徐圣君 沈沙麗 李海杰

(上海蘇爾壽工程機(jī)械制造有限公司， 上海 201306)

0 前言

四氟乙烯(TFE)是一種重要的氟化工原料，主要用于生產(chǎn)氟塑料等高分子材料，也是合成多種含氟精細(xì)化工產(chǎn)品的主要原料，其用途廣泛，是目前最主要的氟化工原料，其質(zhì)量對含氟聚合物的質(zhì)量至關(guān)重要。為了獲得高性能的含氟高聚物，必須保證四氟乙烯的純度，所以國內(nèi)外四氟乙烯生產(chǎn)廠都十分重視四氟乙烯的純化工作。20世紀(jì)90年代，國外已要求四氟乙烯的純度高達(dá)99.999 4%[1]。

在四氟乙烯生產(chǎn)過程中，精餾提純是保證四氟乙烯產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵的一步，也是裝置中能耗較高的一個(gè)單元。由于進(jìn)料熱解氣的組分復(fù)雜，輕重組分分離難度大，往往需要耗費(fèi)較高的能耗，才能達(dá)到市場要求的四氟乙烯產(chǎn)品純度。

當(dāng)下的市場競爭日益激烈，追求能耗優(yōu)化以降低生產(chǎn)成本對生產(chǎn)廠商來說變得尤為迫切，這使得對四氟乙烯純化單元的設(shè)計(jì)優(yōu)化有了重要的意義。

1 設(shè)計(jì)分析和改進(jìn)方案

一般而言，四氟乙烯的純化過程裝置主要包含5個(gè)塔：脫輕塔、TFE精餾塔、TFE回收塔、脫高沸物塔和HCFC-22回收塔。通過精餾提純的方式，從進(jìn)料熱解氣中得到高純度的四氟乙烯產(chǎn)品[1]。其中，脫輕塔和TFE精餾塔是生產(chǎn)合格四氟乙烯產(chǎn)品的兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)可概括為：產(chǎn)品純度要求高；高理論板數(shù)；高回流比；高操作壓力；塔徑較??；物料容易聚合。

由于對理論板數(shù)的要求高，迫使目前國內(nèi)的設(shè)計(jì)中大量采用了CY700型絲網(wǎng)填料，同時(shí)較高的填料高度以及多個(gè)填料床層的設(shè)計(jì)，使得該塔在塔徑不大的情況下，整塔高度非常高。與此同時(shí)，較高的回流比設(shè)計(jì)造成了該塔的能耗過高，生產(chǎn)成本大幅提高。

蘇爾壽在了解了脫輕塔和TFE精餾塔的設(shè)計(jì)參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)塔的操作壓力均在1.0～1.8 MPa，這與工業(yè)界普遍認(rèn)為的適合使用規(guī)整填料的條件相差甚遠(yuǎn)。因?yàn)閾?dān)心規(guī)整填料在該塔中的使用效率問題，蘇爾壽對該塔規(guī)整填料的設(shè)計(jì)進(jìn)行了合理性分析。

分析發(fā)現(xiàn)，該體系中的物性參數(shù)與常規(guī)烴類加工中的物性參數(shù)相差甚遠(yuǎn)，其中關(guān)鍵的物性參數(shù)為：氣相密度50～60 kg/m3；液相密度1 200～1 280 kg/m3；液氣密度比20～25；液相黏度0.54～0.79 mPa·s；液相表面張力7～10 mN/m。

雖然由于操作壓力的原因?qū)е職庀嗝芏容^高，但非常高的液相密度使得液氣密度比仍在20以上，這有利于規(guī)整填料在該物系中的效率發(fā)揮，同時(shí)液體的表面張力和黏度也都說明了該物系適用規(guī)整填料。所以，經(jīng)過初步分析認(rèn)為，脫輕塔和TFE精餾塔使用規(guī)整填料是合理的。

