（化学工艺专业论文）规整填料塔软件开发.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 规整填料塔软件开发 摘要 规整填料是在塔内按均匀几何图形排布、整齐堆砌的填料，已在化工、石 油化工等许多行业中广泛应用，这要求这类填料的设计准确性越来越高。 目前规整填料塔计算机辅助设计计算软件很多，但是都存在较多问题。另 外，对于填料的适宜操作区还没有形象、直观的表示方法，从而影响了新型高 效规整填料的推广和应用。而规整填料塔的负荷性能图及可行稳定域，则可以 形象直观地表示出各种流体力学限制条件和填料的适用程度。 本设计重点开发适用于各种规整填料的工艺计算方法，研究各种规整填料 负荷性能图的流体力学限制条件的表示方法，并绘制在形式上与板式塔相类似 的规整填料塔负荷性能图和可行稳定域。本设计对目前国内外广泛应用的规整 填料塔流体力学计算模型进行了搜集整理，用修改单纯形算法对一些流体力学 经验图表进行了回归，提出了新的关联式模型。通过对规整填料塔设计和流体 力学计算模型的筛选，提出了一套针对规整填料塔优化和设计的模型和方法， 利用m i c r o s o f tv b6 0 语言开发了一套针对规整填料的简捷设计优化系统 ( s h o r t c u td e s i g n o p t i m i z i n gs y s t e mf o rs t r u c t u r e dp a c k i n g ，简记s d s s p ) ，并建 立了包含了苏尔寿公司、格里奇公司、诺顿公司等开发的2 0 多种规整填料的计 算数据库，利用该软件可以实现规整填料塔负荷性能图的自动绘制与输出。 通过实例考核表明：s d s s p 软件结构合理，模型可靠，可用作设计方案评 价，也可为严格模拟计算提供良好的初值：负荷性能图的绘制对填料操作的合 适范围有定量、形象、直观的表示，是解决旧塔改造、扩大生产能力、研究应 用各种内构件等的有力工具。该软件的开发对规整填料的研究和应用将会有很 大的实用价值。 关键词：规整填料负荷性能图可行稳定域流体力学s d s s p 软件 青岛科技大学研究生学位论文 s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 0 f s t r u c t u r e dp a c k i n gt o w e r s a b s t p a c t s t r u c t u r e d p a c k i n gi sa r r a n g e da n d 伽yp i l e da c c o r d i n gt os y m m e t r i c a l g e o m e t r yf i g u r e si nt o w e r s i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yi n d u s t r i e ss u c ha s c h e m i c a le n g i n e e r i n ga n dp e t r o c h e m i c a le n g i n e e r i n g t h i sn e e d st h ed e s i g na c c u r a c y o ft h i sp a c k i n gh i g h e ra n dh i g h e r a tp r e s e n tt h e r ea r ec a ds o f t w a r e sf o rs t r u c t u r e dp a c k i n gt o w e r s ，b u tt h e ya l l h a v eal o to fp r o b l e m s i na d d i t i o n ，t op r o p e ro p e r a t i n gs p a c eo fp a c k i n g s ，t h e r e a r e a tv i s u a la n di n t u i t i o n i s t i ed e n o t a t i v em e t h o d s t h i sa f f e c t se x t e n s i o na n d a p p l i c a t i o n o fn e w - t y p e h i g h a c t i v i t y s t r u c t u r e d p a c k i n g s l o a d - p e r f o r m a n c e d i a g r a mo fs t r u c t u r e dp a c k i n gt o w e r sa n di t sf e a s i b l ea n ds t a b l er a n g e ，c a l le x p r e s s a l lk i n d so fh y d r o m e c h a n i c sr e s t r i c t i v ec o n d i t i o n sa n da p p l i c a b i l i t yo fp a c k i n g s ， v i s u a