精馏塔工艺设计若干问题探讨-板式塔填料塔

11主要内容2009/02/102塔器工艺设计的主要工作及协作关系塔型选择原则板式塔设计中的几个关键问题填料塔设计的几个关键问题相关问题讨论应用实例21

塔器工艺设计的主要工作及协作关系2009/02/103塔器工艺设计的主要工作依据：流程模拟计算确定的沿塔高的气液相负荷分布及物性变化；工况及操作弹性要求；类似条件下的工程应用经验塔型选择：板式塔、填料塔主要塔盘元件选择板式塔：浮阀、固阀、泡罩、筛孔、高效塔板填料塔：规整填料、散堆填料；元件规格与材质塔盘数量/填料段数及各段填料床层高度涉及塔板效率或填料等板高度经验值得选取板式塔的进料板位置及数量3塔器工艺设计的主要工作2009/02/104塔器工艺设计的主要工作(续)填料塔分配器型式及技术要求水力学计算：确定塔体及主要内件的结构参数、分析水力学性能及操作弹性编制塔类设备工艺数据表（含条件图）向设备专业提出塔类设备的设计条件向塔内件供应商提出塔内件设计条件和技术要求审查和确认塔内件供应商的技术方案，必要时商定并签署技术附件确认和会签塔类设备装配图4与设备专业及塔内件供货商的协作关系2009/02/105➢模式一：由设计院承担水力学计算、塔体及主要内件设计，塔内件供货商按图制作该模式一般仅限于常规的板式塔和填料塔必要时与设备专业协商确定填料塔液体分布器、液体收集与再分布器、气体分布结构等的型式及参数，然后再提出这些内件的设计条件➢模式二：由塔内件供应商承担详细的水力学计算及塔内件设计，设计院设备专业主要承担塔体及与塔体相焊接的内构件的设计该模式主要适用于采用新型高效塔盘和填料的场合工艺专业按常规塔板或填料进行初步水力学估算的主要目的是便于向塔内件供应商提出设计条件和技术要求，并供审查和确认塔内件供应商的技术方案时作对比参考。52塔型选择原则2009/02/106Kunesh等提出气液流动参数Ψ=(L/V)*(ρv/ρL)0.5，并将填料塔的操作工况大致分为三类：Ψ<

0.03,高真空或低喷淋密度Ψ=0.03～0.3，低压、常压或中等喷淋密度Ψ>

0.3,高压或高喷淋密度当Ψ=0.001～0.5且其它条件合适时，选用填料塔具有一定的优势。填料塔与板式塔的选择，还应根据生产工艺条件，如物料性质、操作条件、操作弹性要求、操作方式

