板式塔和填料塔对比

表8-2精馏塔的主要类型及特点类型板式塔填料塔结构特点每层板上装配有不同型式的塔内设置有多层整砌或乱堆的填气液接触元件或特殊结构，如料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填料筛板、泡罩、浮阀等；塔内设等散装填料，格栅、波纹板、脉冲置有多层塔板，进行气液接触等规整填料；填料为气液接触的基本元件操作特点气液逆流逐级接触微分式接触，可采用逆流操作，也可采用并流操作设备性能空塔速度（亦即生产能力）高，大尺寸空塔气速较大，小尺寸空塔效率高且稳定；压降大，液气气速较小；低压时分离效率高，高比的适应范围大，持液量大，压时分离效率低，传统填料效率较操作弹性小低，新型乱堆及规整填料效率较高；大尺寸压力降小，小尺寸压力降大要求液相喷淋量较大，持液量小，操作弹性大（续表）制造与维修 直径在600mm以下的塔安装困 新型填料制备复杂，造价高，检修 难，安装程序较简单，检修清 清理困难，可采用非金属材料制造， 理容易，金属材料耗量大但安装过程较为困难适用场合处理量大，操作弹性大，带有 处理强腐蚀性，液气比大，真空操污垢的物料作要求压力降小的物料1.1.1.1 板式塔塔型选择一般原则： 选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、 运转、维修等。1）下列情况优先选用填料塔：a. 在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度；b. 对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先 选择真空操作下的填料塔；C.具有腐蚀性的物料，可选用填料塔。因为填料塔可采用非金属材料，如陶瓷、 塑料等；d.容易发泡的物料，宜选用填料塔。2）下列情况优先选用板式塔：a. 塔内液体滞液量较大，操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感, 操作易于稳定；b. 液相负荷较小；c. 含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大的 塔板，堵塞的危险较小；d. 在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要在塔内设置内部换热组件，如加热盘管，需要多个进料口或多个侧线出料口。这是因为一方面板式塔的结 构上容易实现，此外，塔板上有较多的滞液以便与加热或冷却管进行有效地传热；e. 在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式塔。1.1.1.2 板式塔塔盘的类型与选择1）塔板种类根据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式和溢流式。目前板 式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。2）各种塔盘性能比较工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求， 迄今已开发和使用的塔板类型繁多。这些塔板各有各的特点和使用体系，现将几种 主要塔板的性能比较。表8-3 塔板性能的比较塔盘类型优点缺点适用场合罩板较成熟、操作稳定结构复杂、造价高、塔特别容易堵塞的物系板阻力大、处理能力小浮阀板效率高、操作范围宽浮阀易脱落分离要求咼、负荷变化大筛板结构简单、造价低、易堵塞、操作弹性较小分离要求咼、塔板数较多塔板效率高舌型板结构简单且阻力小操作弹性窄、效率低分离要求较低的闪蒸塔表8-4主要塔板性能的量化比较塔板类型生产能力塔板效率操作弹性压降结构成本泡罩板51复杂1浮阀板一般筛板简单舌型板简单1.1.1.3填料塔填料的选择塔填料是填料塔的核心构件，它为气液两相间热、质传递提供了有效的相界面, 只有性能优良的塔填料再辅以理想的塔内件，才有望构成技术上先进的填料塔。因 此，人们对塔填料的研究十分活跃。对塔填料的发展、改进与更新，其目的在于改 善流体的均匀分布，提高传递效率，减少流动阻力，增大流体的流动通量以满足降 耗、节能、设备放大、高纯产品制备等各种需要。填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性 能的基本参数。1）比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a表示，其单 位为m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积 是评价填料性能优劣的一个重要指标。2）空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以；-表示，其单位 为m3/m3，或以表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此， 空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。