如何估算高温下塑料填料的床层高度

图1  塑料屈服强度随温度变化的示意曲线（参考Solvay Hyflon® PFA数据²）

我们工艺工程师在设计精馏塔填料床层高度时，在满足工艺条件的情况下，会尽量往高设计。填料总高度确定时，更高的单位床层高度可以减小床层数量，从而减少内件数量（如液体分布器和收集器），达到节省整塔空间和成本的效果。有些文献提出单个填料床层高度上限为15个理论板1（Górak & Olujić）。对于250 m²/m³比表面积的标准规整填料来说，15个理论板对应约6 m或更高的填料高度。更保守的工艺标准将单个床层高度限制在10个理论板，对应的常用工业填料类型（规整或散堆）的床层高度则为4–6 m。但是，这些数据均针对金属填料。当材料为塑料时，在我们设计一个6 m高的填料床层之前，需确保塑料材料在此时的工作温度下没有“变软”。虽然行业界不乏单个床层有6 m 高、使用1”Pall-Ring PVDF散堆填料的萃取塔，或单个床层有7 m高使用PFA规整填料的气体吸收塔。但液液萃取和气体吸收通常在低温下操作（如，30 °C附近）。在精馏工况中，更高的温度会显著削弱塑料的屈服强度（见图1），使其“软化”。 注意，这并不意味着材料在此温度下不可用。现代优质PTFE和PFA的耐温性都在200 °C以上。但耐温性仅代表材料在此温度下不会熔化或分解，并不代表塑料的机械强度一成不变。对于不承重的部件，比如 PTFE垫片和PFA容器壁内衬，在200 °C以上没有任何问题。但对于需要承载重量的填料，在150 °C时，很多塑料牌号的填料床层高度仅能略高于1米，甚至更低，很明显低于一个正常精馏床层该有的床层高度。

那么，作为工艺工程师，如何估算塑料填料床层的机械高度，以免在把工艺设计结果交给下游部门如机械工程时被笑到？虽然我们可以直接问机械工程师，但机械工程师大概率也没有准确的塑料填料专用强度–温度曲线。这个曲线一般是塑料填料供应商自己内部大量测试和验证后得到的，所以一般不会公开这些数据。当然，无论如何，在发布最终设计之前，毋庸置疑需要直接向塑料填料供应商询问在给定工艺条件下，塑料填料的允许堆积高度。假如项目尚未进入采购询价阶段，或者和供应商不熟，作为i人不想打扰供应商咋办（对于准确结果，供应商也是要进行严谨机械计算的）？那只能用下述方法在工艺设计阶段直接快速估算，避免出现严重不合理的初步设计。

首先，建立常见塑料填料的参考床层高度。下表列出了基于作者以往项目经验的两种常用塑料填料的最大床层高度。

表1  两种常见塑料填料的最大床层高度。数据基于作者的项目经验，在作者项目中使用无问题。但不同塑料填料供应商可能有稍许不同数值。

塑料的屈服强度（σᵧ，即达到永久形变时的应力）总是随着温度升高而降低。我们可以比较目标温度下的屈服强度（σᵧᵀ）与参考温度下的屈服强度（σᵧᴿ），以估算塑料材料在目标温度下被削弱的程度。由于填料密度均匀，填料高度代表其支撑的载荷。当达到屈服强度时，填料具有最大机械高度。因此，两个温度下的屈服强度之比 r = σᵧᵀ / σᵧᴿ，可以与两个相应温度下的最大床层高度之比相关联：

r = σᵧᵀ / σᵧᴿ = Hᵀ / Hᴿ     —— (式 1)

其中：

σᵧᵀ：MPa；塑料在目标温度下的屈服强度；

σᵧᴿ：MPa；塑料在参考温度下的屈服强度；

Hᵀ：mm；目标温度下的最大机械填料高度；

Hᴿ：mm；参考温度下的最大机械填料高度。

举个例子：假设将250 m²/m³的PFA填料应用于最高工作温度为180 °C的精馏塔。根据图1，在此目标温度下，Solvay Hyflon® M系列PFA的屈服强度σᵧᵀ约为3.5 MPa；参考温度50 °C下的屈服强度σᵧᴿ约为12 MPa。因此，比率 r = σᵧᵀ / σᵧᴿ = 0.29，表明在目标温度下，强度已减弱至参考值的约29%。同时，基于参考值，50 °C下的最大机械高度Hᴿ为6,000 mm。因此，根据式1，目标温度180 °C下的估计最大机械高度为 Hᵀ = Hᴿ × r = 1740 mm。

关于此估算方法的几点重要说明：

1.    使用塔的设备设计温度，而非工艺模拟中使用的操作温度，以实现本质安全设计。当然，因为设备的设计温度普遍高于实际工艺操作温度，所以会进一步降低允许的塑料床层高度。

2.    此方法仅作为初步估算，因为此处塑料的材料和机械性能原理已被大大简化。最终设计必须由塑料填料供应商书面评估。

3.    这里描述的方法使用了原材料供应商Solvay公布的拉伸屈服曲线。理论上应使用压缩屈服曲线以获得更好的近似，但压缩屈服曲线在公开文献中不易获得。作者的经历中，使用拉伸屈服曲线对于大多数初步估算没有问题。

4.    塑料填料供应商使用的精确机械模型要复杂得多。塑料不同于金属和陶瓷。它们的承重能力还受时间和压力影响，称为“压缩长期蠕变强度”。简而言之，传统的拉伸或压缩屈服强度结果是根据ASTM标准在短期测试下得到的（拉伸为ASTM D638，压缩为ASTM D695）。但对于塑料，载荷施加的持续时间也很重要。持续施加的载荷会持续削弱塑料，尤其是在高载荷下。因此，准确的塑料高度计算还取决于填料的设计寿命，以及载荷和温度。最终设计必须由供应商进行准确评估。

5.    另外，在最终载荷计算中，填料不仅有其自身重量，还有液体持液量，以及充液分布器重量。

现代氟塑料如PFA（全氟烷氧基烷）和PTFE（聚四氟乙烯）具有优异的耐腐蚀性和可塑性。它们非常适合制造现代工业填料所需的复杂波纹结构，并可用于涉及HF、HCl、硫酸等高度腐蚀性介质的环境。但必须注意机械允许的床层高度。如果工艺温度导致床层高度过低，则可考虑其他填料选项（如碳化硅填料），以实现等效或更好的性能。

[1] Górak, A., & Olujić, Ž. (Eds.). (2014). Distillation: Equipment and processes. Academic Press. https://doi.org/10.1016/C2010-0-67014-0

[2] Solvay Specialty Polymers. (2014). Hyflon® PFA design & processing guide (Version 2.2). https://www.nevicolor.it/prodotti/ricerca-polimero/solvay/hyflon-pfamfa-food/documenti/hyflon-pfa-design-and-processing-guide-en.pdf