考慮到脫輕塔和TFE精餾塔的理論板數(shù)要求較高，而且塔徑不大，國內(nèi)在設(shè)計(jì)這兩個(gè)塔時(shí)一般選用CY700型絲網(wǎng)填料，該填料被普遍認(rèn)為具有分離效率高、壓降小、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)。

從前面的合理性分析和該物系的分離難易度來看，設(shè)計(jì)選用絲網(wǎng)填料似乎沒有太大的問題，而且絲網(wǎng)填料作為高效填料毋庸置疑，但實(shí)際使用的效果卻并不盡如人意。

在客戶改造項(xiàng)目的執(zhí)行過程中，蘇爾壽通過了解現(xiàn)有運(yùn)行塔的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行情況，并綜合評估了這兩個(gè)塔的水力學(xué)設(shè)計(jì)。最終發(fā)現(xiàn)，由于這兩個(gè)塔的操作壓力高，分離難度大，所需的操作回流比大，所以造成了該塔的液相載荷較大。兩臺(tái)塔的水力學(xué)評估匯總?cè)绫?和表2所示(絲網(wǎng)填料CY700水力學(xué)核算基于蘇爾壽絲網(wǎng)填料CY的核算結(jié)果)。

表1 脫輕塔水力學(xué)參數(shù)(蘇爾壽CY)

表2 TFE精餾塔水力學(xué)參數(shù)(蘇爾壽CY)

其中F因子是氣體密度校正后的氣相空塔速率，單位為Pa0.5，可按式(1)計(jì)算[2]：

水力學(xué)核算結(jié)果顯示，CY填料已處于合理的水力學(xué)操作范圍之外，這時(shí)填料的效率因?yàn)樘盍蟽?nèi)部早期液泛的產(chǎn)生而急劇下降，雖然塔還未液泛，但使用效果會(huì)大打折扣。顯然，在該塔現(xiàn)有操作條件及塔徑下，蘇爾壽CY填料也不適合在該塔中使用。

根據(jù)蘇爾壽的研究發(fā)現(xiàn)，絲網(wǎng)波紋填料和金屬板波紋填料各具特點(diǎn)。在真空應(yīng)用中, 絲網(wǎng)波紋填料以低壓降和高效率而著稱。然而，在某些情況下，相對板波紋填料，絲網(wǎng)波紋填料的這些優(yōu)勢可能會(huì)完全消失。自20世紀(jì)60年代蘇爾壽首次發(fā)明規(guī)整填料以來，市場上存在各種各樣的規(guī)整填料產(chǎn)品，這些形式各異的填料常常困惑著使用方。由于使用方無法辨別其性能高低，所以在業(yè)界中具有爭議的做法之一，就是僅僅以產(chǎn)品的比表面積和波紋角度來衡量該產(chǎn)品的性能高低。但對填料來說, 這種做法并不正確。

蘇爾壽豐富的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)包含市場上一些常見的產(chǎn)品測試結(jié)果。為了便于說明，本研究引用一款從國內(nèi)市場上采購的具有代表性的絲網(wǎng)波紋填料，并與蘇爾壽相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行了比較。

這款具有代表性的絲網(wǎng)填料的名義比表面積標(biāo)注為500 m2/m3，波紋夾角為30°。盡管與Sulzer BX具有相似的名義比表面積，但是該填料的織物與Sulzer BX的織物有顯著不同。為方便起見，將這款絲網(wǎng)填料稱為W500。

測試是在標(biāo)準(zhǔn)二元測試混合物單氯苯和乙苯的全回流條件下進(jìn)行，操作壓力分別為5、10和96 kPa。在不同壓力下，不同填料的測試結(jié)果分別如圖1、圖2和圖3所示。

通過對比圖1～圖3中的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)盡管具有相同的比表面積和波紋角度，從國內(nèi)市場上采購的絲網(wǎng)波紋填料并未表現(xiàn)出蘇爾壽工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品Sulzer BX的高效率，其測試結(jié)果類似于蘇爾壽板波紋填料MellapakTM的特征。通過對W500的測試，也間接說明了CY700填料的性能類似于蘇爾壽板波紋填料MellapakTM，而無法真正達(dá)到Sulzer CY的同等效率。