3）填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即0八3,称为填料因子, 以0表示，其单位为1 /m。它表示填料的流体力学性能，0值越小，表明流动阻 力越小。填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下,填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高； 填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。国内学者采用模糊数 学方法对九种常用填料的性能进行了评价如表所示：表8-5 九种常用填料的性能对比填料名称评估值评价排序丝网波纹填料很好1孔板波纹填料相当好2金属Int alox相当好3金属鞍形环相当好4金属阶梯环一般好5金属鲍尔环一般好6瓷Intalox较好7瓷鞍形环略好8瓷拉西环略好9填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺 的要求，又要使设备投资和操作费用最低。1.1.2塔型的结构与选择塔设备的总体结构均包括：塔体、内件、支座及附件。塔体是典型的高大直立容器，多由筒节、封头组成。当塔体直径大于800mm时,各塔节焊接成一个整体；直径小的塔多分段制造，然后再用法兰连接起来。内件是物料进行工艺过程的地方，由塔盘或填料支承等件组成。支座常用裙式支座。附件包括人、手孔，各种接管、平台、扶梯、吊柱等。图8-2 填料塔1吊柱；2排气口；3喷淋装置4壳体；5液体再分配器；6填料；7卸填料人孔； 8支撑装置图8-1 板式塔11吊柱；2排气口；3回流液入口；4精馏段塔盘；5壳体；6进料口；7人孔； 8提馏段塔盘；9进气口；10裙座； 11排液口；12裙座人孔9进气口；10排液口； 11裙座12裙座人孔综合塔型的选择原则，考虑到各塔的操作压力、操作温度、处理负荷、物料性质、前后设备的具体情况以及工业上的经验等，最终确定各塔的类型如表所示：表8-6 塔型确定塔设备编号塔设备名称设备类型备注C101裂解油预分塔填料塔填料类型选择C102隔壁塔填料塔M250Y型规整填C103抽提塔填料塔料；C104溶剂回收塔填料塔C201BT塔填料塔C202二甲苯塔筛板塔续表）C401平流双段反应耦合精馏塔筛板塔C501抽取液塔填料塔C502抽余液塔填料塔1.1.3填料塔的设计对抽提塔T0103进行设计：抽提塔T0103是萃取精馏塔，操作压力2bar，塔顶温度。C,塔底温度。C,理论 塔板数40块，两股进料，萃取剂环丁砜从塔顶进入，原料C5C7从第36块理论版， 即第35块塔板进料，T0103的详细计算过程如下文所述。1.1.3.1 水力学参数获得采用Aspen Plus对C103添加Pack Sizing，选用MELLAPAK 250Y型塔板，查询填 料手册可知，该类型塔板的特性总结如表所示：表8-7 M250Y规整填料的特性数据填料型号填料规格填料表面材质比表面积波纹倾角Mellapak250Y金属薄片不锈钢250m2/m345水力直径空隙率峰高金属板片厚密度每米填料15mm95%度200m3/kg理论板数填料因子等板高度持液量参数载点因子泛点因子到水力学参数表后，从中选择流量最大的塔板，作为设计的计算依据:表8-8 Aspen Plus模拟的T0103工艺要求St ageTemperatureliquidfrom/CTemperaturevapor to/CMass flowliquid from /(kg/hr)Mass flow vaporto / (kg/hr)37Volume flowVolume flowMolecularMolecular wtDensity liquidliquid fromvapor to /wt liquidvapor tofrom / (kg/m3)/ (m3/hr)(m3/hr)fromDensityViscosityViscositySurface tensionFoaming indexvapor to /liquidvapor to/cPliquid from(kg/m3)from/cP(mN/m)1.1.3.2工艺尺寸概算1）泛点气速与空塔气速采用Bain-Houge n关联式，可以计算填料的泛点气速A -诰飞)L: Lu. I：.;液相质量流量I二1 - I气相质量流量叽I气相密度亠液相密度U比丄:*; II：，液相黏度11丄：并空隙率;-填料因子巾匚二如的II比表面积,Iu.j nJ. ii: 重力加速度迂二毙ii对金属孔板波纹填料，常数A=, K=，得泛点气速：|卜=1.062m/s泛点率的选择主要考虑一下两方面的因素，一是物性的发泡情况，对于易起泡 沫的物系，泛点率应取低限值，而无泡沫的物系，可以取较高的泛点率；二是填料 塔的操作压力，对于加压操作的塔，应取较高的泛点率，对于减压操作的塔，应取 较低的泛点率。考虑到石油组分可近似看做无泡沫物系，且为加压操作，取泛点率:-Cl *山：故空塔气速UII ； ：o2）气相动能因子卜与气相负荷因子，I- =、：八 T 二-；3S在工业设计中推荐的的范围之内。3）塔径计算=1, &：.忙閏彩:n li塔横截面积y- !/ 4）填料装填计算等板高度取订卜次山；理论板数，则填料层高度:Z =-:2|-填料堆积设计高度： i 一 1. 