以及经济性等综合考虑，一般应考虑以下几个方面：直径≤700mm的塔，优先考虑选用填料塔。若采用板式塔，因不便于开设人孔，须采用整块式塔板，制造和安装都比较麻烦。易起泡物系，宜选用填料塔；板式塔易液泛和雾沫夹带。腐蚀性物系，宜选用填料塔，以便采用耐腐蚀较好的非金属(塑料、陶瓷)填料。6塔型选择原则2009/02/107填料塔与板式塔的选择（续）处理易聚合、结焦、结晶或含固体颗粒的物料时，宜选用抗堵且便于清理的塔盘结构，如垂直筛板以及结构较为简单的筛孔塔盘、斜孔塔盘或固舌塔盘等，避免采用具有浮动传质元件的塔盘型式。对于热敏性物料，宜选用填料塔。填料塔持液量比板式塔少，物料在塔内停留时间短；而且热敏性物料通常要在真空下操作，填料塔压降低，更适宜。在分离过程中伴随有明显吸热或放热效应时(如反应精馏、化学吸收等)，宜选用板式塔。板式塔持液量大，抗温度波动好，且便于设置外循环加热/冷却或在塔板上安装加热/冷却盘管。7塔型选择原则2009/02/108填料塔与板式塔的选择（续）对于有多个进料及侧线抽出的分馏塔，宜选用板式塔。采用填料塔因涉及到液体的多次均布问题而使结构变得过于复杂。对于高粘性物料，宜选用低比表面积的填料。高粘性物料在板式塔中的效率一般都比较低。对于沿塔高气液相负荷分布较为复杂或各种工况下气液比变化较大时，宜选用填料塔。采用板式塔，即使分段采用不同的开孔率等参数，操作弹性也较难保证,且设计、制造、安装均较为复杂。对于气相负荷很低的场合，宜选用填料塔。采用板式塔，所需的开孔率太小，传质元件数及分布点数太少，易漏液、效率低。8塔型选择原则2009/02/109填料塔与板式塔的选择（续）对于液相负荷很低的场合，宜选用板式塔，采用非喷射型塔盘以减少漏液和雾沫夹带，必要时可选择Ｕ型液流。液相负荷很低时，填料塔液体均布困难，填料不能很好地润湿，效率低。对于液相负荷很大的场合，应作具体水力学计算和比较确定塔型的选择。若选用板式塔，可优先采用能减少液面梯度的导向型塔盘；塔径≥1400mm时，可考虑选用多降液管塔盘。采用新型填料的填料塔一般比板式塔的通量大、相同高度时分离效率高，因此在现有装置的扩产改造中应用较广泛。93板式塔设计中的几个关键问题2009/02/1010几个术语流体力学限制与传质操作限制体系极限液泛：取决于物料性质及气液相负荷、与塔内件类型及参数无关的一种处理能力极限喷射液泛：雾沫夹带e=0.1，导致塔板效率显著下降降液管液泛：是指泡沫液层充满降液管，下层塔板的泡沫液体层将溢至上层塔板，造成塔的操作严重不稳定和塔板效率严重下降。降液管超负荷：是指由于降液管中液体负荷太大、流速过高、停留时间太短，泡沫得不到有效的分离。溢流强度：板式塔出口堰单位长度上的液体体积流率，单位为m3/m.h。气体负荷因子：CS

=UT*[ρV/(ρL-ρv)]0.5，m/s空塔动能因子：F=UT*(ρv)0.5，单位为m/s(kg/m3)0.5孔动能因子：Fh=Uh*(ρv)0.5，单位为m/s(kg/m3)0.5

，它是确定开孔率及分析漏液等情况的重要参数。10板式塔设计中的几个关键问题2009/02/1011➢对板式塔结构的认识主要标准规范√JB

4710-2005钢制塔式容器√HG20652-1998塔器设计技术规定√

SH

3088-1998√

SH

3098-2000石油化工塔盘设计规范石油化工塔器设计规范这些标准规范主要涉及设备专业的内容，但有助于工艺专业人员了解塔器的内部结构、结构参数的确定和有关技术要求。112009/02/101212有主梁塔盘结构示意图13➢弓形降液管直降液管

斜降液管阶梯降液管➢降液管型式弓形、扇形、圆形多降液管（矩形悬挂式）2009/02/101314➢降液板与受液盘受液盘型式--平型--凹型2009/02/1014板式塔设计中的几个关键问题2009/02/1015关于塔板效率分离过程流程模拟计算通常基于理论级，得出所需的理论板数N对板式塔采用合适的全塔效率ET，实际板数NT=N/ET关键是全塔效率ET经验值的选取ET取决于物系、塔内气液流动状况、塔板型式及结构等因素当塔处于负荷性能图中的适宜操作区时，对ET影响最大的是物系的不同根据塔的实际操作数据推算得出ET经验值，应用于类似分离物系，是比较稳妥的做法。要求：物料平衡偏差<3%,能量平衡偏差<5%，塔的操作工况处于适宜操作区15板式塔设计中的几个关键问题2009/02/1016关于塔板效率(续)通常基于空气-水系统中O2或CO2解吸传质实验测定的塔板效率，只能用作不同类型塔板效率的相对比较。塔板效率与物系分离的难易程度存在着辩证关系：易分离物系(αij>>1,ΔTb较大)，塔板效率相对较低；难分离物系(αij接近1,ΔTb较小)，塔板效率相对较高。效率估算的O’Connell经验关联式ET=0.49(αμL)-0.245

