徐宝平，张 龙，谢英芹

(1 中国石油化工股份有限公司，江苏 南京 210033；2 中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001；3 天津天大天久科技股份有限公司，天津 300000)

当超微颗粒、超微设备尺寸减小到一定条件，将引起材料宏观物理、化学性质上的变化，称为小尺寸效应。这种现象已经得到自然科学界广泛的认识、深入的研究和较广泛的应用。

在化学反应工程上，随着物料颗粒直径、设备尺寸的减少，比表面积、堆密度、表面张力等发生明显的变化，会显著改变化学反应的速度和传质传热的效率。目前已经逐渐得到应用的微反应器，就是利用精密加工技术制造的特征尺寸微米级的微混合器，微换热器和微反应器。由于其内部的微结构使得微反应器设备具有极大的比表面积，可达搅拌釜比表面积的几百倍甚至上千倍，微反应器有着极好的传热和传质能力，可以实现物料的瞬间均匀混合和高效的传热，因此许多在常规反应器中无法实现的反应都可以微反应器中实现[1]。

在石油化工领域中应用较多的汽—液传质设备是蒸馏塔、精馏塔、吸收塔、解析塔。塔设备主要分为板式塔和填料塔两大类型。板式塔由于结构较为简单，易于放大，造价较低，所以目前仍广泛应用于化工、炼油、食品、轻工等许多部门，其中以圆形浮阀塔板和筛板塔板应用最为广泛。因此，新型的传质塔设备的设计，性能研究和优化在工业上具有很重要的意义[2-4]。国内某石化设备制造单位，根据多年生产和制造经验，提出了分馏塔内构件的“微观气液接触”理论和“微尺寸制造”概念，在工业应用中得到了理想的验证，收到了显著地经济效益。

1 板式塔内气——液流体的描述

在板式塔内，液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下层塔板的受液盘，然后横向流过塔板，从另一侧的降液管流至下一层塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的液层。

图1 分馏塔内部结构和流体走向

气体则在压力差的推动下，自下而上穿过各层塔板的气体通道(泡罩、筛孔或浮阀等)，分散成小股气流，鼓泡通过各层塔板的液层。在塔板上，气液两相密切接触，进行热量和质量的交换。在板式塔中，气液两相逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相为连续相，气相为分散相。其内部结构和流体走向如图1所示。

2 板式塔流体效果影响因素

板式塔的流体力学性能(塔板水力学计算)主要包括：塔板压降、液泛率、雾沫夹带、漏液率、堰上液流强度及降液管负荷等。

板式分馏塔在某种应用条件下，实际处理能力低于普通公式计算出来的未经修正的处理能力，主要有系统因子、安全因子和起泡因子三方面的原因。

系统因子和分离物质的物性有关。当设计范围超出了经验关联式的物性数据的范围时，常使用系统因子。

安全因子用于弥补特定的关联式与基本数据的偏差。它反映了处理量、压降或效率计算值的不确定性。在有些情况下，由于存在测量误差等因素的影响。特定关联式的计算结果与数据可能吻合的不好，因此需要使用安全因子[5]。

起泡因子常常会降低塔的处理量，影响一个或多个关键变量，如塔直径、塔板间距、降液管面积、降液管类型(直型或斜型)等等。

3 板式塔升气阀尺寸对分馏效果的影响

小径浮阀、固阀较常规尺寸(直径35～50 mm)更小，一般直径只有25～35 mm。在分馏过程中，由塔内下部上升的气相先通过塔盘开孔，再通过浮阀、固阀下沿的间隙与塔盘上的载液接触进行传热、传质的分馏过程。通过理论研究发现，在相同开孔率下，浮阀、固阀的尺寸越小，塔盘开孔总周长越长，浮阀、固阀下沿的间隙就越大。

图2 普通升气阀和小尺寸升气阀的排布对比

以下用一具体的示例来说明：

在如图2所示的500 mm×700 mm的矩形面积内，可以排布100 mm×30 mm的升气阀24个，开孔率=100×30×24/500/700=20.6%。

在阀片高度30 mm的情形下，四侧面升气阀侧面的升气面积=(100+30)×2×30×24=187200 mm2=0.1872 m2；

双侧面升气阀侧面的升气面积=100×2×30×24=144000 mm2=0.144 m2。

在相同矩形面积内，可以排布50 mm×15 mm的升气阀91个，开孔率=50×15×91/500/700=19.5%。

同样在阀片高度30 mm的情形下，四侧面升气阀侧面的升气面积=(50+15)×2×30×91=354900 mm2=0.3549 m2。

双侧面升气阀侧面的升气面积=50×2×30×91=273000 mm2=0.273 m2。

通过上述示例对比说明，过大尺寸的升气阀，会增加气体在升气阀侧面的喷射速度，增加液泛和泡沫携带。适宜尺寸的升气阀则会降低液泛和泡沫携带的风险。但是过小尺寸的升气阀也会有升气孔堵塞、板强度降低和阀门开启压力增加和全塔压降上升的可能性。

