板式塔和填料塔对比.docx
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板式塔和填料塔对比
Companynumber:
【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】
板式塔和填料塔对比
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
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。
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
舌型板
简单
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
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,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。
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
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。
水力学参数获得
采用AspenPlus对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
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8-8AspenPlus模拟的T0103工艺要求
Stage
Temperatureliquidfrom/℃
Temperaturevaporto/℃
Massflowliquidfrom/(kg/hr)
Massflowvaporto/(kg/hr)
37
Volumeflowliquidfrom/(m3/hr)
Volumeflowvaporto/(m3/hr)
Molecularwtliquidfrom
Molecularwtvaporto
Densityliquidfrom/(kg/m3)
Densityvaporto/(kg/m3)
Viscosityliquidfrom/cP
Viscosityvaporto/cP
Surfacetensionliquidfrom(mN/m)
Foamingindex
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
液相质量流量
气相质量流量
气相密度
液相密度
液相黏度
空隙率
填料因子
比表面积
重力加速度
对金属孔板波纹填料,常数A=,K=,得泛点气速:
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:
故空塔气速
。
2)气相动能因子
与气相负荷因子
在工业设计中推荐的~的范围之内。
3)塔径计算
塔横截面积
4)填料装填计算
等板高度取
;理论板数
,则填料层高度:
填料堆积设计高度:
填料装填体积:
填料装填质量:
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。
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:
湿填料压降:
工作状态下,填料层总压降:
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Mellapak250Y,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。
8)接管
原料进料质量流量:
,密度
,为气液混合进料,取流速
,管径为:
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)。
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,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
10
日期
10/18/20203:
57PM
6
塔段号
11
(续表)
12
说明
工艺设计条件
顶部
底部
气相条件
1
质量流量
kg/h
2
密度
kg/m3
3
体积流量
m3/h
4
粘度
cP
液相条件
5
质量流量
kg/h
6
密度
kg/m3
7
体积流量
m3/h
8
粘度
cP
9
表面张力
mN/m
工艺计算结果
1
液泛分率
%
2
气体动能因子
3
液体喷淋密度
m3/
4
单位填料层压降
mbar/m
5
空塔气速
m/s
6
泛点气速
m/s
7
气体负荷因子
m/s
8
流动参数
/
9
填料层总压降
mbar
塔的结构参数
1
填料类型
/
M250Y
6
塔径
m
2
材质
/
不锈钢
7
填料层高度
m
3
比表面积
m2/m3
250
8
持液量
%
4
空隙率
%
9
每米理论级数
m-1
5
倾斜角
°
45
10
经济F范围
(续表)
操作负荷性能图
顶部
底部
1
操作点横坐标
/
2
操作点纵坐标
m/s
3
备注
设计强度校核
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
公称压力
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
GB
计算条件
筒体简图
计算压力Pc
MPa
设计温度t
C
内径Di
mm
材料
Q345R(板材)
试验温度许用应力
MPa
设计温度许用应力t
MPa
试验温度下屈服点s
MPa
钢板负偏差C1
mm
腐蚀裕量C2
mm
焊接接头系数
厚度及重量计算
(续表)
计算厚度
=
=
mm
有效厚度
e=n-C1-C2=
mm
名义厚度
n=
mm
重量
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=
=(或由用户输入)
MPa
压力试验允许通过的应力水平T
Ts=
MPa
试验压力下
圆筒的应力
T=
=
MPa
校核条件
TT
校核结果
合格
压力及应力计算
最大允许工作压力
[Pw]=
=
MPa
设计温度下计算应力
t=
=
MPa
t
MPa
校核条件
t≥t
结论
合格
表8-11上封头校核报告表
上封头校核计算
计算单位
天津大学蓝图.TJU
计算所依据的标准
GB
计算条件
椭圆封头简图
计算压力Pc
MPa
设计温度t
C
内径Di
mm
曲面深度hi
mm
材料
Q345R(板材)
设计温度许用应力t
MPa
试验温度许用应力
MPa
钢板负偏差C1
mm
腐蚀裕量C2
mm
(续表)
焊接接头系数
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=
=(或由用户输入)
MPa
压力试验允许通过的应力t
Ts=
MPa
试验压力下封头的应力
T=
=
MPa
校核条件
TT
校核结果
合格
厚度及重量计算
形状系数
K=
=
计算厚度
h=
=
mm
有效厚度
eh=nh-C1-C2=
mm
最小厚度
min=
mm
名义厚度
nh=
mm
结论
满足最小厚度要求
重量
Kg
压力计算
最大允许工作压力
[Pw]=
=
MPa
结论
合格
表8-12下封头校核报告表
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
GB
计算条件
椭圆封头简图
计算压力Pc
MPa
设计温度t
C
内径Di
mm
曲面深度hi
mm
材料
Q345R(板材)
设计温度许用应力t
MPa
试验温度许用应力
MPa
(续表)
钢板负偏差C1
mm
腐蚀裕量C2
mm
焊接接头系数
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=
=(或由用户输入)
MPa
压力试验允许通过的应力t
Ts=
MPa
试验压力下封头的应力
T=
=
MPa
校核条件
TT
校核结果
合格
厚度及重量计算
形状系数
K=
=
计算厚度
h=
=
mm
有效厚度
eh=nh-C1-C2=
mm
最小厚度
min=
mm
名义厚度
nh=
mm
结论
满足最小厚度要求
重量
Kg
压力计算
最大允许工作压力
[Pw]=
=
MPa
结论
合格
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。
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
多孔型布液装置
溢流型布液装置
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
、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
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。
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。
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
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