Organo-Fluorine Industry
2020年第4期・21・MellapakPlus™填料在四氟乙烯精谪改造中的成功应用 徐圣君沈沙丽李海杰
(上海苏尔寿工程机械制造有限公司，上海201306) 摘要：四氟乙烯(TFE)是一种重要的氟化工原料，主要用途是作为单体生产各种均聚或共聚的高聚物。其质量对含氟聚合物的质量是至关重要的，所以国内外四氟乙烯生产厂都十分重视四氟乙烯的纯化工作。但由于四氟乙烯纯化难度较高，纯化过程中的高能耗导致了生产成本居高不下，给厂商们带来了压力。以降本增效为目的，某知名氟化工企业与上海苏尔寿通过对现有运行装置的设计分析，针对性地提出优化解决方案，并在方案实施后，有效解决了能耗高及产品纯度不高的问题，在节能的同时，大大提高了企业在市场上的竞争力。 关键词：四氟乙烯；纯化；降本增效；优化解决方案；节能
0前言
四氟乙烯(TFE)是一种重要的氟化工原料，主要用于生产氟塑料等高分子材料，也是合成多种含氟精细化
工产品的主要原料，其用途广泛，是目前最主要的氟化工原料，其质量对含氟聚合物的质量至关重要。为了获得高性能的含氟高聚物，必须保证四氟乙烯的纯度，所以国内外四氟乙烯生产厂都十分重视四氟乙烯的纯化工作。20世纪90年代，国外已要求四氟乙烯的纯度高达99.9994%[1]o
在四氟乙烯生产过程中，精憎提纯是保证四氟乙烯产品质量关键的一步，也是装置中能耗较高的一个单元。由于进料热解气的组分复杂，轻重组分分离难度大，往往需要耗费较高的能耗，才能达到市场要求的四氟乙烯产品纯度。
透水混凝土做法当下的市场竞争日益激烈，追求能耗优化以降低生产成本对生产厂商来说变得尤为迫切，这使得对四氟乙烯纯化单元的设计优化有了重要的意义。
1设计分析和改进方案
一般而言，四氟乙烯的纯化过程装置主要包含
5个塔：脱轻塔、TFE精搐塔、TFE回收塔、脱高沸物塔和HCFC-22回收塔。通过精憎提纯的方式，从进料热解气中得到高纯度的四氟乙烯产品⑴。其中，脱轻塔和TFE精搐塔是生产合格四氟乙烯产品的两个关键设备，其设计特点可概括为：产品纯度要求高；高理论板数；高回流比；高操作压力；塔径较小；物料容易聚合。
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由于对理论板数的要求高，迫使目前国内的设计中大量采用了CY700型丝网填料，同时较高的填料高度以及多个填料床层的设计，使得该塔在塔径不大的情况下，整塔高度非常高。与此同时，较高的回流比设计造成了该塔的能耗过高，生产成本大幅提高。
苏尔寿在了解了脱轻塔和TFE精憎塔的设计参数后，发现两个塔的操作压力均在1.0~ 1.8 MPa，这与工业界普遍认为的适合使用规整填料的条件相差甚远。因为担心规整填料在该塔中的使用效率问题，苏尔寿对该塔规整填料的设计进行了合理性分析。
分析发现，该体系中的物性参数与常规桂类加工中的物性参数相差甚远，其中关键的物性参数为：气相密度50-60kg/m3；液相密度1200~1280kg/m3；液气密度比20-25；液相黏度0.54~0.79mPa•s；液相表面张力7~10mN/m。
虽然由于操作压力的原因导致气相密度较高，但非常高的液相密度使得液气密度比仍在20以上，这有利于规整填料在该物系中的效率发挥，同时液体的表面张力和黏度也都说明了该物系适用规整填料。所以，经过初步分析认为，脱轻塔和TFE精懈
作者简介：徐圣君(1981-)，男，本科，苏尔寿全球应用经理，苏尔寿填料塔设计应用专家以及装置故障处理专家，主要从事塔内件、填料及塔盘技术与产品的设计审核及装置故障分析解决等工作。
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塔使用规整填料是合理的。
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考虑到脱轻塔和TFE精懈塔的理论板数要求较高，而且塔径不大，国内在设计这两个塔时一般选用CY700型丝网填料，该填料被普遍认为具有分离效率高、压降小、生产能力大等优点。
从前面的合理性分析和该物系的分离难易度来看，设计选用丝网填料似乎没有太大的问题，而且丝网填料作为高效填料毋庸置疑，但实际使用的效果却并不尽如人意。
在客户改造项目的执行过程中，苏尔寿通过了解现有运行塔的设计参数和运行情况，并综合评估了这两个塔的水力学设计。最终发现，由于这两个塔的操作压力高，分离难度大，所需的操作回流比大，所以造成了该塔的液相载荷较大。两台塔的水力学评估汇总如表1和表2所示（丝网填料CY700水力学核算基于苏尔寿丝网填料CY的核算结果）。 表1脱轻塔水力学参数（苏尔寿CY）
单元填料塔径/mm F因子/Pa°"1单位压降/（kPa・m"）液体喷淋密度/（m‘•m"•h-'）泛点率/%精憎段CY600 1.400.71031.7090.8