la n di n t u i t i o n i s t i c t h i sa r t i c l ep a i dm a i na t t e n t i o nt od e v e l o pt e c h n o l o g i c a lc a l c u l m i o nm e t h o d s s u i t a b l ef o rv a r i o u ss t r u c t u r e dp a c k i n g s ，r e s e a r c h e dd e n o t a t i v em e t h o d sf o r h y d r o m e c h a n i c sr e s t r i c t i v ec o n d i t i o n so fl o a d - p e r f o r m a n c ed i a g r a mo fv a r i o u s s t r u c t u r e dp a c k i n g s ，a n dp l o t t e dl o a d p e r f o r m a n c ed i a g r a ma n df e a s i b l ea n ds t a b l e r a n g eo fs t r u c t u r e dp a c k i n gt o w e r ss i m i l a rt op l a t et o w e r si nf o r m t h i sa r t i c l e c o l l e c t e da n ds e l e c t e d h y d r o d y n a m i c sc a l c u l a t i o nm o d e l so fs t r u c t u r e dp a c k i n g t o w e r s ，w h i c ha r ew i d e l ya p p l i e di n l a n da n do v e r s e a s s o m ee x p e r i e n t i a lc h a r t sw e r e r e g r e s s e d 、析t ht h em o d i f i e ds i m p l e xa l g o r i t h ma n dn e wc o r r e l a t e dm o d e l sw e r e b r o u g h tf o r w a r d o nt h eb a s i so fc o m p a r i n ga n ds e l e c t i n gt h e s em o d e l s ，t h ea r t i c l e p u tf o r w a r dd e s i g n - o p t i m i z i n gm o d e l sa n dm e t h o d sf o rs t r u c t u r e dp a c k i n gt o w e r s ， a n du s i n gm i c r o s o f tv b6 0d e v e l o p e das u i to fs h o r t c u td e s i g n - o p t i m i z i n gs y s t e m f o rs t r u c t u r e dp a c k i n g ，s d s s pf o rs h o r t t h es y s t e mb u i l tad a t a b a s ef o rm o r et h a n t w e n t ys t r u c t u r e dp a c k i n g si n c l u d i n gs u l z e rc o m p a n y , g l i t s c hc o m p a n y , n o r t o n c o m p a n y 规整填料塔软件开发 t h ec h e c k e dr e s u l t sb ye x a m p l e sd e m o n s t r a t et h a tt h ee o n f i g t i r a t i o no fs d s s p s o f t w a r ei sr e a s o n a b l ea n dt h em o d e l sa r er e l i a b l e s d s s pc a nb eu s e da sa s s e s s m e n t t 0 d e s i g np r o g r a ma n dp r o v i d eg o o di n i t i a l v a l u e sf o rr i g o r o u ss i m u l a t i o n l o a d - p e r f o r m a n c ed i a g r a mh a sq u a n t i t a t i v e ，v i s u a la n di n t u i t i o n i s t i ce x p r e s s i o nf o r a p p r o p r i a t er a n g eo