（精馏塔）其中：α、μL取进料组成及塔内平均温度时的值效率估算的A.I.Ch.E方法在计算气、液相传质单元数与点效率时需用到气相扩散系数和操作线与平衡线斜率之比，用于吸收塔的效率估算相对方便一些。采用ASPEN

RateFrac模块计算：注意实际数据验证16板式塔设计中的几个关键问题2009/02/1017➢塔板效率经验值示例原油常压分馏塔 塔段ET

(%)塔底汽提段30～35闪蒸段至重柴油抽出段30～40重柴油至轻柴油抽出段40～50轻柴油至煤油抽出段45～55煤油至重石脑油抽出段50～60重石脑油抽出板以上段55～65丙烷/丙烯分离塔90～95苯/甲苯/二甲苯分离塔75～85氯乙烯精馏 氯化氢塔40～50氯乙烯/二氯乙烷分离塔50～60吸收塔20～35解吸塔(再沸器供热)30～40解吸塔(蒸汽汽提)20～30环丁砜芳烃抽提塔15～2017板式塔设计中的几个关键问题2009/02/101818➢液泛率上限塔板液泛率上限经验值FRIUOPGlitschFF＜77～83%新设计塔FF＜75%一般塔FF＜82%；真空塔，FF＜77%；D≤900小直径塔，FF＜65～75%NortonNutter新设计塔，FF＜80%；新设计塔，FF＜80%；改造塔，FF＜85%改造塔，FF＜90%SimSci

PRO/II模拟软件中的FF缺省值：塔径Ｄ(mm)D≤600液泛率(%)

＜70600～1200 1200～3000

＞3000＜75

＜78

＜80板式塔设计中的几个关键问题2009/02/101919➢液泛率上限(续)公司手册《塔板水力学计算技术规定》PR303-03规定的液泛率上限经验值：塔板液泛率（%）塔径≤900mm真空下操作其它条件下≤70≤77≤82降液管液泛率（%）≤70≤65≤75液泛率又称液泛百分数，通常是指设计或操作工况下的处理能力与恒液气比条件下达到液泛时的极限处理能力之比。控制液泛率上限是为了适应实际操作中一定范围内的负荷波动并确保具有良好的传质效率。板式塔设计中的几个关键问题20➢不同类型塔板的相对效率比较泡罩塔板、浮阀塔板在低于允许的液泛率时保持比较稳定的效率筛板塔板、穿流塔板在低负荷下效率较低，设计时应特别注意操作工况范围筛板塔板、穿流塔板允许的操作弹性范围相对较小2009/02/1020板式塔设计中的几个关键问题21➢负荷性能图某一关键塔板负荷性能图

全塔负荷性能图2009/02/1021板式塔设计中的几个关键问题2009/02/102222➢开孔率与孔动能因子开孔率的确定应考虑下列因素：√操作时具有合适的孔动能因子并具有良好的操作弹性。设计（100%）负荷时的适宜孔动能因子范围：筛孔塔板：Fo=15～20浮阀塔板：Fo

=

8～12固舌、固阀、斜孔塔板：Fo=12～15√不致使塔板压降过高而容易造成降液管液泛，也不致使气相负荷相对较低的塔板出现较严重的漏液。√当所需的开孔率很低时，应尽量选择具有较小尺寸传质元件的塔板类型，以免塔板上的传质元件数目过少而影响气液接触效果。√当所需的开孔率较高时，应注意是否满足浮阀等元件的最小间距要求，以免给塔板传质元件的布置造成困难。板式塔设计中的几个关键问题2009/02/102323➢降液管弓形降液管参数范围：√弓形降液管弦长lw=(0.6～0.8)DT,宽度≥120mm或8%DT；√中间降液管弦长lw=(0.5～0.7)DT,宽度≥200mm降液管面积还应满足：√降液管中的液体线速在0.1m/s以下；√液体在降液管中的停留时间（τ）：一般τ＞5s，易起泡物系τ＞7s，不起泡物系或少数高液气比场合τ＞3s√降液管中清液层高度：Hd＜(TS＋hW)×Φ一般物系Φ=0.5,易起泡物系Φ=0.35,低起泡物系Φ=0.65√降液管底隙≥25mm，赃污物系≥40mm；底隙处流速一般应小于0.3m/s，最大不应超过0.4m/s。板式塔设计中的几个关键问题2009/02/1024➢溢流堰24溢流堰的高度hW应根据塔板类型和工况特点来确定，如泡罩塔板有动液封要求等。以下原则性的规定适用于多数类型的塔板：√

