板式塔和填料塔对比
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 5 1 复杂 1
浮阀板一般
筛板简单
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ε 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a/ε3，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 很好 1 孔板波纹填料 金属Intalox 金属鞍形环 相当好 2 相当好 3 相当好 4 金属阶梯环 金属鲍尔环 一般好 5 一般好 6 瓷Intalox 较好 7 瓷鞍形环 略好 8 瓷拉西环 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 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
溶剂回收塔 填料塔
C201 BT 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℃，塔底温度℃，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 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 Mellapak 250Y 金属薄片 不锈钢 250m2/m3 45° 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% 200m3/kg 填料因子
等板高度 持液量参数 载点因子
泛点因子
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
Stage
Temperature liquid from/℃
Temperature
vapor to/℃ Mass flow liquid
from /（kg/hr ） Mass flow vapor to /（kg/hr ） 37
V olume flow liquid from /（m3/hr ）
V olume flow vapor to /（m3/hr ）
Molecular wt liquid from Molecular wt vapor to Density liquid from /（kg/m3）
Density vapor to /（kg/m3）
Viscosity liquid from/cP
Viscosity vapor to/cP Surface tension liquid from （mN/m ）
Foaming index
1.1.3.2 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
lg [u F 2g (a ε3)(ρV ρL )μL 0.2]=A ?K(W L W V )0.25(ρV ρL
)0.125
液相质量流量W L =521927.4kg/hr 气相质量流量W V =310904.7kg/hr 气相密度ρV =5.4kg/m3 液相密度ρL =864.8kg/m3 液相黏度μL =0.37cP 空隙率ε=0.95 填料因子?=3.2808m ?1 比表面积a =250m2/m3 重力加速度g =9.81m/s 2
对金属孔板波纹填料，常数A=，K=，得泛点气速：
u F =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：
u
u F
=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C S
F =u √ρV =1.98
在工业设计中推荐的~的范围之内。
C S =u √ρV
ρL ?ρV
=0.0067
3）塔径计算
D =√4V s πu
=4.89m ≈5000mm （圆整） 塔横截面积
S =πD 2=19.635m 2
4）填料装填计算
等板高度取HETP =0.4m ；理论板数N T =40，则填料层高度：
Z =HETP ·（N T ?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 =447.6m 3
填料装填质量：
M =ρZ ′ S =4.560t
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。
U=Q L
=30.74m3/(m2·h)
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。
6）塔板压降
查询《现代塔器技术》，可得干填料压降：
?P/Z=802(u G√ρG）1.72=2586Pa/m
湿填料压降：
?P/Z=948×104.46×10?3×U(u G√ρG）1.72+3.8×10
?3×U
=3057Pa/m
工作状态下，填料层总压降：
?P=3057×22.8Pa=69.7kPa
工业上推荐的250Y孔板波纹填料的压降范围在~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。
H
动=1.295Re0.675(
d3ρL2
Fr
)
?0.44
H
总
=(
12Fr
Re
)
1
3
(
a?
a
)
1
3
8）接管
原料进料质量流量：W=75290.4kg/h，密度ρ=116.0kg/m3，为气液混合进料，取流速u=8m/s，管径为：
d=18.81W0.5u?0.5ρ?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，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：
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
T103操作压力2bar，属于低压容器（~1,6MPa），塔顶温度℃，塔底温度℃，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
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
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2.5~125m3/（m2·h）、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；6~8倍塔径高度。
计算得到的填料装填高度，因此将填料层分为4段；其中精馏段填料高度，分为三段，每段填料层高度为；提馏段填料高度，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 50009-2001
1.1.2 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%。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%，在年产60-120万吨催化裂化装置中占%。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
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、
1.1.4 板式塔的计算
a.设计计算
1. 塔径计算
其中，L ρ是液相密度，kg/m 3；V ρ为气相密度，kg/m 3；max u 为极限空塔气速，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T L H h -反映液滴沉降空间高度对负荷因子的影响。横坐标
1/2
()h L h V
L V ρρ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（通常取）。
图9-5是按液体表面张力为20mN/m 的物系绘制的，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。
L σ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，板上液层高度为，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、、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l w
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
w
h 表示。弓形溢流管的弦长成为堰长，以w
l 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h w
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。
ow
h 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W d 和截面积A f
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，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h 0
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，'
0u 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：
040h mm
>。
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 1.5m <，S W 6075mm =- D 1.5m ≥，S W 80110mm =-
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，可选取0.1s W m
=，
0.06c W m
=
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，孔径不应小于（）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（）倍孔径，t 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
0/34
t d =-
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。都以m 为单位。
干板压降通过下式估计，其中
u 是气体通过筛孔的速度，0c
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β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. 液泛
液泛分为降液管液泛和液沫夹带液泛两种情况。在筛板的流体力学验算中通常对降液管液泛进行计算。
为防止液泛，应保证降液管内泡沫液体总高度不能超过上层塔板的出口堰，即：
?为安全系数，对易发泡体系，0.30.5?=-。对于不宜发泡物系，
0.60.7?=-。这里取.
