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國內塔內件行業分析
2019-07-28 閱讀：
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塔內件行業是流程工業的配套產業，和流程工業的產量、能源消耗、生產、指標等密切相關；近二十年，國內塔內件行業發展迅速，設計水平逐步提高，技術力量日益強大，但也面臨著困難和挫折。從行業特點來看，世界塔內件行業的將會逐漸向轉移。本文嘗試從技術和市場兩個方面對國內塔內件行業進行剖析，提出了塔內件行業的發展趨勢，希望對行業的健康持續發展有一定的借鑒作用。
散堆填料是市場比例小的塔內件，目前，QH系列扁環填料是應用廣泛的散堆填料，在國外應用比較廣泛的 IMTP 填料和 CMR 填料在國內應用的并不多。 從技術層面來看，國內塔內件市場格局穩定，主流市場涉及的塔內件類型并不多。但是，從供應商層面來看，塔內件市場是比較混亂的，原因在于國內塔內件供應商過多，層次不一。少數的技術產品對應太多的供應商，造成了行業內部的無序競爭。
21 世紀以來，我國在煉油、石化和煤化工行業的超大規模投資，帶動了國內塔內件行業的迅猛發展；化工和化肥行業的高速發展和技術改造，進一步擴大了塔內件的市場需求；環境保護的壓力和低碳經濟的倡導，對塔內件行業提出了更高的要求。這些行業的發展，不擴大了塔內件行業的發展規模，還帶動了塔內件行業技術的提升。近二十年，國內塔內件行業的技術和設計水平不斷提高，不新的塔內件設備不斷涌現，更重要的是，設計水平的提高使國內塔內件行業的技術含量不斷提高，為相關行業創造的價值也越來越大。
1 塔內件技術的發展歷史及評價塔內件分為塔板、規整填料和散堆填料共三大類，V-1 浮閥塔板（或 F1 浮閥塔板）、Mellapak 規整填料和 IMTP 散堆填料是這 3 種塔內件的典型代表。長期以來，這 3 種塔內件在各自的應用領域占有很大的市場份額，而且這種狀態還會長期延續下去，這充分說明了它們在塔內件發展歷史上的的重要性，它們也應該是現代塔內件技術的標志性設備。
1.1 塔板技術的發展
V-1 浮閥塔板是美國格里奇公司的產品，幾十年來一直是塔板技術的標竿產品，后來出現的種種矩形、梯形和異形浮閥，都會和 V-1 浮閥進行性能比較，但很少能表現出明顯的勢。20 世紀 80 年代，SuperFrac 高性能塔板問世，它引入了一系列新的設計理念，包括浮閥微型化、促進鼓泡、降液管化和消除液體滯留等，從而把塔板設計水平提高到一個新的高度。盡管 SuperFrac 塔板比 V-1 浮閥塔板性能越，但因結構復雜、造價高、安裝困難等原因，一般只能用在改造項目中，而在新建裝置中很少使用。20 世紀 90 年代，北京澤華化學工程有限公司（簡稱澤華公司）和美國 AMT 公司共同推出了 ADV®塔板技術，改進了浮閥和鼓泡促進器的結構，并在塔板連接處安裝了浮閥，使塔板的性能進一步提高，而且結構簡單，安裝方便，擴大了高性能塔板的應用領域。進入 21 世紀，塔板的研究主要集中在降液管上，通過化降液管結構，使其具有液體分布和導向功能，從而提高塔板的效率。
在國內，V-1 浮閥塔板被稱作 F1 浮閥塔板。20年前，國內絕大多數板式塔都采用 F1 浮閥塔板，少部分采用了導向浮閥塔板。導向浮閥是國內早自行研究的浮閥塔板，采用具有導向孔的條形浮閥。導向是為了消除塔板上液體梯度，采用條形浮閥是為了旋轉。除了導向浮閥，國內還有梯形浮閥及其它一些形狀比較特殊的浮閥，有些浮閥除了考慮導向和防旋轉功能外，還增加了浮閥對氣流的切割密度的功能。顯然，國內對浮閥塔板的研究，多數只是在強化浮閥本身的功能。
篩板是塔板的另外一個主要類型，雖然性能比浮閥塔板稍差，但在國外依然有比較廣泛的應用。作為鼓泡單元的篩板本身幾乎沒有什么改進，但降液管、塔板連接方式等方面的改進很多，具代表性的就是 MD 塔板。MD 塔板把多降液管技術和篩板塔盤結合，具有較高的處理能力，但塔板效率較低，綜合性能沒有足夠的競爭力。國內對篩板塔盤的研究不多，斜孔塔板，可以把它看作是篩板的改進；DJ 塔板是在 MD 塔板的基礎上進行改進的，也屬于篩板，但其技術重點是在多降液管上。