出口堰高度一般取50mm，真空或高液体负荷时可适当减少出口堰高度；√

采用平受液盘且不设进口堰时，出口堰一般应比降液管底隙高6mm以

上，以满足降液管液封要求。否则，考虑采用凹型受液盘或设进口堰；√

对于一些高液、气比的塔，如洗涤塔或吸收塔等，允许采用比出口堰高的降液管底隙，以便维持合适的底隙流速，但应注意低负荷操作时是否存在液封问题。底隙流速大于0.15m/s时，一般不存在降液管液封问题。√

低液体负荷下堰上液层高度小于6mm或溢流强度小于3m3/m.h时，应采用齿型堰或栅型堰；当堰上溢流强度大于110m3/m.h或堰上液层高度超过60mm时，应增大降液管面积，若降液管面积已占到塔截面积的15%左右仍无法满足该条件时，宜考虑采用多溢流塔板。板式塔设计中的几个关键问题塔盘传热传质性能的改善增大气液接触面积：如鼓泡促进器、悬挂式降液管及防冲击漏液结构、扇形堰等改善板上的液体流动状态：导向元件、导流板等252009/02/1025板式塔主要鼓泡元件及特点筛孔型：板压降低、雾沫夹带量大、漏液量大、传质效率低、操作弹性小、抗堵性能一般、造价低26浮阀型：板压降大、雾沫夹带量较小、漏液量小、传质效率高、操作弹性大、抗堵性能较差、造价较高2009/02/1026板式塔主要鼓泡元件及特点➢斜孔、舌型、固阀：压降较低、雾沫夹带量比筛板小、抗堵性能好、造价低➢缺点：操作弹性较小272009/02/1027板式塔主要鼓泡元件及特点➢组合导向浮阀：减少板上液面梯度和液体返混，高液体负荷时优势更明显282009/02/1028板式塔主要鼓泡元件及特点29➢垂直筛板：改变了传统的鼓泡接触方式，属并流喷射型塔盘，自板孔上升的气体卷吸自喷射罩底隙进入的液体，经拉膜破碎、碰盖折返、从罩孔或罩缝喷出，气液接触好。➢特点：抗堵性能好，雾沫夹带少、处理能力大，效率高新型垂直筛板New

VST2009/02/1029主体连续传质塔板LLCT立体传质塔板CTST4填料塔设计中的几个关键问题对填料塔结构的认识302009/02/1030规整填料31材质：金属、陶瓷、塑料规整填料型式：孔板波纹压延孔波纹(金属)网孔波纹丝网波纹(金属、塑料)格栅2009/02/1031散堆填料32扁环填料QH-12009/02/1032梅花扁环填料QH-2填料材质：金属、陶瓷、塑料填料型式分类：环型：拉西环、鲍尔环、超级扁环等鞍型：弧鞍、矩鞍环鞍/鞍环型：环矩鞍、共轭环等球型：泰勒花环等填料塔设计中的几个关键问题2009/02/103333➢填料等板高度HETP影响HETP的主要因素：√与塔内流动状况有关的操作参数：空塔气速、操作压力、喷淋密度、气液分配的均匀性等；√填料自身的尺寸、比表面、空隙率、材质与润湿性；√物系的影响；对精馏塔而言，物系对HETP的影响要比对塔板效率的影响小许多；√不同类型的分离过程（精馏、吸收、萃取或抽提）HETP差异很大，如同一种填料用于萃取过程的

HETP通常是精馏时的数倍，不能直接套用精馏时

的HETP数据。填料塔设计中的几个关键问题2009/02/103434➢精馏过程的HETP数据举例散堆填料的HETP等板高度HETP(mm)填料名称金属鲍尔环Φ25Φ38Φ50400～450550～600700～750金属环矩鞍（Intalox）Φ25Φ40Φ50Φ70355～485460～610560～740790～1000填料塔设计中的几个关键问题2009/02/103535➢精馏过程的HETP数据举例规整填料的HETPMellapak

