蒸餾技術(shù)在石油煉制工業(yè)中的發(fā)展與展望

從海峰, 李 洪,2,3, 高 鑫,2,3, 李鑫鋼,2,3

(1.天津大學(xué) 化工學(xué)院， 天津300072; 2. 精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心， 天津300072; 3.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心， 天津 300072)

蒸餾技術(shù)在石油煉制工業(yè)中的發(fā)展與展望

從海峰1, 李 洪1,2,3, 高 鑫1,2,3, 李鑫鋼1,2,3

(1.天津大學(xué) 化工學(xué)院， 天津300072; 2. 精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心， 天津300072; 3.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心， 天津 300072)

以蒸餾過(guò)程強(qiáng)化與節(jié)能為背景，在對(duì)塔盤(pán)、填料、分布器等塔內(nèi)件技術(shù)發(fā)展分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了我國(guó)蒸餾過(guò)程的大型化技術(shù)在石油煉制工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展，提出了采用新型碳化硅泡沫材料在塔盤(pán)及填料上的應(yīng)用可大幅度提升精餾效率的思路。通過(guò)將低溫余熱發(fā)電技術(shù)與蒸餾過(guò)程進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于蒸餾過(guò)程低品位熱能的有效利用，結(jié)合熱耦合精餾、熱泵精餾、多效精餾技術(shù)等節(jié)能措施，蒸餾過(guò)程能量的使用與回收變得更加科學(xué)與全面。新型材料傳質(zhì)元件和低溫余熱發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用使綠色蒸餾概念在石油煉制行業(yè)的發(fā)展更迅速、有效。

石油煉制；蒸餾；塔內(nèi)件；綠色蒸餾過(guò)程；碳化硅泡沫；低溫余熱發(fā)電

石油煉制工業(yè)作為我國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)之一，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的提高提供了強(qiáng)有力的保障。隨著國(guó)民工業(yè)對(duì)于石油產(chǎn)品及其下游產(chǎn)品的需求越來(lái)越大，國(guó)家對(duì)于資源利用最大化和生態(tài)環(huán)境友好原則的要求不斷加深，石油煉制工業(yè)在不斷壯大和升級(jí)?！笆晃濉逼陂g，國(guó)內(nèi)的原油處理量已經(jīng)增長(zhǎng)至4.23億t/a，“十二五”期間有望突破6億t/a；煉油能力從2005年底的3.25億t/a迅速增加至2010年底的5.04億t/a，增長(zhǎng)了55.1%。然而，隨著世界性的原油品質(zhì)下降，原油資源越來(lái)越匱乏，重質(zhì)原油、高硫高鹽原油成為各煉油廠的主要加工對(duì)象，原油處理變得越來(lái)越困難。另外，人們對(duì)于環(huán)境的要求日益突出，燃料油的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高。為了達(dá)到要求，在原有的設(shè)備和技術(shù)基礎(chǔ)上，煉油廠的單位產(chǎn)品能耗與日俱增，龐大的石油產(chǎn)品需求量以及巨大能量代價(jià)，給企業(yè)效益及國(guó)家效益帶來(lái)巨大的沖擊[1-4]。

蒸餾作為當(dāng)今主要的化工分離技術(shù)，在石油煉制工業(yè)中占有重要地位。例如，在常減壓分離、催化裂化和延遲焦化、輕烴單質(zhì)分離等石油煉制工業(yè)的工藝工段中，蒸餾承擔(dān)了絕大部分的分離純化任務(wù)。蒸餾過(guò)程是熱分離過(guò)程，較低的熱力學(xué)效率決定了蒸餾過(guò)程需要消耗大量的能量，其能耗占整個(gè)分離過(guò)程的50%～70%[5]。世界煉油行業(yè)蒸餾過(guò)程大型化趨勢(shì)明顯，最大的常減壓裝置單套規(guī)模已達(dá)到1800萬(wàn)t/a，催化裂化、催化重整、加氫裂化和焦化裝置也分別達(dá)到了1000萬(wàn)、425萬(wàn)、400萬(wàn)和670萬(wàn)t/a[6]。目前，盡管?chē)?guó)內(nèi)的煉油企業(yè)經(jīng)歷了多年的努力已初具規(guī)模，但與國(guó)際頂尖煉油企業(yè)相比，普遍存在蒸餾設(shè)備單套規(guī)模小、裝置構(gòu)成復(fù)雜、能耗較高等問(wèn)題，蒸餾過(guò)程大型化已成為國(guó)內(nèi)石油煉制工業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