垂直篩板塔盤又稱立體傳質塔盤，是和常規塔板水力學狀態完全不同的塔盤，雖然在國外研究得不多，但在國內卻取得了不錯的成果，在部分行業的工業應用也很成功。
近幾年，固定閥塔板的應用越來越多，固定閥塔板技術也越來越被重視。固定閥是介于浮閥和篩板中間的一種鼓泡單元，操作下限和篩板塔盤相近，分離效率接近于浮閥塔板。理論上任何一種浮閥塔板都可以有對應的固定閥塔板，美國格里奇公司的小浮閥就有對應的固定閥。澤華公司在推出ADV®浮閥塔板時，也推出了 ADV®固定閥塔板。
近十年，塔板是國內塔內件行業的研究重點，塔板性能在不斷完善，塔板的應用水平也在快速提升。
1.2 規整填料的技術發展
蘇爾壽的 Mellapak 規整填料奠定了現代規整填料技術的基礎。規整填料的出現可以視為塔內件領域的一場，它在處理能力、傳質效率和壓降方面的勢使其對塔板和散堆填料產生了巨大的沖擊。從 20 世紀 80 年代開始，規整填料成為塔內件的研究熱點，但多數研究工作都是針對填料表面進行改進，有代表性的就是 Gempak 規整填料。這些填料由于基本結構和 Mellapak 相同，性能也基本相同。Optiflow 填料和 Gempak-AW 填料在主體結構上進行了化，但未能表現出的性能，這說明 Mellapak 規整填料的基本結構已沒有多少改進空間。隨著應用領域不斷擴大，人們對規整填料的認識也日趨理性和全面，到 20 世紀末，3 種塔內件的適用領域基本確定，三種塔內件得以平衡發展。
規整填料本身的結構沒有化空間，但填料層之間的結合部會出現瓶頸。Mellapak252 填料通過改變填料波紋的方向，克服了這個瓶頸，從而使填料的處理能力提高了 20％左右，這是規整填料自問世以來大的革新。
國內對規整填料的研究和國外幾乎是同步的，但基于同樣的原因，在結構和性能上也很難有大的突破。但是，國內在規整填料的配套內件方面進行研究的效果顯著，如兩相分布器、填料支撐和集油箱等設備，不技術性能可以保證，而且節省空間，降低制造成本。
1.3 散堆填料的技術發展
在塔內件的三大類型中，散堆填料的發展歷史長。早期的拉西環和鮑爾環因為效率和通量都比較低，工業設計上已基本不用。IMTP 散堆填料全面提高了散堆填料的通量和效率，實現了散堆填料的性能飛越。CMR 散堆填料，由于降低了高徑比，增加了填料填裝后的規整性，因此性能比 IMTP 更。目前在國外的散堆填料項目中，一般只選用這兩種填料。
國內對散堆填料進行研究的單位很少，清華大學研究的 QH 系列扁環填料是目前在國內應用比較廣泛的散堆填料。QH 系列扁環填料的高徑比比CMR 更小，因此有一定的性能勢。澤華公司的
MSR 散堆填料，結合了扁環填料和 IMTP 填料的特點，在國內的應用領域也不斷擴大。 總之，國內塔內件行業在近二十年取得了長足的進步，尤其在塔板和規整填料方面。在市場開放的今天，塔內件行業的國內技術和國外技術已基本融和為一體，但在設計思路和理念方面依然有一定差別。
2 國內塔內件行業的市場格局
塔板是市場占有率高的塔內件，其中浮閥類塔板的應用廣。國內市場中，浮閥塔板以 ADV塔板和導向浮閥塔板為主，梯形浮閥和其它浮閥塔板的市場占有率還比較低；篩板塔的應用領域很小，一般都采用常規設計， UOP 公司的 MD 塔板和工藝包配套在國內有一定應用；固定閥塔板以ADV®固定閥和 VG 固定閥為主。此外垂直篩板塔和斜孔塔板在特定的領域應用比較廣泛。
塔板是市場占有率高的塔內件，其中浮閥類塔板的應用廣。國內市場中，浮閥塔板以 ADV塔板和導向浮閥塔板為主，梯形浮閥和其它浮閥塔板的市場占有率還比較低；篩板塔的應用領域很小，一般都采用常規設計， UOP 公司的 MD 塔板和工藝包配套在國內有一定應用；固定閥塔板以ADV®固定閥和 VG 固定閥為主。此外垂直篩板塔和斜孔塔板在特定的領域應用比較廣泛。
