唐忠利刘春江袁希钢余国琮
（天津大学国家重点化学工程实验室，天津300072）
摘要介绍了填料塔高压蒸馏领域的最新研究成果，并从压力对体系物理化学性质、流体流动及分布的影响出发，分析了压力对填料塔高压蒸馏的影响。结合最新的试验结果，分析了规整填料高压蒸馏下“效率驼峰”的形成原因。对目前规整填料传质模型进行了评价。 关键词高压蒸馏，填料塔，效率，传质模型
中图分类号T 021.4文献标识码A文章编号1000-6613（2004）04-0353-05
常压下，低沸点的烃类（C
选金工艺1
!C4）物质的分离往往需要在高压下进行，如甲烷蒸馏塔的操作压力是临界压力的70%左右，乙烯／乙烷塔的压力是临界压力的40%!55%，丙烯／丙烷塔操作压力则是临界压力的35%!50%。另外对于
多效蒸馏系统和多组元蒸馏分离系统，为实现节能和节约费用的目的，需要对其换热系统进行最优合成，因而某些蒸馏过程常需要设计在高压下进行。采用高压蒸馏的另一个原因是希望通过提高压力降低传质阻力、增大传质效率［1，2］，从而达到降低塔高、节约成本的目的。
在高压下会有许多奇异的现象发生［3］，例如：对板式塔来说，可能表现为过早液泛；而对填料塔特别是规整填料塔而言，常常表现为效率非常低或出现“效率驼峰”现象。同样是高压下气液传质过程，填料塔用于高压吸收和高压蒸馏过程的表现也不同：前者有很多应用成功的例子［4］，而后者往往出现传质效率降低的现象。此外，蒸馏设备对高压下填料的分离效率也存在着明显的影响。天津大学［5］在塔径为0.15m的规整填料塔上的高压蒸馏试验表明，随着压力的增大，传质效率呈略微增大的趋势；但对大直径（!1m）填料塔而言，却存在着在3000kpa下等板高度HETp高达1.5!2m［6］的工业实例。
高压蒸馏采用板式塔较多。填料塔在高压蒸馏中的应用仅有20多年的历史，在应用过程中有很多失败的教训，究其原因是缺乏理论指导，改造和设计带有很大的盲目性。随着新型填料的发展，近年来对填料塔用于高压蒸馏的研究逐渐增多，国外FR I（F ractionation R esearch I nc.）在这方面做了很多理论和试验研究［1，9］，国内天津大学也做了一些工作［5，10，11］。本文作者将对目前这一领域最新的研究成果进行总结，并从压力对体系的物理化学性
质、流体流动及分布的影响出发，分析填料塔高压蒸馏的特点及其特殊的现象。
1高压下物理化学性质的变化对传质的影响
与常压、减压蒸馏相比，高压蒸馏下物系物理化学性质和流体力学性能均有很大改变，特别是对于轻烃（C
1
!C4）系统，其物理化学性质和传递性质随着流动参数（压力）的变化还呈现单调变化的规律，（如图1，其数据来自H y sis p lant 2.2数据库）。从以下的分析可看出，这些变化对传质过程
的影响不尽相同。
图1正丁烷／正戊烷混合物（1i1）物化
性质随流动参数的变化
从传质阻力的角度来看，当压力增大时体系中气相和液相的性质趋于一致，此时传质阻力应趋向减小；在临界压力下，气相和液相的性质完全相同，此时传质阻力完全消失。H asel den［2］在其板式塔的传质效率试验中证明了这一点。图2表明［2］，随着气相密度和液相密度的比值趋向于1，传质阻力（用传质单元数的倒数来表达）趋向于零。
收稿日期2003-11-11；修改稿日期2004-02-05。
基金项目国家自然科学基金资助项目（N o.20206021）。
第一作者简介唐忠利（1969—），男，博士后。联系人刘春江。电话022-********；E-m ail c j li u"t j u.edu。
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353
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2004年第23卷第4期
化工进展
CHEM I CAL I NDU STRY AND ENG I NEER I NG pROGRES S
图2压力对传质阻力的影响
从传质动力的角度来看，压力升高时，液相密度和黏度的降低使液相扩散能力增强，即加压过程有利于液相传质；反之，增压后气相密度和黏度的增加导致分子间距离减小，使气相扩散系数变小，即加压过程不利于气相传质，故在高压操作工况下，传质多为气膜控制。
从传质面积来看，加压下表面张力的变化影响了气液有效接触面积。图1中显示，随着流动参数（压力）的增大，液体表面张力呈减小的趋势，表面张力越小，有效相接触面积越大。R ocha等［12］对规整填料的吸收和精馏试验数据回归，得到的关联式中有效相接触面积与液体表面张力的0.85次方成反比。B illet［13］模型中的有效相接触面积与液体表面张力的0.75次方成反比。因此，随着压力的增大，气液两相的有效相接触面积呈增大的趋势，从这一点上来说压力的升高有利于气液传质过程。