近些年，為了提高產(chǎn)能和降低單位產(chǎn)品的能耗，科研工作者針對(duì)蒸餾設(shè)備大型化的關(guān)鍵技術(shù)和過(guò)程強(qiáng)化與節(jié)能技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，蒸餾設(shè)備大型化的關(guān)鍵理論與技術(shù)也在不斷更新并取得突破。同時(shí)，多種新型高效率塔板和填料的應(yīng)用，配合能量系統(tǒng)綜合利用的節(jié)能措施，也大大降低了單位產(chǎn)能的能耗。以提高單系列設(shè)備效率和能量系統(tǒng)綜合利用為核心的綠色蒸餾過(guò)程理論也是當(dāng)今蒸餾技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)課題。筆者重點(diǎn)介紹近些年國(guó)內(nèi)蒸餾過(guò)程大型化技術(shù)在石油煉制行業(yè)的發(fā)展，主要包括塔盤(pán)、填料、分布器、支撐等塔內(nèi)件技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用；詮釋綠色蒸餾過(guò)程概念，并展望新型泡沫傳質(zhì)元件和低溫余熱發(fā)電技術(shù)在蒸餾過(guò)程的應(yīng)用前景。

1 蒸餾過(guò)程大型化技術(shù)在石油煉制工業(yè)中的發(fā)展

1.1 蒸餾過(guò)程大型化技術(shù)重點(diǎn)概述

蒸餾設(shè)備直徑增大以后，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(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)所帶來(lái)的震動(dòng)、堵塞等問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，蒸餾設(shè)備大型化研究過(guò)程中主要遇到的問(wèn)題有：(1)分布問(wèn)題，大型化帶來(lái)的突出問(wèn)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(zhǎng)周期運(yùn)行問(wèn)題，精餾塔長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)要解決設(shè)備穩(wěn)定性和堵塞結(jié)焦問(wèn)題，以免影響裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)；(3)大型化的力學(xué)問(wèn)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(zhǎng)期處于受熱狀態(tài)的熱變形及疲勞變形問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研人員進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐，研究的主要方向也集中在新型塔盤(pán)、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(guò)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(guò)程，數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)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優(yōu)點(diǎn)，這不僅為設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)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(guò)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)，從而篩選出較優(yōu)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(chǎng)分布情況，與所觀測(cè)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(guó)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)，再將得到的最優(yōu)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(jiàn)不鮮。

雖然數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)給設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程帶來(lái)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)論僅能作為參考使用，設(shè)計(jì)的真實(shí)效果還需要實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著傳遞理論越來(lái)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)方面的投入降到最低。

1.3 塔內(nèi)件重點(diǎn)技術(shù)革新

近些年，國(guó)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(guó)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)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

1.3.1 塔盤(pán)技術(shù)的革新

塔盤(pán)技術(shù)的革新主要集中在開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。目前，國(guó)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(kāi)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減輕塔板上的液體返混，減小液面梯度，增強(qiáng)傳質(zhì)效果。浙江工業(yè)大學(xué)以MD塔盤(pán)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的DJ系列塔盤(pán)，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(guò)程，處理能力比一般塔板高30%～50%。通過(guò)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，增大操作彈性[27]。清華大學(xué)化工系結(jié)合固定閥和浮閥塔板的優(yōu)缺點(diǎn)開(kāi)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(zhuān)注于立體傳質(zhì)塔盤(pán)(CTST)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，所研發(fā)的一系列CTST塔盤(pán)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(kāi)孔，開(kāi)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]。中國(guó)石油大學(xué)綜合導(dǎo)向條閥和MMVG固閥的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)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(kāi)設(shè)微型固閥，同時(shí)具備兩者的優(yōu)良特性，并且在閥腿上都開(kāi)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(jiǎn)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(pán)的開(kāi)發(fā)[35-38]。近期，中國(guó)石化工程建設(shè)公司與天津大學(xué)合作開(kāi)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(pán)能夠很好地分配氣、液流場(chǎng)，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)元件的首選。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(rùn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)孔和開(kāi)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(kāi)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(zhǎng)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。研究發(fā)現(xiàn)，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(kāi)發(fā)了變孔徑的預(yù)分布器。這種預(yù)分布器的開(kāi)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(wèn)題[45]。

