规整填料精馏塔 - 图文

四川空分设备(集团)有限责任公司

Sichuan Air Separation Plant (Group) Co., Ltd.

化工过程设备设计计算

规整填料精馏塔

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分离设备，约有100多年的发展史。近年来，随着分离技术的发展，填料结构不断改进，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，从而给填料塔的发展带来了新的生机。由于采用了效率高、放大效应小的填料，同时改进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发展，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与传统空分装置相比，具有以下优点： ①压降低、能耗低、传质效果好； ②装置操作弹性高； ③容易提取高纯度氩； ④装置启动积液容易；

⑤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

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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装而成。 2.1波纹片结构[1]

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）： h= 4.30mm 板厚：

?波距（大波纹）： 齿顶角（大波纹）：

2B?= 7.20mm

= 0.15mm = 66.20

倾角（大波纹）： ?= 450 小波纹波高： 小波纹波距： 小波纹圆角： 开孔率：

h1= 0.43mm B11未注圆角（大波纹）： R= 0.75mm 小波纹波距： 小波纹波距： 孔径： 开孔倾角：

B1= 1.50mm B12?o?1= 0.50mm = 1.00mm

R1= 0.20mm b= 3.92mm = 9.5±0.5

0

0

= 10.83%

原材料上的开孔形式及尺寸11.73成形填料（小孔与小波纹未表示出）原材料长度方向3.92B原材料长度方向9.55°9.59.54.5B9.5A-A(小波纹结构尺寸）R1h1原材料上的小波纹形式及方向原材料长度方向B11B12B1B-B（大波纹结构尺寸，其小波纹未表示）A?SAh?2B图2 孔板波纹片结构图

2.2几何特性参数计算

比表面积a 指每立方米填料层所具有的填料的总几何表面积，单位为m2/m3，KBB-J-4.3Y

45°ΦD:\\iknow\\docshare\\data\\cur_work\\3080794.doc

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填料的比表面积按下式计算。

a?2?h?Bh?B22??1?b??h1?B11?B122h1?B1222

堆积密度? 指每立方米填料层的填料重量，单位为kg/m，当已知填料的空隙率?和材质密度

?1时，也可用下式计算堆积密度：

???1?????1

3

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?1，可用下式计算空隙率：

??1???1

也可用比表面积a和波纹片厚度?，由下式计算空隙率：

??1?a??2

开孔率b 取一波纹片，用卡尺量取峰高h、波距2B以及波纹片宽度，并读出波纹数nb，用下式计算该波纹片上一个面的表面积：

m?2?nb?E?h?B22

然后计算该波纹片上孔的总面积，用此孔面积除以m即为开孔率b。

当量直径dH 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，则得该波纹填料的当量半径值。

也可用上面测得的比表面积、空隙率和波纹片厚，用下式计算当量半径值：

dH?dH?4??a4a

?2??干填料因子? 可直接由上述测定并计算得的填料比表面积a和床层空隙率?按下式算出，即：

??a?3

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：

DT?4?Vs??uG

或

DT?4?G3600????G?uG

式中：

VS

气体流量，m/s。

3

3

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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]：

log??u20.25Gf???a??G??0.2??L?????0.125G?L?g??3??????A?1.75???L???G?????L?

?式中：uGf 泛点气速，m/s g

重力加速度，9.81m/s2

a/ε3 干填料因子，1/m ρG 气相密度，kg/m3 ρL 液相密度，kg/m3 μL 液相黏度，cP A 与填料相关的常数

对750Y（或700Y），A=0.35

L

液体质量流量，kg/h

计算出泛点速度后，则由下式确定空塔气速uG值：

uG??0.70~0.80??uGf

4.填料层高度

4.1传质单元法[5]

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：

Vdydn?Ldxdn?KA?z?y??K?A?x?x*?

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

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K,K’ 传质系数。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 单位高度上填料的表面积

y?y2x?x2对上式积分后可以得到某段(或整段)填料的高度：

H?VKA?dyz?y?LK?Ay?y1?dxx?x*

x?x1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：

H?HETP?Nm

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、喷淋密度和被分离物的物理特性有关。

在许多实验资料的基础上提出了下列计算公式：

??G?uGHETP?28???G?????0.2a?1.2?G??????L?0.342??L????G????0.19??G????L????0.038m?GG1?mLlgL

式中：

m

在y-x坐标上平衡曲线的倾角正切平均值。用下式计算m足够精确：

m?m1?m2??mi???mNNmm

mI 各段的倾角正切值

dHuGShGDGaeSULZER公司的SPIEGEL提出如下的等板高度计算公式[6]：

HETP?

0.8ShG?kGdHDG?kGSDGkGSDG??UGe?ULe???G?S??0.054???G????G??D??GG????

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