5Z 二 22. 8m 填料装填体积：V = Z S = 447. 6m3填料装填质量：M = P Z S = 4. 56015) 喷淋密度液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，单位是m3/ (m2 h)。填料塔中汽液两相的相间传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。 要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的 液体喷淋密度以及填料材质的表面润湿性能。二;二氏一 T hr.(L? 11.：查询工业塔新型规整填料应用手册(刘乃鸿主编)，在060m3/ (m2h) 的范围之内，设计是合理的。可以保证填料的充分润湿，和一定的操作余量。实际操作时，采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可 用增大回流比或采用液体再循环的方法加大液体流量，以保证填料表面的充分润 湿；也可采用减小塔径予以补偿；可采用表面处理方法，改善其表面的润湿性能。6) 塔板压降查询现代塔器技术，可得干填料压降：AP Z -沉川z P (/-力阪汀川湿填料压降：AP/Z=948 X IO446 x 10 3X1(uc.V)h72 + 318 X 10-3 XU= 3057Pa/m工作状态下，填料层总压降：AP = 057 X 22. 8Pa = 69. 7kPa工业上推荐的250Y孔板波纹填料的压降范围在m之间，计算结果符合这一要求。7）持液量填料层的持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体 积，以（m3液体/m3填料，）表示，持液量可分为静持液量、动持液量和总持液量, 总持液量是指在一定操作条件下存留于填料层中的液体的总量，即总持液量为动静 持液量之和。关于持液量的计算既可由实验测定，也有相关的经验公式，通常金属板波纹（如 本设计使用的Mellapak 250Y，材质304不锈钢）的操作符合低于75%极限负荷时， 其持液量为35%。通常持液量的经验关联式主要关联了雷诺数Re,弗劳德数Fr和填 料的特性尺寸等。如持液量计算公式和Bille t-Schul tes关联式。8）接管原料进料质量流量：u 工川，汕丨，密度I- lb- l-.i:，为气液混合进 料，取流速|讨；，管径为：圆整取公称直径DN = 400mm，同理，可以计算得到萃取剂进料管直径为200mm、 塔顶出料管直径为300mm、塔底出料管直径为350mm、塔顶回流管直径为250mm、塔 底回流管的直径为1000mm （可能过大）。1.1.3.3设计水力学校核利用Cup tower，对设计进行水力学校核：图8-3T0103的Cup tower校核输入界面结果如下页表中所示，塔顶和塔顶的操作条件都在填料塔全负荷的80%左右, 气体动能因子在经济适宜的F范围内，喷淋密度符合范围之内，填料层总压降为， 持液量5%。软件计算结果与手动计算结果相似，进一步验证了计算过程与结果的正确性, 设计是合理的。T0103的流体力学校核结果如表所示:表8-9T0103的Cup tower核算详单基本信息1项目名称2客户名称7塔板名称3项目号8计算人4装置名称9校核人5塔的名称10日期4/27/2022 5:10 PM6塔段号11续表）12说明工艺设计条件顶部底部气相条件1质量流量kg/h2密度kg/m33体积流量m3/h4粘度cP液相条件5质量流量kg/h6密度kg/m37体积流量m3/h8粘度cP9表面张力mN/m工艺计算结果1液泛分率%2气体动能因子3液体喷淋密度m3/4单位填料层压降mbar/m5空塔气速m/s6泛点气速m/s7气体负荷因子m/s8流动参数/9填料层总压降mbar塔的结构参数1填料类型/M250Y6塔径m2材质/不锈钢7填料层高度m3比表面积m2/2508持液量%4空隙率%9每米理论级m-15倾斜角o4510经济F范围（续表）操作负荷性能图顶部底部1操作点横坐标/2操作点纵坐标m/s3备注1.1.3.4设计强度校核T103操作压力2bar，属于低压容器（l,6MPa），塔顶温度。C,塔底温度。C, 属于常温容器，因其设备体积庞大，负荷高，介质微毒易燃，因此为第一类压力容 方器。由计算和校核的结果，可取填料塔公称直径DN 二 5000mm公称压力PN = 2bai 二2MPa在该温度和压力范围内，钢材选用16MnR （Q345R），据经验，大型化工容器采 用16MnR制造，质量可比用碳钢减轻1/3。运用SW6-2011进行塔体强度校核图8-4 T0103的SW6-2011校核输入界面之一计算报告简略如下，详细塔校核报告见附带源文件。表8-10内压圆筒校核报告表内压圆筒校核计算单位天津大学蓝图.TJU计算所依据的标准GB计算条件筒体简图计算压力PcMPa设计温度tC内径Dimm材料Q345R（板材）试验温度许用应力MPa设计温度许用应力tMPa试验温度下屈服点sMPa钢板负偏差C1mm腐蚀裕量C2mm焊接接头系数厚度及重量计算续表）计算厚度PD二 ci 二2otPcmm有效厚度=C- C = en12mm名义厚度nmm重量Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值P =冲=（或由用户输入）TbtMPa压力试验允许通过的应力水平TTsMPa试验压力下圆筒的应力二 p .