板式塔和填料塔对比

表8-2 精馏塔的主要类型及特点

类 型 结构特点

板 式 塔

每层板上装配有不同型式的

填 料 塔

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，如料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填料筛板、泡罩、浮阀等；塔内设等散装填料，格栅、波纹板、脉冲置有多层塔板，进行气液接触 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，大尺寸空塔气速较大，小尺寸空塔效率高且稳定；压降大，液气气速较小；低压时分离效率高，高比的适应范围大，持液量大，压时分离效率低，传统填料效率较操作弹性小

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

新型填料制备复杂，造价高，检修

难，安装程序较简单，检修清清理困难，可采用非金属材料制造，理容易，金属材料耗量大

适用场合

但安装过程较为困难

处理量大，操作弹性大，带有处理强腐蚀性，液气比大，真空操

污垢的物料

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 泡罩板

优点 较成熟、操作稳定

缺点

结构复杂、造价高、塔板阻力大、处理能力小

适用场合 特别容易堵塞的物系

浮阀板 筛板

效率高、操作范围宽 结构简单、造价低、

塔板效率高

浮阀易脱落 分离要求高、负荷变化大

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 泡罩板 浮阀板 筛板 舌型板

生产能力

塔板效率

操作弹性

5

压降 1

结构 复杂 一般 简单 简单

成本 1

1.1.1.3 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，即以

表示，其单位为1/m。它表示填料的流体力学性能，

3

，称为填料因子，

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 丝网波纹填料 孔板波纹填料 金属Intalox 金属鞍形环 金属阶梯环 金属鲍尔环 瓷Intalox 瓷鞍形环 瓷拉西环

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。

评估值

评价 很好 相当好 相当好 相当好 一般好 一般好 较好 略好 略好

排序 1 2 3 4 5 6 7 8 9

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

图8-2 填料塔

11—吊柱；2—排气口；3—回流液入口；4—1—吊柱；2—排气口；3—喷淋装置；精馏段塔盘；5—壳体；6—进料口；7—人4—壳体；5—液体再分配器；6—填孔； 8—提馏段塔盘；9—进气口；10—裙料；7—卸填料人孔； 8—支撑装置；

座； 11—排液口；12—裙座人孔 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

C101 C102 C103 C104 C201 C202

（续表）

C401

平流双段反应耦合

精馏塔

C501 C502

抽取液塔 抽余液塔

填料塔 填料塔 筛板塔

塔设备名称 裂解油预分塔 隔壁塔 抽提塔 溶剂回收塔 BT塔 二甲苯塔

设备类型 填料塔 填料塔 填料塔 填料塔 填料塔 筛板塔

备注 填料类型选择M250Y型规整填

料；

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 Mellapak 水力直径 15mm

填料规格 250Y 空隙率

填料表面 金属薄片 峰高

材质 不锈钢 金属板片厚

度

比表面积 250m2/m3 密度

波纹倾角 45° 每米填料理论板数

95%

填料因子

载点因子

200m3/kg 泛点因子

等板高度 持液量参数

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 Temperature liquid from/℃

37

Molecular wt liquid from

vapor to/℃

Mass flow liquid from /（kg/hr）

Molecular wt vapor to

Density liquid from /（kg/m3） Mass flow vapor to /（kg/hr）

Volume flow Volume flow liquid from vapor to //（m3/hr）

Density vapor to /（kg/m3）

（m3/hr）

Viscosity liquid from/cP

Viscosity Surface tension Foaming index vapor to/cP

liquid from（mN/m）

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

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。

8）接管

原料进料质量流量：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）。

，密度

，为气液混合进

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：

表8-9 T0103的Cuptower核算详单

基本信息 1 2 3 4 5 6 项目名称 客户名称 项目号 装置名称 塔的名称 塔段号 塔板名称 计算人 校核人 日期 7 8 9 10 11 4/27/2022 5:10 PM （续表） 12 说明 工艺设计条件 气相条件 1 2 3 4 5 6 7 8 9 质量流量 密度 体积流量 粘度 质量流量 密度 体积流量 粘度 表面张力 kg/h kg/m3 m3/h cP 液相条件 kg/h kg/m3 m3/h cP mN/m 工艺计算结果 % m3/ mbar/m m/s m/s m/s / mbar 塔的结构参数 / / m2/% ° M250Y 不锈钢 250 45 6 7 8 9 10 顶部 底部 1 2 3 4 5 6 7 8 9 液泛分率 气体动能因子 液体喷淋密度 单位填料层压降 空塔气速 泛点气速 气体负荷因子 流动参数 填料层总压降 1 2 3 4 5

