规整填料精馏塔

1、规整填料精馏塔1.概述填料塔是石油、化工、轻工、制药以及原子能工业中广泛应用的化工别离设备，约有100多年的开展史。近年来，随着别离技术的开展，填料结构不断改良，出现了不少具有高通量、高效率、低压降的新型填料，诸如SULZER公司的MELLEPAK填料、GLITSCH公司的GEMPAK填料、KOCH公司的FLEXPAC填料。同时与之相适应的新型塔内件也应运而生，从而给填料塔的开展带来了新的生机。由于采用了效率高、放大效应小的填料，同时改良了液体分配器的结构，使得目前波纹填料塔最大直径已可达14m。随着空分设备的大型化和无氢制氩技术的开展，采用微分接触的高效填料塔势在必行。使用规整填料的空分装置

2、与传统空分装置相比，具有以下优点：压降低、能耗低、传质效果好；装置操作弹性高；容易提取高纯度氩；装置启动积液容易；适用于各种塔径，可通过使用高效填料缩小塔径和降低塔高。常见的填料塔结构如图1和表1。它由外壳、塔填料、液体分布器、液体收集器、支撑格栅、定位格栅、气体进口管、带防涡器的液体出口管以及裙座组成。表1 常见填料塔组件名称序号组件名称1规整填料2支撑3液体收集器4带导液的环形槽道5液体分布器6定位格栅7支撑格栅8气体进口管9塔底10带防涡器的液体出口管11裙座12底座 图1 填料塔示意图2.波纹填料的几何结构板波纹填料通常按照塔径大小做成圆柱状填料盘，每盘填料由压成波纹状的薄片相错排列组

3、装而成。2.1波纹片结构1 HKB-8-14-1999 孔板波纹填料技术条件图2为我厂生产的KBB-J-4.3Y波纹填料元件波纹片的结构图，其参数如下：峰高大波纹：= 4.30mm波距大波纹：= 7.20mm板厚：= 0.15mm齿顶角大波纹：= 66.20倾角大波纹：= 450未注圆角大波纹：= 0.75mm小波纹波高：= 0.43mm小波纹波距：= 1.50mm小波纹波距：= 0.50mm小波纹波距：= 1.00mm小波纹圆角：= 0.20mm孔径：= 3.92mm开孔率：= 10.83%开孔倾角：= 9.500.50图2 孔板波纹片结构图2.2几何特性参数计算比外表积 指每立方米填料层所

4、具有的填料的总几何外表积，单位为m2/m3，KBB-J-4.3Y填料的比外表积按下式计算。堆积密度 指每立方米填料层的填料重量，单位为kg/m3，当填料的空隙率和材质密度时，也可用下式计算堆积密度：空隙率 指每立方米填料层中所具有的空隙率，单位为m3/m3，用测得的堆积密度及查出的材质密度，可用下式计算空隙率：也可用比外表积和波纹片厚度，由下式计算空隙率：开孔率 取一波纹片，用卡尺量取峰高、波距以及波纹片宽度，并读出波纹数，用下式计算该波纹片上一个面的外表积：然后计算该波纹片上孔的总面积，用此孔面积除以即为开孔率。当量直径 用已测得的峰高、波距值，计算波纹边线长度，然后算出内接圆的半径，两倍之

5、，那么得该波纹填料的当量半径值。也可用上面测得的比外表积、空隙率和波纹片厚，用下式计算当量半径值：干填料因子 可直接由上述测定并计算得的填料比外表积和床层空隙率按下式算出，即：3.塔径计算一般而言，填料精馏塔的直径是根据气体负荷来计算的。按流量公式为：或式中：VS气体流量，m3/s。G气体质量流量，kg/h从上式可以看出，计算塔径的核心问题是确定空塔流速uG值。确定uG值的方法可以参照散堆填料的方法：BAIN-HOUGEN关联式BAIN和HOUGEN对SHERWOOD-HOLLOWAY公式作了修正，提出了如下计算泛点速度的关联式2 王树楹，?现代填料塔技术指南?，中国石化出版社，1998：式中

