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国内塔内件行业分析
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国内塔内件行业分析

2019-07-28      阅读:
塔内件行业是流程工业的配套产业,和流程工业的产品质量、能源消耗、生产安全、环保指标等密切相关;最近二十年,国内塔内件行业发展迅速,设计水平逐步提高,技术力量日益强大,但也面临着困难和挫折。从行业特点来看,世界塔内件行业的重心将会逐渐向中国转移。本文尝试从技术和市场两个方面对国内塔内件行业进行剖析,提出了塔内件行业的发展趋势,希望对行业的健康持续发展有一定的借鉴作用。

21 世纪以来,我国在炼油、石化和煤化工行业的超大规模投资,带动了国内塔内件行业的迅猛发展;化工和化肥行业的高速发展和技术改造,进一步扩大了塔内件的市场需求;环境保护的压力和低碳经济的倡导,对塔内件行业提出了更高的要求。这些行业的发展,不仅扩大了塔内件行业的发展规模,还带动了塔内件行业技术的提升。最近二十年,国内塔内件行业的技术和设计水平不断提高,不仅新的塔内件设备不断涌现,更重要的是,设计水平的提高使国内塔内件行业的技术含量不断提高,为相关行业创造的价值也越来越大。
 
1  塔内件技术的发展历史及评价塔内件分为塔板、规整填料散堆填料共三大类,V-1 浮阀塔板(或 F1 浮阀塔板)、Mellapak 规整填料和 IMTP 散堆填料是这 3 种塔内件的典型代表。长期以来,这 3 种塔内件在各自的应用领域占有很大的市场份额,而且这种状态还会长期延续下去,这充分说明了它们在塔内件发展历史上的的重要性,它们也应该是现代塔内件技术的标志性设备。
 

1.1  塔板技术的发展

V-1 浮阀塔板是美国格里奇公司的产品,几十年来一直是塔板技术的标竿产品,后来出现的种种矩形、梯形和异形浮阀,都会和 V-1 浮阀进行性能比较,但很少能表现出明显的优势。20 世纪 80 年代,SuperFrac 高性能塔板问世,它引入了一系列新的设计理念,包括浮阀微型化、促进鼓泡、降液管优化和消除液体滞留等,从而把塔板设计水平提高到一个新的高度。尽管 SuperFrac 塔板比 V-1 浮阀塔板性能优越,但因结构复杂、造价高、安装困难等原因,一般只能用在改造项目中,而在新建装置中很少使用。20 世纪 90 年代,北京泽华化学工程双赢彩票充值中心(简称泽华公司)和美国 AMT 公司共同推出了 ADV®塔板技术,改进了浮阀和鼓泡促进器的结构,并在塔板连接处安装了浮阀,使塔板的性能进一步提高,而且结构简单,安装方便,扩大了高性能塔板的应用领域。进入 21 世纪,塔板的研究主要集中在降液管上,通过优化降液管结构,使其具有液体分布和导向功能,从而提高塔板的效率。
 
在国内,V-1 浮阀塔板被称作 F1 浮阀塔板。20年前,国内绝大多数板式塔都采用 F1 浮阀塔板,只有少部分采用了导向浮阀塔板。导向浮阀是国内最早自行研究的浮阀塔板,采用具有导向孔的条形浮阀。导向是为了消除塔板上液体梯度,采用条形浮阀是为了防止旋转。除了导向浮阀,国内还有梯形浮阀及其它一些形状比较特殊的浮阀,有些浮阀除了考虑导向和防旋转功能外,还增加了浮阀对气流的切割密度的功能。显然,国内对浮阀塔板的研究,多数只是在强化浮阀本身的功能。
 
筛板是塔板的另外一个主要类型,虽然性能比浮阀塔板稍差,但在国外依然有比较广泛的应用。作为鼓泡单元的筛板本身几乎没有什么改进,但降液管、塔板连接方式等方面的改进很多,最具代表性的就是 MD 塔板。MD 塔板把多降液管技术和筛板塔盘结合,具有较高的处理能力,但塔板效率较低,综合性能没有足够的竞争力。国内对筛板塔盘的研究不多,只有斜孔塔板,可以把它看作是筛板的改进;DJ 塔板是在 MD 塔板的基础上进行改进的,也属于筛板,但其技术重点是在多降液管上。
 
