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11.1.1.1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2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。1.1.1.3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1.2-1.31.1~1.290.6一般0.7-0.9筛板1.2-1.41.130.5简单0.4-0.53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。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4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5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C5~C7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AspenPlus对C103添加PackSizing，选用MELLAPAK250Y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8-7M250Y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8-8AspenPlus模拟的T0103工艺要求StageTemperatureTemperatureMassflowliquidMassflowvapor6liquidfrom/℃vaporto/℃from/（kg/hr）to/（kg/hr）37118.72387119.6598521927.4310904.7Volumeflowliquidfrom/（m3/hr）Volumeflowvaporto/（m3/hr）MolecularwtliquidfromMolecularwtvaportoDensityliquidfrom/（kg/m3）603.534357560.388.1967978.09038864.785Densityvaporto/（kg/m3）Viscosityliquidfrom/cPViscosityvaporto/cPSurfacetensionliquidfrom（mN/m）Foamingindex5.4013730.3696770.0099121.70657-0.107851.1.3.2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[()()]液相质量流量气相质量流量气相密度液相密度液相黏度空隙率填料因子比表面积重力加速度对金属孔板波纹填料，常数A=0.291，K=1.75，得泛点气速：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：故空塔气速。2）气相动能因子与气相负荷因子7√在工业设计中推荐的1.8~2.1的范围之内。√3）塔径计算√（圆整）塔横截面积4）填料装填计算等板高度取；理论板数，则填料层高度：（）填料堆积设计高度：填料装填体积：填料装填质量：5）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。查询《工业塔新型规整填料应用手册》（刘乃鸿主编），在0~60m3/（m2·h）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。86）塔板压降查询《现代塔器技术》，可得干填料压降：√）湿填料压降：√）工作状态下，填料层总压降：工业上推荐的250Y孔板波纹填料的压降范围在0.25~0.32kPa/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Mellapak250Y，材质304不锈钢）的操作符合低于75%极限负荷时，其持液量为3~5%。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Billet-Schultes关联式。动()总()()8）接管原料进料质量流量：，密度，为气液混合进料，取流速，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Cuptower，对设计进行水力学校核：9图8-3T0103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