填料类型 材质 比表面积 空隙率 倾斜角 塔径 填料层高度 持液量 每米理论级经济F范围 m m % m-1

（续表）

操作负荷性能图 操作点横坐标 操作点纵坐标 备注 顶部 底部 1 2 3 / m/s 1.1.3.4 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8-4 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

内压圆筒校核 计算所依据的标准 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 内径 Di 材料

计算单位 天津大学 蓝图.TJU GB 筒体简图 MPa C mm Q345R ( 板材 )

试验温度许用应力 设计温度许用应力 t MPa MPa MPa 试验温度下屈服点 s 厚度及重量计算 mm mm 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 （续表） 计算厚度 = 2[]tPc = ePcDimm 有效厚度 名义厚度 重量 = n - C1- C2= nmm mm Kg = 压力试验时应力校核 压力试验类型 试验压力值 压力试验允许通过的应力水平 T 液压试验 PT = [] = (或由用户输入) []tTMPa MPa s = T 试验压力下 圆筒的应力 校核条件 校核结果 MPa = pT.(Die) = 2e. T 合格 T 压力及应力计算

最大允许工作压力 设计温度下计算应力 t [Pw]= 2e[]t(Die)= MPa t = Pc(Die)2e= MPa tMPa ≥t校核条件 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 GB 椭圆封头简图 MPa Q345R (板材) MPa 应力 t计算所依据的标准 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 内径 Di 曲面深度 hi 材料 设计温度许用 MPa 应力 mm mm 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 (续表) 焊接接头系数 压力试验时应力校核 压力试验类型

C mm mm 试验温度许用 液压试验

试验压力值 压力试验允许通 PT = []= (或由用户输入) []tMPa T s = MPa 过的应力t T 试验压力下封头的应力 校核条件 校核结果 = pT.(KDi0.5e)= 2e.MPa T 合格 T厚度及重量计算 形状系数 2 K = 12Di = 62hi计算厚度 有效厚度 最小厚度 名义厚度 结论 重量 h = =KPcDi2[]t0.5Pcnh = mm mm mm mm eh - C1- C2= = minnh = 满足最小厚度要求 压 力 计 算 Kg 最大允许工作压力 结论 2[]te [Pw]= KDi0.5e= MPa 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 GB 椭圆封头简图 计算所依据的标准 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t C MPa

内径 Di 曲面深度 hi 材料 设计温度许用应力 tmm mm Q345R (板材) MPa MPa 试验温度许用应力 （续表） 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 压力试验时应力校核 压力试验类型 试验压力值 压力试验允许通过T mm mm 液压试验 PT = []= (或由用户输入) []tMPa s = MPa 的应力t T 试验压力下封头的应力 校核条件 校核结果 = pT.(KDi0.5e)= 2e.MPa T 合格 T 厚度及重量计算 形状系数 K = 1262Di = 2hi计算厚度 有效厚度 最小厚度

h = KPcDi2[]t0.5Pcnh = mm mm mm eh = - C1- C2= = min

名义厚度 结论 重量 nh = mm 满足最小厚度要求 压 力 计 算 Kg 最大允许工作压力 结论 2[]te[Pw]= KDi0.5e= MPa 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。

1.1.4.1 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

多孔型布液装置 借助孔口以上液层产生的静压或管路的泵送压力，迫使

溢流型布液装置

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

液体从小孔流出，注入塔内。 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。

缺点

分布器的小孔易被冲蚀或堵

塞。

操作弹性大，不易堵塞，操作可靠和便于

分块安装。

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

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

项目 填料塔 板式塔

压降 小尺寸填料，压降较大，大尺寸及规整填料，压降较小。 较大 空塔气速 小尺寸填料气速较小，大尺寸及规整填料气速较大。 较大 塔效率 传统填料，效率较低，新型乱堆及规整填料效率较较稳定、效率较高 高。 液-气比 持液量 安装、检修 材质 造价 金属及非金属材料均可 新型填料，投资较大 一般用金属材料 大直径时造价较低 综合考虑，本项目采用板式塔。 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、

