板式塔和填料塔对比.docx

1、1.1.1.1 填料塔与板式塔的比较表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气液接触元件或特殊结构，如筛板、泡罩、浮阀等；塔内设置有多层塔板，进行气液接触 塔内设置有多层整砌或乱堆的填料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填料等散装填料，格栅、波纹板、脉冲等规整填料；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，效率高且稳定；压降大，液气比的适应范围大，持液量大，操作弹性小大尺寸空塔气速较大，小尺寸空塔气速较小；低压时分离效率高，高压时分离效率低，传统填料效率较低，新型乱堆及

2、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以下的塔安装困难，安装程序较简单，检修清理容易，金属材料耗量大 新型填料制备复杂，造价高，检修清理困难，可采用非金属材料制造，但安装过程较为困难适用场合处理量大，操作弹性大，带有污垢的物料处理强腐蚀性，液气比大，真空操作要求压力降小的物料1.1.1.2 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

3、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

4、，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。1.1.1.3 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泡罩板浮阀板较成熟、操作稳定结构复杂、造价高、塔板阻力大、处理能力小特别容易堵塞的物系效率高、操作范围

5、宽浮阀易脱落分离要求高、负荷变化大筛板结构简单、造价低、塔板效率高易堵塞、操作弹性较小分离要求高、塔板数较多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1.01.051复杂1浮阀板1.2-1.31.11.290.6一般0.7-0.9筛板1.2-1.41.130.5简单0.4-0.5舌型板1.3-1.51.130.8简单0.5-0.61.1.1.4 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

6、。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

7、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a/3，称为填料因子，以 表示，其单位为1/m。它表示填料的流体力学性能， 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0.86很好1孔板波纹填料金属Intalox金属鞍形环0.61相当好20.59相当好

8、30.57相当好4金属阶梯环金属鲍尔环0.53一般好50.51一般好6瓷Intalox0.41较好7瓷鞍形环0.38略好8瓷拉西环0.36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8-1

9、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；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M250Y型规整填料；C102隔壁塔填料塔C103抽提塔填料塔C104溶剂回收

10、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93.9，塔底温度179.0，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

11、 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15mm空隙率峰高金属板片厚度密度每米填料理论板数95%12.5mm0.2mm200m3/kg2.5填料因子等板高度持液量参数载点因子泛点因子3.2808m-10.443.973.1572.464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StageTemperature liquid from/Temperature vapor to/Mass flow liquid from /（

12、kg/hr）Mass flow vapor to /（kg/hr）37118.72387119.6598521927.4310904.7Volume flow liquid from /（m3/hr）Volume flow vapor to /（m3/hr）Molecular wt liquid fromMolecular wt vapor toDensity liquid from /（kg/m3）603.534357560.388.1967978.09038864.785Density vapor to /（kg/m3）Viscosity liquid from/cPViscosity v

13、apor to/cPSurface tension liquid from（mN/m）Foaming index5.4013730.3696770.0099121.70657-0.107851.1.3.2 工艺尺寸概算1）泛点气速与空塔气速采用Bain-Hougen关联式，可以计算填料的泛点气速lguF2ga3VLL0.2=A-K(WLWV)0.25(VL)0.125液相质量流量WL=521927.4kg/hr气相质量流量WV=310904.7kg/hr气相密度V=5.4kg/m3液相密度L=864.8kg/m3液相黏度L=0.37cP空隙率=0.95填料因子=3.2808m-1比表面积a=2

14、50m2/m3重力加速度g=9.81m/s2对金属孔板波纹填料，常数A=0.291，K=1.75，得泛点气速：uF=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：uuF=0.8故空塔气速u=0.850m/s。2）气相动能因子F与气相负荷因子CSF=uV=1.98 在工业设计中推荐的1.82.1的范围之内。CS=uVL-V=0.00673）塔径