規整填料方面，由于各類規整填料技術性能非常相似，所以規整填料在技術層面的競爭性較小， Mellapak252 填料的性能具有一定勢，但其市場占有率還比較低。規整填料的競爭主要表現在塔內件企業設計能力和經驗的競爭，蘇爾壽和天津大學有關的幾家公司占據了國內規整填料的多數市場，澤華公司在煉油和煤化工行業也有一定的市場份額。
散堆填料是市場比例小的塔內件，目前，QH系列扁環填料是應用廣泛的散堆填料，在國外應用比較廣泛的 IMTP 填料和 CMR 填料在國內應用的并不多。 從技術層面來看，國內塔內件市場格局穩定，主流市場涉及的塔內件類型并不多。但是，從供應商層面來看，塔內件市場是比較混亂的，原因在于國內塔內件供應商過多，層次不一。少數的技術產品對應太多的供應商，造成了行業內部的無序競爭。
3 塔內件行業面臨的問題
塔內件行業在快速發展的同時，也存在著很多的困難和問題。原因是多方面的，有行業內部的原因，有使用者認知的原因，也有國情和社會環境的原因。這些問題和困難對塔內件行業的健康發展構成了阻力，也會給使用者帶來損失。
3.1 技術同質化
塔內件行業規模不大，從業人員不多，因此相互間的技術參照性很強。知識產權對塔內件的保護力度很小，因為保護的是產品的詳細結構，而塔內件實際追求的是宏觀的運行效果，在宏觀效果沒有實質變化的前提下，細部結構的改變完全可以繞過原設計的保護。因此，塔內件行業的技術同質化現象非常明顯。 技術同質化現象明顯的塔內件是規整填料，因為規整填料的結構簡單明了，傳質機理明確，既容易理解又容易模仿。目前工業裝置大量采用的規整填料，其結構和性能并沒有明顯區別。ADV®浮閥塔板率先提出的閥頂鼓泡和塔板連接處安裝浮閥的理念，現在也被其它塔板技術采用。 同質化現象對技術來說是不公平的，對塔內件行業的技術創新顯然也是不利的。同時，技術同質化會誤導使用者，使使用者把塔內件看
做是標準設計的常規設備，從而忽略塔內件的技術含量。
3.2 基礎研究薄弱
國內從事塔內件行業的研究和設計單位，包括很多高等院校、研究院所，基本上都建立了塔內件的實驗裝置，但很多裝置只能完成空氣/水體系的冷模實驗，而且實驗及測試手段落后，數據缺乏公信力。加上塔內件性能測試缺乏標準的測試條件，各單位測試的結果本身就有不可比性。數據沒有參照性，行業內對各單位的測試數據的認可度就很低。
一種新的塔內件結構，冷模實驗數據是不能作為工業設計的依據的。人們如果意識不到塔內件設計的復雜性，工程應用和實驗室結果的差別，理論計算的不確定性，往往會盲目地把實驗室結
果直接應用到工業裝置上，技術風險自然是不可避免的。
美國 FRI 是的具性的塔內件測試，FRI 不從事塔內件的研究、設計和推廣，只是以標準的實驗手段測試各家的塔內件設備，從而確保自身的中立性和數據的公正性。歐美的塔內件使用者，一般只認可 FRI 對塔內件的測試數據，但是到目前為止，國內還沒有一種塔內件設備提交 FRI 進行測試。
3.3 忽視總體設計
塔內件行業雖然存在著技術同質化的現象，但之間設計水平相差很大，而對塔的總體設計才是對使用者有價值的。使用者采購塔內件，實際上是希望得到塔的分離性能。但是，塔的性能不是單純由塔內件的技術類型決定的。除了塔內件結構的合理性，工藝特點、體系物性、外圍設備及其它更多的因素都會影響塔的性能。根據國外資料不完全統計，精餾塔不能正常操作的原因依次為堵塞和結焦、塔底部結構設計、系統積水、未考慮開停車工況、填料塔液體分部不均、儀表測量誤導、再沸器問題等，這些因素和塔內件的技術來源沒有關系，主要取決于設計者對塔的總體設計水平。對精餾塔的總體設計，除了要考慮塔內件的結構合理，必須同時考慮系統的特殊性，全面考慮各種可能出現的不利因素，再設計解決方案，才能保證精餾塔的正常運行。要實現這個目標，塔內件應該遵循有的放矢的設計原則。精餾塔需要處理的體系千差萬別，針對不同的體系和要求，需要有不同的設計思路和重點。
