前　言
在国家鼓励和发展重大装备的大背景下, 配套
重大装备的空分设备也迅速发展起来, 对大型空分
设备的需求也日渐增多。在短短的5 年内, 空分设
备的规模迅速提高到60000m3/ h 等级, 我国步入
了大型空分设备发展的新时代。
精馏塔是空分设备的核心部机, 是实现流程设
计目标的关键。杭氧经过多年的努力, 在精馏塔的
研发和设计中应用了多项新技术, 尤其是计算机的
应用, 为空分设备精馏塔的设计提供了更为可靠的
设计依据, 使塔的性能和安全性得到了很大的提
高。笔者针对目前应用于大型空分设备的精馏塔技
术现状作一介绍, 并对以后精馏塔研究的方向作一
些探讨。
1 　应用于大型空分设备精馏塔的技术现状
随着空分设备应用领域的扩展和空分流程的多
样化, 用户对产品的产量、纯度和提取率要求越来
越高, 这给精馏塔的设计增加了难度, 但同时也促
进了精馏塔技术的进步。
111 　高效四溢流筛板塔
在同样的操作范围内, 大型空分设备的空气处
理量将变化更大, 如果应用普通的溢流塔板将很难
理想地控制塔板的操作液面高度, 而且大直径塔板
面临流路太长、液面落差大, 造成塔板不能稳定工
作和发挥应有的效率等问题。为了解决这些问题,
杭氧大胆开发了四溢流塔板, 能有效利用塔内面
积, 缩短流路, 减少液面落差, 降低溢流强度, 有
效改善气液接触, 大大提高了塔板效率和液体处理
能力。四溢流塔板现已经成功应用于宝钢集团
30000m3/ h 、灵谷化工有限公司50000m3/ h 等空分
设备下塔中, 大大改善了下塔的精馏效果。
112 　规整填料塔
杭氧在20 世纪70 年代末期, 就率先在小型制
氧设备及小型高纯氮设备上应用了规整填料, 并取
得了成功。由于规整填料塔具有效率高、压降小、
持液量小和操作弹性大的特点, 所以很早就被广泛
应用于石油、化工等领域。尽管在空分设备上的应
用相对较晚, 却发展迅速。它为生产高纯度氧、氮
产品提供了可能, 也在全精馏无氢制氩技术中起到
了关键作用。更值得一提的是应用填料塔后, 上塔
的操作阻力大大降低, 为空分设备的节能降耗作了
很大的贡献。
规整填料塔已经成熟地应用于大型空分设备上
塔、粗氩塔和精氩塔中, 如中原大化52000m3/ h
和宝钢集团60000m3/ h 空分设备项目。而且填料
塔国产化技术也逐步提高, 特别是氩塔, 已基本实
现国产化。
规整填料塔技术在中压的下塔中应用, 国内还
在摸索过程中, 现阶段只有在操作范围要求大的空
分设备且四溢流塔板不能满足需求时, 才考虑采用
填料型下塔。现今实际应用的填料型下塔的运行参
数也将为今后的研究提供设计经验和对比依据。
113 　高效分配器
规整填料塔对初始分布敏感, 而且为提高填料
的操作效率, 隔一定高度需要安装收集、分布装
置, 因此, 如何发挥填料塔的生产潜能, 一定程度
上取决于收集、分布装置的设计。
在填料塔应用初期, 收集、分布装置包括液体
收集器和分布器, 其特点是液相混合充分, 但其结
构复杂, 而且要浪费一定的设计高度。针对这些情
况, 杭氧开发应用了独立高效的槽盘式分配器, 将
收集和分布装置合二为一, 在保证液相充分混合、
气相均匀分布的同时, 大大节省了操作压降和设计
高度。
经过多年的实际应用, 槽盘式分配器已经应用
到了直径4m 以上的填料塔中, 并以其可靠性保证
了空分设备的成功运行, 也为空分设备的国产化提
供了技术支持。
114 　合理的进出口结构设计
不论是筛板塔, 还是填料塔, 都要考虑对进出
口物料的处理。比如对于直径为415m 的精馏塔,
进口的气体在操作压力下一般要有一定的高度才能
分布均匀, 而且必须距离操作液面015m 以上。但
如果加装气体分配器, 气体在较低的高度内既能分
布均匀, 又避免了气体流动对操作液面的影响, 可
以降低整塔的设计高度。对液体进料也一样, 设计
合理的结构, 可以优化物流分配, 优化塔内物流的
稳定性, 如闪蒸槽和预分配器等, 都有助于提高精
馏塔的分离效率。
2 　特大型精馏塔的设计技术
在大型精馏塔的开发过程中, 杭氧还应用了其
他先进的分析技术, 其中主要有计算流体力学分析
技术和ANSYS 有限元分析技术。
211 　计算流体力学分析技术
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics ,
