板式塔和填料塔对比.docx
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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
塔内设置有多层整砌或乱堆的填
气液接触元件或特殊结构，
料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填
如筛板、泡罩、浮阀等；塔
料等散装填料，格栅、波纹板、
内设置有多层塔板，进行气
脉冲等规整填料；填料为气液接
液接触
触的基本元件
操作特点
气液逆流逐级接触
微分式接触，可米用逆流操作，也可米用并流操作
设备性能
空塔速度（亦即生产能力）
大尺寸空塔气速较大，小尺寸空
咼，效率咼且稳定；压降大，
塔气速较小；低压时分离效率咼，
液气比的适应范围大，持液
高压时分离效率低，传统填料效
量大，操作弹性小
率较低，新型乱堆及规整填料效率较咼；
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
新型填料制备复杂，造价咼，检
困难，安装程序较简单，检
修清理困难，可米用非金属材料
修清理容易，金属材料耗量大
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
处理强腐蚀性，液气比大，真空
有污垢的物料
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
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
分离要求咼、负何变化大
筛板
结构简单、造价低、
塔板效率咼
易堵塞、操作弹性较小
分离要求咼、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
1.0
1.0
5
1
复杂
1
浮阀板
1.2-1.3
1.1~1.2
9
0.6
一般
0.7-0.9
筛板
1.2-1.4
1.1
3
0.5
简单
0.4-0.5
1.1.1.4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，以丘表示，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，贝M专质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，贝U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
0.61
相当好
2
金属Intalox
0.59
相当好
3
金属鞍形环
0.57
相当好
4
金属阶梯环
0.53
一般好
5
金属鲍尔环
0.51
一般好
6
瓷Intalox
0.41
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页眉内容
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。
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
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、物料页眉内容
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
C102
隔壁塔
填料塔
M250Y型规整填
C103
抽提塔
填料塔
料；
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
筛板塔
精馏塔
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T01034行设计：
抽提塔T0103是萃取精馏塔，操作压力2bar,塔顶温度939C，塔底温度179OC，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寸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
Mellapak
250Y
金属薄片
不锈钢
250m2/m3
45°
水力直径
空隙率
峰高
金属板片厚
密度
每米填料
度
理论板数
15mm
95%
12.5mm
0.2mm
200m3/kg
2.5
填料因子
等板高度
持液量参数
载点因子
泛点因子
3.2808m-1
0.4
43.97
3.157
2.464
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
StageTemperatureTemperatureMassflowliquidMassflowvapor
liquid
vaporto/Cfrom/（kg/hr）
to/（kg/hr）
from/C
37
118.72387
119.6598
521927.4
310904.7
Volumeflow
Volumeflow
Molecularwt
Molecularwt
Densityliquid
liquidfrom/
vaporto/
liquidfrom
vaporto
from/（kg/m3）
（m3/hr）
（m3/hr）
603.5343
57560.3
88.19679
78.09038
864.785
Density
Viscosity
Viscosity
Surfacetension
Foamingindex
vaporto/
liquid
vaporto/cP
liquidfrom
（kg/m3）
from/cP
（mN/m）
5.401373
0.369677
0.00991
21.70657
-0.10785
1.132工艺尺寸概算
1）泛点气速与空塔气速
采用Bain-Houger关联式，可以计算填料的泛点气速
液相质量流量：
山一气相质量流量—
气相密度「：
液相密度「"叽―
液相黏度’'''：
空隙率
E=0.95
填料因子I!