垂直筛板塔盘又称立体传质塔盘,是和常规塔板水力学状态完全不同的塔盘,虽然在国外研究得不多,但在国内却取得了不错的成果,在部分行业的工业应用也很成功。
 
最近几年,固定阀塔板的应用越来越多,固定阀塔板技术也越来越被重视。固定阀是介于浮阀和筛板中间的一种鼓泡单元,操作下限和筛板塔盘相近,分离效率接近于浮阀塔板。理论上任何一种浮阀塔板都可以有对应的固定阀塔板,美国格里奇公司的小浮阀就有对应的固定阀。泽华公司在推出ADV®浮阀塔板时,也推出了 ADV®固定阀塔板。
 
最近十年,塔板是国内塔内件行业的研究重点,塔板性能在不断完善,塔板的应用水平也在快速提升。
 

1.2 规整填料的技术发展

 
苏尔寿的 Mellapak 规整填料奠定了现代规整填料技术的基础。规整填料的出现可以视为塔内件领域的一场革命,它在处理能力、传质效率和压降方面的优势使其对塔板和散堆填料产生了巨大的冲击。从 20 世纪 80 年代开始,规整填料成为塔内件的研究热点,但多数研究工作都是针对填料表面进行改进,最有代表性的就是 Gempak 规整填料。这些填料由于基本结构和 Mellapak 相同,性能也基本相同。Optiflow 填料和 Gempak-AW 填料在主体结构上进行了优化,但未能表现出更好的性能,这说明 Mellapak 规整填料的基本结构已没有多少改进空间。随着应用领域不断扩大,人们对规整填料的认识也日趋理性和全面,到 20 世纪末,3 种塔内件的适用领域基本确定,三种塔内件得以平衡发展。
 
规整填料本身的结构没有优化空间,但填料层之间的结合部会出现瓶颈。Mellapak252 填料通过改变填料波纹的方向,克服了这个瓶颈,从而使填料的处理能力提高了 20%左右,这是规整填料自问世以来最大的革新。
 
国内对规整填料的研究和国外几乎是同步的,但基于同样的原因,在结构和性能上也很难有大的突破。但是,国内在规整填料的配套内件方面进行研究的效果显著,如两相分布器、填料支撑和集油箱等设备,不仅技术性能可以保证,而且节省空间,降低制造成本。

 

1.3 散堆填料的技术发展

 
在塔内件的三大类型中,散堆填料的发展历史最长。早期的拉西环鲍尔环因为效率和通量都比较低,工业设计上已基本不用。IMTP 散堆填料全面提高了散堆填料的通量和效率,实现了散堆填料的性能飞越。CMR 散堆填料,由于降低了高径比,增加了填料填装后的规整性,因此性能比 IMTP 更优。目前在国外的散堆填料项目中,一般只选用这两种填料。
 
国内对散堆填料进行研究的单位很少,清华大学研究的 QH 系列扁环填料是目前在国内应用比较广泛的散堆填料。QH 系列扁环填料的高径比比CMR 更小,因此有一定的性能优势。泽华公司的
MSR 散堆填料,结合了扁环填料和 IMTP 填料的特点,在国内的应用领域也不断扩大。 总之,国内塔内件行业在最近二十年取得了长足的进步,尤其在塔板和规整填料方面。在市场开放的今天,塔内件行业的国内技术和国外技术已基本融和为一体,但在设计思路和理念方面依然有一定差别。
 
