shè)計(jì)投入。但由于傳遞理論的不成熟以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的局限，數(shù)字化設(shè)計(jì)的可信度還是不能和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相提并論。數(shù)字化設(shè)計(jì)的結(jié)論能作為參考使用，設(shè)計(jì)的真實(shí)效果還需要實(shí)踐來檢驗(yàn)。相信在不遠(yuǎn)的將來，隨著傳遞理論越來越能描述實(shí)際現(xiàn)象，計(jì)算機(jī)技術(shù)取得突破發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)會(huì)提供完全可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)，將設(shè)計(jì)方面的投入降到低。

１．３　塔內(nèi)件重點(diǎn)技術(shù)革新

近些年，國內(nèi)的塔內(nèi)件技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使得我國化工產(chǎn)品能耗逐漸降低，分離效率顯著提升，有的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到水平。

１．３．１　塔盤技術(shù)的革新 

塔盤技術(shù)的革新主要集中在開孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。

目前，國內(nèi)的研究重點(diǎn)主要集中在浮閥及固定閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。華東理工大學(xué)以條形浮閥為基礎(chǔ)，相繼開發(fā)了組合導(dǎo)向浮閥塔板［２３］、Ｂ型導(dǎo)向浮閥塔板［２４］、組合波紋導(dǎo)向浮閥塔板［２５］、ＨＬＦＶ浮閥塔板［２６］等，這些新型浮閥塔板均能有效地塔板上的液體返混，減小液面梯度，傳質(zhì)效果。浙江工業(yè)大學(xué)以ＭＤ塔盤為基礎(chǔ)開發(fā)的ＤＪ系列塔盤，

采用矩形懸掛式降液管，主要適用于處理高液／氣比、大液量的精餾和吸收等操作過程，處理能力比一般塔板高３０％～５０％。通過在受液區(qū)增設(shè)導(dǎo)流裝置和防沖擊漏液裝置，采用新型固定閥作為鼓泡元件以及在塔板下方復(fù)合填料的措施，改善板上液流分布，減少?zèng)_擊漏液量和霧沫夾帶量，從而大大提高塔板效率，操作彈性［２７］。清華大學(xué)化工系結(jié)合固定閥和浮閥塔板的缺點(diǎn)開發(fā)了一種兩者相結(jié)合的高性能自適應(yīng)浮閥塔板———ＨＡＶＴＨ塔板［２８］。

該塔板由ＭＶＧ固定閥塔板和Ｓｕｒｆａｃｅ微分浮閥塔板組合而成，其設(shè)計(jì)充分利用塔板上方的傳質(zhì)空間，提高塔的操作彈性；如果將整體形狀改成梯形，還能夠起到推動(dòng)液體的作用。河北工業(yè)大學(xué)專注于立體傳質(zhì)塔盤（ＣＴＳＴ）的開發(fā)與應(yīng)用，所研發(fā)的一系列ＣＴＳＴ塔盤已經(jīng)在醫(yī)藥行業(yè)及傳統(tǒng)化工分離工段得到廣泛應(yīng)用。ＣＴＳＴ塔板采用矩形開孔，開孔上方安裝帶篩孔的梯形噴射罩和分離板，充分利用了板上的傳質(zhì)空間，使得ＣＴＳＴ塔板擁有操作彈性大、板效率高、處理量大、物性適應(yīng)性強(qiáng)、壓降低等特點(diǎn)［２９－３１］。石油大學(xué)綜合導(dǎo)向條閥和ＭＭＶＧ固閥的點(diǎn)，開發(fā)了雙層導(dǎo)向浮閥塔板［３２］和ＳＦＶ全通導(dǎo)向浮閥塔板［３３］。
２種浮閥塔板都是在條形浮閥閥面上開設(shè)微型固閥，同時(shí)具備兩者的良特性，并且在閥腿上都開有導(dǎo)向孔。這樣可以加快塔板上液體流動(dòng)，降低塔板上液面梯度，消除塔板兩端液體停滯區(qū)，改善塔板上液體流動(dòng)力學(xué)與傳質(zhì)性能。北京化工大學(xué)側(cè)重于新型篩板塔的研究與應(yīng)用，設(shè)計(jì)的導(dǎo)向篩板塔板不但保留了篩板塔傳質(zhì)效率高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，還在一定程度上加大了操作彈性和處理通量，為篩板塔的應(yīng)用提供了更廣闊的空間［３４］。天津大學(xué)主要以條形浮閥和固定閥為基礎(chǔ)，進(jìn)行新型塔盤的開發(fā)［３５－３８］。近期，石化工程建設(shè)公司與天津大學(xué)合作開發(fā)的一種新型流線型導(dǎo)向固定閥塔板，其特點(diǎn)就是具有平滑的彎曲折邊，液體流動(dòng)呈流線型，而且閥上面具有推液作用的導(dǎo)向孔。實(shí)踐證明，這種塔盤能夠很好地分配氣、液流場，具有低壓降、液面差小、傳質(zhì)效率高等特點(diǎn)，以及具有能夠裝備大型塔器的條件［３９］。