从以上定性的分析可以看出，很难判断压力增加后传质效率究竟是增大还是减小，要得到明确的结论还需更为严格的理论推导，目前这方面的工作仍属空白。
2压力对填料塔内流体流动和分布的影响
!"#高液相负荷下的相转变和乳化现象
在高压塔中，由于气相密度的增大，单位体积冷凝产生的液体体积增大，使高压蒸馏的操作负荷通常
在20!100m3·m-2·h-1，而气速则较小，!因子通常小于0.5（m·S-1）（k g·m-3）0.5。因此，高压蒸馏具有高气液密度比、高液相负荷、低气速的特点。高密度气相容易分散到液相中，压力越高，液相充气越严重，且气泡越细小；高液相负荷、低气速下，在板式塔中有可能发生相转变，即开始的连续相变为分散相，而开始的分散相变为连
续相。同样，在高液相负荷的填料塔内，液体在填料表面不再以液膜的形式向下流动，此时在整段填料或局部填料内，填料层内由气相富裕（即气相占大部分体积）转为液相富裕，相转变大小取决于填料的几何形状和尺寸以及系统的性质。B illet［13］用空气／水系统测试了常压下散堆填料的相转变点，发现当流动参数FP大于0.4时，发生相转变。考虑到表面张力和黏度的影响，轻烃系统的相转变点不一定为FP I0.4，目前对真实工况下填料塔内相转变及其对传质影响的研究还未见报道。
高气液比或高压工况下还可能发生气液两相流的乳化现象，即乳化态。乳化态就是很大比例的气体被高速液体乳化，即气体被高速液体的剪切力分割成许多细小的气泡分散在液体中。俞晓梅［14］对板式塔中气液两相流的乳化现象进行了研究，并给出了发生由泡沫态向乳化态转变的判据，认为当流动参数FP I0.2!0.3时发生乳化现象。目前在高气液比或高压工况下填料塔内是否存在乳化现象的研究仍属空白。
气相或液相轴向返混被认为是高压下填料塔效率降低的重要原因［1，8，15］，Zui der w e g等［1］研究了散堆填料效率下降的原因，认为液体不良初始分布引起的大尺度气相返混造成了散堆填料高压下效率下降。对规整填料高压下效率下降的原因目前还存在分歧，Noo i j en［15］认为是气相返混造成的，而Zui der w e g［8］认为是液相返混造成的。压力的升高、体系物性的变化以及高液相负荷下流体流动和分布状况等因素都可能引起高压下填料蒸馏塔内气液返混程度加剧，但各因素所起的作用不同。
流体密度和黏度发生轻微的变化都会引起扩散性质明显的变化。L i ndf orS［16］在用KC l水溶液作为示踪剂的试验中发现，流体密度改变0.02%导致了停留时间曲线明显的变化。T an［17］在较大的密度和黏度变化范围内考察了CO
2
在填料塔中轴向返混系数的变化情况，发现随着黏度和密度的增加，轴向返混系数也增加。
Zhan g等［11］采用空气／水体系在直径为150 mm的填料塔中研究了压力对气液两相流在规整填料M ella p ak250Y中轴向返混的影响，压力范围为300!2000kPa。结果表明，在试验条件下两相流气相返混系数随着压力的增大而轻微增大，压力对两相流液相返混系数影响不显著。从Zhan g等［11］的试验结果看，压力对填料塔内气液返混程度影响
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453
·化工进展2004年第23卷
不大。
退火窑液相分布对填料塔内轴向返混程度也有显著的
影响。R icardo ［18］和Zhan g 等［11］
的试验都表明，当液相负荷增大时，两相流气相轴向返混系数增大。
高压下，液相负荷非常大，而气速较低，高液相负荷增大了分配器和填料对液相的分配负担，有可能造成液体不良初始分布，从而在填料层中产生高液速区和低液速区。在高液速区内，气体将会被夹带而下，造成气体的轴向返混；此外在非常高的液速下，流动通道几乎被液体完全阻塞，填料促进气体径向分布的能力降低，从而在径向也造成了气体的不良分布，这一点已经为Kurtz ［19］的试验所证实。
以上的讨论可以说明，单纯从压力升高的影响来看，其对填料塔内轴向返混影响不大，但压力升高后所引起的体系物性的变化以及高液相负荷下液体的不良分布可能是造成高压塔内气液轴向返混程度加剧的主要原因。
3规整填料高压蒸馏下的“效率驼峰”现象
F itz ［7］
在直径为1.2m 填料塔中分别以邻二甲苯／对二甲苯、环己烷／正庚烷、正丁烷／异丁烷作为试验物系，测试了规整填料M ella p ak 250Y 在操作压力为0.69M Pa 、1.14M Pa 、2.07M Pa 和2.76M Pa 下的分离效率。在本次试验中，他们发现了一个有趣的现象，即当操作压力超过1.14M Pa 后，在!因子-~ETP 图上出现了一个“驼峰”形状的图形（如图3所示），C ai ［9］称之为“效率驼峰”（efficienc y hu m p ）
，而且压力越高这种现象越明显。当降低了液体分布器的安装位置并增加了回流液引导管后，“效率驼峰”或者消失或者改变了其出现的位置。