fp a c k i n go p e r a t i o n s oi t i sag o o dt o o lt os o l v eo l dt o w e r s r e b u i l d i n g ，e n l a r g et h r o u g h p u t ，s t u d ya n da p p l y a l lk i n d so fi n t e r n a ls t r u c t u r a lp a r t s t i l ed e v e l o p m e n to ft h i ss o f t w a r ew i l lb ev a l u a b l ef o rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f s t r u c t u r e dp a c k i n g s k e yw o r d s ：s t r u c t u r e dp a c k i n gl o a d p e r f o r m a n c ed i a g r a m f e a s i b l ea n ds t a b l e r a n g eh y d r o m e c h a n i c s s d s s ps o f t w a r e 青岛科技大学研究生学位论文 f p c g c g m 繇 c a c d c 符号说明 流动参数，无因次； 负荷因子设计值，m s ； 最大负荷因子，m s ； 气体负荷因子，m s ： 塔的截面积，m 2 ； 塔径，m ； 重力加速度，9 8 1m l s 2 ； 有效重力加速度，m s 2 ； 等板高度，m ； 塔内液相流率，姆s ； 最大进液量，堙s ； 最小进液量，姆s ； 填料的最小喷淋密度，肌3 ( m 2 s ) ； 液体喷淋密度，m 3 ( m 2 s ) ； 塔内气相流率，堙s ； 最大进气量，堙s ； 最小进气量，堙s ； 塔内气相的密度，船m 3 ； 塔内液相的密度，堙m 3 ； 气相动能因子，m s - 1 ( k g m 3 ) o 5 实验填料因子，m 一； 空塔气速，m s ； 泛点气速，聊s ； v f g 唧 k k k ， g 吒 吒 q q f 耳 一 规整填料塔软件开发 殆 0 妒 p l 尸g p w p h 2 0 ，7 0 c 口 口， s a s , 卸0 邸f k 甜g p 甜，p d e q d l p 甜芦 ， s h 干填料因子，m ； 湿填料因子，m ： 嘞：d 皖，无因次； 液相粘度，p a s ； 气体的粘度，p a s ； 水的粘度，p a s ； 7 0 。c 水的粘度，p a s ； 粘度比率，无因次； 填料的比表面积，m 2 m 3 ； 液体润湿面积，m 2 m 3 ； 填料的空隙率，无因次： 每米填料压降，p a m ； 干填料压降，p a m ； 填料的泛点压降，p a m ； 随填料型式和尺寸而定的常数，无因次： 气体的有效流率，培( m 2 s ) ； 液体的有效流率，堙i ( m 2 s ) ； 填料的当量直径，朋； 填料的水利直径，m ； 波纹倾角，。； 气体表观速率，堙( m 2 s ) ； 液体运动粘度，m 2 s ； 填料波纹边长，m ； 填料的峰高，m ； v i 青岛科技大学研究生学位论文 口 彳，曰，彳，口，c 口 h g h l 液体的韦伯数，无因次； 液体的弗劳德指数，无因次； 液体的雷诺指数，无因次； s c h m i d t 准数，无因次； 气体的s h e r w o o d 准数，无因汐 液体表观流速，m s ； 为液膜与填料的接触角，。； 通量参数，无因次； 填料的总持液量，肌壶体肌轰料： 液泛点持液量，聊液3 体扰未料； 正常操作时的持液量，脚鑫体聊蒜； 静持液量，册液3 体所蒜； 理论板数； 填料层高度，r f l ； 与填料结构有关的系数，无因次； 壁效应因子，无因次； 泛点百分数，无因次； 湿填料层阻力系数，无因次； 干填料层阻力系数，无因次； 填料水力学比表面，r t z 2 m 3 ； 填料常数，无因次： 液体表面张力，n s ； 气体传质单元高度，聊； 液体传质单元高度，m ； v i i 日 敝 观 y y 珥 b 吮 k 疗“ 工 厂 儿 叫 ( 规整填料塔软件开发 气体的传质系数，m s ； 气体的扩散系数，m 2 s ； 液体的传质系数，m l s ； 液体的扩散系数，m 2 s ； 操作线的斜率，无因次； 填料的增强因子，无因次； 每米填料的理论级数，m ； 湿润表面对总滞料量的修正因子，无因次； i i 垡 ，k 4 吒 眈a 民 m c 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位 申请的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 田王，义 日期： 少。1 年莎月j 午日 关于论文使用授权的说明 牟，子他比义1 ，f 者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍 然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用于本声明。 