１．３．２　填料技術(shù)的革新

規(guī)整填料是大型塔器傳質(zhì)元件的選。理想的規(guī)整填料應(yīng)具有壓降小、分離效率高、操作彈性大、適應(yīng)性強(qiáng)、放大效應(yīng)小等特點(diǎn)。壓延刺孔波紋板填料是將金屬薄板先輾壓出密度很高的小刺孔，再壓成波紋板組裝而成的規(guī)整填料。由于金屬壓延刺孔波紋板表面特殊的微刺孔結(jié)構(gòu)，它的毛細(xì)作用加強(qiáng)，潤濕性能提高，分離性能良好，因此具有較好的傳質(zhì)效率［４０］。板網(wǎng)波紋填料是用金屬薄板經(jīng)沖切拉伸而成的金屬板網(wǎng)（或網(wǎng)孔板）加工成的波紋填料。金屬板網(wǎng)表面的菱形孔容易使液體在其表面形成液膜，在良好的條件下，實(shí)際傳質(zhì)表面積可大于金屬本身的表面積，且液體膜受板網(wǎng)表面影響產(chǎn)生湍動(dòng)混合與表面更新，因而提高了板波紋填料的傳質(zhì)效果［４１］。
清華大學(xué)研究開發(fā)的新型復(fù)合填料，是在規(guī)整填料基礎(chǔ)上采用交錯(cuò)９０°排列的水平波紋（ＰＦＧ）組合而成。ＰＦＧ本身是填料，同時(shí)又起到分布器的作用，具有良好的自分布性能，傳質(zhì)效率比規(guī)整填料提高１５％～２０％。每米填料的理論板數(shù)比同規(guī)格的Ｓｕｌｚｅｒ填料高１５％左右［４２］。天津大學(xué)自主開發(fā)了組片式（Ｚｕｐａｋ）和峰谷搭片式（Ｄａｐａｋ）波紋填料。２種填料都是以金屬波紋板填料為基礎(chǔ)進(jìn)行改造而成，具有良好的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能，與相應(yīng)型號(hào)的Ｍｅｌｌａｐａｋ相比，分離效率和通量都有不同程度的升高，目前兩者都已成功在石油化工行業(yè)中廣泛使用［４３］。

近些年，設(shè)計(jì)人員對(duì)規(guī)整填料進(jìn)行開孔和開窗，并將金屬板進(jìn)行波紋化，嘗試金屬絲網(wǎng)雙層化、金屬板和金屬絲網(wǎng)組合疊放等改進(jìn)。結(jié)果表明，填料對(duì)于氣體的分布更加均勻，并可形成更大的傳質(zhì)表面，提高了傳質(zhì)效率。同時(shí)，設(shè)計(jì)者將直線波紋進(jìn)行曲線化，降低了氣相局部速率，減小了局部渦流，使壓降降低［４４］。

１．３．３　分布器技術(shù)革新（１）液體分布器

大型塔器的液體分布器需具有更高要求的液體均布和抗堵塞性能。針對(duì)以上目的，在槽式液體分布器基礎(chǔ)上，開發(fā)了新型多級(jí)槽式液體分布器。分布器一級(jí)槽采用全聯(lián)通結(jié)構(gòu)，二級(jí)槽增設(shè)整流導(dǎo)流擋板結(jié)構(gòu)。一級(jí)槽的全聯(lián)通結(jié)構(gòu)能夠消除液面落差和主槽之間的偏流，保證槽內(nèi)水平度；二級(jí)槽加設(shè)整流擋板，實(shí)現(xiàn)了液體分布器的線分布。這種設(shè)計(jì)既對(duì)液體分布質(zhì)量有要求，又保證了長周期運(yùn)行的工程要求。大型槽式液體分布器的預(yù)分布管設(shè)計(jì)非常重要。，普通等孔徑預(yù)分布管內(nèi)呈現(xiàn)兩端流量大而中部流量小的特點(diǎn)，這會(huì)嚴(yán)重影響二級(jí)槽式分布器內(nèi)的液體分布均勻性。天津大學(xué)采用實(shí)驗(yàn)和理論模擬相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)開發(fā)了變孔徑的預(yù)分布器。這種預(yù)分布器的開孔呈現(xiàn)中間孔徑大、兩端孔徑小的特點(diǎn)，使整個(gè)預(yù)分布管的流量均勻，解決了超大型分布器的初始分布問題［４５］。

