李群生，李洋，任鐘旗，薛嘉星

（北京化工大學化學工程學院，化工資源有效利用國家重點實驗室，北京 100029）

引 言

由于二氧化碳排放量的升高，已經(jīng)引發(fā)了如溫室效應(yīng)、極端天氣等一系列的生態(tài)和社會問題。隨著人類環(huán)保意識的提高，減少二氧化碳排放已經(jīng)在全球范圍形成共識[1]。中國已經(jīng)向全球承諾，將采取強有力的政策和措施，力爭在2060年之前實現(xiàn)碳中和，彰顯了中國的大國責任與擔當，對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

實現(xiàn)碳中和的方式有兩種：減少碳排放與增加碳吸收[3]。通過化工分離過程節(jié)能從而減少二氧化碳排放，是實現(xiàn)碳中和的重要手段。化工分離過程碳排放量約占化學工業(yè)能耗的40%，而且相比于發(fā)達國家，我國化學分離過程能耗高、能源利用率低[4]，部分化工分離過程高能耗的特點已經(jīng)成為限制我國化學工業(yè)進一步發(fā)展的短板。因此發(fā)展化工分離提純過程節(jié)能技術(shù)對于減少能源消耗、實現(xiàn)碳中和具有十分重要的意義。

在精餾、吸收、洗滌、生化處理等化工過程中，填料塔的應(yīng)用已十分普遍[5-7]。相比于板式塔，規(guī)整填料塔由于具有較高的氣液相接觸面積，并且無強烈的氣液相相互作用，表現(xiàn)出高傳質(zhì)效率、高操作彈性以及低壓降的特性[8-12]。填料結(jié)構(gòu)與塔內(nèi)件的設(shè)計一直是國內(nèi)外研究的熱點，國內(nèi)外各公司與研究所相繼開發(fā)出絲網(wǎng)填料[7]、板波紋填料[13]、格柵填料[14]、脈沖填料[15]。國內(nèi)各大高校也開發(fā)出了一系列各具特色的新型填料[16-28]，如天津大學開發(fā)的泡沫碳化硅填料，具有獨特的三維空間網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)填料極大強化液體橫向擴散和液膜均勻分布，大大提高了填料的傳質(zhì)性能[16-18]。本文借鑒波紋填料與脈沖填料的結(jié)構(gòu)特征，開發(fā)出一種新型導流型填料（flow guided packing，簡稱為FGP型填料），對FGP型填料進行了流體力學性能與傳質(zhì)性能研究，并采用FGP型系列填料對甲醇生產(chǎn)裝置進行了工業(yè)技術(shù)改造設(shè)計。

1 實驗部分

1.1 填料的幾何特征

FGP型填料，由填料片上、下端的兩段豎直線段與中間三段與水平方向呈一定傾角且角度不斷變化的波紋段組成，且相鄰線段之間以圓角過渡。按照構(gòu)型不同可分為A、B兩種，其中間部分波紋傾角分別為60°-30°-45°和45°-30°-45°，以B型填料為例，其2D、3D結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于一般填料，其結(jié)構(gòu)基本為斜直線型，填料層間接觸為點接觸，液體流經(jīng)填料層間結(jié)構(gòu)時為流股狀和液滴狀，且氣體在填料層間流動方向發(fā)生轉(zhuǎn)折，氣液相相互作用強烈，導致填料層間最先發(fā)生液泛現(xiàn)象[29]。針對此現(xiàn)象將填料上下兩端修改為豎直線，對經(jīng)過的流體起到導流作用，使氣體在填料層之間、氣體在填料層間流動方向一致，減小了氣液流動阻力，提高了填料的通量；同時，由于填料內(nèi)三段折線的存在，形成縮脈，氣體流經(jīng)折線處產(chǎn)生脈沖，促進了液膜更新，提高了氣體與液體的湍動程度，相應(yīng)地提高了傳質(zhì)效率。

圖1 FGP-B填料2D、3D結(jié)構(gòu)圖Fig.12 D and3D structure of FGP-B packing

基于以上設(shè)計思路，本文所用的FGP型填料的尺寸參數(shù)及對比填料參數(shù)如表1所示。

表1 填料幾何特性參數(shù)Table1 Geometric parameters of packing

1.2 實驗條件

為探究FGP型填料的流體力學及傳質(zhì)性能，建立了如圖2所示的實驗裝置，在常溫常壓下測定填料的干塔、濕塔壓降及液泛氣速，并且通過進行氧解吸實驗對FGP型填料的傳質(zhì)性能進行研究。

圖2 實驗裝置簡圖Fig.2 Schematic diagram of experimental device

填料塔內(nèi)徑476mm，內(nèi)裝有8盤盤高為125mm的填料，為了得到更好的液體分布效果，相鄰兩盤填料之間呈90°旋轉(zhuǎn)放置，相鄰兩片填料波紋方向相反交錯放置。