不保密 口 ( 请在以上方框内打“、”) 本人签名： l f i 正义 导师签名： 日期：枷q 0 1 年6 月j 午日 日期：年月日 青岛科技大学研究生学位论文 i 上- j l 刖舌 塔器按其结构可分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔的研究起步较早， 其流体力学和传质模型比较成熟，数据可靠，尽管与填料塔相比效率较低、通 量较小、压降较高、持液量较大，但由于结构简单、造价较低、适应性强、易 于放大等特点，因而在2 0 世纪7 0 年代以前的很长一段时间年里一直处于领先 地位。然而2 0 世纪7 0 年代初期出现的世界性能源危机迫使填料塔技术在3 0 多 年来取得了长足的进展。由于性能优良的新型填料相继问世，特别是规整填料 新型塔内件的不断开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料塔的放大技术 有了新的突破，改变了以板式塔为主的局面。有专家预言，蒸馏装置发展趋势 是现代填料塔逐步取代传统填料塔，且部分取代大型板式塔。 规整填料是在塔内按均匀几何图形排布、整齐堆砌的填料。它能降低每个 理论级的压力降，可以降低塔底物料温度，因而能降低能量消耗，尤宜用于热 敏物系和减压物系的分离。同时，它能克服散堆填料的液体随机流动，使液体 趋向均布。实践证明规整填料在大型塔中已应用成功。 规整填料的迅速发展要求这类填料的设计准确性越来越高。近年来国内外 有许多学者对规整填料的流体力学性能和传质性能进行了测定，提出了一些较 详细的计算模型，但是这些模型对于系统准确地预测填料流体力学各方面的性 能存在较大的偏差。因此需要对这些模型进行归纳、计算、校核进而筛选出规 整填料塔的设计、流体力学性能计算等方面准确、系统的模型和方法。 目前规整填料塔计算机辅助设计计算软件很多，但是都存在较多问题。另 外，对于填料的适宜操作区还没有形象、直观的表示方法，从而影响了新型高 效规整填料的推广和应用。而规整填料塔的负荷性能图及可行稳定域，则可以 表示出各种流体力学限制条件和填料的适用程度，形象直观，所以本设计重点 开发适用于新型高效规整填料的工艺计算方法，研究适用于各种高效规整填料 的负荷性能图的流体力学限制条件的表示方法，并初步绘制在形式上与板式塔 相类似的规整填料塔负荷性能图和可行稳定域。 本设计编制了一套针对规整填料的简捷设计优化系统( s h o r t c u t d e s i g n o p t i m i z i n gs y s t e mf o rs t r u c t u r e dp a c k i n g ，简记s d s s p ) ，用m i c r o s o f tv b 6 0 中文版编写了s d s s p 计算源程序，并用实例对软件进行了考核。s d s s p 软 件为快速准确地进行规整填料塔的设计，流体力学性质等方面的计算提供了方 法上和软件上的支持。 规整填料塔软件开发 本论文的结构是这样的：第一章是文献综述，介绍了填料塔的发展概况， 各种规整填料，规整填料的工业应用，填料塔的内构件，板式塔和填料塔的负 荷性能图，填料塔的研究进展，填料塔设计计算软件的发展现状并论述了有关 文献的优缺点，最后指出本设计规整填料塔软件开发的前景；第二章是各个设 计计算数学模型的建立，包括塔径、等板高度、泛点气速、正常压降和泛点压 降、正常持液量和泛点持液量，不过此章并没有给出每种填料的具体计算方法， 具体计算方法在第四章详细介绍；第三章是负荷性能图各条限制线的确定，不 过只是确定的依据，每种填料具体的最大、最小进气量，最大、最小进液量各 线及液泛线的计算在第四章详细论述；第四章先是总结出规整填料塔软件开发 工艺计算的数据库，详细论述了每种规整填料的计算数据库的形成，包括几何 特性、流体力学性能( 压降、泛点气速、泛点百分数、持液量) 、传质性能( 塔 径、等板高度及填料层高度) 、操作弹性( 最大最小进气量、最大最小进液量、 液泛线) ，然后介绍软件的功能指标和各个功能框图，以及软件开发工具；第五 章首先是论文各回归式的考核，然后用两个应用实例对软件进行检验校核；第 六章是结论。 2 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 填料塔发展概况 1 文献综述 1 1 1 填料塔的结构特点【1 3 】 填料塔的结构示意图如图1 1 1 2 1 。 迁 f 出气 i l 出注 t _ - e - 一 进泣 图1 - 1 填料塔的结构示意图【2 】 f i g 1 1s k e t c hm a po f t h es t r u c t u r eo f ap a d d i n gt o w e r 在图1 1 中：1 、塔壳体；2 、液体分布器；3 、填料压板；4 、填料；5 、液 体再分布装置；6 、填料支撑板。