板上不设进口堰，则 故不会发生液泛 4. 漏液
当气体通过筛孔的流速较小，气体的动能不足以阻止液体向下流动时，便会发生漏液现象。根据经验，当相对漏液量小于百分之十时对塔板效率影响不大，这时的气速称为漏液点气速，它是塔板气速操作的下限，以0,min
u 表示。漏液量与气体通
过筛板的动能因子有关，根据实验观测，筛板塔相对漏液量为百分之十时，动能因
子0810=-F 。
1.52K <<，故明显漏液。
5. 液沫夹带
液沫夹带造成液相在塔板间的返混，为保证板效率的基本稳定，通常将液沫夹带量限制在一定范围内，设计中规定液沫夹带量0.1/ 液沫夹带量在允许范围之内。 c.塔板负荷性能图 1. 漏液线 根据0,min 12.02/=u m s 故 据此可作出与液体流量无关的水平漏液线1. 2. 液沫夹带线 由上式即可做出液沫夹带线2 3. 液相负荷下限线 对于平直堰，取堰上液层高度0.006=ow h 作为最小液体负荷标准。 取E=1，则 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线。 4. 液相负荷上限线 以5θ=s 作为液体在降液管中停留时间的下限 据此可作出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线。 5. 液泛线 令()?=+d T w H H h 联立 整理得 一、板式塔的发展历程与研究方向 蒸馏是一种量大而面广的工业分离混合物的方法，广泛应用于化工、炼油、食品、轻工业等许多工业部门，在国民经济中占有很大的比重。据统计，塔设备的投资费用占化工和石化过程共投资费用的25%，占总能耗的40%。此外，塔设备性能的好坏对产品质量和产量起着十分重要的作用，对降低能耗、降低生产成本和提高企业竞争实力有着重大的意义。 近年来，尽管涌现出很多新的分离技术，在实际生产过程中，蒸馏操作仍占据这很重要的地位。虽然从20世纪80年代开始，高效规整填料在工业塔中的成功应用改变了工业蒸馏设备长期以来已板式塔为主的的局面，但板式塔因其设备造价低廉、操作范围广、对各种物系适应强、易于清理和检修等优点，在蒸馏操作中仍占有不可替代的地位。特别是高压、高粘度等特殊工况条件下，板式塔仍占有优势。由于板式塔在蒸馏设备中占有重要地位，所以各国研究者对塔板性能的研究和新型塔板的开发与应用方面做了大量的工作，其中一个重要的方面就是对塔板的流体力学性能和塔板上流体流动状况的研究，另外就是开发高效、节能、结构简单和的新型塔设备。板式塔作为完成蒸馏操作的过程的一个主要设备，得到了广泛深入的研究。 二、板式塔发展历史 早在1813年Cellier就提出了泡罩塔，筛板塔也早在1832年开始用于生产。19世纪初，新的炼油工艺又推动了塔设备的发展。进入20世纪后，石油成为主要能源和石油化学工业的原料，早期的塔设备已不能满足这些不断更新的工艺过程需要，这就促进了精馏技术和塔设备有了新的发展。塔设备的发展大致可分为四个阶段： (1)第二次世界大战结束前，塔设备主要用于炼油工业，塔型中以泡罩塔为主，而在无机酸工业中则多用于填料塔。 （2）第二次世界大战结束后，炼油和石油化学工业有了较大的发展，促使塔设备不断增加，除了对筛板、泡罩等原有塔型进行改进外，也出现了一些新型塔板。（3）进入60年代以后，炼厂生产能力不断增大，使设备向大型化方向发展，与此同时，石油化工凶猛发展，提出了对塔型的某些特殊要求，因此出现了一些具有相应性能的塔板，适应高压、减压、高效、大液负荷、高弹性等要求。 （4）70年代后，塔板研究逐年减少。据报道，欧美等国大学中研究新塔板的课题为数不多，其原因是他们认为现有的各类塔板性能颇为接近，基本上可以满足所有蒸馏操作的要求。有人预言，除“并流”塔以外，近期内不会有彻底革新的新型踏板问世。但是由于能源愈益紧张而昂贵，使得能耗巨大的蒸馏过程与设备的研究开发工作仍在持续进行，新型塔板不断仍不断出现，尤其是那些大通量、低压降和高效率的塔板，更受人们欢迎。 三、塔板的发展概况 板式塔的种类繁多，根据其板内件的结构不同可分为泡罩型塔板、浮阀型塔板和筛孔型塔板等。 1.泡罩型塔板 泡罩塔是最早的典型的板式塔，自从1813年Cellier提出泡罩塔，并在化学工业生产上采用以来，泡罩塔在蒸馏、吸收等两相传质设备中曾占主导地位。