本實驗采用適用于小塔徑的盤式孔流液體分布器，如圖3所示。氣體通過填料經(jīng)分布器上升氣筒排出，液體從分布器上小孔向下流動進入填料。

圖3 液體分布器俯視圖Fig.3 The vercital view of the liquid distributor

實驗開始前打開風機與水泵對待測填料進行約1h的預(yù)液泛處理使得填料完全濕潤。通過測定不同氣液流量下的壓降、液泛氣速對填料的流體力學性能進行表征；通過測定不同氣液流量下的塔頂塔底富氧水氧含量，計算每米填料理論板數(shù)（Nt）對填料的傳質(zhì)性能進行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 流體力學性能

2.1.1 干塔壓降 通過調(diào)整進氣量，測定了不同空塔動能因子（F因子）下5種填料的干塔壓降，并作出干塔壓降隨F因子變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同填料的干塔壓降與F因子關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between dry pressure drop and F-factor of different packings

由圖4可以看出：5種填料干塔壓降均隨F因子增大而增加，且變化率整體呈增大趨勢；對于FGP型填料而言，比表面積相同的填料壓降變化趨勢大致相同。對比相同F(xiàn)因子下的干塔壓降可以得出：(ΔP/Z)FGP250-A＞(ΔP/Z)FGP250-B＞(ΔP/Z)Mellapak125X＞(ΔP/Z)FGP125-A＞(ΔP/Z)FGP125-B。實驗結(jié)果表明：隨著比表面積的增大，流體流動通道被壓縮，使得流體的流動阻力增大，壓降也隨之增加，且隨著氣速的增大這種變化更為明顯；相較于Mellapak125X型填料，F(xiàn)GP125型填料壓降分別平均降低22.9 4%及31.9 9%，F(xiàn)GP型填料在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢得以體現(xiàn)。

2.1.2 濕塔壓降 在不同液體噴淋密度下，F(xiàn)GP型填料濕塔壓降與F因子的關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出FGP型填料濕塔壓降與F因子變化關(guān)系具有相似性。對于任一FGP型填料，在同一噴淋密度下濕塔壓降與F因子呈正相關(guān)，且變化率逐漸增大；在同一F因子下濕塔壓降隨噴淋密度的增大而增大。這是因為氣相流量和液相流量的增加都會使液膜的實際厚度增加，氣液兩相曳力作用愈發(fā)劇烈，使得流動阻力增大，因此壓降變大。在液泛點附近，F(xiàn)GP型填料濕塔壓降變化并不劇烈，這說明FGP型填料對大負荷操作具有較好的適應(yīng)性，體現(xiàn)了其優(yōu)秀的流體力學性能。

圖5 FGP型填料濕塔壓降與F因子關(guān)系Fig.5 Relationship between wet pressure drop and F-factor of FGP packings

圖6對比了在相同噴淋密度L=33.7 2m3/(m2·h)時，F(xiàn)GP型填料與Mellapak125X型填料的濕塔壓降。從圖中可以看出，在F因子相同時，有：(ΔP/Z)FGP250-A＞(ΔP/Z)FGP250-B＞(ΔP/Z)Mellapak125X＞(ΔP/Z)FGP125-A＞(ΔP/Z)FGP125-B。經(jīng)過計算，F(xiàn)GP型填料濕塔壓降比Mellapak型填料分別降低了41.4 8%和47.3 2%，可以看出FGP型填料特殊的幾何結(jié)構(gòu)，在降低濕塔壓降方面有著較為明顯的作用，且在液泛點和載點附近，其操作的穩(wěn)定性較Mellapak型填料有著較大提高。

圖6 L=33.7 2m3/(m2·h)時5種填料濕塔壓降對比Fig.6 Comparison of wet pressure drop of five kind of packings when L=33.7 2m3/(m2·h)

2.1.3 液泛氣速 填料塔液泛時對應(yīng)的氣體流速是填料塔的操作極限，液泛氣速的大小反映了填料通量的大小，對填料塔的設(shè)計和操作有重要的指導意義[30]。逐漸增大氣體流量觀察填料壓降數(shù)值，到某一區(qū)域內(nèi)，氣量發(fā)生微小的增加，壓降都會急劇增大，看到塔內(nèi)出現(xiàn)液流不暢、有積液或呈沸騰狀，此時認為達到了液泛區(qū)域。記錄塔內(nèi)從開始液泛到完全液泛過程內(nèi)的塔氣量和壓降變化，從而確定填料的液泛點。通過改變氣體流量使填料塔在不同噴淋密度下達到液泛，記錄對應(yīng)氣速，得到不同填料液泛氣速與噴淋密度的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 不同填料液泛氣速對比Fig.7 Comparison of flooding velocity of different packings