填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构 件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以 乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气 流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从 塔底送入，经气体分布装置( 小直径塔一般不设气体分布装置) 分布后，与液 规整填料塔软件开发 体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。 填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作 状态下，气相为连续相，液相为分散相。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的 液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布 不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设 置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层 填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋 到下层填料上。 填料塔具有生产能力大、分离效率高、压降小、持液量小、操作弹性大等 优点。 填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地 润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料； 对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。此外，填料塔用于高压精馏，由于 轴向返混大而导致效率低，因此若遇到上述情况，需要设计特殊的填料塔。 1 1 2 填料塔的工业地位 塔器按其结构可分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔的研究起步较早， 其流体力学和传质模型比较成熟，数据可靠，尽管与填料塔相比效率较低、通 量较小、压降较高、持液量较大，但由于结构简单、造价较低、适应性强、易 于放大等特点，因而在2 0 世纪7 0 年代以前的很长一段时间年里一直处于领先 地位。然而2 0 世纪7 0 年代初期出现的世界性能源危机迫使填料塔技术在3 0 多 年来取得了长足的进展。由于性能优良的新型填料相继问世，特别是规整填料 新型塔内件的不断开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料塔的放大技术 有了新的突破，改变了以板式塔为主的局面。美国著名学者f a i r 教授认为最近 十年蒸馏装置的最新动态是气液接触的填料塔逐步取代板式塔；规整填料作为 低压降下具有高传质效率的装置倍受青喇4 5 】。国际著名蒸馏专家、英国阿斯顿 ( a s t o n ) 大学的k e p o r t e r 教授1 9 8 9 年在天津大学讲学时指出：“近十五年来， 在蒸馏和吸收领域最突出的变化是新型填料，特别是规整填料在大直径塔中开 始广泛应用，这标志着塔填料、塔内件及填料塔的综合技术进入了一个新的阶 段”【6 ，7 】。在我国，随着石油化工的不断发展，传质分离工程学的研究日益深入， 使填料塔技术及其应用进入了一个崭新的时期。 1 2 散装填料简介【8 】 4 青岛科技大学研究生学位论文 散装填料是具有定几何尺寸的颗粒体，在塔内以散堆方式堆积。散装填 料以其制作简单、装填方便、分离效果好等优点被人们广泛应用。 近年一些新型高效散装填料的出现以及在一些行业的成功应用，如环保行 业从烟气中除去h c l 和s 0 2 等j 说明散装填料将在某些领域得到新的发展。另外， 国内外最新的研究工作表明，在液液萃取、液气比很大的吸收和高压精馏的情 况下，应用散装填料的操作性能优于规整填料和塔盘。因此在合成氨的气体净 化、石油化工和焦化等领域，散装填料得到了广泛的应用。 1 3 规整填料 1 3 1 规整填料的应用现状 规整填料是在塔内按均匀几何图形排布、整齐堆砌的填料。它能降低每个 理论级的压力降，可以降低塔底物料温度，因而能降低能量消耗，尤宜用于热 敏物系和减压物系的分离。同时，它能克服散堆填料的液体随机流动，使液体 趋向均布。实践证明规整填料在大型塔中已应用成功。 规整填料已在化工、石油化工等许多行业中广泛应用【9 1 2 1 。早在上个世纪 5 0 年代，格里奇栅格填料就用于炼油行业，如今改进的e f 2 5 a p 格栅填料用于 重油分离，比旧有填料效率提高3 倍，最大直径已达1 2 m 以上。波纹填料是当 今世界上最重要的规整填料系列，已推广应用4 0 0 0 多座塔器，最大直径为 1 4 m 1 3 】。目前全世界苯乙烯产量的4 0 采用波纹填料塔分离。国外目前研制规 整填料的主要有瑞士苏尔寿公司、奎尼( k u h n i ) 公司，美国格里奇公司，诺尔顿 ( n o r t o n ) 公司、科克( k o c h ) 公司，纳特( n u t t e r ) 公司，日本住友公司、日挥公司、 月岛机械公司、永罔金网公司，德国蒙茨( m o n t z ) 公司、拉西( g a s c h i g ) 公司，还 有前苏联等。