塔盘类型 泡罩板 较成熟、操作稳定 结构复杂、造价高、塔板特别容易堵塞的物系 优点 缺点 适用场合 对液体量有一定要求。 较小 较难 适用范围较大 较大 较容易

阻力大、处理能力小 浮阀板 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 舌型板 结构简单、塔板阻力小 表 9-9 主要塔板性能的量化比较

塔板类型 塔板效率 处理能力 操作弹性 泡罩 筛板 浮阀板 舌型板 5 3 9 3 压降 1 结构 复杂 简单 一般 简单 成本 1 操作弹性窄、效率低 易堵塞、操作弹性较小 分离要求高、塔板数较多 分离要求较低的闪蒸塔 1.1.4 板式塔的计算

a.设计计算

1.

塔径计算

umaxC3

其中，L是液相密度，kg/m；V为气相密度，kg/m3；umax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HThL反映液滴沉降空间高度对负荷因子的影响。横坐标

LhL1/2()为量纲为VhVLVV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。

CC20L20

0.2

L为操作物系的液体表面张力，mN/m

图9-8 史密斯关联图

LhL1/280.98904.681/2()()0.12VhV24283.60.69

取板间距为，板上液层高度为，则

HThL0.60.080.52m

C200.11m/s

0.2

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

u(0.60.8)umaxCC20L200.257.890.11200.136m/s

umaxCLV904.680.690.1364.92m/sV0.69u0.64.922.952m/s

4Vs424283.61.7mu3.142.9523600

D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

AT空塔气速

4D23.14m2

u2. 溢流装置计算

V24283.62.15m/sA36003.14

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lw

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

hw表示。弓形溢流管的弦长成为堰长，以

lw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

lw0.6D0.621.2m

（2）溢流堰高度hw

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。

howhLhwhowlw(0.60.8)D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。

how2.84Lh2/32.8480.982/3E()()0.047m1000lw10001.2

hwhLhow0.080.0470.033m

图9-10液流收缩系数计算图

（3）降液管宽度Wd和截面积Af

lw/D0.6

查下图9-8可得

AfAT0.53WD0.11D

可得

Af0.053AT0.0533.140.166m2

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

WD0.11D0.1120.22m3600AfHTLh36000.1660.64.5s3s80.98

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h0

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：

h0Lh80.980.074m3600lwu0'36001.20.25

其中，

u0'是液体通过底隙时的流速，根据经验一般取

u0'(0.070.25)m/s

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：

h02530mmhwh00.080.0740.006m

对直径较大的塔：

h040mm。

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，WS6075mm D1.5m，WS80110mm

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。

Ws0.1m，

Wc0.06m

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

当采用正三角形排列时，筛孔数目可用下式计算

t/d034

n其中，为鼓泡区面积

1.155Aat2

对单溢流塔板，鼓泡区面积可用下式计算

Aa2(xrx22r2rsin1)180x

其中，

xD(WDWs)1(0.220.1)0.68m2

DrWc10.060.94m2

22Aa2(0.680.940.680.942180sin10.94)2.16m20.68

n1.155As1.1552.161108822t0.015

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。

0.907(b.流体力学验算

d020.0062)0.907()0.1t0.018

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

hphchlh

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

u0c是气体通过筛孔的速度，0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。

hc0.051(u02VA)()[1(0)2]c0LAa A02)]1 Aa通常筛孔的开孔率为 百分之五到十五，

[1(所以该式简化为

hc0.051(u02V)()c0L

气体通过筛孔的速度为

u0由于

4Vsd02n360024283.6421.52m/s

0.006211088d0/6/41.5

查图9-10得

c00.78

所以

hc0.051(21.5220.692)()0.03m0.78904.68

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

hlhL(howhw)

其中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。

uaVs24283.62.27m/sATAf3600(3.140.166)

F0uaV2.270.6921.89kg1/2/(sm1/2)

查图可得

0.56

hl(howhw)0.56(0.0330.047)0.0448m

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：

h4LLgd0

该值很小，可忽略不计、

phpLg0.0748904.689.81663.84Pa2. 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，0.30.5。对于不宜发泡物系，0.60.7。这里取.