從圖7中可以看出：5種填料的液泛氣速均隨著噴淋密度的增大而減?。幌嗤瑯?gòu)型的填料比表面積越大，液泛氣速越小。這是因為液體噴淋密度的增大和填料比表面積的增大，都會壓縮氣流通道，氣液兩相之間曳力增大，液體在填料層內(nèi)聚集，使得填料的液泛氣速更小。

對比相同噴淋密度下不同填料的液泛氣速可以得出：(Uf)FGP125-B＞(Uf)FGP125-A＞(Uf)Mellapak125X＞(Uf)FGP250-B＞(Uf)FGP250-A。對 比Mellapak125X型 填 料，F(xiàn)GP125A、FGP125B型填料液泛氣速分別平均提高了4.9 3%及7.7 6%，結(jié)合FGP型填料的壓降特點可以看出，F(xiàn)GP型填料特殊的導流型結(jié)構(gòu)使得填料有著更為平緩的操作條件和更大的操作彈性。

2.2 傳質(zhì)性能

本文用每米填料理論級數(shù)Nt表征填料的傳質(zhì)性能[31]，其數(shù)值越大表明填料傳質(zhì)性能越好。Nt計算公式為：

式中，S是解吸因數(shù)，S=mG/L；m是相平衡常數(shù)；G、L分別是液相、氣相流量，m3/h。HOL計算公式為：

式中，Z是填料層高度，m；A是吸收因數(shù)，A=1/S；x1、x2分別是實驗測得塔頂、塔底富氧水氧含量；x*1、x*2分別為實驗條件下塔頂、塔底對應(yīng)的平衡氧含量。

采用氧氣-水物系測定填料傳質(zhì)性能，繪制在不同噴淋密度下，每米填料理論級數(shù)與F因子的關(guān)系曲線如圖8所示。由圖可知FGP型填料每米理論級數(shù)與F因子關(guān)系符合絲網(wǎng)填料的一般規(guī)律，即噴淋密度一定時，每米填料理論級數(shù)隨氣速的增大而減??；氣速一定時，每米填料理論級數(shù)隨噴淋密度的增大而增大。這是因為噴淋密度一定時，氣速增大使得氣相在填料層內(nèi)實際停留時間縮短，不利于傳質(zhì)進行；而當氣速一定時，噴淋密度增大使得填料濕潤面積大大提升，氣液兩相有效接觸面積也隨之增加，大大提高了傳質(zhì)效率。

圖8 FGP型填料每米填料理論級數(shù)與F因子關(guān)系Fig.8 Relationship between Nt and F-factor of FGP packings

為了進一步探究FGP型填料的特殊結(jié)構(gòu)對傳質(zhì)效率的影響，圖9對比了FGP型填料與Mellapak型填料L=33.7 2m3/(m2·h)時的傳質(zhì)性能。從圖中可以看出，在F因子相同時，有：(Nt)FGP250-A＞(Nt)FGP250-B＞(Nt)FGP125-A＞ (Nt)FGP250-B＞ (Nt)Mellapak125X。 經(jīng) 過 計 算 與Mellapak125X填料相比，F(xiàn)GP125型填料每米理論級數(shù)提高了26.7 2%和22.7 8%，這是因為FGP型填料獨特的“兩直線+三折線”結(jié)構(gòu)使得氣液兩相在流動時，方向和速度不斷改變，在增大相際湍動程度的同時，使得傳質(zhì)相界面也不斷得到更新，促進了傳質(zhì)進行。同時通過對比可以看出，在操作氣速內(nèi)FGP型填料傳質(zhì)性能變化較小，穩(wěn)定性更高，更加符合穩(wěn)定生產(chǎn)的要求。

圖9 不同填料傳質(zhì)性能對比Fig.9 Comparison of mass transfer performance of different packings

3 FGP型填料在甲醇精餾中的應(yīng)用

3.1 甲醇精餾裝置技術(shù)改造

某廠生產(chǎn)聚乙烯醇過程中，工廠自產(chǎn)甲醇供給不足，需外購粗甲醇并進行精制。原粗甲醇精餾裝置采用浮閥塔板，分離效率較低，甲醇精制效果差，對后續(xù)工段乃至產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生了嚴重影響。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時響應(yīng)國家節(jié)能減排的政策，盡快實現(xiàn)碳中和的目標，急需對甲醇精餾塔進行技術(shù)改造，同時為避免減小市場競爭力，要求運行成本不能增加。