6、：uGf泛点气速，m/sg重力加速度，9.81m/s2a/3干填料因子，1/mG气相密度，kg/m3L液相密度，kg/m3L液相黏度，cPA与填料相关的常数对750Y或700Y，A=0.35L液体质量流量，kg/h计算出泛点速度后，那么由下式确定空塔气速uG值：4.填料层高度4.1传质单元法5 曾繁均，“填料式精馏塔的计算，?深冷技术?填料精馏塔为微分式接触精馏，在微元高度dn的填料段上对某一组分的质平衡为：式中：V通过填料上升的蒸汽量L通过填料下降的液体量x下流液体中某组分的含量y上升蒸汽中某组分的含量z蒸汽中与下流液体相平衡的某组分含量x*液体中与上升蒸汽相平衡的某组分含量K,K传质系数。

7、它与扩散系数、上升蒸汽及下流液体的流动特性、介质的物理特性、塔径、填料特性等诸因素有关。A单位高度上填料的外表积对上式积分后可以得到某段(或整段)填料的高度：式中：注脚1进料气或残液浓度注脚2产品气或回流液浓度4.2理论塔板法对于精馏计算，基于理论板平衡级的概念，习惯用理论板当量高度HETP值表达填料的传质动力学效率，故习惯用理论板法计算填料层高度：式中：Nm理论塔板数HETP相当于一块理论板的填料高度实验证明，HETP不仅与填料的性质有关，而且与精馏塔的高度、直径、径高比、气流速度、喷淋密度和被别离物的物理特性有关。在许多实验资料的根底上提出了以下计算公式：式中：m在y-x坐标上平衡曲线的倾

8、角正切平均值。用下式计算m足够精确：mI各段的倾角正切值图 SEQ 图 * ARABIC 1SULZER公司的SPIEGEL提出如下的等板高度计算公式6 黄洁、郭维光、张学，“金属孔板波纹填料的传质计算，?化工设计?，1998年第6期：式中：填料空隙率填料几何角度填料当量直径，m液体空塔流速，m/sht填料持液量，%DG气体扩散系数，m2/s5.持液量BRAVO提出的总持液量计算公式6为：式中：Ft有效湿润外表的修正系数，取0.94g重力加速度，m/s26.压降6.1 填料压降规整填料的压降可按BRAVO公式计算7 骆广生、朱祯林，“规整填料精馏塔的设计计算，?化学工程?，1998年第4期：式

9、中：填料压降，m/Pa重力加速度，m/s2气体黏度，mPa.s与填料种类相关的常数*6.2 250Y填料压降干填料压降：湿填料压降：式中：LL液体喷淋密度，m3/m2.h本公式的计算值与实测值相比，平均偏差为5.5%，最大偏差为10%。6.3 500Y与750Y填料压降500Y与750Y填料压降根据F因子按图3计算。7.塔内件设计7.1填料支撑填料支撑的根本要求有：符合承重要求，支撑板上的负荷包括填料重量、填料空隙中充满液体的重量及可能加到装置上冲击压力的总和。支撑装置的自由流动净截面面积应是塔截面面积的65%，或更大，以防止由于流体流动受阻，压力降增加而导致液泛。支撑装置上的填料层高度应按规

10、定设计，以免产生机械的、振动的和热的冲击负荷，影响塔的操作。图5 填料支撑结构规整填料常用的填料支撑如图5，其尺寸和负荷见表4。7.2液体分配器8 徐崇嗣主编，?塔填料产品及技术手册?，化学工业出版社，1995塔内液体的均布是填料塔良好操作之关键所在，它直接影响塔内气液两相的接触外表积及填料塔的操作效率。在空分装置的精馏中，一般采用液体自流式即重力型。填料上的液体分布器的选择，与塔直径的大小、填料形式及分布器的材质有关。分布器一般分为两类：液体自流式；液体受压进料式。表5是几种液体分配器的主要特征及其适用范围。表4 104型填料支撑参数塔径IDmm支撑环宽度mm负荷，kPa高度Hmm碳钢不锈钢