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提憎段CY600 1.290.67134.3388.3
表2TFE精tg塔水力学参数（苏尔寿CY）
单元填料塔径/mm F因子/Pa*'单位压降/(kPa•m_,)液体喷淋密度/（m3-m".h-1）泛点率/%精憎段CY700 1.460.5252&0088.1
提憎段CY700 1.430.62530.9489.8注：苏尔寿推荐CY填料的最大允许设计泛点率为80%或者最大允许单位压降为0.3kPa•m"
其中F因子是气体密度校正后的气相空塔速率，单位为Pa。」，可按式（1）计算⑷：
作皿"⑴
式中，V为气相体积流量,m3/s；4为塔的截面积,m'仇为气相密度,kg/m3o
水力学核算结果显示，CY填料已处于合理的水力学操作范围之外，这时填料的效率因为填料内部早期液泛的产生而急剧下降，虽然塔还未液泛，但使用效果会大打折扣。显然，在该塔现有操作条件及塔径下，苏尔寿CY填料也不适合在该塔中使用。
根据苏尔寿的研究发现，丝网波纹填料和金属板波纹填料各具特点。在真空应用中，丝网波纹填料以低压降和高效率而著称。然而，在某些情况下，相对板波纹填料，丝网波纹填料的这些优势可能会完全消失。自20世纪60年代苏尔寿首次发明规整填料以来，市场上存在各种各样的规整填料产品，这些形式各异的填料常常困惑着使用方。由于使用方无法辨别其性能高低，所以在业界中具有争议的做法 之一，就是仅仅以产品的比表面积和波纹角度来衡量该产品的性能高低。但对填料来说，这种做法并不正确。
苏尔寿丰富的实验室数据包含市场上一些常见的产品测试结果。为了便于说明，本研究引用一款从国内市场上采购的具有代表性的丝网波纹填料，并与苏尔寿相关产品进行了比较。
这款具有代表性的丝网填料的名义比表面积标注为500m7m3，波纹夹角为30。。尽管与Sulzer BX 具有相似的名义比表面积，但是该填料的织物与Sulzer BX的织物有显著不同。为方便起见，将这款丝网填料称为W500。
测试是在标准二元测试混合物单氯苯和乙苯的全回流条件下进行，操作压力分别为5、10和96 kPa。在不同压力下，不同填料的测试结果分别如图1、图2和图3所示。
通过对比图1~图3中的测试结果，发现尽管具有相同的比表面积和波纹角度，从国内市场上采购的丝网波纹填料并未表现出苏尔寿工业标准产品Sulzer BX的高效率，其测试结果类似于苏尔寿板波纹填料Mellapak™的特征。通过对W500的测试，也间接说明了CY700填料的性能类似于苏尔寿板波纹填料Mellapak™，而无法真正达到Sulzer CY的同等效率。
2020年第4期徐圣君等・MellapakPlus™填料在四氟乙烯精馆改造中的成功应用・23・
g 10.00■ BX ▲W500▲10
8■ BX AW5001.00■60.104
2
0.01 L
014502 3F 因子/Pa" (a)压降曲线 图1 W500和Sulzer BX 在5 kPa 下的压降曲线和效率曲线
12 3F 因子/Pa 。$ (b)效率曲线45
0、10.00-1.00亍 0.100.01▲ 10 -・BX °A ■
AW500 a ° ■ g
8OM500.X Ao " W J 6 言42
---------------1---------------1---------------1--------------1---------------1 n ■■
▲- o o ▲
1 1
1452 3F 因子/Pa 。$ (a)压降曲线■
BX
AW500 OM500.X 10.00图22 3F 因子耐$(b)效率曲线
W500s Sulzer BX x Sulzer Mellapak 500. X 在 10 kPa 下的压降曲线和效率曲线
45
-・BX ▲ W500OM500A 10 r
8■ BX
▲ W500
OM500.X 1.0066-0.104o o o
2▲
0.010.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5F 因子/Pa"(a)压降曲线00.5 1.0 15 2.0F 因子/Pa"(b)效率曲线 2.5 3.0 3.5
图3 W500、Sulzer BX 、Sulzer Mellapak 500. X 在96 kPa 下的压降曲线和效率曲线
在图1 ~图3中,NTSM 为每米理论板数，代表了 填料的效率，数值越大说明效率越高。dp/dz 为单位 压降，单位压降越高，说明填料产生的压降就越高⑵。以上引用的数据显示，丝网波纹填料建议仅在 真空和低液负荷下使用，在常压和液体量比较大的应用中，丝网填料对Mellapak™的效率优势逐步消 失。在这种工况下，由于成本优势，Mellapak"应该 是更好的选择。使用苏尔寿板波纹填料Mellapak™对
脱轻塔和TFE 精懈塔进行水力学核算，水力学评估 汇总如表3和表4所示。