不同学者对“效率驼峰”现象的解释也不同。C ai
［9］
通过比较塔截面不同径向组分的组成，发现
图3FR I 2.76M P a 下规整填料M e lla p ak
250Y 效率测试结果［7
］
床层中存在明显的气液分离现象，并认为它有可能导致了“效率驼峰”的出现。但C ai ［9］的结论与压降和上、下两段填料效率的测试结果相矛盾，在所有压力下填料上部压降比下部压降大约小10%左右，也就是说填料上部的气液分离现象比填料下部严重，如果是气液分离导致了“效率驼峰”，那么上段填料效率应低于下段填料效率，但实际测量的结果恰好相反。因此，C ai ［9］的推断应不能成立。
Noo i j en 等［15］对F itz ［7］
的全回流试验数据进行了分析，并认为液体不良初始分布导致的“大尺度气相返混”造成了高压下“效率驼峰”现象，而
Zui der w e g ［8］
认为液相返混是造成这种现象的主要原因。Zui der w e g 对~ETP 突然改变的临界负荷进行了计算，发现所有压力下效率发生波动的临界负
荷都相似，即都为最大负荷的70%左右。他认为进入载液区后，两层填料间存在着额外的持液量，当气速增大到一定程度时，这部分液体在填料内会出现向上爬升和回落的现象，即形成了液相返混。他的这一设想为模拟试验所证实，所测得的临界气速恰为最大负荷的70%。
C ai
［9］在同一设备上使用相同的测试物系和填
料（M ella p ak 250Y ）重复了F ize 1.14M Pa 下的高压
试验，不同之处在于C ai 使用了较短的床层高度（1.69m ）
。在他的试验中，仍然出现了“效率驼峰”现象，但其填料下段效率高于填料上段效率，这个结果与F itz 的试验结果恰好相反（如图4和图5所示）
，暗示着两个试验中出现的“效率驼峰”有着不相同的形成机理。C ai 认为是气相返混造成了试验中“效率驼峰”的出现。在高液相负荷下，不良液体分布会造成个别波纹通道被液体堵塞，使气体或气泡被夹带而下，导致气相返混。在相同液相负荷下，小波纹通道比大波纹通道的填料更易堵塞，因此C ai 推测波纹通道比M ella p ak 250Y 大的填料很可能不会发生“效率驼峰”现象。他用大通道的I ntalox 4T （比表面积为133m 2·m -3，床层高度为3.81m ）填料重复了1.14M Pa 下的试验，发现在!因子-~ETP 图上并无“效率驼峰”出现。
尽管以上对“效率驼峰”的发生提出了许多机理解释，但大多都停留在推测的层面上，缺乏坚实可靠的试验证明。但可以肯定，“效率驼峰”的发生与蒸馏物系性质、液体分布器、填料形式、填料床层高度
以及每盘填料高度都有关系，在真正探明
“效率驼峰”的发生机理之前，还需做许多试验工作。
·
553·第4期
唐忠利等：填料塔高压蒸馏研究进展
图4板间
F ize
［7］
2.76M P a 下M e lla p ak
250Y
填料效率测试结果图5
C ai 用1.14M P a 下M e lla p ak
250Y 填料效率测试结果
4
高压下规整填料效率预测模型
目前针对规整填料HETP 严格的计算模型有
SRP 模型［1，20］、D elft 模型［21!23］、B illet ［13］
、改进
的B illet ／S chultes ［24］模型以及H anle y 等［25］
借助临界现象理论提出的既适用于散堆填料也适用于规整填料的模型，此外还有许多经验方程和简捷的计算方法，如F rank ［26］提出的仅包含一个比表面积参数的经验公式、基于SRP 模型包含汽液密度和黏
度四参数的Lockett 方程［27］以及改进的Lockett 方程［28］。值得一提的是，Lockett 方程与SRP 模型的
计算结果相比只有5%差别，因此在缺乏物性数据时它不失为一种快速、可靠的估算方法。
需要指出的是，以上计算规整填料HETP 的模型都是针对温和工况（常压、减压蒸馏）提出的，因此是否适用于高压蒸馏还需进一步验证。C ai ［9］
用1.14M Pa 下M ella p ak 250Y （填料床层高度分别为1.69m 和3.78m ）的试验数据对SRP 模型、D elft 模型、B illet ／S chultes 模型进行了检验，发现对填料床层为1.69m 的试验数据，3个模型的预测值偏高，其中以B illet ／S chultes 模型的预测值偏差最大；对填料床层为3.78m 的试验数据，
B illet ／S chultes 模型和D elft 模型的预测值仍偏高，SRP 模型在一小段负荷范围内预测值与试验值较为接近，但总的来说仍不理想。
F itz ［7］用0.002!2.76M Pa 压力下试验数据检验了B illet 模型以及改进的SRP 模型-
G ualito 模型［29］的预测效果。他同样发现，在高压时B illet ／
S chultes 模型估计的效率值过高，而G ualito 模型的预测效果较好。G ualito ［29］认为SRP 模型在高压下