11、铝LF4150300夹子56.067.033.5253014501937.344.522.2254516002527.733.016.5256017503227.733.016.53275115003826.331.615.851150122505016.219.19.065225130006326.331.615.865300135006324.429.214.665350145007615.819.19.065注：塔径大于等于2700mm的填料支撑需要增加中间支撑梁。表5 几种液体分配器的主要特征及其适用范围液体自流式分配器液体受压进料式分配器筛板式液体分配器如圆筒形升气式液体分布器，槽条

12、形升气式液体分布器切口形液体分配器如筒式切口形液体分配器，槽式切口形液体分配器管式液体分配器适用于较小的液体流量0.72m3/m2h，且限制流量的波动范围，即液体流量调节比2.5左右。适用于较小的黏度且在操作温度下不易冻结的非混浊液体，以防降液筛孔的堵塞。假设必须使用于混浊液体，需事先充分过滤。由于降液与上升气体分道，故特别适用于易起泡的液体物系。降液筛孔多而分散，故适用于装填有不易使液体均匀分布的填料的填料塔。适用于直径3m的填料塔中。适用于较大液体流量，否那么由于单位面积液体分布点较少会导致液体分布不均。液流调节比为34。适用于含较多固体杂质且在操作温度下易冻结的液体。由于气液逆向同道对流

13、，易使液体泛出器外，故一般筒式切口形液体分配器不宜用于易起泡液体物系。液体分布点较少，故不适用于横向分散性差的环形填料。槽式切口形液体分配器适用于直径0.8m填料塔中。筒式切口形液体分配器适用于直径1.2m填料塔中。适用于液体流量较小的情况下，且限制流量的波动范围，即液体流量调节比2左右。适用于黏度小的清液系统。适用于气液两相进料的填料塔中。可适用于不同塔径的填料塔中。7.2.1圆筒形升气式液体分布器如图6，由筛孔平底圆板及供气体上升的圆管组成。一般圆板可分成几块，以便安装。进液管筛孔圆板中央处上方，且使管底边高出升气管150mm左右。进液时要求速度控制在1.5m/s左右，以保证平板上所有筛孔

14、上形成均匀的液面。其设计步骤为：依据塔径，确定出液体分布器的直径，如表6所示。其余参数见表7。升气管：通常情况下，升气管总截面面积取塔截面面积的15%45%。升气管直径取DN100DN150为宜，升气管的高度可根据要求自定。升气管的设计，主要控制在较低的压降，常用估 图6 圆筒形升气式液体分布器算升气管压降的经验公式为：式中：p压降，PaA升气管截面面积，m2表6 圆筒形升气式液体分布器尺寸推荐值塔径mm分布器直径，mm分布器总高度mm塔径mm分布器直径，mm分布器总高度mm塔径mm分布器直径，mm分布器总高度mm3002901251350131025025502490280450430125

15、1500146025027002640280600560250165016002502850279028075072025018001750250300029402809008602501950190025031503090280100096025021002050250330032202801200116025024002300280表7 301A圆筒形升气式液体分布器结构参数塔径mm支撑环宽度mm升气管数量150450夹子1445560025460575032476015003862815202250512875226030006475128注：塔径2700mm的填料支撑需要增加中间支撑梁

16、。降液孔板：设计一个良好的液体分布板，应首先保证降液孔板具有一定的筛孔数。一般要求降液孔板至少到达110个孔/m2塔截面，对500Y与700Y750Y通常为175190个孔/m2塔截面。降液孔板的筛孔确定后，其孔径可由和推导的下式计算：式中：d筛孔直径，mLS液体流量，m3/sHL筛板上液柱，m在设计估算时，液层高度通常取升气管高度的一半。液压头根据最小液流量和最大液流量要求能在13mm到低于升气管管顶25mm的范围内变化125245kPa，为防止小孔堵塞，其孔径应不小于3mm。7.2.2槽条形升气式液体分布器 图7 MDP槽条形升气式液体分布器如图7，是由槽条依次等距离沿截面铺设而成。气体由