基于盤(pán)式分布器開(kāi)發(fā)的導(dǎo)液盤(pán)式液體分布器，國(guó)內(nèi)習(xí)慣叫做槽盤(pán)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(pán)開(kāi)矩形升氣管，升氣管側(cè)壁中、上部開(kāi)布液孔，同時(shí)增加導(dǎo)液管。槽盤(pán)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。該分布器的優(yōu)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(pán)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、防霧沫夾帶性能優(yōu)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(chǎng)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，而床層只有2 m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)優(yōu)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(lái)優(yōu)化分布器的氣、液流場(chǎng)，從而使得大直徑的塔器可以更好地發(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4.0 m)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(chǎng)強(qiáng)度更高，同時(shí)還需滿足長(zhǎng)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，中國(guó)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]。

1.4 國(guó)內(nèi)大型化成功案例

大型化技術(shù)需要以上各項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)集成。天津大學(xué)精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心在技術(shù)集成方面，與相關(guān)研究和設(shè)計(jì)部門(mén)、企業(yè)進(jìn)行了產(chǎn)學(xué)研合作，成功實(shí)現(xiàn)了大型塔內(nèi)件技術(shù)的工業(yè)化。所建設(shè)和改造的大型塔器性能優(yōu)越，效果顯著，為企業(yè)和國(guó)家創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，其部分大型化成功案例見(jiàn)表1。

表1 煉油企業(yè)蒸餾設(shè)備塔器大型化部分成功案例

2 石油煉制工業(yè)中綠色蒸餾過(guò)程

2.1 綠色蒸餾過(guò)程概念

經(jīng)過(guò)多年來(lái)精餾技術(shù)的眾多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綠色蒸餾過(guò)程的概念逐漸形成。綠色蒸餾過(guò)程就是通過(guò)采用增加單系列蒸餾設(shè)備處理量及效率、提高蒸餾過(guò)程能量利用率、健全過(guò)程能量全方位回收體系等手段，達(dá)到蒸餾過(guò)程節(jié)能減排、綠色環(huán)保的目的。從外在形式上看，綠色蒸餾過(guò)程概念的核心內(nèi)容是蒸餾過(guò)程的強(qiáng)化與節(jié)能。

蒸餾過(guò)程的強(qiáng)化主要指精餾設(shè)備的強(qiáng)化和精餾工藝的強(qiáng)化。精餾設(shè)備強(qiáng)化指的是，采用高效的塔內(nèi)件大幅度提升分離能力和處理能力，降低壓降，進(jìn)而間接實(shí)現(xiàn)精餾系統(tǒng)的節(jié)能。近些年，高效率塔板及填料層出不窮，使精餾塔的效率有了很大提高。同時(shí)，新材料在塔內(nèi)件設(shè)計(jì)和制造方面的應(yīng)用，使得精餾設(shè)備的強(qiáng)化過(guò)程不再拘泥于塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)的改造；依靠新材料對(duì)力學(xué)、傳質(zhì)傳熱、空間利用度的性能提升，是以后精餾設(shè)備強(qiáng)化的新方向。精餾工藝強(qiáng)化主要指的是，精餾過(guò)程與反應(yīng)的耦合(催化精餾)、精餾過(guò)程與其他分離過(guò)程的耦合(膜精餾)、精餾過(guò)程外場(chǎng)強(qiáng)化(微波場(chǎng)、超重力場(chǎng)以及超聲波場(chǎng))等[47]。目前，這幾種精餾過(guò)程強(qiáng)化手段都處在快速發(fā)展階段。

蒸餾過(guò)程的節(jié)能措施主要指的是工藝節(jié)能、流程節(jié)能、系統(tǒng)節(jié)能等[48]。其中，工藝節(jié)能是蒸餾過(guò)程節(jié)能的重要手段，包括改進(jìn)工藝生產(chǎn)流程，采用技能新工藝、新技術(shù)等，典型的節(jié)能工藝包括熱泵精餾、多效精餾、熱耦合精餾等；流程節(jié)能主要指通過(guò)改變蒸餾系統(tǒng)的分離序列來(lái)改變蒸餾系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝流程，進(jìn)行能量和流量的合理匹配與耦合，減少循環(huán)流股，最大限度地減少不可逆過(guò)程，從而達(dá)到節(jié)能的目的；系統(tǒng)節(jié)能[49]是指從整個(gè)系統(tǒng)全局考慮能量的轉(zhuǎn)換、回收與利用等。在過(guò)程系統(tǒng)和熱力學(xué)分析2大理論的發(fā)展及其結(jié)合與滲透的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了系統(tǒng)節(jié)能的理論和方法，在工程應(yīng)用中取得了巨大經(jīng)濟(jì)效益。