CFD) , 是用离散化的数值方法及电子计算机, 对
流体无黏绕流和黏性流动进行数值模拟和分析的学
科, 它是将计算机技术应用于传统的流体力学而兴
起的一门学科。计算流体力学是为弥补理论分析方
法的不足而于20 世纪60 年代发展起来的, 其主要
的方法为有限差分法和有限元法。
在大型空分设备精馏塔的设计过程中, 计算流
体力学分析技术的应用也只是处于尝试阶段, 仅局
限于对简单的流体运动, 用计算的方法来确定塔内
结构的设置。如果能顺利应用, 计算流体力学将用
来解决在实际工作中的液体和气体的流动情况。通
过建立填料和塔内结构的实际模型, 加载给定的温
度、压力等参数, 来模拟流体在塔内的实际运动状
态, 真实模拟设备工作运行情况。这将大大提高设
计的精确性, 而且可以发现新的流路问题, 优化塔
内件的设置, 甚至为将来改进填料参数和开发新的
填料提供技术支持。
212 　ANSYS 有限元分析技术
有限元分析( Finite Element Analysis , FEA)
是将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子
域组成, 对每一单元假定一个合适的(较简单的)
近似解, 然后推导求解这个域总的满足条件, 从而
得到问题的解。有限元的基本概念是用较简单的问
题代替复杂问题后再求解。这个解不是准确解, 而
是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解,
而有限元不仅计算精度高, 而且能适应各种复杂形
状, 因而成为行之有效的工程分析手段。
塔器大型化后工艺流程复杂, 而且受到现场安
装条件限制, 大型塔器要受到许多机械载荷的作
用, 如自重、内压、介质重量、风载和地震载荷等
等, 这些载荷的共同作用就会造成设备的强度、刚
度、稳定性等出现问题。而当这些问题出现时, 通
过常规的计算是很难准确判断设备是否安全。而使
用ANSYS 有限元分析方法, 就能从结构分析(包
括结构静力分析、结构非线形分析) 和结构动力分
析方面来准确判定塔器是否满足设计要求, 为保证
空分设备塔器的安全性、可靠性提供设计依据。
3 　杭氧精馏塔新技术的研究方向
目前, 杭氧已经成功研发了60000m3/ h 等级
空分设备, 为了实现更大等级空分设备的国产化,
精馏塔的设计有待进一步优化。
311 　高效四溢流塔板的优化研究
塔板的工作方式: 气体以鼓泡或喷射形式穿过
塔板上液层, 使气、液两相相互接触, 进行传热、
传质过程。因此, 塔板必须具有传质效率高和阻力
小的优点, 同时还要适合一定的变工况操作范围。
因此塔板的设计控制点比较多, 特别是适用于大型
空分设备的四溢流塔板, 杭氧也在这方面做了很多
有效的工作。塔板工作要防止两种倾向: 一是液体
从塔板上泄漏下来的“液漏”; 二是蒸气夹带着液
滴上升的“雾沫夹带”。所以, 四溢流塔板的设计
首先要考虑塔板的有效筛孔面积, 并且要控制流路
的长短, 以使塔板能稳定、均匀地工作。
就现在而言, 塔板设计主要有两种方法: 一是
等面积设计法; 二是等流程设计法。在设计中究竟
采用何种原则, 还要看具体的参数要求, 其目的是
使塔板的漏斗区、筛孔区和受液区达到合理分配。
为此, 还要在现有实际应用的基础上做大量、具体
的研究和归纳。
现在设计、制造的空分设备, 其操作范围将越
来越大, 所以对塔板开孔率的选择就显得更重要。
一般来讲, 开孔率大, 可使塔径减小, 处理能力提
高, 但操作难度变大, 甚至可能在满足低负荷工况
运行时发生漏液体的情况。如果开孔率小, 容易造
成阻力偏大。所以选择合适的开孔率, 也是塔板设
计的关键。
由于四溢流塔板结构相对复杂, 液相流路变
多, 而且随着塔径的增加, 对塔板的水平度越来越
难控制, 所以实际设计中, 会适当提高塔板液相高
度。对小型塔, 液相高度一般控制得较低, 而对大
型塔, 则一般控制得较高。在相应的设计中, 也会
适当增大塔板的间距。但间距太大, 会白白浪费塔
体的高度; 而间距太小, 就不能满足高负荷工况要
求, 也容易造成淹塔现象。因此对于塔板具体参数
的选择, 要在今后的工作中给以深入研究。
312 　填料塔及其高效塔内件的开发技术
填料塔的设计, 一是选择合适的填料型号, 二
是选择合适的填料高度。从设计参数来看, 主要是