基于盤式分布器開發(fā)的導(dǎo)液盤式液體分布器，國內(nèi)習(xí)慣叫做槽盤式液體分布器，也成功運(yùn)用在大型塔器上。分布器底圈固定在塔圈上，在塔盤開矩形升氣管，升氣管側(cè)壁中、上部開布液孔，同時(shí)增加導(dǎo)液管。槽盤式液體分布器主要是為了解決多級(jí)槽式液體分布器在安裝空間高度和抗阻塞的缺陷而設(shè)計(jì)的。該分布器的點(diǎn)是占用空間小，集液體收集、分布、側(cè)線采出于一體，而布液孔的高位設(shè)計(jì)使得重臟物有時(shí)間也有空間沉降于盤底。全聯(lián)通結(jié)構(gòu)設(shè)置不影響氣體分布，使氣、液相分布均勻，抗阻塞、防霧沫夾帶性能越，操作彈性大。該種分布器的缺點(diǎn)是，對(duì)安裝要求嚴(yán)格，容易漏液，適應(yīng)于大液量的場合［４６］。
（２）氣體分布器

大型煉油減壓塔多為低壓降的填料塔，直徑達(dá)到１０多米，而床層２ｍ左右。這種低壓降、大直徑、淺床層塔器氣體的初始分布對(duì)于塔器的正常操作和氣－液的傳質(zhì)傳熱有很大影響。常用的氣體分布器有雙切向環(huán)流氣體分布器、輻散式進(jìn)氣初始分布器、三維復(fù)合導(dǎo)流式初始分布器、雙列片進(jìn)氣初始分布器等。其中，雙切向環(huán)流氣體分布器氣體分布均勻，壓降小，霧沫夾帶低，與各種氣體分布器相比具有較好的綜合性能，在大型塔器中尤其是大型減壓塔中應(yīng)用較為廣泛。近些年，對(duì)于雙切向環(huán)流氣體分布器的結(jié)構(gòu)化成為研究的重點(diǎn)。主要是依靠ＣＦＤ軟件模擬針對(duì)導(dǎo)流板和套筒的參數(shù)設(shè)置來化分布器的氣、液流場，從而使得大直徑的塔器可以地發(fā)揮填料的效率，進(jìn)料閃蒸空間高度也大大降低。這種分布器已廣泛應(yīng)用于較大直徑（大于

４．０ｍ）的塔中，如煉油裝置減壓塔、乙烯裝置的油洗塔和水洗塔［４５］。雙層折返流氣體分布器可以克服切向環(huán)流分布器氣相環(huán)形通道上方氣體分布不均的缺點(diǎn)，上層折返氣體可以使氣相分布更加均勻。

１．３．４　支撐技術(shù)革新

大型塔器中由于塔內(nèi)件質(zhì)量增加，氣、液流場強(qiáng)度更高，同時(shí)還需滿足長周期運(yùn)行的要求，因而對(duì)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及耐久度提出了更高的要求。普通的工字梁和槽鋼支撐梁，在荷載的作用下自身變形，難以滿足工藝的要求。借鑒鐵路橋中桁架梁的設(shè)計(jì)思路，石化工程建設(shè)公司與天津大學(xué)合作，設(shè)計(jì)出大型塔用桁架支撐梁。這種支撐梁的桁架梁和支撐構(gòu)件之間形成三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，根據(jù)三角形的穩(wěn)定性原理，可以有效地加強(qiáng)支撐梁的強(qiáng)度，減小支撐梁在負(fù)載時(shí)的撓度，同時(shí)提高整個(gè)桁架支撐梁的通透性，可以改善氣流旋流的沖擊，大大降低空間高度；與普通工字鋼梁相比，可使氣體實(shí)現(xiàn)橫向混合，減少氣相流動(dòng)阻力，同時(shí)可減少金屬材料的使用量［４６］。