(D + 8 )二tTieT28 4eMPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力P = 23 ebt Q = W(D. +3 )ieMPa设计温度下计算应力P( D+3 ),ciet =23=eMPatMPa校核条件tt结论合格表8-11 上封头校核报告表上封头校核计算计算单位天津大学蓝图.JU计算所依据的标准GB计算条件椭圆封头简图计算压力PcMPa设计温度tC内径Dimm曲面深度himm材料Q345R（板材）设计温度许用应力tMPa试验温度许用应力MPa钢板负偏差C1mm腐蚀裕量C2mm（续表）焊接接头系数压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值P = g =（或由用户输入） TQtMPa压力试验允许通过的应力tTsMPa试验压力下封头的应力二 p .(KD + 0.58 )二TTie28 ,(beMPa校核条件TT校核结果合格厚度及重量计算形状系数k = i r ( d 丫 i =2 +i62hL i i丿计算厚度KPD二二mmh2b t e0.5 Pc有效厚度=-C - C =mmehnh12最小厚度=mmmin名义厚度=mmnh结论满足最小厚度要求重量Kg压力计算最大允许工作压力2 q t 8PJ= KD. + 0.58=駅ieMPa结论合格表 8-12 下封头校核报告表下封头校核计算计算单位天津大学蓝图.TJU计算所依据的标准GB计算条件椭圆封头简图计算压力PcMPa设计温度tC内径D,mm曲面深度片mm材料Q345R（板材）设计温度许用应力tMPa试验温度许用应力MPa续表）钢板负偏差C1mm腐蚀裕量C2mm焊接接头系数压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值P = -O=（或由用户输入） TQtMPa压力试验允许通过的应力tTsMPa试验压力下封头的应力二 p .(KD + 0.58 )二TTie28 ,(beMPa校核条件TT校核结果合格厚度及重量计算形状系数k = i r r d 丫 1 =2 +i62hi丿计算厚度KPD.一c i一h2b t e0.5 Pcmm有效厚度一 C- c一 ehnh12mm最小厚度minmm名义厚度nhmm结论满足最小厚度要求重量Kg压力计算最大允许工作压力2 帕e PJ= KD i + 0.58 = 划ieMPa结论合格1.1.4填料塔内件设计 填料塔内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再 分布装置等。合理地选用和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性 能十分重要。1.1.4.1 液体分布装置 不良的流体初始分布难以达到填料层的自然流分布，会导致传递效率急剧下 降，实践证明，没有良好的液体分布器，填料塔甚至不可能正常操作，新型高效填 料的优越性难以发挥。性质优良的液体分布器除了常规的技术经济要求外，还必须 满足操作的可行性、分布的均匀性、合适的操作，弹性和足够的气流通道。表8-11 常用液体分布器的特点多孔型布液装置溢流型布液装置工作原借助孔口以上液层产生的静进入布液装置的液体超过堰口高度时，依理压或管路的泵送压力，迫使靠液体的自重通过堰口流出，并沿着溢流液体从小孔流出，注入塔内。管（槽）壁呈膜状留下，淋洒至填料层上。优点能够提供足够均匀的液体分操作弹性大，不易堵塞，操作可靠和便于布和空出足够大的气体通道分块安装。（自由截面一般在70%以上），便于分块安装。缺点分布器的小孔易被冲蚀或堵塞。分类1. 溢流盘式布液器;2. 溢流槽式布液器。1. 多孔直管式喷淋器；2. 多管式喷淋器；3. 排管式喷淋器；4. 环管式喷淋器；5. 筛孔盘式分布器；6. 可拆型槽盘气液分布器；7. 莲蓬头喷洒器。通过对（重力推动）排管式、（压力推动）排管式、环管式、（圆形升气管） 孔盘式、（矩形升气管）孔盘式、堰盘式、堰槽式等7种通用型典型的液体分布器 性能对比，最终选定采用喷淋密度范围厶Jib . J* 、适用于大塔径、高处 理能力的堰槽式液体分布器，堰槽式液体分布器还有诸如堵塞可能性小、对气流阻 力小、分布受腐蚀的能力小、分布质量较好的优点，堰槽式液体分布器的缺点在于 其受不水平度的影响很大，需要在安装时严格保证水平，并且做好固定设施。按一 般要求，设计保证水平度最大偏差不大于5mm。为了保证塔器水平度的稳定，设计 了较高的槽高。因为操作负荷较大，且要保证一定的余量，设计一级槽高度为360mm。 在塔间进料位置，因进料负荷量更大，适当加高堰槽高度和材料强度。图8-5堰槽式液体分布器设计平面图1.1.4.2液体收集与再分布装置按照Horner推荐的标准，取以下三条中最低值作为再分布分段高度：填料高度 7m；相当于20块理论板或传递单元数的高度；68倍塔径高度。计算得到的填料装填高度，因此将填料层分为4段；其中精馏段填料高度，分 为三段，每段填料层高度为；提馏段填料高度，单独作为一段。