泡罩塔在1920年被引入炼油工业，但是直到1924年在克劳斯过程中获得成功，泡罩塔才被广泛应用。近二三十年来，出现了许多新型塔板和高效填料。与泡罩塔相比，具有处理能力大、压降低、结构简单、制造方便和费用低廉的优点，因此，泡罩塔已 用Aspen 模拟塔单元操作分为操作模拟和设计计算。两种模拟计算方法有所不同。 1 填料塔操作模拟 模拟已知的填料操作可以用radFrace 和rateFrace模块。 模拟操作是对已有的塔进行操作模拟，塔的结构参数是已知的，通过调节某些参数来与实际生产情况吻合。填料塔操作模拟要有两个难点问题：一是平衡级数的选择，二是调节那些参数选择。 1.1 平衡级数 rateFrace 和radFrace 模块要求输入板数，和板式塔模拟操作一样，操作模拟数据应该是实际塔的参数，这里要输入实际塔的板数。对于板式塔没有问题，但对于填料塔的实际板数如何取？ 作操作模拟时，和rateFrace和radFrace模块板数（平衡级数）可以任意取，只是计算精度的问题。然后，设置填料核算（Pack Rating）中的每段填料高度（Section pack height）与之对应。如：某填料塔实际填料高度15m，进行操作模拟时，塔板数（Number of stages）输入为5，则在下面的Pack Rating 页的Packed height 栏选择Section packed height 并填入3。 这里的实际级数最好不要小于理论级数，在不确定理论级数时应尽量多取。 1.2 调节参数 进行塔操作模拟时，通过调节塔板效率来与实际相吻合。 和板式塔一样，如果不输入塔板效率则系统按选择的计算方法计算塔板效率（这个效率计算方法有两种：Vaporization efficiencies和Murphree efficiencies）。作操作模拟时按计算效率得到的结果和实际值会不一致，这时通过调节塔板效率来与实际相吻合。 2 填料塔设计 填料精馏塔与填料吸收塔的设计计算有所区别，对于单进料的精馏塔，与板式塔设计计算一样，首先用简捷模块计算理论板数，然后radFrace 或rateFrace 模块进行详细计算。无论用那种模块，设计计算都要用到设计规定，通过调整填料高度来满足设计要求。 填料塔设计比板式塔复杂，原因是由于填料塔设计本身的复杂性，设计软件无法依据给定的设计参数，按照某一个不变的设计路线作出最后的设计结果，需要设计者利用各模块的功能，自己设计一个计算路线，完成给定的设计任务。 2.1 用RadFrace计算 1.吸收剂用量的初步估算（手算） 塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。 根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。 板式塔内沿塔高装有若干层塔板(或称塔盘)，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。 填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。 目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。蒸馏操作的规模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。 本章重点介绍板式塔的塔板类型，分析操作特点并讨论浮阀塔的设计，同时还介绍各种类型填料塔的流体流体力学特性和计算。 第1节板式塔 板式塔为逐级接触式气液传质设备。在一个圆筒形的壳体内装有若干层按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，每层塔板靠塔壁处设有降液管。气液两相在塔板内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。板式塔的空塔气速很高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，造价低，检修、清理方便 3.1.1塔板类型 按照塔内气液流动的方式，可将塔板分为错流塔板与逆流塔板两类。 错流塔板：塔内气液两相成错流流动，即流体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，但对整个塔来说，两相基本上成逆流流动。