蒸餾過(guò)程的強(qiáng)化與節(jié)能一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)，也取得了很多成果。其中，天津大學(xué)開(kāi)發(fā)的碳化硅多孔泡沫填料和塔板作為一種新型塔內(nèi)件受到廣泛關(guān)注；同時(shí)，將低溫余熱的高溫?zé)岜煤偷蜏匕l(fā)電技術(shù)引入到蒸餾過(guò)程能量回收過(guò)程設(shè)計(jì)中的理念也為系統(tǒng)節(jié)能尋找到了新的契機(jī)。

2.2 碳化硅泡沫傳質(zhì)元件

碳化硅泡沫是一種具有均勻三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特殊多孔陶瓷。其孔道分布均勻、開(kāi)孔率高、相對(duì)密度小、比表面積大，對(duì)氣體和液體介質(zhì)有選擇透過(guò)性，具有較好的能量吸收和阻壓特性，以及優(yōu)良的熱、電、磁、光、化學(xué)等功能[50]。碳化硅泡沫陶瓷除了擁有多孔陶瓷的特性外，還具有碳化硅本身的耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、硬度高、抗熱震等優(yōu)良性能以及半導(dǎo)體性征[51]。以上特點(diǎn)的整合，使碳化硅泡沫具有成為新型高效率傳質(zhì)元件的潛質(zhì)。結(jié)合在塔內(nèi)件與碳化硅泡沫材料研究上各自的優(yōu)勢(shì)，天津大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所共同開(kāi)發(fā)了一系列碳化硅泡沫規(guī)整填料和塔盤(pán)，并進(jìn)行了大量相關(guān)性能測(cè)試和工業(yè)應(yīng)用示范工作。圖1是碳化硅泡沫傳質(zhì)元件照片。

圖1 碳化硅泡沫傳質(zhì)元件照片

2.2.1 碳化硅泡沫規(guī)整填料

碳化硅泡沫規(guī)整填料(見(jiàn)圖1(a))是仿照波紋規(guī)整填料的形式而制得。水力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與相同形式的金屬絲網(wǎng)和金屬板波紋填料相比，碳化硅泡沫規(guī)整填料的干、濕填料壓降相當(dāng)，持液量較大，在不同噴淋密度下的泛點(diǎn)氣速較大，所以碳化硅泡沫規(guī)整填料的通量高，不易液泛。對(duì)其使用環(huán)己烷-正庚烷物系進(jìn)行填料傳質(zhì)性能測(cè)試的結(jié)果顯示，碳化硅泡沫填料的等板高度低、傳質(zhì)效率高，在相同噴淋密度下，其理論板數(shù)是同規(guī)格金屬絲網(wǎng)波紋填料的1.5～2倍[52-54]。

2.2.2 碳化硅泡沫整體塔盤(pán)

碳化硅泡沫整體塔盤(pán)(見(jiàn)圖1(b))是類(lèi)比篩板塔盤(pán)而設(shè)計(jì)的一種微分塔盤(pán)。碳化硅泡沫整體塔盤(pán)充分利用塔盤(pán)面積，并將氣相流動(dòng)微分化，提供了很高的氣-液相界面強(qiáng)度。從水力學(xué)和傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)得出，相比于傳統(tǒng)的篩板塔盤(pán)，碳化硅泡沫整體塔盤(pán)具有壓降低、不易漏液、霧沫夾帶量小、傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種整體性能優(yōu)良的蒸餾塔板[55-56]。

2.2.3 碳化硅泡沫固定閥塔盤(pán)