预测的有效相接触面积偏高，因此他引入了一个校正因子对有效相接触面积的计算进行改进，这个校正因子在低压下对有效相接触面积的计算并无影响，而在高压下使其计算值减小许多，因此经G ualito 修正的SRP 模型在中高压阶段预测较准。
还有一种预测HETP 的方法是“返混单元高
度法”（HDU ）。这种方法最早是由M i y auchi ［30］
提出的，B ecker ［31］对这种方法进行了理论推导。
Noo i j en ［15］和Zui der w e g ［1］
曾用这种方法分别计算了小尺度气相返混和大尺度气相返混对高压下填料效率的影响。“返混单元高度法”将总的气相传质单
元高度（HTU o g ）分为没有返混影响的传质单元高度（HTU g ）
和因返混而形成的返混单元高度（HDU ），HTU g 可由SRP 模型来计算，HDU 根据返混的机理（小尺度返混或大尺度返混）来计算。这种方法在一定程度上提高了SRP 模型预测高压下填料效率的精度，由于在计算HDU 过程中要用到实测的返混系数，因此实际上考虑了因设备差异造成的对效率的影响。
此外孙树瑜［32］、张红彦［33］以及唐忠利［34］用
一维混合池模型对填料塔中液相和气相轴向返混行为对精馏分离效率的影响进行了推导，并分别得到
了包含返混影响的HETP 计算公式。R icardo ［35］
也提出了一个考虑返混因素在内的HETP 计算方法，
计算结果与F ize 的试验数据吻合较好。
5
结语
尽管近年来填料塔在高压蒸馏领域的应用和研究增多且有许多成功的例子，但理论研究方面进展仍显缓慢，其中一个重要原因是公开发表的高压下传质数据和流体力学数据非常少，因此未来应加强试验研究和试验数据的积累。在针对高压蒸馏的HETP 模型研究方面，有效相接触面积的预测是一
个关键因素，要在这方面取得突破，还有赖于采用先进的照相技术。此外，通过对规整填料塔内流体流动机理的研究和模型的建立，有望利用CFD 计
·
653·化工进展
2004年第23卷螺纹脂
算软件来实现对高压下填料上流体流动和传质的模拟，并最终达到应用工业设计的目的。
符
水性阻燃剂号
说
明
D l ，D g ———分别为液相、气相扩散系数，m 2／s
FP —
——流动参数L G !g !!（）
l
，量纲为1
G ———气相流量，m o l ／s L ———液相流量，m o l ／s
N —
——传质单元数S c l ，S c g —
——分别为液相、气相施密特数"!
（）
D ，量纲为1t b ———沸点，C #———表面张力，N ／m !l ，!g ———分别为液相、气相密度，k g ／m 3"l ，"g
———分别为液相、气相黏度，P a ·s 参考文献
1
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Abstract P ro g ress i n research on structured p ack i n g i n h i g h p ressure a pp lication is i ntroduced.T he effect o f p ressure on
the p h y s ica l p ro p erties ，
h y drod y na m ic behav io r and m ass trans fer i n p acked toW er is rev ieW ed and d iscussed.T h
e cause o f p ack i n g effic ienc y lo ss and “
effic ienc y hu m p ”at h i g h -p ressure d istillation is su mm arized and ana l y zed on the bas is o f the m o st recentl y ex p eri m enta l resu lts.T he va lid it y o f various m ass trans fer m ode ls from the literature fo r esti m ati n g structured p ack i n g effic ienc y at h i g h -p ressure cond ition is eva luated.
K e y words hi g h -p ressure distillation ，p acked toW er ，
efficienc y ，m ass transf er m odel （编辑奚志刚）·
753·第4期
唐忠利等：填料塔高压蒸馏研究进展
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