2  国内塔内件行业的市场格局
塔板是市场占有率最高的塔内件,其中浮阀类塔板的应用最广。国内市场中,浮阀塔板以 ADV塔板和导向浮阀塔板为主,梯形浮阀和其它浮阀塔板的市场占有率还比较低;筛板塔的应用领域很小,一般都采用常规设计,只有 UOP 公司的 MD 塔板和工艺包配套在国内有一定应用;固定阀塔板以ADV®固定阀和 VG 固定阀为主。此外垂直筛板塔和斜孔塔板在特定的领域应用比较广泛。
规整填料方面,由于各类规整填料技术性能非常相似,所以规整填料在技术层面的竞争性较小,只有 Mellapak252 填料的性能具有一定优势,但其市场占有率还比较低。规整填料的竞争主要表现在塔内件企业设计能力和经验的竞争,苏尔寿和天津大学有关的几家公司占据了国内规整填料的多数市场,泽华公司在炼油和煤化工行业也有一定的市场份额。

散堆填料是市场比例最小的塔内件,目前,QH系列扁环填料是应用最广泛的散堆填料,在国外应用比较广泛的 IMTP 填料和 CMR 填料在国内应用的并不多。 从技术层面来看,国内塔内件市场格局稳定,主流市场涉及的塔内件类型并不多。但是,从供应商层面来看,塔内件市场是比较混乱的,原因在于国内塔内件供应商过多,层次不一。少数的技术产品对应太多的供应商,造成了行业内部的无序竞争。
 
3  塔内件行业面临的问题
塔内件行业在快速发展的同时,也存在着很多的困难和问题。原因是多方面的,有行业内部的原因,有使用者认知的原因,也有国情和社会环境的原因。这些问题和困难对塔内件行业的健康发展构成了阻力,也会给使用者带来损失。

3.1  技术同质化
塔内件行业规模不大,从业人员不多,因此相互间的技术参照性很强。知识产权对塔内件的保护力度很小,因为专利保护的是产品的详细结构,而塔内件实际追求的是宏观的运行效果,在宏观效果没有实质变化的前提下,细部结构的改变完全可以绕过原设计的专利保护。因此,塔内件行业的技术同质化现象非常明显。 技术同质化现象最明显的塔内件是规整填料,因为规整填料的结构简单明了,传质机理明确,既容易理解又容易模仿。目前工业装置大量采用的规整填料,其结构和性能并没有明显区别。ADV®浮阀塔板率先提出的阀顶鼓泡和塔板连接处安装浮阀的理念,现在也被其它塔板技术采用。 同质化现象对技术创始者来说是不公平的,对塔内件行业的技术创新显然也是不利的。同时,技术同质化会误导使用者,使使用者把塔内件看
做是标准设计的常规设备,从而忽略塔内件的技术含量。
 
3.2  基础研究薄弱
国内从事塔内件行业的研究和设计单位,包括很多高等院校、研究院所,基本上都建立了塔内件的实验装置,但很多装置只能完成空气/水体系的冷模实验,而且实验及测试手段落后,数据缺乏公信力。加上塔内件性能测试缺乏标准的测试条件,各单位测试的结果本身就有不可比性。数据没有参照性,行业内对各单位的测试数据的认可度就很低。
一种新的塔内件结构,只有冷模实验数据是不能作为工业设计的依据的。人们如果意识不到塔内件设计的复杂性,工程应用和实验室结果的差别,理论计算的不确定性,往往会盲目地把实验室结
果直接应用到工业装置上,技术风险自然是不可避免的。
美国 FRI 是全球公认的最具权威性的塔内件测试机构,FRI 不从事塔内件的研究、设计和推广,只是以标准的实验手段测试各家的塔内件设备,从而确保自身的中立性和数据的公正性。欧美国家的塔内件使用者,一般只认可 FRI 对塔内件的测试数据,但是到目前为止,国内还没有一种塔内件设备提交 FRI 进行测试。
 