碳化硅泡沫固定閥塔盤(pán)(見(jiàn)圖1(c))是將多孔碳化硅泡沫材料制成的圓形或矩形固定閥傳質(zhì)元件，取代F1浮閥鑲嵌到塔盤(pán)的圓孔或矩形孔中而成。研究表明，在開(kāi)孔率相同的情況下，相比于F1浮閥塔盤(pán)，碳化硅泡沫固定閥塔盤(pán)擁有更高的相界面強(qiáng)度，操作彈性更大，漏液量小，霧沫夾帶量大大降低，傳質(zhì)效率大幅提高[57-58]。

碳化硅泡沫這類(lèi)新型功能材料應(yīng)用于蒸餾過(guò)程，能夠顯著增強(qiáng)氣-液相界面強(qiáng)度，改善氣-液接觸的均勻性，在改良低氣/液比體系的傳質(zhì)效果、催化蒸餾等方面發(fā)揮了重要作用。

2.3 低溫?zé)岚l(fā)電技術(shù)在蒸餾系統(tǒng)中的應(yīng)用

低溫?zé)岚l(fā)電技術(shù)是基于朗肯循環(huán)熱力學(xué)原理，利用中低溫余熱進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)。低溫發(fā)電技術(shù)一經(jīng)推出便得到了大范圍的工業(yè)運(yùn)用，例如地?zé)岚l(fā)電、水泥廠低溫余熱發(fā)電、煉鋼廠低溫余熱發(fā)電等。隨著有機(jī)朗肯循環(huán)和Kalina循環(huán)理論的發(fā)展與健全，人們不但可以使用不同溫位熱能進(jìn)行發(fā)電，并且能夠進(jìn)行發(fā)電的最低溫位也在逐漸降低[59]。天津大學(xué)研制的低溫雙循環(huán)全流發(fā)電機(jī)組可將最低發(fā)電溫度降至55℃。此套裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大型化生產(chǎn)，單機(jī)規(guī)?？蛇_(dá)500 kWh[60]。

在化工流程中，反應(yīng)和分離過(guò)程產(chǎn)生各種各樣的熱量，不同的工藝過(guò)程其熱量溫位差異很大，可從幾十度到幾百度不等?，F(xiàn)代流程工業(yè)靠熱聯(lián)合和熱匹配能夠回收利用大量的能量，但仍然有相當(dāng)大量的低溫?zé)崃啃枰?jīng)過(guò)空冷和水冷降溫后，才能送往下一個(gè)工序或者作為產(chǎn)品儲(chǔ)存。而對(duì)于蒸餾單元，塔頂冷凝器中冷卻水移走的低溫余熱和塔底處的低溫產(chǎn)品余熱的回收與高效利用，會(huì)給蒸餾過(guò)程帶來(lái)巨大的節(jié)能效益。將低溫發(fā)電技術(shù)運(yùn)用于蒸餾過(guò)程的低溫?zé)崮芑厥?，意味著蒸餾過(guò)程中高、中、低余熱全方位利用理念基本健全。

天津大學(xué)針對(duì)低溫余熱發(fā)電技術(shù)與蒸餾過(guò)程的耦合過(guò)程開(kāi)展研究[61]。他們以乙醇-異丙醇精餾工藝為基礎(chǔ)，改造原有精餾設(shè)備，用發(fā)電機(jī)組替代原有系統(tǒng)中的冷凝器，形成以發(fā)電機(jī)組為冷凝裝置的新流程，如圖2所示。在新的精餾過(guò)程中，塔頂上升的蒸氣直接進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的蒸發(fā)器側(cè)，有機(jī)工質(zhì)膨脹后的乏氣進(jìn)入冷凝器成為飽和液體，由工質(zhì)循環(huán)泵加壓進(jìn)入蒸發(fā)器，完成循環(huán)。而蒸氣被有機(jī)工質(zhì)吸收熱量后冷凝成液體進(jìn)入儲(chǔ)液罐中，一部分回到精餾塔中，一部分作為產(chǎn)品采出。

研究結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)組成功取代了塔頂冷凝裝置，塔頂?shù)蜏卣魵鈱?shí)現(xiàn)冷凝的同時(shí)，將熱能通過(guò)發(fā)電機(jī)組部分轉(zhuǎn)化為電能。低溫發(fā)電機(jī)組在乙醇-異丙醇實(shí)驗(yàn)體系中，年均理論發(fā)電效率約為10.2%，實(shí)際發(fā)電效率約為4.2%。由此可見(jiàn)，精餾過(guò)程與低溫發(fā)電技術(shù)的耦合可行，并且具有巨大潛力和經(jīng)濟(jì)效益。最大限度地回收利用精餾過(guò)程中產(chǎn)生的余熱進(jìn)行發(fā)電，對(duì)響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排措施和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義[61]。