另外，人們會過多強調和關注塔內件本身的性能參數，如霧沫夾帶、壓降、漏液率等。這些參數固然重要，但這些參數遠遠不能保證塔的整體性能。所謂的水力學參數計算只是塔設計基礎、簡單的一個環節，更高的水平是體現在對塔的總體設計方面。如果只是依靠個別研究人員的技術支持來完成塔的設計，對塔的總體設計考慮得就很不周到，很容易引發塔的操作問題。因此，高水平的塔內件設計單位必須具有相互協作的技術團隊。 如果沒有塔的總體設計，塔內件的性能就無從發揮，使用者采購塔內件的意義就不存在了。因此，無論是塔內件的技術人員，還是使用者的技術人員，都應該把關注的重點放在塔的總體設計方面，放在塔的整體性能方面。
3.4 無序競爭現象嚴重
技術同質化、技術人員的盲目樂觀和忽視塔的總體設計，使目前的塔內件行業進入無序競爭的階段。在技術的成分被忽略以后，塔內件就變成了一種生產過程簡單、加工精度要求不高的金屬部件，甚至在家庭作坊里都能將其敲打出來。像這種技術門檻和資金門檻都不高的行業，殘酷的競爭是難免的?，F在的塔內件行業正是處在一個低價競爭甚至是惡性競爭的時期，而金融危機后多數使用者的盈利能力下降，對成本因素越發敏感，更是加劇了這種趨勢。但是必須要意識到，這種惡性競爭對塔內件的供需雙方的傷害都是致命的。塔內件設計應該堅持性能至上的設計原則，這樣
的設計會給使用者帶來額外的價值，但這種設計必然會增加自身的設計和制造成本，失去了產品的價格競爭力。在低價競爭的市場環境下，設計者必須考慮成本因素，否則使用者只能得到滿足
設計要求的塔內件產品，而不可能得到性能好的生產產品。
隨著原材料價格的不斷上漲，材料成本在塔內件成本中所占的比例越來越大，而低價競爭的市場環境也導致一些非正規的低價原材料進入到塔內件行業，不增加了材料質量控制的難度，也會對使用者造成損失。原材料的質量應該是塔內件行業一個非常重要的控制指標，但原材料檢測目前還是塔內件行業的薄弱環節。
嚴酷的競爭環境，已經迫使一部分企業退出了塔內件行業，但同時，也不斷有新的企業加入進來。國內塔內件行業在不同層次、不同領域的內部競爭將會長時間持續下去，但是，如果塔內件設計的技術含量得不到體現，這個行業就只能長期停留在低水平、低成本的競爭階段。 國內塔內件行業存在的諸多問題，很難在短時間內全部解決，這些困難和問題會長期存在，但塔內件行業的發展不會停止，因為相關行業的發展離不開塔內件的支持。
4 塔內件行業的發展方向
和歐美發達相比，具有適合塔內件行業發展的外部環境：①本身具有巨大的市場潛力；②國內具有足夠的人才資源；③具有很強的成本競爭力。長遠來看，未來塔內件行業的中心必然會向轉移。在克服當前困難和問題的同時，塔內件行業應不斷調整自身的發展方向，并逐漸準備向化過渡。
4.1 性能至上的設計原則
塔內件在所屬裝置的投資總量中所占比例很小，但對裝置的重要性要遠大于它的價格體現。塔內件會直接影響產品的產量和質量，同裝置的能耗也有密切關系。此外，塔內件都是應用在流程工業
塔內件在所屬裝置的投資總量中所占比例很小，但對裝置的重要性要遠大于它的價格體現。塔內件會直接影響產品的產量和質量，同裝置的能耗也有密切關系。此外，塔內件都是應用在流程工業
的裝置上，如果出現問題，不影響到本裝置的運行，還會影響到上下游裝置的操作，為使用者帶來的損失將是非常巨大的，因此塔內件的可靠性至關重要。設計者在設計過程中全面考慮各種影響因素結合豐富的工程設計經驗，才能保證塔設計的可靠性。
設計的塔內件，可能會失去在價格上的勢，給使用者帶來設備成本的增加，但塔內件性能勢為使用者帶來的收益會遠大于此。2000 年前后，澤華公司采用 ADV®塔板技術，對國內煉油裝
置的很多精餾塔進行了改造，多數情況下能把塔的處理能力提高 40%以上，而且塔板效率也有明顯提高，由此為使用者帶來的經濟效益，使項目的投資回收期不會超過半年。
4.2 從設備加工到技術服務的轉型