3.3  忽视总体设计
塔内件行业虽然存在着技术同质化的现象,但之间设计水平相差很大,而对塔的总体设计才是对使用者最有价值的。使用者采购塔内件,实际上是希望得到塔的分离性能。但是,塔的性能不是单纯由塔内件的技术类型决定的。除了塔内件结构的合理性,工艺特点、体系物性、外围设备及其它更多的因素都会影响塔的性能。根据国外资料不完全统计,精馏塔不能正常操作的原因依次为堵塞和结焦、塔底部结构设计、系统积水、未考虑开停车工况、填料塔液体分部不均、仪表测量误导、再沸器问题等,这些因素和塔内件的技术来源没有关系,主要取决于设计者对塔的总体设计水平。对精馏塔的总体设计,除了要考虑塔内件的结构合理,必须同时考虑系统的特殊性,全面考虑各种可能出现的不利因素,再设计解决方案,才能保证精馏塔的正常运行。要实现这个目标,塔内件应该遵循有的放矢的设计原则。精馏塔需要处理的体系千差万别,针对不同的体系和要求,需要有不同的设计思路和重点。
另外,人们会过多强调和关注塔内件本身的性能参数,如雾沫夹带、压降、漏液率等。这些参数固然重要,但只有这些参数远远不能保证塔的整体性能。所谓的水力学参数计算只是塔设计最基础、最简单的一个环节,更高的水平是体现在对塔的总体设计方面。如果只是依靠个别研究人员的技术支持来完成塔的设计,对塔的总体设计考虑得就很不周到,很容易引发塔的操作问题。因此,高水平的塔内件设计单位必须具有相互协作的技术团队。 如果没有塔的总体设计,塔内件的性能就无从发挥,使用者采购塔内件的意义就不存在了。因此,无论是塔内件的技术人员,还是使用者的技术人员,都应该把关注的重点放在塔的总体设计方面,放在塔的整体性能方面。
 
3.4  无序竞争现象严重
技术同质化、技术人员的盲目乐观和忽视塔的总体设计,使目前的塔内件行业进入无序竞争的阶段。在技术的成分被忽略以后,塔内件就变成了一种生产过程简单、加工精度要求不高的金属部件,甚至在家庭作坊里都能将其敲打出来。像这种技术门槛和资金门槛都不高的行业,残酷的竞争是难免的。现在的塔内件行业正是处在一个低价竞争甚至是恶性竞争的时期,而金融危机后多数使用者的盈利能力下降,对成本因素越发敏感,更是加剧了这种趋势。但是必须要意识到,这种恶性竞争对塔内件的供需双方的伤害都是致命的。塔内件设计应该坚持性能至上的设计原则,这样
的设计会给使用者带来额外的价值,但这种设计必然会增加自身的设计和制造成本,失去了产品的价格竞争力。在低价竞争的市场环境下,设计者必须考虑成本因素,否则使用者只能得到满足
设计要求的塔内件产品,而不可能得到性能最好的生产产品。
随着原材料价格的不断上涨,材料成本在塔内件成本中所占的比例越来越大,而低价竞争的市场环境也导致一些非正规的低价原材料进入到塔内件行业,不仅增加了材料质量控制的难度,也会对使用者造成损失。原材料的质量应该是塔内件行业一个非常重要的控制指标,但原材料检测目前还是塔内件行业的薄弱环节。
严酷的竞争环境,已经迫使一部分企业退出了塔内件行业,但同时,也不断有新的企业加入进来。国内塔内件行业在不同层次、不同领域的内部竞争将会长时间持续下去,但是,如果塔内件设计的技术含量得不到体现,这个行业就只能长期停留在低水平、低成本的竞争阶段。 国内塔内件行业存在的诸多问题,很难在短时间内全部解决,这些困难和问题会长期存在,但塔内件行业的发展不会停止,因为相关行业的发展离不开塔内件的支持。
 
4 塔内件行业的发展方向
和欧美发达国家相比,中国具有最适合塔内件行业发展的外部环境:①中国本身具有巨大的市场潜力;②国内具有足够的人才资源;③中国具有很强的成本竞争力。长远来看,未来全球塔内件行业的中心必然会向中国转移。在克服当前困难和问题的同时,塔内件行业应不断调整自身的发展方向,并逐渐准备向国际化过渡。
 
4.1 性能至上的设计原则
塔内件在所属装置的投资总量中所占比例很小,但对装置的重要性要远大于它的价格体现。塔内件会直接影响产品的产量和质量,同装置的能耗也有密切关系。此外,塔内件都是应用在流程工业
的装置上,如果出现问题,不仅影响到本装置的运行,还会影响到上下游装置的操作,为使用者带来的损失将是非常巨大的,因此塔内件的可靠性至关重要。设计者只有在设计过程中全面考虑各种影响因素结合丰富的工程设计经验,才能保证塔设计的可靠性。
 