250Y规整填料等板高度HETP(mm)P＜1bar：

F≤1.0350

～7501＜F≤2.54002.5＜F≤35003＜F≤3.56501≤P≤5bar：

F≤13501＜F≤24002＜F≤2.54502.5＜F≤2.85005＜P≤10bar：

F≤0.456000.45＜F≤0.65000.6＜F≤1.73501.7＜F≤2.5500填料塔设计中的几个关键问题2009/02/103636➢填料的性能—处理能力、效率、压降散堆填料泛点速度：Bain-Hougen经验关联式床层压降：Eckert通用压降关联图效率HETP：经验值或按经验关联式估算规整填料按类似规格填料的NTU～F、△P～F关联图估算Aspen和PRO/II等软件中提供Sulzer

Mellapak等规整填料的水力学性能估算功能采用填料塔水力学计算软件来计算填料塔设计中的几个关键问题➢规整填料的性能举例—250Y、250X372009/02/1037填料塔设计中的几个关键问题2009/02/1038➢规整填料的相对处理能力比较以Mellapak

250Y为基准（1.0)规格型号125X

125Y

170X170YM2XM2Y相对能力1.5

1.25

1.511.141.411.09规格型号250X

250Y

350X350Y500X500Y相对能力1.25

1.0

1.10.851.00.7规格型号相对能力750Y

BX

CY0.63

1.0

0.6538填料塔设计中的几个关键问题39某一关键填料层截面处➢填料塔负荷性能图水力液泛点：床层顶部形成泡沫层并占据床层顶部到分配器之间高度的一半。传质液泛点：分离效率开始迅速下降时的负荷点。液泛率上限推荐值(%)新设计改造真空、低压≤80≤85中、高压≤70≤752009/02/1039填料塔设计中的几个关键问题➢填料塔液体分布器—管式402009/02/1040填料塔设计中的几个关键问题➢填料塔液体分布器—盘式412009/02/1041填料塔设计中的几个关键问题➢填料塔液体分布器—槽式422009/02/1042填料塔设计中的几个关键问题液体收集器举例432009/02/1043填料塔设计中的几个关键问题2009/02/104444液体分布器喷淋点密度推荐值(点/m2)Koch公司：Г＞50m3/m2.h时，dpd≤65；低Г时需更多的分布点Norton公司：对各种填料，取dpd=100Nutter公司：对大多数填料，取dpd=100Glitsch公司：dpd=161～215，根据流量和堵塞可能性选择Sulzer公司：对250Y，dpd≥100；对BX500，dpd≥200；对CY700，dpd≥300FRI高Г时dpd低Г时dpd一般分馏小尺寸填料≥90≥110中等尺寸填料≥65≥90大尺寸填料≥65≥65精密精馏小尺寸填料≥130≥150中等尺寸填料≥110≥130大尺寸填料≥110≥1105相关问题讨论回流比与理论板数简捷法模拟计算结果的利用√Fenske法计算全回流时的Nmin√Underwood法计算Rmin√Gilliland关联图：N与Nmin、R、Rmin的关系，并初步确定进料位置452009/02/1045相关问题讨论2009/02/1046回流比与理论板数（续）回流比的选择√易分离物系：R/Rmin√难分离物系：R/Rmin√

中间情况：

R/Rmin=1.05～1.15=1.3～1.5=1.1～1.3相应于

N/Nmin

=1.6～2.5塔顶冷凝器用到冷冻工质时，一般取较小的R/Rmin

值，除非是采用热泵节能型流程举例：丙烯精馏塔早期

90’s近期国外最近N

100～120

150～170180～200256R

21～18

17～1514～1312R/Rmin

2.2～1.9

1.8～1.61.48～1.371.2746相关问题讨论进料位置简捷法模拟计算只能初步确定进料位置(模型基于各种简化)采用优化器对进料位置进行优化，但不能保证各种情况下都能得到准确的优化结果。建议对重要的塔进行进料位置的灵敏度分析举例：某气体分馏装置脱丁烷塔进料板回流比QC

(kW)QR

(kW)备注131.233-