表3脱轻塔水力学参数(苏尔寿Mellapa/M)
单元填料塔径/mm F 因子/Pa°』单位压降/( kPa • m ,)液体喷淋密度/(m ‘ - m-2 - h ')泛点率/%精憎段Mellapak™600 1.400.89531.7089.6提懈段Mellapak™600 1.290.85734.3386.8
表4 TFE 精憎塔水力学参数(苏尔寿Mellapak")
单元填料塔径/mm F 因子/Pa"5单位压降/(kPa - m*')液体喷淋密度/( n? • m -2 • h 1)泛点率/%精憎段Mellapak™700 1.460.68128.0087. 1提懈段Mellapak™700 1.430.81630.9488.6注：苏尔寿推荐Mellapak™填料的最大允许设计泛点率为80%或者最大允许单位压降为0. 3 kPa/m
有机氟工业
Organo 一 Fluorine Industry 2020年第4期
・24・水力学核算结果显示，使用与CY700结构相似 的Mellapak 1M 填料，也已处于合理的水力学操作范 围之外，这时填料的效率因为填料内部早期液泛的 产生而急剧下降，虽然塔还未液泛，但使用效果会大 打折扣。总之，如果使用几何结构相似的苏尔寿填料 （丝网填料CY 或结构特征类似的板波纹填料 Mellapak™ ）来评估CY700在这两个塔中的水力学 表5脱轻塔水力学参数（苏尔寿MellapakPl
单元填料塔径/mm F 因子/Pa"单位压降/( kPa • m l )液体喷淋密度/(m 3 - m'2 - h-')泛点率/%精僧段MellapakPlus™600 1.400.43031.7081.2提憎段MellapakPlus™600 1.290.46334.3379.8
表6 TFE 精馄塔水力学参数（苏尔寿MellapakPlusTM ）
单元填料塔径/mm F 因子/Pa"单位压降/( kPa ・m-')液体喷淋密度/( m3 - m 2 - h ')泛点率/%精镭段MellapakPlus 1'1700 1.460.26728.0077.8提憾段MellapakPlus rM 700 1.430.35530.9480.0
注：苏尔寿推荐MellapakPlus"填料的最大允许设计泛点率为90%或者最大允许单位压降为0. 55 kPa/m 水力学核算结果显示，使用与CY700效率相当 的MellapakPlus™填料，仍处于合理的水力学操作范 围之内，完全可以满足操作要求。MellapakPlus™规整填料集合了 Mellapak^填料 的所有优点并具有新的特点，即在每个填料单元的 上部和下部，波纹的方向渐渐接近垂直方向，这样 的好处是：汽相在相邻两个填料单元接触面渐渐地 改变方向，平滑的流过；在两层填料交接的部位，汽 相流动的方向几乎与垂直方向平行，汽相流速因此 相对于填料单元内部降低了 25%。
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以上两点降低了压降和汽液相之间相互作用的 剪切力，这对于存在厚而且不稳定液膜的填料连接 处至关重要，这样就降低了两层填料连接处早期液 泛的可能性。Mellapak™和MellapakPlus™的持液量 测试结果如图4所示。
性能，从表1 ~表4的水力学计算结果就可以看出， CY700填料已接近液泛，这对填料的性能发挥产生 了一定的影响。所以建议使用苏尔寿规整填料 MellapakPlus™对该塔进行改造，同时更换所有的液 体分布器，以达到要求的液相分布质量，从而确保填
料的效率。使用苏尔寿规整填料MellapakPlus™对 脱轻塔和TFE 精憎塔进行水力学核算，水力学评估 汇总如表5和表6所示。
MellapakPlus™的性能通过了美国精憎协会 （FRI ）的测试认证。它的优势为：对于新塔，可以 缩小
塔径；对于改造塔，在维持同等效率的前提下可
以显著提升处理能力或降低操作压降。Mellapak™ 和MellapakPlus™的性能对比如图5所示。Separation efficiency & pressuredrop F 因子炉庐
图 5 Mellapak™和 MellapakPlus™
的性能对比
2020年第4期徐圣君等•MellapakPlus™填料在四氟乙烯精傳改造中的成功应用•25•
2方案实施和开车效果
在改造方案的实施过程中，苏尔寿通过对现有
运行塔中内件设计和填料安装的大致了解，发现以
下问题：1)国内丝网填料在质量控制上参差不齐，
局部填料出现挤压变形;2)填料安装时的错误操
作，造成填料的挤压变形;3)分布器和塔内件设计
不合理，无法满足高效率填料的汽液相分布要求。
这些因素会直接影响填料的效率和实际处理能力，
导致塔的运行效果不佳。
苏尔寿在机械设计以及后续的安装过程中，严