因為塔內件的性能和裝置的工藝特點密切相關，塔內件企業開始逐漸向工藝技術方面延伸。使用者和工程公司也在逐漸改變過去的思路，把工藝計算的任務逐漸向塔內件企業轉移?，F在，和分離有關的工藝計算逐漸由塔內件企業完成的，這樣就為塔內件企業提供了更多的技術發揮空間；通過工藝和設備的結合，也能為使用者帶來更的方案。為了獲得可靠的工藝計算數據，塔內件企業需要完成大量的基礎研究支持，這樣，隨著塔內件企業向工藝方面的延伸，整個行業的技術性越來越強。 塔內件行業上游向工藝設計延伸，下游還可以向現場操作指導、故障診斷服務等方面延伸，隨著服務內容的不斷增多，塔內件行業將逐漸從純加工行業轉型到加工和服務相結合的行業。也這樣，塔內件行業才能為使用者創造更大的價值，行業本身才能有更大的發展空間。
因為塔內件的性能和裝置的工藝特點密切相關，塔內件企業開始逐漸向工藝技術方面延伸。使用者和工程公司也在逐漸改變過去的思路，把工藝計算的任務逐漸向塔內件企業轉移?，F在，和分離有關的工藝計算逐漸由塔內件企業完成的，這樣就為塔內件企業提供了更多的技術發揮空間；通過工藝和設備的結合，也能為使用者帶來更的方案。為了獲得可靠的工藝計算數據，塔內件企業需要完成大量的基礎研究支持，這樣，隨著塔內件企業向工藝方面的延伸，整個行業的技術性越來越強。 塔內件行業上游向工藝設計延伸，下游還可以向現場操作指導、故障診斷服務等方面延伸，隨著服務內容的不斷增多，塔內件行業將逐漸從純加工行業轉型到加工和服務相結合的行業。也這樣，塔內件行業才能為使用者創造更大的價值，行業本身才能有更大的發展空間。
4.3 加強基礎研究，強化基礎研究和工程實踐的結合國內塔內件行業從事研究的單位很多，但力量過于分散，重復的、低層次的研究很多，系統的、次的研究較少，因此整體的理論研究水平尚待提高。很多研究工作理論的內容多，實踐的內容少，對工業設計的指導意義不大。塔內件行業涉及多種理論學科，包括熱力學、動力學、流體力學、材料力學和結構力學等，又和機械加工、流程工業的工程實踐密不可分，因此，對塔內件進行系統的基礎研究并非易事，需要團隊的配合及長期的堅持。
4.4 重視知識產權保護，加強建設 國內塔內件行業參與市場的競爭是必然的，加強建設是國內企業參與市場的重要一步，其基礎條件就是必須擁有自主的知識產權。市場對企業的認知程度遠高于國內市場，而正是國內塔內件企業短缺的內容。很多企業加工能力，沒有和等知識產權，建立更是無從談起。有些企業有知識產權的基礎，在國內的塔內件行業具有一定影響，但參與市場顯然還是不夠的。 建設向來不是一蹴而就的事，美國格里奇公司成立至今已近百年，由此可見，國內企業在這方面的差距是巨大的。建設，任重道遠。
4.5 加強過程質量控制
國內企業參與競爭，需要在設計思路、質量控制和原材料監測等方面逐漸進行調整和加強，以滿足國外使用者的需求。相比而言，國外使用者對業績、設計加工質量和原材料的要求更高，而對理論計算的數據關注較少，他們對項目執行過程的控制和要求甚至高于對設備終性能的要求，這和國內使用者對塔內件行業的要求有較大的差別，因為國內使用者更關心項目的果，對項目的執行過程不太重視。所以，從事塔內件項目的國內企業，如果要滿足市場使用者的要求，必須在產品出廠前執行過程的每一個環節都要進行重大改進。
國內企業參與競爭，需要在設計思路、質量控制和原材料監測等方面逐漸進行調整和加強，以滿足國外使用者的需求。相比而言，國外使用者對業績、設計加工質量和原材料的要求更高，而對理論計算的數據關注較少，他們對項目執行過程的控制和要求甚至高于對設備終性能的要求，這和國內使用者對塔內件行業的要求有較大的差別，因為國內使用者更關心項目的果，對項目的執行過程不太重視。所以，從事塔內件項目的國內企業，如果要滿足市場使用者的要求，必須在產品出廠前執行過程的每一個環節都要進行重大改進。
5 結 語
雖然塔內件行業一直面臨著殘酷的市場競爭，行業的發展也依然存在著各種問題和困難，但是，近 20 年國內的塔內件行業確實有了質的飛躍。人們相信，塔內件行業的發展勢頭還將延續下去。經過長期的努力，國內塔內件行業將會逐漸走向市場，也將會成為世界塔內件行業發展的中心。
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