15、计算D=4Vsu=4.89m5000mm（圆整）塔横截面积S=D24=19.635m24）填料装填计算等板高度取HETP=0.4m；理论板数NT=40，则填料层高度：Z=HETP（NT-2）=15.2m填料堆积设计高度：Z=1.5Z=22.8m填料装填体积：V=Z S=447.6m3填料装填质量：M=Z S=4.560t5）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/（m2h）。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。U=QLS

16、=30.74m3/(m2h)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：P/Z=802(uGG）1.72=2586Pa/m湿填料压降：P/Z=948104.4610-3U(uGG）1.72+3.810-3U=3057Pa/m工作状态下，填料层总压降：

17、P=305722.8Pa=69.7kPa工业上推荐的250Y孔板波纹填料的压降范围在0.250.32kPa/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

18、，弗劳德数Fr和填料的特性尺寸等。如持液量计算公式和Billet-Schultes关联式。H动=1.295Re0.675d3L2Fr-0.44 H总=12FrRe13aha138）接管原料进料质量流量：W=75290.4kg/h，密度=116.0kg/m3，为气液混合进料，取流速u=8m/s，管径为：d=18.81W0.5u-0.5-0.5=391mm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

19、 Cuptower，对设计进行水力学校核：图8-3 T0103的Cuptower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39.01mbar，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8-9 T0103的Cuptower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12/7/2020 7:27 下午6塔段号11（续表）12说明工艺设计条件顶部底

20、部气相条件1质量流量kg/h313782.1000310904.70002密度kg/m35.28045.40143体积流量m3/h59423.840057560.30004粘度cP0.00850.0099液相条件5质量流量kg/h449514.4000521927.40006密度kg/m3792.6422864.78507体积流量m3/h567.1089603.53428粘度cP0.49400.36979表面张力mN/m21.753021.7066工艺计算结果1液泛分率%72.870.42气体动能因子Pa0.51.931.893液体喷淋密度m3/m2.h28.9030.754单位填料层压降mb

21、ar/m1.741.665空塔气速m/s0.84110.81476泛点气速m/s1.15541.15657气体负荷因子m/s0.06890.06468流动参数/0.11690.13279填料层总压降mbar39.01塔的结构参数1填料类型/M250Y6塔径m5.002材质/不锈钢7填料层高度m22.893比表面积m2/m32508持液量%5.04空隙率%98.89每米理论级数m-12.505倾斜角4510经济F范围Pa0.50.3-2.5（续表）操作负荷性能图顶部底部1操作点横坐标/0.11690.13272操作点纵坐标m/s0.06890.06463备注1.1.3.4 设计强度校核T103操

22、作压力2bar，属于低压容器（0.11,6MPa），塔顶温度93.9，塔底温度179.0，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器。由计算和校核的结果，可取填料塔公称直径DN=5000mm公称压力PN=2bar=0.2MPa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

23、标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.20MPa设计温度 t 180.00 C内径 Di 5000.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 185.00MPa设计温度许用应力 st 175.20MPa试验温度下屈服点 ss 325.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.80厚度及重量计算（续表）计算厚度 d = = 3.57mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 15.70mm名义厚度 dn = 18.00mm重量 57468.53Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值

24、PT = 1.25P = 0.5183 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 103.49 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 0.87745MPa设计温度下计算应力 st = = 31.95MPastf 140.16MPa校核条件stf st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.TJU计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc0.22MPa设计温度 t180.00 C内径 Di5

25、000.00mm曲面深度 hi1000.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st175.20MPa试验温度许用应力 s185.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C22.00mm(续表)焊接接头系数 f0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 0.5157 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 133.00MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.3750计算厚度 dh = = 6.93mm有效厚度 de

26、h =dnh - C1- C2= 15.70mm最小厚度 dmin = 15.00mm名义厚度 dnh = 18.00mm结论 满足最小厚度要求重量 3472.63 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 0.67938MPa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 150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc0.30MPa设计温度 t180.00 C内径 Di5000.00mm曲面深度 hi1165.00mm材料Q345R (板材)设计温度许用应力 st175.20MPa试验温度许用应力 s185.00MPa（