Hd(HThw)hphchlh0.030.04480.0748m

(HThw)0.6(0.60.08)0.312

HdhphLhd

板上不设进口堰，则

HdhphLhd0.07480.080.00960.1644mHd(HThw)0.312hd0.153(u0')20.1530.2520.0096m

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

u0,min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F0810。

u0,minF0V1012.02m/s0.692 21.521.7912.02

u021.52Ku0u0,min

1.5K2，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eV0.1kg液体/kg气体。

eV5.7106ua5.71062.273.23.2()()0.025kg液体/kg气体3HThf57.88100.60.2L

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u0,min12.02m/s故

Vs.min4d02nu0,min40.00621108812.023.77m3/s

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

eV5.7106(ua)3.2HThf

VsVsVsuaATAf3.140.1662.974hf2.5hl2.5(howhw)L

hw0.033how

2.84Lh2/32.84Ls2/3E()()2.5103Ls2/31000lw10001.2hf0.0332.5103Ls2/3

eV5.7106LuaVs5.71063.2()()3.20.1332/3HThf57.88102.974(0.5672.510Ls)

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how0.006作为最小液体负荷标准。

how2.84Lh2/3E()0.0061000lw

取E=1，则

Ls,min(0.00610003/2)1.23.68m3/h2.84

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5s作为液体在降液管中停留时间的下限

Ls,minAfHT5AfHTLs5

0.1660.60.02m3/s5

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Hd(HThw)

HdhphLhdhphchlh

hLhowhw

hlhL

联立

HT(1)hw(1)howhchlh

整理得

a'Vs2b'c'Ls2d'Ls2/3

a'0.051V0.0510.692()()0.0002(A0c0)2L(40.0062110880.78)2904.68

b'HT(1)hw0.60.6(0.60.561)0.0330.3283

c'0.153/(lwh0)2d'2.84103E(1)(0.15319.42(1.20.074)

36002/336002/3)2.84103(10.56)()0.92lw1.2

带入原式可得

然后可作出液泛线。操作线位于五条曲线之间，且有一定的弹性空间，设计合理。

把设计结果列于下表：

表9-10塔T-201设计计算结果

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 项目 塔径D/m 板间距HT/m 溢流形式 降液管形式 堰长lw/m 堰高hw/m 板上液层高度hL/m 堰上液层高度how/m 降液管底隙高度h0/m 筛孔直径d0/m 筛孔数目 孔心距t/m 数值 2 单溢流 弓形 11088 序号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 项目 安定区宽度Ws/m 边缘区宽度Wc/m 鼓泡区面积Aa/m 开孔率 空塔气速u/(m/s) 筛孔气速u0/(m/s) 稳定系数K 每层塔板压降Pa 气相负荷上限 气相负荷下限 操作弹性 数值 0.0002Vs20.328319.4Ls20.92Ls2/3 d.塔的强度校核

塔高计算，理论板数23，取全塔效率60%，则实际所需的板数为

则塔的筒体高度为

该塔在常压下操作，温度100，则筒壁厚为

钢板负偏差取，腐蚀余量取1mm，选用0Cr18Ni9，则钢板厚度

考虑到安全性，圆整后取，

水压试验中 ，，

因为， 所以水压试验满足强度要求。

采用标准椭圆封头，塔的其他各种附件均采用标准件，见设计结果一览表。 用sw6-2011进行强度校核 e.浮阀设计

对 T-201塔用cuptower进行浮阀设计，得到塔板结构参数：

图9-15 塔板结构参数

塔板工艺参数：

图9-16塔板工艺参数

对筛孔进行校核：

图9-17筛孔校核参数

得到最终设计说明书：

表9-11设计说明书1

塔板编号(实际) 塔板层数 塔内径，m 板间距，mm 液流程数 Ａd/Ａt,% 开孔率,% 堰长，mm 堰高，mm 底隙/侧隙，mm 1-37 35 2. 600 2 1200/1993 90 84/84

降液管宽，mm 受液盘宽，mm 受液盘深，mm 堰型 塔板形式 塔板编号 溢流强度，m3/mh 停留时间，s 降液管液泛，% 阀孔动能因子，(m/s)(kg/m3) 单位塔板压降，Pa 降液管内线速度,m/s 降液管底隙速度,m/s