圖1 W500和Sulzer BX 在5 kPa下的壓降曲線和效率曲線

圖2 W500、Sulzer BX、Sulzer Mellapak 500.X在10 kPa下的壓降曲線和效率曲線

圖3 W500、Sulzer BX、Sulzer Mellapak 500.X在96 kPa下的壓降曲線和效率曲線

在圖1～圖3中，NTSM為每米理論板數(shù)，代表了填料的效率，數(shù)值越大說明效率越高。dp/dz為單位壓降，單位壓降越高，說明填料產(chǎn)生的壓降就越高[2]。

以上引用的數(shù)據(jù)顯示，絲網(wǎng)波紋填料建議僅在真空和低液負(fù)荷下使用，在常壓和液體量比較大的應(yīng)用中，絲網(wǎng)填料對MellapakTM的效率優(yōu)勢逐步消失。在這種工況下, 由于成本優(yōu)勢, MellapakTM應(yīng)該是更好的選擇。 使用蘇爾壽板波紋填料MellapakTM對脫輕塔和TFE精餾塔進(jìn)行水力學(xué)核算，水力學(xué)評估匯總?cè)绫?和表4所示。

表3 脫輕塔水力學(xué)參數(shù)(蘇爾壽MellapakTM)

表4 TFE精餾塔水力學(xué)參數(shù)(蘇爾壽MellapakTM)

水力學(xué)核算結(jié)果顯示，使用與CY700結(jié)構(gòu)相似的MellapakTM填料，也已處于合理的水力學(xué)操作范圍之外，這時(shí)填料的效率因?yàn)樘盍蟽?nèi)部早期液泛的產(chǎn)生而急劇下降，雖然塔還未液泛，但使用效果會(huì)大打折扣。

總之，如果使用幾何結(jié)構(gòu)相似的蘇爾壽填料(絲網(wǎng)填料CY或結(jié)構(gòu)特征類似的板波紋填料MellapakTM)來評估CY700在這兩個(gè)塔中的水力學(xué)性能，從表1～表4的水力學(xué)計(jì)算結(jié)果就可以看出，CY700填料已接近液泛，這對填料的性能發(fā)揮產(chǎn)生了一定的影響。所以建議使用蘇爾壽規(guī)整填料MellapakPlusTM對該塔進(jìn)行改造，同時(shí)更換所有的液體分布器，以達(dá)到要求的液相分布質(zhì)量，從而確保填料的效率。使用蘇爾壽規(guī)整填料MellapakPlusTM對脫輕塔和TFE精餾塔進(jìn)行水力學(xué)核算，水力學(xué)評估匯總?cè)绫?和表6所示。

表5 脫輕塔水力學(xué)參數(shù)(蘇爾壽MellapakPlusTM)

表6 TFE精餾塔水力學(xué)參數(shù)(蘇爾壽MellapakPlusTM)

水力學(xué)核算結(jié)果顯示，使用與CY700效率相當(dāng)?shù)腗ellapakPlusTM填料，仍處于合理的水力學(xué)操作范圍之內(nèi)，完全可以滿足操作要求。

MellapakPlusTM規(guī)整填料集合了MellapakTM填料的所有優(yōu)點(diǎn)并具有新的特點(diǎn)，即在每個(gè)填料單元的上部和下部，波紋的方向漸漸接近垂直方向, 這樣的好處是：汽相在相鄰兩個(gè)填料單元接觸面漸漸地改變方向，平滑的流過；在兩層填料交接的部位，汽相流動(dòng)的方向幾乎與垂直方向平行，汽相流速因此相對于填料單元內(nèi)部降低了25%。

