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1、1Position PaperPosition Paper塔設(shè)備的歷史發(fā)展和未來展望塔設(shè)備的歷史發(fā)展和未來展望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w塔設(shè)備的歷史發(fā)展塔設(shè)備的歷史發(fā)展w塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢w化學(xué)工程研究的一般規(guī)律化學(xué)工程研究的一般規(guī)律w現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來展望現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來展望w塔設(shè)備研究的發(fā)展方向塔設(shè)備研究的發(fā)展方向w結(jié)論結(jié)論3一 背景v當(dāng)今中國加入WTO ：w降低加工成本w提高殘渣油轉(zhuǎn)化率w提高產(chǎn)品質(zhì)量w開發(fā)高附加值的精細(xì)化工產(chǎn)品 u精餾過程w量大面廣w規(guī)模經(jīng)濟(jì)wCPI中的workhorse4

2、二 塔設(shè)備歷史發(fā)展 從精餾設(shè)備的歷史發(fā)展來看，精餾技術(shù)與石油、化學(xué)加工工業(yè)的發(fā)展是相輔相成、相互刺激、共同進(jìn)步的發(fā)展關(guān)系。精餾技術(shù)的任何進(jìn)步，都會極大刺激化學(xué)加工工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，同樣在石油、化學(xué)加工工業(yè)發(fā)展的每一個歷史階段都會對精餾設(shè)備技術(shù)提出更高的要求。5二 塔設(shè)備歷史發(fā)展 塔設(shè)備的廣泛應(yīng)用是伴隨著十九世紀(jì)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(dǎo)的工業(yè)單元操作過程。l 階段階段I(I(二十世紀(jì)二十世紀(jì)20205050年代年代)l 階段階段II (50II (507070年代年代) ) l 階段階段III (70III (709090年代年代) : ) : l 階段階

3、段IV (80-90IV (80-90年代后期年代后期) ) 6二 塔設(shè)備歷史發(fā)展7二 塔設(shè)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(yīng)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(shè)計水平要求不高、對各類操作的適應(yīng)能力強(qiáng)、對操作控制要求低等特性在當(dāng)時被認(rèn)為是無可替代的板型。uRachig環(huán)填料塔主要應(yīng)用于較小直徑的無機(jī)分離塔設(shè)備中，同時也開發(fā)了Pall環(huán),標(biāo)志著現(xiàn)代亂堆填料的誕生。8二 塔設(shè)備歷史發(fā)展階段階段II (50II (507070年代年代)u消除放大效應(yīng)的研究:AIChE研究u浮閥塔板的開發(fā)浮閥塔板的開發(fā) uFRI的成立u系統(tǒng)化的設(shè)

4、計方法： 1955年，Monsanto公司的Bolles發(fā)表了著名的“泡罩塔板設(shè)計手冊”，首先提出了科學(xué)的、規(guī)范化塔板設(shè)計技術(shù)，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(shè)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(chǔ)研究,使得填料塔的放大研究成功，并在減壓塔中應(yīng)用獲得極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 ;u計算機(jī)應(yīng)用w輔助精餾塔放大效應(yīng)的研究,計算塔板效率w精餾過程設(shè)計u新型高性能浮閥塔板的開發(fā)及應(yīng)用10二 塔設(shè)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)及工業(yè)應(yīng)用u塔板設(shè)計、開發(fā)更趨于科學(xué)化

5、的方向11三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢 伴隨著煉油、石油加工和化學(xué)加工工業(yè)的歷史發(fā)展，為了適應(yīng)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)、不同汽液流動型式的塔內(nèi)件構(gòu)型，以適應(yīng)不同操作壓力、設(shè)備規(guī)模、物系性質(zhì)、操作特性和不同生產(chǎn)要求等的廣譜的精餾過程。12三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢 與之相應(yīng)的大量的設(shè)備流體力學(xué)、傳質(zhì)特性的基礎(chǔ)研究。 在這些研究工作和工程經(jīng)驗不斷積累的基礎(chǔ)上，當(dāng)今精餾塔的設(shè)計成功率已接近100%，以致使得工程技術(shù)人員產(chǎn)生了塔設(shè)備是成熟技術(shù)，毋需繼續(xù)進(jìn)行深入的研究開發(fā)等錯覺，13三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢 “真理是相對的

6、！” 任何塔內(nèi)件的構(gòu)型僅僅是某一個歷史發(fā)展階段的產(chǎn)物，其技術(shù)水平本身受相關(guān)支撐科學(xué)的限制。 在20世紀(jì)50年代以前, 泡罩塔板當(dāng)時豈不是也被認(rèn)為是“不可替代的”。14 三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢15三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢 各類塔內(nèi)件的工業(yè)應(yīng)用相對趨勢在不同時代都呈現(xiàn)出波浪式前進(jìn)和螺旋式上升的變化規(guī)律。在每個石油化學(xué)加工工業(yè)發(fā)展的歷史階段，都對塔內(nèi)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(jìn)需求的發(fā)展的自然辯證原理。16三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢三、塔內(nèi)件應(yīng)用的趨勢 由于塔設(shè)備對操作體系和生產(chǎn)要求的廣譜適應(yīng)性，不可能開發(fā)出一種“萬能的塔內(nèi)件”。 隨