错流塔板降液管的设置方式及堰高可以控制板上液体流径与液层厚度，以期获得较高的效率。但是降液管占去一部分塔板面积，影响塔的生产能力；而且，流体横过塔板时要克服各种阻力，因而使板上液层出现位差，此位差称之为液面落差。液面落差大时，能引起板上气体分布不均，降低分离效率。错流塔板广泛用于蒸馏、吸收等传质操作中。 逆流塔板亦称穿流板，板间不设降液管，气液两相同时由板上孔道逆向穿流而过。栅板、淋降筛板等都属于逆流塔板。这种塔板结构虽简单，板面利用率也高，但需要较高的气速才能维持板上液层，操作范围较小，分离效率也低，工业上应用较少。 本教材只介绍错流塔板。 板式塔和填料塔对比 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】 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， 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 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 1.1.1.1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。 1.1.1.2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 泡罩板较成熟、操作稳定结构复杂、造价高、塔 特别容易堵塞的物系 板阻力大、处理能力小 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 点。大大提高了减速机齿轮、轴承的使用寿命。油冷却器的选用应根据热平衡平均温度差计算 。 图3 带冷却循环润滑系统示意图 4 易损件的设计 榨膛内榨螺、榨条是易损件,使用一段时间后, 由于榨螺、榨条的磨损,榨膛内间隙增加,压力降低, 饼残油增加需及时更换榨螺、榨条。传统榨油机榨 螺、榨条采用低碳钢渗碳淬火提高榨螺、榨条的耐磨性。Y Z 390大型榨油机的榨螺、榨条表面采用熔接合金层的方法,使榨螺、榨条的耐磨性提高几倍。榨笼板由传统组装结构,改为铸钢整体结构,减少加工成本,榨笼板在机架上通过转轴联接,开合自如,更换榨螺、榨条更方便快捷。5 结束语 目前植物油厂的发展向大型化、规模化发展,实践证明,公司研制的Y Z 390大型榨油机适用于各种油料的一次压榨及预榨,该机能耗低、产量大、占地小、压缩比大、操作简便、饼成形快、易于浸出、回渣少、油质清、易于精炼,值得推广使用。 收稿日期:2005-06-20 作者简介:王定平(1970-),男,技术经理;主要从事油厂生产管理工作。 文章编号:1003-7969(2005)09-0057-02 中图分类号:TS22316 文献标识码:A 板式塔与填料塔在炼油中的应用及成本分析 王定平 (厦门沃尔油脂技术工程有限公司,361009福建省厦门市莲钱西路2号) 摘要:对填料塔和板式塔脱臭工作原理进行了分析,填料式脱臭塔相对板式塔由于油在塔内呈膜状蒸馏,,故需要的汽提蒸汽和抽真空用的动力蒸汽较少,仅为板式塔的30%左右,因此填料式脱臭塔的炼油成本很低,是一种理想的脱臭节能设备。 关键词:脱臭塔;板式塔;填料塔;工艺;成本 1 填料塔和板式塔工作原理[1] 1.1 填料塔原理 图1为填料塔脱臭示意图。我们把整个脱臭工艺过程明确地分两段进行:一是脱臭段,在高温高真空下用搅拌蒸汽脱除油中游离脂肪酸和气味组分;二是维持段,让脱臭油在高温、高真空状态下停留一段时间,使热敏性色素及过氧化物彻底分解,保证油 品质量及稳定性。 由于油在填料上分布成约10μm 厚左右的油膜,故油滴在整个塔内的压降仅为200Pa (如图1中最低点B 1及任意一点A 1),只需约50kPa 直接蒸汽、5min 即可将脱色油中游离脂肪酸含量从0.3%左右降到0.02%或更低,同时彻底脱除脱色油中气味组分,这是脱臭的第一阶段。 第二阶段我们称为 图1 填料塔脱臭原理示意图 “维持段”或“脱色段”,在这一阶段需30min 将脱臭 油中热敏性色素及过氧化物彻底分解,因为如果油的色素分解不彻底会影响精炼油品质和稳定性。