当前国外高效规整填料的主要类型列于表1 1 【l 】。 规整填料塔软件开发 表1 1 国外高效规整填料的主要类型1 1 l t a b l e1 一lm a i nt y p e so fh i g h - e f f e c ts t r u c t u r e dp a c k i n g s a b r o a d 公司名称牌号类型材料 f l e x i p a e 带孔波纹板 不锈钢等 k o c he n g c o k a t a m a x 丝网型 ( 美国) f l e x e r a m i c 陶瓷 f l e x i g f i d 格栅 g l i t s c hi n t e r i n c g e m p a k 带孔波纹板 不锈钢等 ( 美国)g l i t s e h g r i d 格栅，c 型和f f 2 5 a 型 i n t a l o x2 t ，3 t专利性双重波纹片 n o r t o n ( 美国) 不锈钢 i n t a l o x 鲥d 格栅 b s h金属织物结构金属片 n u t t e r ( 美国) 不锈钢 s n a ng r i d 开槽条片 a x b x带孔波纹丝网 不锈钢等 c y m e l l a p a k 带孔波纹板 s u l z e r ( 瑞士) k e r a p a k 陶瓷波纹板硅酸盐 d x ，e x 波纹丝网 双层丝网( 夹层内可装有 k a t a p a k不锈钢 催化剂) o p t i f l o w 菱形、优流结构 k u h n n i ( 瑞士)r a m b o p a k 网板 不锈钢等 m o m z p a k a 3 带孔波纹网不锈钢等 m o n t z 一- p a l ( bl 波纹状穿孔板不锈钢等 m o n t z ( 德国) m o n t 卜呻a l 出s 波纹状穿孔板不锈钢等 m o n t z - p a k c i 板片聚四氟乙烯 r a t u - - p a l ( 带缝隙波纹板 不锈钢 r a s e h i g ( 德国) 2 5 0 y c碳钢 p y r a p a kg 板网片不锈钢等 d d r ( 德国)p y r a p a kf p e r f o r mg r i d网孔格栅 不锈钢 p a u lr a u s e h o r t ( 德国1 i m p a l s ep a c k i n g 脉冲填料 国内在规整填料方面的工作也取得了很大的成绩。除对原有的金属丝网波 纹填料及板波纹填料进行实验及推广应用外，还相继开发了多种不同类型的规 整填料。以u n a p a k 命名的脉冲规整填料、压延板波纹填料、板花规整填料、 6 青岛科技大学研究生学位论文 l h 型规整填料等都在工业上得到r 成功的应用。 132 各种规整填料i 5 1 规整填料可分为丝网波纹填料，板波纹填料，格里奇栅格填料，删孔栅格 填料，脉冲填料，古德洛填料等。而丝网波纹填料又分为金属丝网波纹填料， 塑料丝网波纹填料，金属网孔( 板网) 波纹填料；板波纹填料又分为金属孔板 波纹填料，塑料孔扳波纹填料，压延刺孔板波纹填料，陶瓷板波纹填料。理想 的规整填料应具备以下特点：尽可能大的比表面积，填料表面均匀润湿，液膜 能不断更新，气流可高度湍动，气、液分柿良好，阻力压降小，通量大，操作 弹性大，适应性强，放大效应低。 132 1 金属网孔( 板网) 波纹填料 会属网孔波纹填料i ( 图1 2 ) 是用金属薄板冲压、拉伸成特定规格的压 延网片，其表面形成规则的菱形网孔，然后冲压成波纹形状的一种填料，这种 填料综合了丝网填料与板波填料的优点，具有重量轻、压降低、效率高的特点。 图1 2 金属网孔波纹填料” f i g1 - 2 m e t a l m e s hr i p p l ep a c k i n g 13 22 金属丝网波纹填料 金属丝网填料【1 4 1 ( 图1 3 ) 是目前世界各国应用比较广泛的高效填料，其 主要优点是：( 1 ) 理论板数高，通量大，压力降低；( 2 ) 低负荷性能好，理论板数 随气体负荷的降低而增加，几乎没有低负荷极限；( 3 ) 操作弹性大：( 4 ) 放大效应 不明显：( 5 ) 能够满足精密、大型、高真空精馏装置的要求。为难分离物系、热 敏性物系及高纯度产品的精馏分离提供了有利的条什。 规整填料塔软件开发 图1 3 金属丝网波纹填料” f i gl 一3m e t a ls i l k nr i p p l ep a c k i n g 1323 金属孔板波纹填料 金属孔板波纹填料【”1 ( 图1 _ 4 ) 是在金属薄板表面打孔、轧制小纹、大波 纹，最后组装而成。它在工业上的应用最广泛，可用于塔径十几米的超大型塔 器。此种填料应用于负压、常压和加压操作，是传统的工业高效填料。 图1 4 金属孔板波纹填料”“ f i g1 4m e t a lo r i f i c eb o a r dr i p p l ep a c k i n g 13 24 金属压延孔板波纹填料 压延孔板波纹填料 1 4 1 ( 也称刺孔板波纹填料，如图1 - 5 ) ，它是由 o 1 m m , - o 1 2 m m 金属薄板刺孔轧成波纹而成的。