4段填料层需要3套 液体收集与再分布装置。液体再分布器由集液器与常规液体分布器组合而得，无论是简单的再分布，还 是兼有中间加料或出料的再分布，均能达到理想的效果，而且气流通量大，阻力小， 很适用于大塔径。液体收集装置选用遮板式液体收集器，液体收集器需要从人孔装入塔中，因此 要做成分体式结构，集液盘三片制成一体，进塔后组装成整体。对于我们大直径、 大液量的填料塔，采用双流式结构，集液槽由周边槽和横槽组成，周边槽和横槽相 同，收集的液体由横槽导液管流入再分布器。1.1.4.3 填料支撑板格栅式支撑板最适合于规整填料的支撑，其空隙率比较大，采用金属材料，其 空隙率在95%97%范围。格栅式支撑板是由一定数量栅条平行排列而成，为便于安装和使用，将栅条分 组连接成格栅块，再安装于支撑面上，每块的大小设计合理，以便从人孔送入塔内。1.1.4.4 填料床层固定装置对于规整填料的固定，需要结合床层结构特点来设计，本设计采用波纹板填料， 在填料层顶面垂直于板片方向，设置一定数量的压条来防止填料盘向上松动，压条 采用扁钢制作，竖直放置，组成格栅压圈，并将其用螺栓固定在塔壁上。这种方法 简单、可靠，又几乎不影响气液流动和分布。1.1.4.5 除雾装置在通过两相的密切接触和分离以促进相见组分的传递，达到液体轻重组分分离 的目的的同时，在离开填料塔的气相中，会夹带一定数量、大小不等的液滴，但是 除雾装置大多应用在吸收塔中，防止排出的气体夹带吸收有毒或有用组成成分的小 液滴。对于应用于精馏的填料塔，一般不必添加除雾装置，因为即使塔内液滴随气 体排出塔顶，依旧会在冷凝器中冷却，再次回流到精馏塔中。1.1.4.6 气体分布装置由于塔填料是一个低压降的传质设备 , 依靠气相的自分布在填料塔内很难达 到均匀分布。尤其对于大型的填料塔, 一旦气相在塔内分布不均匀, 势必影响到大 型填料塔的分离或传热效果。对于大型填料塔，北洋国家精馏技术工程发展有限公 司在实验和生产实践基础上改进并研制了大量综合性能优良的气体初始分布器。其 中包括新型双切向环流进气分布器、新型双列叶片进气初始分布器以及辐射式进气 初始分布器等，在本次设计中，采用的是新型双切向环流进气分布器。大型精馏塔常用的再沸器为热虹吸式再沸器 ，再沸气体从塔底进入精馏塔时， 气量特别大，因此采用双切向环流。气体经过梯级排列的导气板，向下流动 ，再 从塔的中部上升，达到均匀分布的目的。1.1 塔设备设计1.1.1 设计依据F1型浮阀JBT 1118钢制压力容器GB 150-1998钢制塔式容器/ -riJj -r-f-r Pe/ri* 人 人 Z-e K zr I_- 一r* /r K TTrl I_lx 天才JB 4710-92碳素钢、低合金钢人孔与手孔类型与技术条件HG 21514-95钢制压力容器用封头标准JB/T 4746-2002中国地震动参数区划图GB 18306-2001建筑结构荷载规范GB 50009-20011.1.2 概述石化行业是国民经济中能耗较高的产业部门，其能耗占工业能耗接近1/5，占全国 总能耗的14%左右。在目前占有工业能耗接近五分之一的石化行业中，较大的能耗主要 来源于化学原料及化学制品制造业能耗、石油天然气开采业能耗、石油加工、炼焦及核 燃料加工业能耗、橡胶制品业能耗。而在化工生产中分离的能耗占主要部分，塔设备的 投资费用占整个工艺设备费用的%。塔设备所耗用的钢材料重量在各类工艺设备中所占 的比例也较多，例如在年产250万吨常压减压炼油装置中耗用的钢材重量占%，在年产 60-120万吨催化裂化装置中占%。因此，塔设备的设计和研究，对石油、化工等工业的 发展起着重要的作用。1.1.3 塔型的选择塔主要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程， 但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。a. 填料塔与板式塔的比较：a板式塔。塔内装有一定数量的塔盘，是气液接触和传质的基本构件；属逐级（板）接触的气液传质设备；气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的 液层，使气液相密切接触而进行传质与传热；两相的组分浓度呈阶梯式变化。b. 填料塔。塔内装有一定高度的填料，是气液接触和传质的基本构件；属微 分接触型气液传质设备；液体在填料表面呈膜状自上而下流动；气体呈连续相自下 而上与液体作逆流流动，并进行气液两相的传质和传热；两相的组分浓度或温度沿 塔高连续变化。b塔型选择一般原则： 选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、运 转、维修等。1）下列情况优先选用填料塔：a. 在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采 用新型填料以降低塔的高度；b. 对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先 选择真空操作下的填料塔；c. 具有腐蚀性的物料，可选用填料塔。因为填料塔可采用非金属材料，如陶瓷、 塑料等；d. 容易发泡的物料，宜选用填料塔。2）下列情况优先选用板式塔：a. 