200/164 210/164 84 平堰 圆形浮阀 #—#

表9-12设计说明书2

基本信息 1 2 3 4 项目名称 装置名称 塔的名称 塔板编号(实际) #—# 7 8 9 10 5 塔板层数 1 11 6 塔板形式 圆形浮阀 12 工艺设计条件 液相 1 2 质量流量 密度 kg/h kg/m3 7 8 气相 质量流量 密度 kg/h kg/m3 3 4 体积流量 粘度 m3/h cp 9 10 5 表面张力 dyn/cm 11 6 体系因子 / 12 塔板结构参数 1 2 塔径 板间距 m m 6 7 孔数 开孔密度 # #/m2 充气因子 / 安全因子 / 体积流量 粘度 m3/h cp 校核人 日期 说明 计算选用的理论版 塔板编号(理论) 分段说明 #—# 2014/7/8 #

3 4 5 塔截面积 开孔区面积 开孔率 m2 m2 % 8 9 溢流程数 堰的形式 / / 2 平堰 溢流区尺寸 两侧 % % m m m m m m m m2 中心 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 降液管面积比 堰径比 降液管顶部宽度 弯折距离 降液管底部宽度 受液盘深度 受液盘宽度 堰高 降液管底隙 降液管顶部面积 降液管底部面积 m2 顶部堰长 m 底部堰长 m 进口堰高度 m 进口堰宽度 m

圆形浮阀参数 1 2 3 4 浮阀孔径 单阀重量 m kg 5 6 7 8 工艺计算结果 正常操作 110%操作 90%操作 1 2 空塔气速 空塔动能因子 m/s m/s(kg/m3)^ 3 4 5 空塔容量因子 孔速 孔动能因子 m/s m/s m/s(kg/m3)^ 6 7 漏点气速 漏点动能因子 m/s m/s(kg/m3)^ 8 相对泄露量 kg液/100kg液 - - - 9 10 11 1溢流强度 流动参数 m^3/ / 板上液层高度 m 堰上液层高度 m

2 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2降液管最小停留时s 稳定系数 / 降液管底隙阻力 m液柱 降液管底隙速度 m/s 降液管内线速度 m/s 降液管停留时间 s 降液管内液体高度 m 降液管液泛 % 雾沫夹带 kg液/kg气 总板压降 m液柱 干板压降 m液柱 板上液层阻力 m液柱 液面梯度 m - - -

5 间 负荷性能图参数 1 2 3 4 5 操作点横坐标 操作点纵坐标 操作上限百分比 操作下限百分比 5%漏液时漏点动能因子 m3/h 10^3m3/h -- -- m/s(kg/m3)^ m/s(kg/m3)^ % % 6 10%漏液时漏点动能因子 X 液相体积流量 m3/h Y 气相体积流量 10^3*m3/h 0-操作线 1-液相下限线 2-液相上限线 4-雾沫夹带线 3-漏液线 5-液泛线 表9-13 设计说明书3

塔板编号 气相工况 液相工况 结构参数 塔径 板间距 降液管面积 塔板开孔率 [mm] [mm] [%] [%] 2000. 600. #—# 100% 100% 110% 110% 90% 90% 负荷性能图

出口堰长 出口堰高 降液板底隙 溢流程数 [mm] [mm] [mm] 1200./1993. 90./0. 2 气液负荷 气相负荷 气相密度 液相负荷 液相密度 [m3/h] [kg/m3] [m3/h] [kg/m3] 塔板水力学计算结果 液流强度 空塔气速 阀孔动能因子 塔板压降 雾沫夹带 漏液率 操作/下限孔速 降液管停留时间 降液管清液高度 降液管液泛率 降液管底隙流速 [s] [mm] [%] [m/s]

表9-14 塔的最终设计结果一览表：

项目 设计温度℃ 设计压力 MPa

[m3/m*h] [m/s] [m/s(kg/m3)^] [pa] [%] [%] 110

塔体 封头 接管 内径mm 板间距mm 壁厚mm 材料 人孔 塔顶空间mm 人孔板间距mm 进料板高度mm 塔底空间mm 有效高度mm 法兰 类型 壁厚 mm 材料 直边高度mm 进料管 塔顶蒸汽管 回流管 取换热器出料管 数目 直径mm 2000 600 6 0Cr18Ni9 4 480 1500 600 1000 3000 24100 法兰 JB/T4701-2000 进料板 类型 管径mm 法兰 管径mm 法兰 管径mm 法兰 管径mm 法兰 标准椭圆封头 6 0Cr18Ni9 25 13 直管 φ133× RF φ600×6 RF φ51× RF φ83× RF

除沫器

塔釜蒸汽进入管 塔釜液出料管 管径mm 法兰 管径mm 法兰 φ219×8 RF φ127× RF 丝网除沫器