17、无底槽内上升，液体沿槽条间底板上开设的许多筛孔处向下淋降。进料液体由叠架在槽条上且与各槽条垂直的进料槽处进入。进料槽底部的小孔与槽条间底板处的筛孔对准，使下降的液体与上升的气体分道流动。一般情况下，进料槽底部的小孔处的下降速度控制在1.5m/s左右，以保证平板上所有筛孔上形成均匀的液面。MDP型槽条形升气式液体分布器总高约610mm。其结构尺寸见表8。表8 MDP槽条形升气式液体分布器结构参数塔径mm槽条数量最大液流量GPM近似重量lb90010504150250120013506250400150016507350600180019509500800210022501165011002700

18、29001311001700注：重量按不锈钢计。塔径2700mm的填料支撑需要增加中间支撑梁。接液槽的实际数量取决于液流量。7.2.3闪蒸进料液体分布器如图8，它由上部的50%开口的环形通道和下部的类似于301A圆筒形升气式液体分布器而组成，上下部独立支撑。它是用来别离两相进料中的气相。上部的50%开口的环形通道高度一般为300mm，上下两板之间也为300mm。闪蒸进料液体分布器的结构参数见表9。表9 闪蒸进料液体分布器结构参数塔径mm支撑宽度mm总高mm近似重量lb1200150038457140230150522505155934575022053000646607501200300535

19、006473712001600350545507683816002700注：重量按不锈钢计。塔径2700mm的填料支撑需要增加中间支撑梁。图8 闪蒸进料液体分布器7.3气体进口管气体进口管和分布系统的形式与塔的操作工况存在着很大的关系。气体分布器有以下形式： GD型气体分布器图9：适应于塔径小于2500mm的、绝对压力低的、气体负荷低的精馏场合。 GDP型气体分布器图10：适应于塔径小于2500mm的、气体负荷较高的、空间受限制的精馏场合，它在气体直接进口中使用挡板对气体进行分流，使气体沿容器内壁流动局部切向气流分布。 GIG笛形管气体分布器图11：适应于塔径小于2500mm的、纯气体进料、采

20、用其他措施不可能提供均匀气体分布并有一定压头可供利用的情况，GIG笛形管气体分布是由底部侧面开孔的水平管子组成，在管子底部气体分成许多气流束。GIO型气体分布器图12：适应于塔径大于2500mm的场合。它是带有端面挡板的底部敞开的气体进口管，一般作为标准气体进口系统。实验结果和经验说明，如果进口的定位适当，可以得到良好的效率和良好的气体均匀扩散。对较大塔径或在高的气体负荷下，可以使用几种变型的GIO标准气体进口管。a如果进口管直径足够大，管子可以在水平方向分叉，气体由两个分隔仓进入塔内。b如果可以配置两个进口管，应放在相反的方向上。c如果a和b都不可能，或对气体分布均匀性要求很高时，GIO进口

21、系统与带有附加升气管的装置配合使用。d填料间纯气体进料，气体通过管中的两个切口流出。7.4液体进口管液体进口管分为两种形式： LV型液体进口管图13：上图适用于无闪蒸的纯液体直接进入分布器。以下图适用于进料闪蒸率20%、法兰连接的塔，可以使闪蒸进料直接进入塔内闪蒸槽。闪蒸槽通常位于槽式分布器的主槽通道上。 LR型液体进口管图14：进料闪蒸率10%的进料，在环形槽上还采用分叉的有很多孔的圆管对较大型塔，可以用雾化喷嘴，此时中心槽上方也采用。注意：管内静压力必须高于塔压。7.5液体收集器和再分配器液体收集器是填料塔中收集上段填料层流下液体的内件。对于液体侧线采出或填料层分段进行液体再分配之处都要设置液体收集器。液体收集器其主要结构为斜板式，如图14。为减少流体壁流，提高传质效率，为侧线采出或加料，填料层需分段设置。在各填料段间必须安装液体再分布器，其图13 LV型液体进口管作用是收集上段填料层流下液体使之混合，进而为下段填料提供足够的分液点和优秀的液体分布质量。1对于小于600mm的塔使用截锥式再分布器。锥体与塔壁夹角一般取35450，截锥下口直径为70%80%塔径。为增加气体流通截面积、减少阻力，改善液体再分布器的淋降点，现广泛使用改良截锥式的“玫瑰花型再分布器。它具有：