精馏塔工艺设计若干问题探讨-(板式塔&填料塔)

直径 ≤ 700mm 的塔，优先考虑选用填料塔。若采用板式塔，
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塔型选择原则

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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。
板式塔设计中的几个关键问题
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 石油化工塔盘设计规范 SH 3098-2000 石油化工塔器设计规范

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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。
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塔型选择原则

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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，因此在现有装臵的扩产改造中应用较广泛。
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板式塔设计中的几个关键问题
关于塔板效率(续)
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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
填料塔与板式塔的选择，还应根据生产工求、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：
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。
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板式塔设计中的几个关键问题
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液泛率上限
塔板液泛率上限经验值 FRI UOP Glitsch FF＜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% Norton 新设计塔，FF＜80%； 改造塔，FF＜85% Nutter 新设计塔，FF＜80%； 改造塔，FF＜90% SimSci PRO/II模拟软件中的FF缺省值： 塔径Ｄ(mm) D≤600 600～1200 1200～3000 ＞3000 液泛率(%) ＜70 ＜75 ＜78 ＜80
板式塔设计中的几个关键问题
关于塔板效率

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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
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板式塔设计中的几个关键问题
塔板效率经验值示例
原油常压分馏塔
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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 15～20
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板式塔设计中的几个关键问题
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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
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与设备专业及塔内件供货商的协作关系
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
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板式塔设计中的几个关键问题
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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 ≤70 真空下操作 ≤77 其它条件下 ≤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。

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2 塔型选择原则
将填料塔的操作工况大致分为三类：
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Kunesh 等提出气液流动参数 Ψ=(L/V)*(ρv/ρL)0.5 ，并
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。
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主要内容
1 2 3 4 5 6 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
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1 塔器工艺设计的主要工作及协作关系
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 板式塔的进料板位臵及数量
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。
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塔器工艺设计的主要工作
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
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塔型选择原则

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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。
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有主梁塔盘 结构示意图
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降液管型式
弓形、扇形、圆形 多降液管（矩形悬挂式）
弓形降液管
直降液管 斜降液管 阶梯降液管
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降液板与 受液盘
受液盘型式 --平型 --凹型
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板式塔设计中的几个关键问题 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
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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 。