塔内液体滞液量较大，操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感， 操作易于稳定；b. 液相负荷较小；c. 含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大的 塔板，堵塞的危险较小；d. 在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要在塔内设置内部换热组 件，如加热盘管，需要多个进料口或多个侧线出料口。这是因为一方面板式塔的结 构上容易实现，此外，塔板上有较多的滞液以便与加热或冷却管进行有效地传热；e. 在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式.表 9-7 填料塔与板式塔比较项目填料塔板式塔压降小尺寸填料，压降较大，大尺寸及规整填料，压降较小。较大空塔气速小尺寸填料气速较小，大尺寸及规整填料气速较大。较大塔效率传统填料，效率较低，新型乱堆及规整填料效率较高。较稳定、效率较咼液-气比对液体量有一定要求。适用范围较大持液量较小较大安装、检修较难较容易材质金属及非金属材料均可一般用金属材料造价新型填料，投资较大大直径时造价较低综合考虑，本项目采用板式塔。c. 塔盘的类型与选择1）板式塔塔板种类： 根据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式和溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。2）各种塔盘性能比较： 工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求，迄今已开发和使用的塔板类型繁多。这些塔板各有各的特点和使用体系，现将几种 主要塔板的性能比较。从比较各表可以看出：筛板塔在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比 泡罩塔更适合萃取，结合本项目实际情况，初步选择筛板塔。表 9-8 塔板性能的比较、塔盘类型优点缺点适用场合泡罩板较成熟、操作稳定结构复杂、造价高、塔板特别容易堵塞的物系浮阀板效率高、操作范围宽筛板舌型板结构简单、造价低、塔板效率高结构简单、塔板阻力阻力大、处理能力小浮阀易脱落易堵塞、操作弹性较小操作弹性窄、效率低分离要求高、塔板数较多分离要求较低的闪蒸塔表 9-9 主要塔板性能的量化比较1.1.4 板式塔的计算a. 设计计算V1. 塔径计算其中，P是液相密度，kg/m3； p为气相密度，kg/m3； u为极限空塔气速，LVmaxm/s； C为负荷因子,m/s。负荷因子与气液负荷、物性及塔板结构有关，一般由实验确定。Smith等人汇集了各种塔的数据，整理成为负荷因子与诸影响因素的关系曲线，如图8-1所示。图中H -h反映液滴沉降空间高度对负荷因子的影响。横坐标L（匕）1/2为量纲为T LV PhV一的比值，成为液气动能参数，它反映液气两相的负荷与密度对负荷因子的影响。 从图中可看出，对一定的分离物系和液气负荷越大，C值越大，极限空塔气速也越 大，这是因为随着分离空间增大，液沫夹带减少，允许的最大气速就可以增高。设计中，板上液层高度由设计者选定，对常压塔一般为（通常取）。图9-5是按液体表面张力为20mN/m的物系绘制的，因此当所处理的物系表面张力为其他值，应按下式进行校正。0.2L20120 丿& l为操作物系的液体表面张力，mN/m图 9-8 史密斯关联图L (p )80.98 (904.68)0h ( L)1/2 =()1/2 = 0.12V p 24283.60.69hV取板间距为，板上液层高度为，则H h = 0.6 0.08 = 0.52mTLC = 0.11m / s20& ）L20 J 20 丿求得极限空塔气速后，考虑到降液管要占去部分面积，因此实际的操作空塔气0.2( 57 89 =0.11 57890.2=0.136m / s速应该乘上安全系数。安全系数的选取与分离物系的发泡程度密切相关。对不易发泡的物系，可取较高的安全系数；对于易发泡的物系，可取较低的安全系数。根据设计经验，操作空塔气速为u = (0.6 0.8) u maxumax=C,904.68 0.69I 0.69= 4.92m/ su = 0.6 x 4.92 = 2.952m / s厂 叶4x 24283.64D = s = 1.7 m兀 u3.14 x 2.952 x 3600估算出塔径后要进行圆整，常用标准塔径为400、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200mm等等。最终圆整为D=2m值得注意的是，精馏段提馏段的气液负荷是不一样的，因此要分别进行计算，如果两者相差不大则以大的塔径为准，如果相差比较大要使用变径塔。塔截面积兀A =一 D 2 = 3.14m2T4空塔气速V24283.6u = 2.15m / sA 3600 x 3.142. 溢流装置计算根据图8-2，可选取单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下。