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规整填料精馏塔

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

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。
[1] HKB-8-14-1999 孔板波纹填料技术条件
图2为我厂生产的KBB-J-——波纹片的结构图,其参数如下:
峰高(大波纹): = 波距(大波纹): =
板厚: = 齿顶角(大波纹): =
倾角(大波纹): = 450 未注圆角(大波纹): =
小波纹波高: = 小波纹波距: =
小波纹波距: = 小波纹波距: =
小波纹圆角: = 孔径: =
开孔率: = % 开孔倾角: = ±
图2 孔板波纹片结构图

比表面积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-
按下式计算。
堆积密度指每立方米填料层的填料重量,单位为kg/m3,当已知填料的空隙率和材质密度时,也可用下式计算堆积密度:
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,可用下式计算空隙率:
也可用比表面积和波纹片厚度,由下式计算空隙率:
开孔率取一波纹片,用卡尺量取峰高、波距以及波纹片宽度,并读出波纹数,用下式计算该波纹片上一个面的表面积:
然后计算该波纹片上孔的总面积,用此孔面积除以即为开孔率。
当量直径用已测得的峰高、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:
干填料因子可直接由上述测定并计算得的填料比表面积和床层空隙率按下式算出,即:

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:
或
式中:
VS 气体流量,m3/s。
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] 王树楹,《现代填料塔技术指南》,中国石化出版社,1998
:
式中:uGf 泛点气速,m/s
g 重力加速度,
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=
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:

[5] 曾繁均,“填料式精馏塔的计算”,《深冷技术》
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:
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