4 气液接触界面系数的定义

在现有的常规设计中，用开孔率来表征塔盘的气相通过能力。通常塔板开孔率有2种，一是塔截面积开孔率，二是鼓泡面积开孔率。合理的开孔率不但可以使气体顺利通过，而且还能减少雾沫夹带和降低泄露，同时防止发生喷射液泛。其定义为筛板上筛孔的总面积与开孔区(又称有效传质区)面积的比值，即：

Φ=A0/Aa

式中：Φ——开孔率，%

A0——筛板上筛孔的总面积

Aa——开孔区 (又称有效传质区)面积

开孔区：可以布置筛孔或传质元件的区域。

此外，还用流体的速度、密度进行浮阀性能的修正。如升气阀的开度与阀孔处气相的动压有关，而动压又取决于气体的速度和密度。综合实验结果可知，可采用由气体速度与密度组成的“动能因子”作为衡量气体流动时动压的指标，俗称F因子。

但是，分馏塔内气体上升的物理行程中，在通过升气阀后，和在气液接触前，还有个通过升气阀侧面空隙的过程，这个过程的气体速度才能真正表征气液接触的强烈和缓和程度，因此基于上述开孔率的定义，定义气液接触界面系数Ic(interface transfer coefficient)是非常有必要的。为此，可以定义如下：

Ic=As/Aa

式中：Ic——气液接触界面系数

As——升气阀全开时，升气阀侧面的流通面积

Aa——开孔区 (又称有效传质区)面积

在上述24个升气阀的示例中

Ic(四侧面)=((100+30)×2×30×24)/(100×30×24)=2.6

Ic(双侧面)=(100×2×30×24)/(100×30×24)=2.0

在上述91个升气阀的示例中

Ic(四侧面)=((50+15)×2×30×91)/(50×15×91)=5.2

IC(双侧面)=(50×2×30×91)/(50×15×91)=4.0

由此可见，随着升气阀尺寸的缩小，Ic系数会逐渐增加。

5 微型升气阀应用效果

高效微型固阀塔盘是国内某科技公司开发的新一代高效固阀塔盘，其主要特点为根据塔的汽液负荷及操作弹性，利用计算流体动力学(CFD)对固阀的尺寸等相关参数进行全方位优化，可以提高汽液交换的效率和频率，从而全方位提高塔盘的效率，降低塔盘的压降。与传统塔盘相比，传质效率提高20%以上，压降降低10%以上，操作弹性接近浮阀塔盘，安装和维护成本低于浮阀塔盘。同时，该型塔盘还有抗堵塞、低压降等诸多优点。

采用优化设计的微型固阀塔盘(图3)由于开孔尺寸远小于通用浮阀，相同开孔率下，布阀的数量、布置面积远大于通用浮阀，可以有效提高塔盘的效率。

图3 微型升气阀外形

随着我国原油加工能力的不断增加，及越发明显的原油劣质化和重质化趋势，焦化吸收塔、循环氢脱硫塔和脱硫溶剂再生塔都超负荷运行，急需对上述各塔进行扩能改造。现有常规的方法或是增加塔内构件的开孔率，或增扩塔器的直径，或是采用异形浮阀。以上措施一是改造工作量大、周期长、投资多，二是部分场地受限，无法扩径，三是扩容幅度有限。

微型塔盘可以弥补上述不足，用较低的改造费用，较显著地改善气液分离效果。以某延迟焦化吸收塔的改造为例，若将直径为2.5米的吸收塔扩径至3.0米，扩能幅度约40%。其设计、制造和施工总费用约500万元，施工周期约50天。而采用小径浮阀或固阀的改造费用仅需50万元，施工周期仅为10天。该案例改造后，干气中C3以上含量较改造前从5.79%降至2.43%，液化气产量增加1.8 t/h，按全年8000 h计，年增产液化气约14400吨，以干气与液化气差价1000元/吨来计，全年经济效益为1440万元。

另一炼厂的催化裂化装置中，原吸收稳定系统采用常规尺寸的组合导向浮阀塔盘，开工后干气中碳三以上含量3%左右。2016年采用了微型固阀塔盘对吸收塔、再吸收塔和解吸塔进行改造，改造后塔板气相、液相负荷分别提升了10%、30%，干气中的碳三以上组分下降至1.5%以下，液化气产量提高了30%，经济效益显著。

6 结 论

(1)在石化分离领域应开展小尺寸效应的广泛研究和工业应用；

(2)在开孔率基础之上定义气液接触界面系数是非常有必要的；

(3)工业试验证明，微型升气阀改造简单，费用少，效果明显。