1.2 板式塔工作原理 图2为板式塔脱臭原理示意图。从图2可知,若板式塔内真空为250Pa ,则在油位为50cm 的塔盘中,盘底B 2处的压降由于50cm 油位的存在将增 7 52005年第30卷第9期 中 国 油 脂 物质在相间的转移过程称为传质(分离)过程。常见的有蒸馏、吸收、萃取和干燥等单元操作。 蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作。它是通过加热造成气液两相物系，利用物系中各组分的挥发度不同的特性以实现分离的目的。 塔设备是能够实现蒸馏和吸收两种分离操作的气液传质设备，按结构形式可以分为板式塔和填料塔两大类。在工业生产上，一般当处理量大时多采用板式塔，处理量小时采用填料塔。 选用原则（典型的） 1、腐蚀性介质，易起泡物系，热敏性物料，高粘性物料通常选用填料塔。 2、对于中、小规模的塔器，和塔径小于600mm时，宜选用填料塔，可节省费用并方便施工。 3、对于处理易聚合或含颗粒的物料，宜采用板式塔。不易堵塞也便于清洗。 4、对于在分离过程中有明显吸热或放热效应的介质，宜采用板式塔。 5、对于有多个进料及侧线出料的塔器，且各侧线之间板数较少，宜采用板式塔。采用填料塔时内件结构较复杂。 6、对于处理量或负荷波动较大的场合，宜采用板式塔。因液体量过小会造成填料层中液体分布不均匀，填料表面未充分润湿，影响塔的效率；当液体量过大时易产生液流影响传质，采用条阀等板式塔具有较大的操作弹性。 7、对于塔顶、塔底产品均有质量要求的塔系，宜采用板式塔。 8、根据各种工艺流程和特点，在同一塔内，可以采用板式及填料共存的塔型，即混合塔型。适用于沿塔高气、液负荷变化较大的塔系。 板式塔为逐板接触式气液传质设备。 ● 评价塔设备性能的主要指标：生产能力、塔板效率、操作弹性、塔板压强降 ● 浮阀塔的工艺计算：包括塔径、塔高及塔板上主要部件工艺尺寸的计算。 一、工艺模拟计算后能够确定的参数（模拟计算可求得理论板层数、回流比、馏出液量、釜残液量、塔径、每层塔板的气液相负荷、冷凝器和再沸器负荷）1、估算塔径 最常用的标准塔径（mm）为600，700，800，1000，1200，1400， (4200) 原料通常从与原料组成相近处（加料板）进入塔内。加料板以上的塔段称为精馏段，以下（包括加料板）成为提馏段。 当精馏塔的精馏段和提馏段上升气量差别较大时，两段的塔径应分别计算（需要圆整）。 用 Aspen 模拟塔单元操作分为操作模拟和设计计算。两种模拟计算方法有所不同。 1 填料塔操作模拟 模拟已知的填料操作可以用radFrace 和rateFrace模块。 模拟操作是对已有的塔进行操作模拟，塔的结构参数是已知的，通过调节某些参数来与实际生产情况吻合。填料塔操作模拟要有两个难点问题：一是平衡级数的选择，二是调节那些参数选择。 平衡级数 rateFrace 和 radFrace 模块要求输入板数，和板式塔模拟操作一样，操作模拟数据应该是实际塔的参数，这里要输入实际塔的板数。对于板式塔没有问题，但对于填料塔的实际板数如何取 作操作模拟时，和rateFrace和radFrace模块板数（平衡级数）可以任意取，只是计算精度的问题。然后，设置填料核算（Pack Rating）中的每段填料高度（Section pack height）与之对应。如：某填料塔实际填料高度15m，进行操作模拟时，塔板数（Number of stages）输入为5，则在下面的Pack Rating 页的 Packed height 栏选择Section packed height 并填入3。 这里的实际级数最好不要小于理论级数，在不确定理论级数时应尽量多取。 调节参数 进行塔操作模拟时，通过调节塔板效率来与实际相吻合。 和板式塔一样，如果不输入塔板效率则系统按选择的计算方法计算塔板效率（这个效率计算方法有两种：Vaporization efficiencies和Murphree efficiencies）。作操作模拟时按计算效率得到的结果和实际值会不一致，这时通过调节塔板效率来与实际相吻合。 2 填料塔设计 填料精馏塔与填料吸收塔的设计计算有所区别，对于单进料的精馏塔，与板式塔设计计算一样，首先用简捷模块计算理论板数，然后radFrace 或 rateFrace 模块进行详细计算。