格把控各个环节的质量，并对每个分布器出厂前进
行了分布性能的测试，确保达到设计要求的液体分
布质量，这对高效率填料的性能发挥是至关重要的。
经过改造并在系统重新开车后，客户对这两个
塔的运行参数进行了收集和评估，对比改造前后的
数据发现，改造后节能效果明显且产品质量有所提
高，具体对比参数如表7和表8所示。
表7改造前后的能耗对比
脱轻塔TFE精憎塔
蒸汽消耗量/(kg•h,)节能幅度
/%
蒸汽消耗量
/(kg•h I)
节能幅度
/%
改造前450-1305-改造后36020.043266.9表8改造前后的产品质量对比
w(TFE)/%⑷(杂质)/%改造前99.78050.2806锅炉除渣设备
改造后99.99090.0092
对于此次的改造效果，客户非常满意,TFE精憎塔的节能效果尤为显著，除此之外，四氟乙烯产品纯度
也明显优于以往。同时客户明显感觉到这两个塔在改造后，操作调整上也更平稳，对于本次的改造给予了很高的评价和肯定，并在后续相同和类似的装置改造及新建中，双方继续合作，在节能降耗以及产品升级方面取得了进一步的成功。
3结论
填料塔的操作弹性大，汽液传质效果好，为获得高纯的四氟乙烯单体提供了良好的条件。但不适当的填料塔设计，也会给操作造成很多问题。
上海苏尔寿通过对现有装置中四氟乙烯纯化单元能耗高的问题进行分析，提出了对脱轻塔和TFE 精憎塔的合理化改造方案，通过将现有的CY700型丝网填料更换为苏尔寿新一代规整填料MellapakPlus™后，改善效果明显。
同时，通过本次成功的改造，对于该塔的设计及填料的选型有了一个全新的认识，并不是在任何情况下，丝网填料都是高效填料的代名词。板波纹填料在特定情况下，配合合理的塔内件设计，完全可以提供优于丝网填料的效率及处理能力。在精憎塔的设计过程中，只有合适的设计才是最好的设计。
参考文献
[1]朱顺根.四氟乙烯的纯化[J].化工生产与技术，1997
(2)：1-5.
[2]Sulzer Chemtech.Packing Handbook,2012.
Successful Revamp with MellapakPlus1'1on TFE Purification
XU Shengjun,SHEN Shali,LI Haijie
(Sulzer Shanghai Engin.&Mach.Works Ltd.,Shanghai201306,China)
Abstract:Tetrafluoroethylene(TFE)is a key raw material of fluorine chemical industry,it is mainly used as monomer to produce various homopolymer or copolymerized polymer.The quality of TFE is very crucial for fluoropolymers so that TFE purification is recognized of high importance by manufactures.Due to difficulty of the purification of TFE,high energy consumption leads to high operation cost which is squeezing the margin and TFE manufacturers losing competitive advantage as a consequence.In order to reduce operating costs and improve efficiency, one fluorine chemical company,well-known in the market,cooperated with Sulzer Shanghai analyzing the design at current operation and working out a design optimization.Revamping and implementation of the new design,successfully solved the issue of high energy consumption,increased enterprise's competitiveness on the market.
Keywords:tetrafluoroethylene；purification；reduce operating costs and improve efficiency;design optimization；energy consumption
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