"''
比表面积‘
对金属孔板波纹填料，常数A=0.291,K=1.75，得泛点气速:
Up—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
—=0.8
故空塔气速:
:
3"川八
2）气相动能因子「与气相负荷因子：
F=u押=19*
在工业设计中推荐的1.8~2.1的范围之内
3）塔径计算
D==4.89mSO00mm（匮整）
塔横截面积
nD2
S=-；-=19.635inz
4
4）填料装填计算
等板高度取ll：
T-'"■■||"1；理论板数；，：
，则填料层高度：
Z=HETP-（Nt-2）=152m
填料堆积设计高度：
i=157=22.8111
填料装填体积：
V=ZS=447.6m3
填料装填质量：
M=pZS=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
32
m/（mh）。
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。
Ql
U=_=3074m3/（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/（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
6）塔板压降
查询《现代塔器技术》，可得干填料压降:
AP/Z=802⑴詡^）172=2586Pa/m
湿填料压降:
△P/Z
=948X10生46X106
=3057Pa/m
工作状态下，填料层总压降：
△P=3057x22.8Pa=69.7kPa
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%R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
8）接管
原料进料质量流量：
i「-八卩「；I仆，密度:
■■-'，为气液混合
进料，取流速；，'：
1：
'"，管径为：
d=18.8105=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8-3T0103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8-9T0103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
Il01
日期
1/4/20204:
01PM
6
塔段号
11
（续表）
1
说明
2工艺设计条件
顶部
底部
气相条件
1
质量流量
kg/h
313782.1000
310904.7000
2
密度
kg/m
5.2804
5.4014
3
体积流量
m3/h
59423.8400
57560.3000
4
粘度
cP
0.0085
0.0099
液相条件
5
质量流量
kg/h
449514.4000
521927.4000
6
密度
kg/m3
792.6422
864.7850
7
体积流量
m3/h
567.1089
603.5342
8
粘度
cP
0.4940
0.3697
9
表面张力
mN/m
21.7530
21.7066
工艺计算结果
1
液泛分率
%
72.8
70.4
2
气体动能因子
Pa0.5
1.93
1.89
3
液体喷淋密度
m3/m2.h
28.90
30.75
4
单位填料层压降
mbar/m
1.74
1.66
5
空塔气速
m/s
0.8411
0.8147
6
泛点气速
m/s
1.1554
1.1565
7
气体负荷因子
m/s
0.0689
0.0646
8
流动参数
/
0.1169
0.1327
9
填料层总压降
mbar
39.01
塔的结构参数
1
填料类型
/
M250Y
6
塔径
m
5.00
2
材质
/
不锈钢
7
填料层咼度
m
22.89
3
比表面积
""2^m
250
8:
持液量
%
r5.0:
4
空隙率
/m
98.8
9
每米理论级
-1m
2.50
5
倾斜角
0
45
10
经济数范围
r»0.5
Pa
0.3-2.5
（续表）
操作负荷性能图
顶部
底部
1
操作点横坐标
/
0.1169
0.1327
2
操作点纵坐标
m/s
0.0689
0.0646
3
备注
1.134设计强度校核
T103操作压力2bar，属于低压容器（0.1~1,6MPa），塔顶温度939C，塔底温度179.0C，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8-4T0103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
计算所依据的标准
GB150.3-2011
计算条件
筒体简图
计算压力Pc
0.20
MPa
设计温度t
180.00
°C
内径Di
5000.00
mm
n
IDi■fin
Qj
材料
Q345R（板材）
试验温度许用应力
Id
185.00
MPa
设计温度许用应力
175.20
MPa
试验温度下屈服点
325.00
MPa
钢板负偏差Ci
0.30
mm
腐蚀裕量C2
2.00
mm
焊接接头系数♦
0.80
厚度及重量计算
（续表）
计算厚度
PcDi
丢=2［时©-巳=3.57
mm
有效厚度
=®n-C〔-C2=15.70
mm
名义厚度
岳=18.00
mm
重量
57468.53
Kg
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=1.25Pg=0.5183（或由用户输入）
MPa
压力试验允许通过的应力水平
[ct]t
[ct]t兰0.90cts=292.50
MPa
试验压力下圆筒的应力
e=卩「2+&）=10349
MPa
校核条件
6兰[a]T
校核结果
合格
压力及应力计算
最大允许工作压力
2&[CT]环
[Pw]=（D城）=0.87745
MPa
设计温度下计算应力
tPc（Di^5e）
a=2&=31.95
MPa
曲
140.16
「MPa
校核条件
结论
合格
表8-11上封头校核报告表
计算单位
计算所依据的标准
计算条件
焊接接头系数
*
0.85
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
[Bt兰0.90as=292.50
MPa
过的应力[Vt
试验压力下封头的应力
CTT=PT.（KDi+0.5&）=133.00
2&.中
MPa
校核条件
校核结果
—合格
厚度及重量计算
形状系数
K=1LJDi1=1.3750
6fl2hi丿」
计算厚度
KPcDi
卧=2Hj]^-0.5Pc=6.93
mm
有效厚度
5eh=5nh-C1-C2=15.70
mm
最小厚度
6min=15.00
mm
名义厚度
Shh=18.00
mm
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
2[[Pw]=KDip.56e=0.67938
MPa
结论
合格
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
GB150.3-2011
计算条件
椭圆封头简图
表8-12下封头校核报告表
（续表）
钢板负偏差C1
0.30
mm
腐蚀裕量C2
2.00
mm
焊接接头系数*
0.85
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罟二0.5183（或由用户输入）
MPa
压力试验允许通过
的应力kr]t
HIt兰0.90as=292.50
MPa
试验压力下封头的应力
ST=pT.（KDi乜.5在）=107042紗
MPa
校核条件
▽Tv[o]t
校核结果
合格
厚度及重量计算
形状系数
K=1」‘Di甲二1.1008
—2十*
6-严丿一
计算厚度
KPcDi
浙=2心％』年=4.01
mm
有效厚度
6eh=6nh-C1-C2=15.70
mm
最小厚度
6min=15.00
mm
名义厚度
6nh=18.00
mm
结论
满足最小厚度要求
重量
3717.66
Kg
压力计算
最大允许工作压力
2[“帕e
[Pw]=KDi+0.56e=0.84835
MPa
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。
1.141液体分布装置
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