无论用那种模块，设计计算都要用到设计规定，通过调整填料高度来满足设计要求。 填料塔设计比板式塔复杂，原因是由于填料塔设计本身的复杂性，设计软件无法依据给定的设计参数，按照某一个不变的设计路线作出最后的设计结果，需要设计者利用各模块的功能，自己设计一个计算路线，完成给定的设计任务。 用RadFrace计算 1.吸收剂用量的初步估算（手算） 目的：为 RateFrace 计算填料高度准备数据。 2.确定理论板数（手算） 目的：为 RadFrace 详细设计计算准备数据（ RadFrace 模型需要理论平衡级数）。 3.用 RateFrace 模块确定填料高度 目的：为 RadFrace 详细设计计算提供数据。 4.用 RadFrace 模块详细设计计算 5.核算 该方案手算内容较多，是很难接受的一种算法。 用RateFrace计算 1.吸收剂用量的初步估算（手算） 目的：为 RateFrace 计算填料高度准备数据。 2. 初步计算填料高度 估算一塔径，用 RateFrace 模块的设计规定，初步计算填料高度。 3.确定塔径与填料高度 用灵敏度分析，研究填料高度与塔径的关系，选择合适的塔径及对应的填料高度， 4.核算 对确定的塔径和填料高度的塔进行最后核算，得出最后结果。 板式塔 一、板式塔的概念、用途、示意图 板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成。 用途：广泛应用于精馏和吸收,有些类型（如筛板塔）也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程。操作时（以气液系统为例），液体在重力作用下,自上而下依次流过各层塔板,至塔底排出；气体在压力差推动下，自下而上依次 穿过各层塔板，至塔顶排出。每块塔板上保持着一定深度的液层， 气体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。 板式塔结构示意图如右图： 塔板又称塔盘，是板式塔中气液两相接触传质的部位，塔板 决定了塔的操作性能，一般由以下三个部分组成： 1 气体通道为保证气液两相充分接触 2 溢流堰为保证气液两相在塔板上形成足够的相际传质表面 3 降液管使液体有足够的停留时间 二、各类型塔板的结构及其特点： 按照塔内气、液流动方式，可将塔板分为错流塔板与逆流塔板两类。 错流塔板为塔内气、液两相成错流流动，即液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，错流塔板广泛用于蒸馏、吸收等传质操作中。 逆流塔板亦称穿流板，板上不设降液管，气、液两相同时由板上孔道逆向穿流而过。这种塔板结构虽简单，板面利用率也高，但需要较高的气速才能维持板上液层，操作范围较小，分离效率也低，工业上应用较少。 常见塔板 泡罩塔板 Bubble-cap tray 泡罩塔塔板上的主要部件是泡罩。 罩内覆盖着一段很短的升气管，升气管的上口高于罩下沿的小孔或齿缝。塔下方的气体经升气管进入罩内之后，折向下到达罩与管之间的环形空隙，然后从 罩下沿的小孔或齿 缝分散气泡而进入板上的液层。 优点：弹性大、操作稳定可靠。 缺点：结构复杂，成本高，压降大。对于大直径塔，塔板液面落差大，导致塔板操作不均匀。 现状：近二、三十年来已趋于淘汰 三、板式塔的工艺设计 筛板塔化工设计计算 （1）塔的有效高度 Z 已知：实际塔板数 N P ； 塔板间距 H T ； 有效塔高： 塔体高度=有效高+顶部+底部+其他 （2）塔径 确定原则： 防止过量液沫夹带液泛 步骤： 先确定液泛气速 uf (m/s)； 然后选设计气速 u ； 最后计算塔径 D 。 ① 液泛气速 C ：气体负荷因子，与 HT 、 液体表面张力和两相接触状况有关。 两相流动参数 FLV ： ② 选取设计气速 u 选取泛点率： u / u f 一般液体， 0.6 ~0.8 易起泡液体，0.5 ~ 0.6 设计气速 u = 泛点率 ×u f p T N H Z ?= V V L f C u ρρρ-=2.02020??? ??=σC C L V m V m L v l VV VL L V q q q q F s s ρρρρ==板式塔发展现状
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