27、续表）钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT = 1.25Pc= 0.5183 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 107.04MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = = 1.1008计算厚度dh = = 4.01mm有效厚度deh =dnh - C1- C2= 15.70mm最小厚度dmin = 15.00mm名义厚度dnh = 18.00mm结论满足最小厚度要求重量3717.66Kg压

28、 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 0.84835MPa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

29、型布液装置工作原理借助孔口以上液层产生的静压或管路的泵送压力，迫使液体从小孔流出，注入塔内。进入布液装置的液体超过堰口高度时，依靠液体的自重通过堰口流出，并沿着溢流管（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布和空出足够大的气体通道（自由截面一般在70%以上），便于分块安装。操作弹性大，不易堵塞，操作可靠和便于分块安装。缺点分布器的小孔易被冲蚀或堵塞。分类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。1. 溢流盘式布液器；2. 溢流槽式布液器。通过对（重力推动）排管

30、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2.5125m3/（m2h）、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

31、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21.1mm，因此将填料层分为4段；其中精馏段填料高度18.9m，分为三段，每段填料层高度为6.3m；提馏段填料高度2.2m，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

32、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

33、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

34、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

35、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 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

36、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25.93%。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62.4%，在年产60-120万吨催化裂化装置中占48.9%。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

37、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

38、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

39、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、效率较高 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

40、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、塔板阻力大、处理能力小 特别容易堵塞的物系 浮阀板 效率高、操作范围宽 浮阀易脱落 分离要求高、负荷变

41、化大 筛板 结构简单、造价低、塔板效率高 易堵塞、操作弹性较小 分离要求高、塔板数较多 舌型板 结构简单、塔板阻力小 操作弹性窄、效率低 分离要求较低的闪蒸塔 表 9-9 主要塔板性能的量化比较塔板类型 塔板效率 处理能力 操作弹性 压降 结构 成本 泡罩 1.0 1.0 5 1 复杂 1 筛板 1.2-1.4 1.4 3 0.5 简单 0.4-0.5 浮阀板 1.2-1.3 1.5 9 0.6 一般 0.7-0.9 舌型板 1.1-1.2 1.5 3 0.8 简单 0.5-0.6 1.1.4 板式塔的计算a.设计计算1. 塔径计算其中，是液相密度，kg/m3；为气相密度，kg/m3；为极限空

42、塔气速，m/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。图中反映液滴沉降空间高度对负荷因子的影响。横坐标为量纲为一的比值，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0.05-0.1m（通常取0.05-0.08m）。图9-5是按液体表面张力为20mN/m的物系绘制

43、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。 为操作物系的液体表面张力，mN/m图9-8 史密斯关联图取板间距为0.6m，板上液层高度为0.08m，则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，操作空塔气速为估算出塔径后要进行圆整，常用标准塔径为400、500.600.700、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

44、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。塔截面积空塔气速2. 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lw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，以表示。弓形溢流管的弦长成为堰长，以表示。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（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，即于是堰高可由板上清液层高毒和堰

45、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。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。图9-10液流收缩系数计算图（3）降液管宽度Wd和截面积Af查下图9-8可得可得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

46、，在确定降液管尺寸，应按照下式计算停留时间，即故降液管设计合理。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：其中，是液体通过底隙时的流速，根据经验一般取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。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：对直径较大的塔：。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

47、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. 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

48、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1.5m，可选取，4. 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2-2.5mm，孔径不应小于（1.5-2）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（2.5-5）倍孔径，t

49、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。推荐值当采用正三角形排列时，筛孔数目可用下式计算其中，为鼓泡区面积对单溢流塔板，鼓泡区面积可用下式计算其中，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。b.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

50、以m为单位。干板压降通过下式估计，其中是气体通过筛孔的速度，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1.15得到。通常筛孔的开孔率为 百分之五到十五，所以该式简化为气体通过筛孔的速度为由于查图9-10得所以图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，即其中为充气系数，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0.5-0.6.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。查图可得图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：该值很小，可忽略不计、2. 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.