由于表面刺有许多f l q l ，延长 了气液在填料表面的滞留时间，使塔内气液交换更加充分，提高了分离效率。 该填料几何尺寸与孔板波纹填料相似，小孔孔径为04 o5 m m ，该填料通常用 耐腐蚀不锈钢制造，用于油脂行业及精细化工、制药设备等。 青岛科技人学研究生学位论文 图1 - 5 金属压延孔板波纹填料【1 i f i g i 5 m e t a lp r e s se x t e n do r i f i c eb o a r d r i p p l e p a c k i n g 13 25 塑料孔扳波纹填料 塑料孔板波纹填料( 图1 6 ) 具有重量轻、造价低，易更换等一系列优 点。 图1 石塑料孔板波纹填料4 i f i gi 一6p l a s t i co r i f i c eb o a r dr i p p l ep a c k i n g 13 26 陶瓷板波纹填料 陶瓷板波纹填料【“1 ( 图1 7 ) 具有非常好的耐酸碱腐蚀性能和表面润湿性 能，而且可在高温f 操作。 霄 图i - 7 陶瓷植波纹填料 f i g1 - 7c e r a m i cb o a r dr i p p l ep a c k i n g 3 27 格里奇栅格填料 曩 二二；藁 篡窖= ；霉霉 _ 蕾菌昏o 嗣圈一 - 一r ，趟嗍尸曩曼! 舞璺 固i _ 8 格里奇柑格填料”。 f i g1 - 8g l i t s c hg r i dp a , c k i n g 格里奇栅格填料( 图1 - 8 ) 主要性能：栅格填料层整体性好、空隙率高。 它能防止气液急流突然重击而形成的变形松动。又园构件可自由膨胀，因此适 用于石油减压，蒸馏，及催化裂化主精馏塔等易堵塞而温度又很高的场合，采 用2 f t 瑚厚板制作，每立方米约重3 0 0 公斤。 1328 新型三维网格规整填料 新型三维网格规整填料1 1 5 是1 9 9 9 年由德国人发明、r 本长冈公司丌发生产 的。2 0 0 0 年在德国参展时，以其惊人的液体分离性能和蒸馏性能受到人们的关 注。在大型填料塔的蒸馏试验中，按f 因子等于5 计算，每米填料的理论板数 ( n t s m ) 高达5 以上。新型三维网格规整填料的外观见国1 9 。 图1 9 新型三维网格规整填料”】 f i g l 一9 n e w t y p e3 d 印d d i n g p w k i n g 该填料具有以下三大特点：f 因了范围大，可保持较高效率；塔内无液滴自 由落下：无偏流；现有塔器通过更换填料叮增加处理量，新建设备可降低蒸馏 塔高度，缩小塔径，设计可靠性高。 133 波纹填料简介 波纹填料是一种新型高效整砌结构填料。有许多片波纹薄板组成的圆饼状 填料，其直径略小于塔壳内径。波纹与水平方向成4 5 。倾角，相邻两板反向靠 叠，使波纹倾斜方向互相垂直。圆饼的高度约为4 0 - 6 0 m m ，各饼垂直叠放于塔 青岛科技大学研究生学位论文 内，相邻的上下两饼之间，波纹板片排列方向互成9 0 。角。 由于结构紧凑，具有很大的比表面积，且因相邻两饼间板片相互垂直，使 上升气体不断改变方向，下降的液体也不断重新分布，故传质效率高；填料的 规整排列，使流动阻力减小，从而空塔气速可以提高。波纹填料的缺点是：不 适于处理黏度大、易聚合或有沉淀物的物料；此外，填料的装卸、清理也较困 难，且造价古i 刨。 波纹填料分两种，( 1 ) 丝网波纹填料( s p r a y p a k p a c k i n g ) ，其结构是由丝线 编织的波网片按一定方向，并且相邻波网片的波纹方向相反地平行直立放置组 合而成的盘状规整填料。在波网片上开有一些小孔，以利气液两相的均布、降 低压力损失，并可排除积液；丝线可采用不锈钢、铜、镍等贵重材料或采用塑 料等材料制成；能适应不同塔设备的要求，主要用于难分离物系的真空精馏、 常压精馏等场合，但造价成本高、制造加工安装要求严格、维修比较困难。( 2 ) 板波纹填料( c o r r u g a t e d p l a t ep a c k i n g ) ，结构与金属丝网波纹填料相似，只是采 用金属波纹薄板或塑料波纹薄片代替波纹丝网；在薄板( 片) 上除冲有一系列 小孔，以加强横向的混合外，还可加设沟纹以进一步细分液体，促进和增强液 体的均布和填料的润湿性能，提高传质效率。规整填料的最大特点是填料规则 排列组装，人为地“规定 了填料层中气、液相接触的途径，从而促进了气、 液相的分布均匀；沿塔的截面上组成许多空间对称、并列耦合的传质小单元， 从而大大提高了塔设备的传质效率。 1 3 3 规整填料的工业应用【2 6 1 1 3 3 1 丝网波纹填料的应用实例 ( 1 )从排放空气中回收甲醇 瑞士苏尔寿公司报导，为净化6 0 0 0 m 3 h 空气，在一座塑料丝网波纹填料塔 内用水吸收其中甲醇。塔径1 m ，填料高度1 m ，甲醇含量由进塔空气中3 6 9 m 3 减小到残留含量低于7 0 m g m 3 。由于塑料丝网润湿性能好，洗涤水用量仅 2 0 0 0 k g h ，吸收液甲醇含量高达1 0 ，再经蒸馏浓缩时节约大量蒸汽。我国也 有用于吸收回收空气中微量甲醇的实例，效果良好。 ( 2 )提纯精致维生素e 维生素e 是热敏性极强的物质，对其提纯精制一般采用分子蒸馏方法。但 能适合工业规模的分子蒸馏装置，一般结构复杂，技术上有较大难度。