圖2 精餾系統(tǒng)改造前后流程

3 總結(jié)與展望

原油處理量逐年增加，能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻，蒸餾設(shè)備的大型化以及蒸餾過(guò)程強(qiáng)化與節(jié)能是解決此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵途徑之一。塔內(nèi)件技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用是解決蒸餾設(shè)備大型化問(wèn)題的關(guān)鍵所在，而數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程為塔內(nèi)件及其他設(shè)備的設(shè)計(jì)節(jié)省了人力和物力，是以后設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

綠色蒸餾過(guò)程概念基本形成，提高單系列蒸餾效率、健全能量科學(xué)利用及全方位回收體系是實(shí)現(xiàn)綠色蒸餾過(guò)程的基本途徑。其中，新型碳化硅泡沫填料與塔盤(pán)的開(kāi)發(fā)與利用為蒸餾過(guò)程的強(qiáng)化提供了新的方向，而低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用為蒸餾過(guò)程的節(jié)能提供了新的契機(jī)。

以節(jié)能減排、綠色環(huán)保為目的，以提高單系列分離效率、健全能量多級(jí)利用及全方位回收體系為手段，綠色蒸餾過(guò)程概念作為指導(dǎo)蒸餾技術(shù)革新的理論依據(jù)，需要突破傳統(tǒng)認(rèn)知的框架，不再局限于原有蒸餾理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，尋找類(lèi)似于碳化硅泡沫這種新型材料及形式擴(kuò)充塔內(nèi)傳質(zhì)空間，改善氣、液流動(dòng)，以達(dá)到對(duì)蒸餾過(guò)程強(qiáng)化的目的。運(yùn)用低溫余熱發(fā)電、高溫?zé)岜眉夹g(shù)等能量轉(zhuǎn)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于蒸餾系統(tǒng)低品位熱能進(jìn)行回收利用，研究熱耦合、熱泵、低溫余熱發(fā)電技術(shù)與蒸餾過(guò)程配合使用時(shí)的最優(yōu)使用范圍，創(chuàng)建蒸餾系統(tǒng)能量集成及回收理論，將能耗降至最低，從而形成綠色環(huán)保的蒸餾過(guò)程，是未來(lái)蒸餾技術(shù)發(fā)展的方向。

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Development and Prospect of Distillation Technology in Petroleum Refining Industry

CONG Haifeng1，LI Hong1,2,3，GAO Xin1,2,3，LI Xingang1,2,3

(1.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China；2.NationalEngineeringResearchCentreofDistillationTechnology,Tianjin300072,China;3.CollaborativeInnovationCenterofChemicalScienceandEngineering(Tianjin),Tianjin300072,China)

Focused on the energy conservation and reinforcement of distillation process, a comprehensive analysis about the technology developments of tower internals was presented, including tower tray, structure packing and supporting. Meanwhile, the application and development of distillation technology in the field of petroleum refining industry were concluded here. Also, to be a new concept, the application of silicon carbide foam in manufacturing tower tray and packing made distillation process more efficient. Through coupling the low temperature cogeneration technology with the distillation process, it was possible to recycle the thermal energy with low temperature, which was wasted in the distillation process before, and to make the use of energy in the distillation process more scientific and exhaustive, as companied with thermal coupling distillation technology, heat pump distillation technology, multi-effect distillation technology and other energy saving technology. Benefiting from the mass-transfer element made by new material and low temperature cogeneration technology, the development of green distillation process will be more rapid and easier.

petroleum refining; distillation; tower internals; green distillation process; silicon carbide foam; low temperature cogeneration

2014-10-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21176172和21336007)和長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃基金項(xiàng)目(IRT0936)資助 第一作者： 從海峰，男，博士研究生，從事化學(xué)工程方面的研究；E-mail:731570901@qq.com

高鑫，男，副教授，博士，從事化學(xué)工程方面的研究；E-mail:gaoxin@tju.edu.cn

1001-8719(2015)02-0315-10

TQ028.31

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.02.012