7、著人類文明的不斷進(jìn)步，雖然在某一歷史階段和特定的市場要求下，某一類塔內(nèi)件的需求可能占主導(dǎo)，但在總體上，未來塔內(nèi)件應(yīng)用形勢將呈現(xiàn)出各類塔內(nèi)件并存，相互競爭，相互補(bǔ)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(xué)水平的限制，發(fā)展速率降低四、化學(xué)工程研究的一般規(guī)律四、化學(xué)工程研究的一般規(guī)律 18五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來展望五、現(xiàn)有塔板技術(shù)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(yīng)用現(xiàn)狀開發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀 ：當(dāng)前液體分布器和氣體進(jìn)料分布器在減壓體系已經(jīng)可以放大到相當(dāng)?shù)乃健Ｔ趪庾畲笏揭呀?jīng)

8、達(dá)到16m,在國內(nèi)也已經(jīng)達(dá)到9m （茂名）,基本已經(jīng)滿足最近和未來不長時間的生產(chǎn)要求。當(dāng)前技術(shù)在常壓和加壓體系的應(yīng)用塔徑相對于減壓低的多，鑒于液體分布器和氣體進(jìn)料分布器是單相流動問題，對于常壓和加壓體系不會產(chǎn)生放大效應(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)的簡單化 19u填料填料w應(yīng)用和開發(fā)現(xiàn)狀應(yīng)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。 w存在問題存在問題 ：填料在常壓和加壓

9、體系應(yīng)用及其基礎(chǔ)研究。加壓體系的性能不穩(wěn)定性原因分析；填料塔設(shè)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(shù)的分析及未來展望五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來展望20u塔板 按照當(dāng)前化學(xué)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(shè)備構(gòu)型的改進(jìn)，屬于簡單機(jī)制的深化；w傳統(tǒng)塔設(shè)備構(gòu)型的強(qiáng)化，屬于簡單機(jī)制的復(fù)雜化。五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來展望五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來展望21五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來展望五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來展望u塔板技術(shù)的發(fā)展：w開孔方式及其新開孔構(gòu)件的發(fā)展；w塔板空間的合理利用；w新降液管結(jié)構(gòu)w氣液接觸構(gòu)

10、型的復(fù)合和交融22 通過以上對現(xiàn)有塔設(shè)備技術(shù)發(fā)展的評述得出，國內(nèi)外現(xiàn)有板式塔設(shè)備技術(shù)的發(fā)展是在傳統(tǒng)簡單機(jī)制技術(shù)基礎(chǔ)上的深化和完善，并在當(dāng)前工業(yè)應(yīng)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(chǎn)要求的操作效果。 五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來展望五、現(xiàn)有塔板技術(shù)的分析及未來展望23六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向 Kister 認(rèn)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(shè)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(shè)備開發(fā)而言，精餾塔內(nèi)件的發(fā)展也逐漸向Case Study過程發(fā)展，即針對特殊的生產(chǎn)要求、生產(chǎn)環(huán)境以及預(yù)定的開發(fā)目標(biāo)，

11、進(jìn)行專門的設(shè)計和開發(fā)，傳統(tǒng)的“普適性”塔內(nèi)件技術(shù)市場越來越小，塔內(nèi)件技術(shù)也必將由粗放型向精細(xì)化的方向發(fā)展。24六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向 按照復(fù)雜的化工過程都可以分解為由數(shù)個簡單過程構(gòu)成的原理，未來塔設(shè)備的開發(fā)可以按照分別實現(xiàn)某一技術(shù)指標(biāo)的簡單機(jī)制的技術(shù)共同偶合的策略，按照第一開發(fā)目標(biāo)和第二開發(fā)目標(biāo)的次序分別確定一些典型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終形成一個簡單機(jī)制復(fù)雜化技術(shù)模型，或者構(gòu)成一個復(fù)雜機(jī)制技術(shù)構(gòu)思。對這些構(gòu)思進(jìn)行CFD（Computational Fluid Dynamics）理論計算分析或試驗研究及優(yōu)化，驗證設(shè)計的可靠性，通過試驗不斷完善，最終形成新的技術(shù)。25六、塔設(shè)備

12、研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向26六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向 另一方面是對傳統(tǒng)簡單機(jī)制的復(fù)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(dāng)前工業(yè)應(yīng)用報導(dǎo)的實例極少，其中涉及了當(dāng)前相關(guān)支撐技術(shù)的限制，生產(chǎn)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(jìn)步和相關(guān)支撐科學(xué)的發(fā)展，煉油和石化工業(yè)新的需求將激勵這些技術(shù)的發(fā)展和變更，在未來十年里，將會大幅度地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)，并且隨著對傳質(zhì)理論的深入理解，將會重新形成更為復(fù)雜化的塔設(shè)備構(gòu)型，更加豐富了塔設(shè)備技術(shù)。27六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向 對于簡單機(jī)制性能預(yù)測和估計的可靠