气体负荷动能因子、液体喷淋密度和填料阻力。前
两个参数主要是根据实践经验来选择合适的填料型
号, 而由于操作压力和操作介质不同, 填料阻力也
不相同, 因此对填料阻力的计算往往采用经验公式
算法。然而根据经验公式得出的结果与实际开车获
得的数据有比较大的出入。所以, 真正对填料阻力
的计算还在进一步摸索过程中。
现阶段, 根据很多实际的开车数据, 按照数学
处理方法, 得出了填料阻力的计算公式。经过验
算, 根据计算公式得出的填料阻力已基本符合实际
情况, 但还需要经过更多的、新的开车数据来验证
公式的可靠性。如能准确地计算各个填料段的操作
阻力, 将有助于分配各个填料段的实际高度, 也将
大大降低整体的运行阻力。一般情况, 如果塔的阻
力减少1kPa , 空压机的背压就可以减少3kPa 。可
见对填料阻力的研究, 将直接关系到整套空分设备
的能耗。
现在的填料塔技术已成功应用于常压精馏, 如
应用在上塔、氩塔, 对于高压规整填料塔的流体力
学性能及传递行为的认识还在研究中。一般认为,
高压下气体的返混、变物理性能及气液体积传质系
数变化是主要影响高压精馏的因素。高压条件下,
由于液体的动能通量大, 填料均匀分散液体的能力
降低, 使气体速度降低, 这样最终导致填料内液体
分布不均匀, 液体夹带气体, 形成气体返混。因
此, 将填料技术正式应用在中压精馏塔中还有待于
进一部的开发。
杭氧规整填料塔的技术主要来自于与天津大
学、法液空、苏尔寿等公司的项目合作。考虑到大
型空分设备运行的可靠性, 国产空分设备仍采用进
口填料, 但成本较高, 所以杭氧一直致力于填料塔
的国产化工作。通过对比实际开车数据, 不断总结
经验, 杭氧已基本完成50000m3/ h 等级和
60000m3/ h 等级空分设备氩塔国产化的研发。
填料塔技术的高低, 很重要的一方面体现在对
塔内件的设计。塔内件一般由喷淋装置、支撑和压
紧装置、再分配器和气液进出口管等组成。如果不
能设计合适的喷淋装置, 就不能有效地润湿填料表
面, 使填料不能发挥最大的功效; 如果没有合理的
分配器, 不能使气、液均匀地通过填料段, 从而不
能达到预先设计的目的。分配器分为液体分配器和
气体分配器, 作用都是均匀分配介质, 以使介质能
在填料段内正常地进行传质, 特别是在大型、多进
出口、填料高度低的填料塔上。现杭氧虽已用上了
自行开发的高效分配器, 但对分配器的开孔设计、
高度控制和进出口物料混合的过程仍需要做更深入
的研究。因此开发和优化现有的高效分配器, 仍将
是杭氧对精馏塔进行研究的方向。
313 　稀有气体全提取的研究
通常的空分设备仅提取空气中的氧气、氩气和
氮气, 而全提取设备除提取这些气体外, 还同时提
取粗制氖、氦、氪和氙等稀有气体。但在空气中,
氖、氦、氪和氙的含量很小, 在中小型空分设备中
设计全提取流程不大可能, 所以只有在大型空分设
备中设置全提取流程。到目前为止, 在杭氧开发的
30000m3/ h 等级空分设备中, 部分已经采用了全提
取的流程设计, 在此基础上杭氧正在不断优化其流
程设计。这也对精馏塔设计提出了更高的要求。
根据稀有气体的物性特点, 并结合国外的技术
经验, 如要分离出合格的稀有气体产品, 需要经过
粗提取和精制两个阶段。由于处理量十分小, 而且
精馏过程要求工况稳定, 所以一般采用填料塔, 但
在稀有气体物性的研究和填料的选择上, 仍需做更
深入的工作。
314 　稳态和非稳态对精馏影响的研究
无论是采用性价比较高的筛板塔, 还是采用高
效率的填料塔, 在设计计算中, 均是在稳定的流程
前提下模拟出气、液量。也就是说, 在未达到稳定
的工况时, 塔板实际工作是不按照模拟计算的情况
运行。而实际运行过程中, 从开车积液状态到达到
一个稳定的工作状态, 塔板的工况都是时时刻刻变
化的。比如, 在新余钢铁公司25000m3/ h 空分设
备中, 下塔在未建立稳定工况时, 塔板不能按照正
常操作的思路运行, 而是在一次意外地增加回流液
量后, 才正式建立起稳定工况。
5 　结束语
随着大型空分设备的开发和应用, 精馏塔的设
计、制造技术也将越来越成熟。以上是笔者在精馏
塔设计工作中的一些技术总结和对新技术的应用设
想以及主要研究方向。但精馏塔技术是基于多学科
的技术, 笔者能力有限, 文章中有不对之处请读者
指正。