分子蒸 馏通常适宜于实验室规模的小批量生产。丝网波纹填料由于其高效和低压降的 特性，维生素e 完全可以在填料塔中以普通真空精馏形式进行精制。 我国某制药厂从瑞士苏尔寿公司引进了生产维生素e 的精馏装置和技术， 规整填料塔软件开发 精馏塔采用b x 型丝网波纹填料；填料层高2 0 4 m 。塔顶压力为5 0 p a ( 0 5 m b a r ) ， 塔底压力不超过2 0 0 p a ，釜温不超过2 5 0 ，维生素e 的收率在9 0 以上，纯 度可达9 9 5 以上。 ，( 3 )从铸造排放空气中吸收二甲基乙胺 瑞士苏尔市公司报导，二甲基乙胺和三乙胺都有难闻臭味，要求三乙胺等 临界值约0 1 p p m 。在直径1 9 m ，填料层高为0 5 m 的塑料丝网波纹填料塔内， 用稀硫酸洗涤二甲基乙胺平均浓度为2 0 p p m 的排放空气2 0 0 0 0 m 3 h ，全塔压降 仅2 0 0 p a ( 2 m b a r ) ，排风机仍可用，洗涤液仅8 m 3 1 1 ，远低于其他洗涤器，节省了 大量能量。 1 3 3 2 孔板波纹填料的应用实例 ( 1 )饱和热水塔改造 原热水塔是卡脖子装置。该塔原采用瓷矩鞍环填料，在合成氨生产为1 5 万吨年情况下，已接近液泛操作，带液严重，不得不限量生产，而且换热效果 差，大量热量不能回收。采用孔板波纹填料改造后，传热效果明显改善，变换 气换热前后温差由原来3 0 提高到7 0 ，进热水塔的水温由1 2 5 降到1 0 5 ， 出热水塔的水温仍然保持在1 4 0 ，节能效果十分显著。在塔径保持不变的情 况下，填料高度由原来的8 m 降到4 m ，合成氨生产能力由原来的1 5 万吨年提 高到2 万吨年，并且消除了带液现象，取得显著经济效益。 ( 2 ) 乙苯苯乙烯分离 苯乙烯是较难分离的热敏性物质，它与乙烯的分离通常需要6 0 多块理论塔 板。过去采用板式塔时，为使塔釜温度不致太高，往往要用两个独立单塔，即 双塔流程。金属板波纹填料问世后，其高效率、大通量和低压降特性，特别适 合于乙苯苯乙烯的分离。我国已有不少工厂采用金属板波纹填料塔更新了板式 塔，将双塔流程改造成实质上的单塔流程，可降低能耗5 0 。新塔设计采用单 塔即可满足要求。改造后的乙烯苯乙烯塔通常可提高产量7 0 - , 1 5 0 ，压降为 改造前的2 5 ，釜温可从1 0 4 左右降到8 3 左右，聚合度减少8 0 ，每吨苯 乙烯产品消耗的乙苯可降到1 1 5 吨，产品纯度可达9 9 8 。我国苯乙烯行业每 四年举行一次全国质量评比，质量上乘的多是金属板波纹填料塔生产的苯乙烯。 苯乙烯的经济效益很高，通常3 “个月即可全部收回投资费。 ( 3 ) 乙苯甲苯分离塔 采用孔板波纹填料改造。塔的压降减小，从1 6 k p a ( 1 2 0 m m h g ) 减小到 2 6 7 k p a ( 2 0 m m h g ) ，使再沸器温度降低，从1 2 0 降到9 9 ；而产品纯度提高， 塔顶馏出物乙苯重量百分比从o 4 4 减到0 4 ，塔底馏分甲苯重量百分比从 0 9 8 减少到0 9 ，回流比从1 9 减d , n8 5 。生产能力显著增加，从2 20 0 0 k g h 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 增大蓟3 7 5 0 0 k g h ，增大7 0 ，经济效益相当显著( 美国格里奇公司报道) 。 1 3 3 3 网孔( 板网) 波纹填料的应用实例 ( 1 )环氧丙烷超细精馏塔改造 。 原用陶瓷阶梯环填料时，用两只4 ，4 5 0 m m 精馏塔，填料高度1 8 m ，产量 2 0 0 0 t a ，产品中水和乙醛的含量均在1 0 0 0 p p m 以上，达不到部级要求。采用网 孔波纹填料代替陶瓷阶梯环后，塔径仍为4 ，4 5 0 m m ，填料高度2 1 m ，两塔流程 改为一塔，产量提高到2 5 0 0 t a ，产品中水含量降到1 0 0 p p m 以下，乙醛含量降 到3 0 p p m 以下，达到部优标准，年增经济效益1 5 0 万元。 ( 2 )三氟三氯乙烷精馏塔采用采用网孔波纹填料改造 产品质量显著提高，含量达9 9 9 0 0 以上，生产能力提高1 5 3 倍，年增加经 济效益8 2 万元，代替了用作彩色显像管清洗剂的进口产品。 1 3 3 4 压延刺孔板波纹填料的应用实例 ( 1 )酒精和混合液的精馏 原采用板式塔，塔板数5 6 块，塔高1 2 m 。采用压延刺孔板波纹填料后，填 料高度为3 8 m ，塔高降低到6 0 8 m ，塔高降低约二分之一，但产品的浓度提高。 在进料浓度为2 8 - 4 5 ( 体积) 的条件下，成品浓度达9 5 - - - - 9 5 7 ，而且塔 底温度由原来的1 0 2 1 0 7 降到9 8 , - , , 1 0 l 。塔底温度在9 8 - - - 1 0 1 之间不 会产生逃酒现象。b 3 0 0 的泡罩塔日产量为1 0 0 0 k g ，而采用压延刺孔板波纹填 料的b 3 0 0 塔日产量达2 4 0 0 k g 。 ( 2 )香草醇分离 采用一座直径3 0 0 m m ，压延刺孔板波纹填料7 2 m 的间歇精馏塔分离香草 醇获得成功。得到的香草醇为甲级产品，高于一般塔器