13、性是復(fù)雜塔內(nèi)件開發(fā)的基礎(chǔ)。這需要建立在大量的應(yīng)用基礎(chǔ)研究之上。當(dāng)基礎(chǔ)研究達(dá)到一定水平，由簡單機(jī)制構(gòu)成復(fù)雜的可靠性將大幅度提高，同時當(dāng)基礎(chǔ)研究達(dá)到很高的水平后，復(fù)雜機(jī)制的性能就可以通過簡單機(jī)制可靠計算和預(yù)測，如果技術(shù)達(dá)到相當(dāng)水平后，對于新型塔內(nèi)件的開發(fā)就可以象化工過程設(shè)備設(shè)計一樣，按照精餾塔對塔內(nèi)件性能要求，對塔內(nèi)件進(jìn)行相應(yīng)的計算機(jī)結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計，并繪制施工圖紙，然后委托加工生產(chǎn)、安裝實施。一旦塔內(nèi)件技術(shù)發(fā)展到該階段，塔內(nèi)件專利技術(shù)將不存在，當(dāng)然要達(dá)到該技術(shù)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(chǔ)研究積累。28六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向六、塔設(shè)備研究的發(fā)展方向 綜上所述，未來塔內(nèi)件技術(shù)逐

14、漸向復(fù)雜機(jī)制的方向發(fā)展，隨著基礎(chǔ)研究的不斷積累和深化，復(fù)雜機(jī)制的操作性能可以通過構(gòu)成這一復(fù)雜機(jī)制所有簡單機(jī)制的性能計算和預(yù)測，一旦技術(shù)發(fā)展達(dá)到到一水平，未來塔內(nèi)件無需通過試驗開發(fā)，僅需通過計算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計，并繪制出最適宜的塔內(nèi)件機(jī)械圖紙，塔內(nèi)件的設(shè)計完全象化工過程設(shè)備設(shè)計一樣容易，基礎(chǔ)研究恰是該技術(shù)發(fā)展的可靠保證。29七、結(jié)論1.從發(fā)展歷史來看，盡管在過去的文獻(xiàn)中進(jìn)行了最為廣泛的不同板式塔和填料塔流型、構(gòu)型應(yīng)用基礎(chǔ)研究和開發(fā)，但由于塔設(shè)備涉及體系、操作條件要求、分離要求以及相關(guān)支撐條件的差異，不可能開發(fā)一種(類)萬能的精餾塔內(nèi)件與之相匹配，塔內(nèi)件的應(yīng)用形勢是多種不同類型塔內(nèi)件相互并存、相

15、互補(bǔ)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(yīng)用的主流，隨著基礎(chǔ)研究和計算技術(shù)的不斷發(fā)展，塔內(nèi)件的設(shè)計技術(shù)將由經(jīng)驗型逐漸走向科學(xué)化的道路。30七、結(jié)論2.從歷史發(fā)展來看，塔內(nèi)件的相對應(yīng)用趨勢表現(xiàn)出螺旋式上升、波浪式前進(jìn)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(jìn)需求的發(fā)展的自然辯證原理。 31七、結(jié)論3.化學(xué)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(shù)由簡單機(jī)制向復(fù)雜機(jī)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(jìn)步和相關(guān)支撐學(xué)科、基礎(chǔ)研究發(fā)展的水平。 32七、結(jié)論4.當(dāng)前填料塔技術(shù)已經(jīng)基本可以滿足不遠(yuǎn)未來的需求；板式塔技術(shù)依然是未來發(fā)展的主流。現(xiàn)有新型板式塔技術(shù)的發(fā)展主要是傳統(tǒng)簡單技術(shù)的深化和傳統(tǒng)簡單技術(shù)的復(fù)雜化，前者可以很好地滿足現(xiàn)有生產(chǎn)局面對塔內(nèi)件的要求，而后者將發(fā)展成未來板式塔的主流。 33七、結(jié)論5.基礎(chǔ)研究是一切化學(xué)工程技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)。未來塔內(nèi)件技術(shù)逐漸向復(fù)雜機(jī)制的方向發(fā)展。隨著基礎(chǔ)研究的不斷積累和深化，復(fù)雜機(jī)制的操作性能可以通過構(gòu)成這一復(fù)雜機(jī)制所有簡單機(jī)制的性能計算而預(yù)測，一旦技術(shù)發(fā)展到這種局面，未來塔內(nèi)件無需通過試驗開發(fā)，僅需通過計算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計，并繪制出最適宜的塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)圖，塔內(nèi)件的設(shè)計完全象化工過程設(shè)備設(shè)計一樣容易，塔內(nèi)件也將無任何專利，科學(xué)由經(jīng)驗上升到理論高度。