以上兩點(diǎn)降低了壓降和汽液相之間相互作用的剪切力，這對于存在厚而且不穩(wěn)定液膜的填料連接處至關(guān)重要，這樣就降低了兩層填料連接處早期液泛的可能性。MellapakTM和MellapakPlusTM的持液量測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 MellapakTM和MellapakPlusTM的持液量測試結(jié)果

MellapakPlusTM的性能通過了美國精餾協(xié)會(huì)(FRI)的測試認(rèn)證。它的優(yōu)勢為： 對于新塔，可以縮小塔徑；對于改造塔，在維持同等效率的前提下可以顯著提升處理能力或降低操作壓降。MellapakTM和MellapakPlusTM的性能對比如圖5所示。

圖5 MellapakTM和MellapakPlusTM的性能對比

2 方案實(shí)施和開車效果

在改造方案的實(shí)施過程中，蘇爾壽通過對現(xiàn)有運(yùn)行塔中內(nèi)件設(shè)計(jì)和填料安裝的大致了解，發(fā)現(xiàn)以下問題：1)國內(nèi)絲網(wǎng)填料在質(zhì)量控制上參差不齊，局部填料出現(xiàn)擠壓變形；2)填料安裝時(shí)的錯(cuò)誤操作，造成填料的擠壓變形；3)分布器和塔內(nèi)件設(shè)計(jì)不合理，無法滿足高效率填料的汽液相分布要求。這些因素會(huì)直接影響填料的效率和實(shí)際處理能力，導(dǎo)致塔的運(yùn)行效果不佳。

蘇爾壽在機(jī)械設(shè)計(jì)以及后續(xù)的安裝過程中，嚴(yán)格把控各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量，并對每個(gè)分布器出廠前進(jìn)行了分布性能的測試，確保達(dá)到設(shè)計(jì)要求的液體分布質(zhì)量，這對高效率填料的性能發(fā)揮是至關(guān)重要的。

經(jīng)過改造并在系統(tǒng)重新開車后，客戶對這兩個(gè)塔的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了收集和評估，對比改造前后的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，改造后節(jié)能效果明顯且產(chǎn)品質(zhì)量有所提高，具體對比參數(shù)如表7和表8所示。

表7 改造前后的能耗對比

表8 改造前后的產(chǎn)品質(zhì)量對比

對于此次的改造效果，客戶非常滿意，TFE精餾塔的節(jié)能效果尤為顯著，除此之外，四氟乙烯產(chǎn)品純度也明顯優(yōu)于以往。同時(shí)客戶明顯感覺到這兩個(gè)塔在改造后，操作調(diào)整上也更平穩(wěn)，對于本次的改造給予了很高的評價(jià)和肯定，并在后續(xù)相同和類似的裝置改造及新建中，雙方繼續(xù)合作，在節(jié)能降耗以及產(chǎn)品升級方面取得了進(jìn)一步的成功。

3 結(jié)論

填料塔的操作彈性大，汽液傳質(zhì)效果好，為獲得高純的四氟乙烯單體提供了良好的條件。但不適當(dāng)?shù)奶盍纤O(shè)計(jì)，也會(huì)給操作造成很多問題。

上海蘇爾壽通過對現(xiàn)有裝置中四氟乙烯純化單元能耗高的問題進(jìn)行分析， 提出了對脫輕塔和TFE精餾塔的合理化改造方案，通過將現(xiàn)有的CY700型絲網(wǎng)填料更換為蘇爾壽新一代規(guī)整填料MellapakPlusTM后，改善效果明顯。

同時(shí)，通過本次成功的改造，對于該塔的設(shè)計(jì)及填料的選型有了一個(gè)全新的認(rèn)識，并不是在任何情況下，絲網(wǎng)填料都是高效填料的代名詞。板波紋填料在特定情況下，配合合理的塔內(nèi)件設(shè)計(jì)，完全可以提供優(yōu)于絲網(wǎng)填料的效率及處理能力。在精餾塔的設(shè)計(jì)過程中，只有合適的設(shè)計(jì)才是最好的設(shè)計(jì)。