甲醇精餾流程如圖10所示，粗甲醇經(jīng)過由T2塔（加壓塔）頂精餾而出的精甲醇預(yù)熱，進入T1塔（預(yù)塔）對低沸物進行分離，塔底重組分經(jīng)加壓、預(yù)熱后進入T2塔，塔頂?shù)玫?9.9%的精甲醇，由于加壓塔精甲醇蒸氣顯熱較大，使其與T3塔（常壓塔）塔底再沸器換熱，換熱后一部分回流至T2塔，其余精甲醇對粗甲醇進行換熱降溫并采出。T2塔塔底物料換熱后進入T3塔，T3塔塔頂采出精甲醇，雜醇油經(jīng)側(cè)線采出，塔底廢水送至生化處理。

粗甲醇進料量為12500kg/h；組成(質(zhì)量分數(shù))為：甲醇93.16 1%、水5.83 6%、二氧化碳0.7 4%、二甲醚0.0 8%、乙醇0.0 6%、氮氣0.0 4%、甲烷0.0 1%、丙酮0.00 8%，其余為雜醇。

分離要求：加壓塔及常壓塔塔頂甲醇質(zhì)量分數(shù)≥99.9%，常壓塔塔釜廢水中甲醇質(zhì)量分數(shù)≤0.3%。

由于原工藝流程采用了較為先進的多效精餾技術(shù)，并且經(jīng)過流程模擬軟件Aspen的嚴格計算模塊模擬，操作參數(shù)已接近最優(yōu)解。因此，在不更換塔體、增加新塔的前提下，通過將原浮閥塔板更換為FGP型塔料，并根據(jù)原塔操作參數(shù)重新計算，得到新的設(shè)計參數(shù)。技術(shù)改造前后操作參數(shù)及指標如表2所示。技術(shù)改造前后各關(guān)鍵流股模擬結(jié)果如表3所示。

表2 甲醇精餾技術(shù)改造前后參數(shù)對比Table2 Comparison of parameters before and after technical transformation of methanol distillation

表3 技術(shù)改造前后關(guān)鍵流股模擬結(jié)果對比Table3 Comparison of simulation results of key flow strands before and after technical transformation

將浮閥塔板更換為FGP型填料，T2、T3塔理論板數(shù)分別由原來的38、45增加至98、123。在保證符合分離要求的前提下回流比分別降低了43.7 5%、26.6 7%，從而可以大大降低精餾所需能耗。

3.2 效益分析。

由于FGP型填料優(yōu)良的流體力學性能以及傳質(zhì)性能，在技術(shù)改造后，大幅提高了分離能力，因此在較小回流比情況下仍能達到分離要求。技術(shù)改造后，常壓塔塔頂冷凝器熱負荷降低16.0 1%，每年可節(jié)省冷卻水461.10 kt，加壓塔塔底再沸器熱負荷降低26.3 0%，每年可節(jié)省高壓蒸汽15.97 kt。以冷卻水0.2 元/t，高壓蒸汽150元/t計算，則每年節(jié)約成本248.77 萬元。由于降低了蒸汽使用量，相當于間接減少了加熱蒸汽的燃煤使用量，即減少了二氧化碳排放。以1t煤加熱6t蒸汽，產(chǎn)生2.5 t CO2計算，項目技術(shù)改造相當于減少CO2排放6651.83 t/a。

該技術(shù)改造由于僅對高效填料、液體分布器、部分儀表以及相應(yīng)配套設(shè)施進行更換，成本費用約為90萬元，回收投資期僅為1～2個月，同時，每年可減少廢水中甲醇排放356.72 t，由于甲醇質(zhì)量達標，塔頂甲醇質(zhì)量分數(shù)達到99.9%，為后續(xù)工段順利進行創(chuàng)造了有利條件。

4 結(jié) 論

（1）本文設(shè)計的FGP型填料的流體力學性能較傳統(tǒng)的直線波紋型填料有較大優(yōu)勢，相較于Mellapak125X型填料，F(xiàn)GP125型填料干塔壓降分別平均降低22.9 4%及31.9 9%；濕塔壓降分別降低了41.4 8%及47.3 2%；液泛氣速分別平均提高了4.9 3%及7.7 6%?？梢钥闯鯢GP型填料特殊的幾何結(jié)構(gòu)，在降低壓降、提高操作彈性方面有著較為明顯的作用，且在液泛點和載點附近，其操作的穩(wěn)定性較Mellapak型填料有著較大提高。

（2）FGP型填料獨特的“兩直線+三折線”結(jié)構(gòu)在增大相際湍動程度的同時，使得傳質(zhì)相界面也不斷得到更新，與Mellapak125型填料相比，F(xiàn)GP125型填料每米理論級數(shù)提高了26.7 2%和22.7 8%，傳質(zhì)效率有著很大提高。

（3）采用FGP型填料對甲醇精餾系統(tǒng)加壓塔和常壓塔進行了技術(shù)改造，有效保障了產(chǎn)品純度，同時，大幅降低了塔底再沸器熱負荷，節(jié)能高壓蒸汽1.99 t/h，相當于減少CO2排放6651.83 t/a。