图9-9 溢流类型和液体流量与塔径的关系(1) 堰长l w溢流堰设置在塔的出口处，是维持板上有一定高度的液层并使液体在板上均匀 流动的装置。将降液管的上端高出塔板版面即形成溢流堰。降液管端面高出塔板板 面的距离成为堰高，以hw表示。弓形溢流管的弦长成为堰长，以1W表示。溢流堰板 的形状由平直形与齿形两种。堰长根据经验确定。单溢流l 二(0.6 - 0.8)Dwl = 0.6 D = 0.6 x 2 = 1.2 mw(2) 溢流堰高度hw板上清液层高度为堰高和堰上液层高度之和，即h = h + hL w ow于是堰高可由板上清液层高毒和堰上液层高度来确定。堰上液层高度对塔板的 操作性能有很大影响。堰上液层高度太小，会造成液体在堰上分布不均，影响传质 效果，该高度应大于6mm，若小于此值应采用齿形堰。若太大，会增大塔板压降以 及也沫夹带量。一般设计是该值不能大于60-70mm，超过此值时可采用双溢流形式。仁可由下式计算。E由图8-3选取。根据设计经验，取1时引起的误差能满足工 程设计要求。how2.84E (士 )2/3/2.84 (80.981000( 1.2)2/3 = 0.047mh = h h = 0.08 0.047 = 0.033m w L ow图9-10液流收缩系数计算图(3) 降液管宽度W和截面积A dfl / D = 0.6w查下图9-8可得A匸=0.53 ATWD = 0.11可得A 二 0.053A 二 0.053x3.14二 0.166m2 fTW 二 0.11D 二 0.11x 2 二 0.22mD液体在降液管中应停留足够长时间使得液体中夹带的气泡得以分离。由实践经 验可知，液体在降液管内停留时间不应该少于3-5s，对于高压下操作的塔以及易起 泡体系停留时间应更长一些。为此，在确定降液管尺寸，应按照下式计算停留时间， 即3600A H3600x 0.166x 0.69 二iT 二二 4.5s 3sL80.98h故降液管设计合理。图9-11 弓形降液管的参数(4) 降液管底隙高度h0降液管底隙高度是指降液管底边与塔板间的距离。确定它的原则是，保证液体夹带的悬浮固体在通过底隙是不致沉降下来堵塞通道；同时又要有良好的液封，防止气体通过降液管造成短路。一般按下式计算：Lh 36001 uw080.983600 x 1.2 x 0.25= 0.074 m其中， u0 是液体通过底隙时的流速，根据经验一般取u = (0.07 0.25) m / s 0降液管底隙高应低于出口堰高度才能保证降液管有良好的液封，一般应低于6mm。h 一 h = 0.08 0.074 = 0.006mw0降液管底隙高度一般不小于20-25mm，否则易于堵塞，造成液泛。在设计中，对直径较小的塔：h = 25 一 30 mm0对直径较大的塔：h 40mm0。故降液管底隙设计合理，选用凹形受液盘，深度80mm。3. 塔板布置a. 鼓泡区。鼓泡区为图4-5中虚线以内的区域，是板面上开孔区域，为塔板上 气液接触的有效区域。b. 溢流区。溢流区为降液管及受液盘所占的区域。c. 安定区。鼓泡区与溢流区之间的区域称为安定区。此区域不开气道，其作用 有两方面：第一，液体进入降液管之前，有一段不鼓泡的安定地带，以免液 体大量夹带气泡进入降液管。而是在液体入口处，由于板上液面落差，液层 较厚，有一段不开孔的安全地带，可以减少漏液量。安定区的宽度以 W 表示， 可按下述范围选取；D 1.5m，W 二 80 - 110mmSd. 无效区。无效区为靠近塔壁的一圈边缘区域，这个区域提供支持塔板的边梁之用，其宽度视塔板的支撑需要而定，小塔一般为 30-50mm，大塔一般为50-70mm。为防止液体经无效区流过而产生短路现象，可在塔板上沿塔壁设 置挡板。图9-12 塔板的结构因塔径大于，可选取Ws二0.1m，叮0.06m4. 筛孔计算以及排列筛孔的直径是硬性气相分散和气液接触重要工艺尺寸。工业筛板的直径推荐使用4-5mm。筛孔直径太小，加工制造困难，且易堵塞。筛孔的加工一般使用冲压法，故确定筛孔直径时应根据塔板材料及厚度考虑加工的可能性。对于碳钢塔板，板厚为3-4mm，孔径不应小于板厚；对于不锈钢塔板, 板厚为，孔径不应小于()倍板厚。本例所处理的是无腐蚀物系，可选用厚度4mm，孔径6mm的碳钢板。筛孔按正三 角形排列。相邻俩筛孔中心的距离称为孔中心距，以t表示，一般等于()倍孔径，t过小 使气流相互干扰，过大则鼓泡不均匀，都会影响传质效率。推荐值“ d 0二3 - 4当采用正三角形排列时，筛孔数目可用下式计算1.155An at2其中，为鼓泡区面积 对单溢流塔板，鼓泡区面积可用下式计算A - 2(x r2 一 x2 +a兀r 2180其中，x - - (W + W) -1 - (0.22 + 0.1) - 0.68m2Dsr D - W 1 - 0.06 - 0.94m2cI兀 0 9420 94A - 2(0.6870.942 - 0.682 +sin-i 丄)-2.16m2a1800.68s1.155 A 1.155 x 2.16n -s -11088120.0152开孔率为塔板上筛孔总面积和鼓泡区面积的比值。当筛孔按正三角形排列时 可用下式计算。0 - 0.907(d0)2 - 0.907 x (2)2 - 0.1t0.018b.流体力学验算塔板流体力学验算的目的在于检验初步设计的踏板能否在较高的效率下正常 擦，验算中若发现不合要求的地方，应对相关工艺尺寸进行调整直到符合要求为止1. 