最优设计的塔内件,可能会失去在价格上的优势,给使用者带来设备成本的增加,但塔内件性能优势为使用者带来的收益会远大于此。2000 年前后,泽华公司采用 ADV®塔板技术,对国内炼油装
置的很多精馏塔进行了改造,多数情况下能把塔的处理能力提高 40%以上,而且塔板效率也有明显提高,由此为使用者带来的经济效益,使项目的投资回收期不会超过半年。
 
4.2  从设备加工到技术服务的转型
因为塔内件的性能和装置的工艺特点密切相关,塔内件企业开始逐渐向工艺技术方面延伸。使用者和工程公司也在逐渐改变过去的思路,把工艺计算的任务逐渐向塔内件企业转移。现在,和分离有关的工艺计算逐渐由塔内件企业完成的,这样就为塔内件企业提供了更多的技术发挥空间;通过工艺和设备的结合,也能为使用者带来更优的方案。为了获得可靠的工艺计算数据,塔内件企业需要完成大量的基础研究支持,这样,随着塔内件企业向工艺方面的延伸,整个行业的技术性越来越强。 塔内件行业上游向工艺设计延伸,下游还可以向现场操作指导、故障诊断服务等方面延伸,随着服务内容的不断增多,塔内件行业将逐渐从纯加工行业转型到加工和服务相结合的行业。也只有这样,塔内件行业才能为使用者创造更大的价值,行业本身才能有更大的发展空间。
 
4.3  加强基础研究,强化基础研究和工程实践的结合国内塔内件行业从事研究的单位很多,但力量过于分散,重复的、低层次的研究很多,系统的、深层次的研究较少,因此整体的理论研究水平尚待提高。很多研究工作理论的内容多,实践的内容少,对工业设计的指导意义不大。塔内件行业涉及多种理论学科,包括热力学、动力学、流体力学、材料力学和结构力学等,又和机械加工、流程工业的工程实践密不可分,因此,对塔内件进行系统的基础研究并非易事,需要团队的配合及长期的坚持。

4.4  重视知识产权保护,加强品牌建设 国内塔内件行业参与国际市场的竞争是必然的,加强品牌建设是国内企业参与国际市场的重要一步,其基础条件就是必须拥有自主的知识产权。国际市场对企业品牌的认知程度远高于国内市场,而品牌正是国内塔内件企业最短缺的内容。很多企业只有加工能力,没有商标和专利等知识产权,品牌建立更是无从谈起。有些企业有知识产权的基础,在国内的塔内件行业具有一定影响,但参与国际市场显然还是不够的。 品牌建设向来不是一蹴而就的事,美国格里奇公司成立至今已近百年,由此可见,国内企业在这方面的差距是巨大的。品牌建设,任重道远。
 
4.5  加强过程质量控制
国内企业参与国际竞争,需要在设计思路、质量控制和原材料监测等方面逐渐进行调整和加强,以满足国外使用者的需求。相比而言,国外使用者对业绩、设计加工质量和原材料的品质要求更高,而对理论计算的数据关注较少,他们对项目执行过程的控制和要求甚至高于对设备最终性能的要求,这和国内使用者对塔内件行业的要求有较大的差别,因为国内使用者更关心项目的最终结果,对项目的执行过程不太重视。所以,从事塔内件项目的国内企业,如果要满足国际市场使用者的要求,必须在产品出厂前执行过程的每一个环节都要进行重大改进。
 
5  结 语
虽然塔内件行业一直面临着残酷的市场竞争,行业的发展也依然存在着各种问题和困难,但是,最近 20 年国内的塔内件行业确实有了质的飞跃。人们相信,塔内件行业的发展势头还将延续下去。经过长期的努力,国内塔内件行业将会逐渐走向国际市场,中国也将会成为世界塔内件行业发展的中心。
 
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