塔板压降习惯上，常把压力降以塔内液柱高度来表示。气体通过一层塔板的压降为h - h + h + hpci b第一项为气体通过每层筛板的压力降，第二项为气体克服干板阻力所产生的压 力降，第三项为气体克服液体表面张力所产生的压力降。都以m为单位。干板压降通过下式估计，其中u0是气体通过筛孔的速度，c0是流量系数，当孔 径小于10mm时，可由图4-查出，当孔径大于10mm时，可由图4-查出的值乘以得到。h = 0.051(你)2(比)1(2)2 cc p A0 L a 通常筛孔的开孔率为 百分之五到十五，1(扌)21a所以该式简化为h = 0.051(你)2(倬)c c p0L 气体通过筛孔的速度为V 24283.6u =s = 21.52m / s0-d 2n 3600x-x0.0062x 110884 04由于d / 6 = 6/4 = 1.50查图9-10得c = 0.780所以21.520.692h = 0.051()2() = 0.03mc0.78904.68图9-13 干筛孔的流量系数图气体通过充气液层的压降由下式计算，即h =0h =0 (h +h )l L ow w其中 0 为充气系数，反映板上液层充气程度的因素。可以从图9-11查取，通常 可取图中F为气相动能因子，定义式如下；为通过有效传质区的气速，m/s。V24283.6u = s = 2.27 m / sa A A3600 x (3.14 0.166)T fF = u p = 2.27：0.692 = 1.89kg1/2 / (sm1/2)0 a、 V查图可得B = 0.56h =B(h + h ) = 0.56x(0.033 + 0.047) = 0.0448m l ow w图9-14充气系数关联图液体表面张力所产生的压降由下式估算：h =玉_ & Pl叭 该值很小，可忽略不计、h = h + h + h = 0.03 + 0.0448 = 0.0748 m p c l &Ap = h p g = 0.0748 x 904.68 x 9.81 = 663.84 PapL2. 液面落差筛板上没有凸起的气液接触原件，液体流动阻力小，故液面落差小，通常可忽略不计。只有液体流量很大以及液体流程很长时，才需要考虑液面落差。3. 液泛液泛分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况。在筛板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行计算。为防止液泛，应保证降液管内泡沫液体总高度不能超过上层塔板的出口堰，即：H(H + h )dT we为安全系数，对易发泡体系，P = 0.3-0.5。对于不宜发泡物系，p = 0.6-0.7。这里取.申(H + h ) = 0.6 x (0.6 0.08) = 0.312 TwH = h + h + hd p L d板上不设进口堰，则h =0.153(u )2 =0.153x0.252=0.0096m d0H = h + h + h = 0.0748 + 0.08 + 0.0096 = 0.1644 m d p L dH e (H + h ) = 0.312dT w故不会发生液泛4. 漏液当气体通过筛孔的流速较小，气体的动能不足以阻止液体向下流动时，便会发生漏液现象。根据经验，当相对漏液量小于百分之十时对塔板效率影响不大，这时的气速称为漏液点气速，它是塔板气速操作的下限，以0,mi表示。漏液量与气体通过筛板的动能因子有关，根据实验观测，筛板塔相对漏液量为百分之十时，动能因 子 F 二 8 -10。0F 10 二 12.02m / s0.692u0,minu = 21.520uK = 一u0,minL5 K 2，故明显漏液。5. 液沫夹带液沫夹带造成液相在塔板间的返混，为保证板效率的基本稳定，通常将液沫夹带量限制在一定范围内，设计中规定液沫夹带量e 0.1kg液体/kg气体。 V5.7 X10-6u(a)3.2H hTf5.7 x10-62.27 、57.88 X10-3(0.6 -0.2=0.025kg液体/ kg气体液沫夹带量在允许范围之内。c塔板负荷性能图1. 漏液线根据=12.02m / s 故0,min兀兀V 二一d 2nu二 x0.0062 x11088x12.02二 3.77m3 / ss.min 4 0 0,min 4据此可作出与液体流量无关的水平漏液线12 液沫夹带线5.7x10-6ue =( a)3.2V c H hL T fVVVs s sa A A 3.14 0.1662.974Tfh 2.5h 2.5(h + h )f l ow wh 0.033w2.84L2.84 LhowE(f)2/3 ()2/3 2.5 X 10-3 L 2/31000I1000 1.2swh 0.033 + 2.5 x10-3 L 2/35.7 x10-6u 、5.7 x10-6V、0.1e =( a )3.2 =(s)3.2v b H h57.88x10-3 2.974x(0.567 2.5xlO-3L 2/3)LT fs由上式即可做出液沫夹带线2 3. 液相负荷下限线对于平直堰，取堰上液层高度h二0.006作为最小液体负荷标准。owh