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 波距（大波纹）： B 2= 7.20mm板厚：δ= 0.15mm齿顶角（大波纹）： α= 66.20倾角（大波纹）： θ= 450未注圆角（大波纹）： R = 0.75mm 小波纹波高： 1h = 0.43mm 小波纹波距： 1B = 1.50mm 小波纹波距： 11B = 0.50mm 小波纹波距： 12B = 1.00mm 小波纹圆角： 1R = 0.20mm孔径： o φ= 3.92mm 开孔率：b = 10.83%开孔倾角：1φ= 9.50±0.50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m 2/m 3，KBB-J-4.3Yh 1R 1B 1B 122BδhαSB 119.511.739.554.5Φ3.929.5°45°AABBA-A(小波纹结构尺寸）原材料上的开孔形式及尺寸原材料长度方向成形填料（小孔与小波纹未表示出）原材料长度方向原材料长度方向原材料上的小波纹形式及方向B-B（大波纹结构尺寸，其小波纹未表示）9.5填料的比表面积按下式计算。

()1212212112122B B h B h b 1B h B h 2a +++⋅-⋅⋅+⋅=堆积密度γ 指每立方米填料层的填料重量，单位为kg/m 3，当已知填料的空隙率ε和材质密度1γ时，也可用下式计算堆积密度：()11γ⋅ε-=γ空隙率ε 指每立方米填料层中所具有的空隙率，单位为m 3/m 3，用测得的堆积密度γ及查出的材质密度1γ，可用下式计算空隙率：11γγ-=ε也可用比表面积a 和波纹片厚度δ，由下式计算空隙率：2a 1δ⋅-=ε 开孔率b 取一波纹片，用卡尺量取峰高h 、波距B 2以及波纹片宽度，并读出波纹数b n ，用下式计算该波纹片上一个面的表面积：22b B h E n 2m +⋅⋅⋅=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H d 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：a 4d H ε⋅= δ⋅-=2a4d H干填料因子Φ 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ε按下式算出，即：3a ε=Φ 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：GsT u V 4D ⋅π⋅=或GG T u 3600G4D ⋅ρ⋅π⋅⋅=式中：V S气体流量，m 3/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u G 值。

确定u G 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]：125.0L G25.02.0L L G 32Gf G L 75.1A a g u log ⎪⎪⎭⎫⎝⎛ρρ⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡μ⋅ρρ⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛ε⋅式中：u Gf 泛点气速，m/s g重力加速度，9.81m/s 2a/ε3干填料因子，1/m ρG 气相密度，kg/m 3ρL 液相密度，kg/m 3 μL 液相黏度，cP A 与填料相关的常数对750Y （或700Y ），A=0.35L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u G 值：()Gf G u 80.0~70.0u ⋅=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：()()*x x A K y z KA dndx L dn dy V-'=-== 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对上式积分后可以得到某段(或整段)填料的高度：⎰⎰====-'=-=2121x x x x *y y y y x x dxA K L y z dy KA V H 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：m N HETP H ⋅=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：L G m1G m L lgL G a u 28HETP 038.0L G 19.0G L 342.02.12.0G GG -⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛μμ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ρρ⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅ε⎪⎪⎭⎫⎝⎛μ⋅ρ=- 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：mN i 21N m m m m m m++++=m I 各段的倾角正切值SULZER 公司的SPIEGEL 提出如下的等板高度计算公式[6]：e G G GH a D S h u d HETP =GG G H G G D Sk D d k S h ≈=()⎪⎪⎭⎫⎝⎛ρμ⎥⎦⎤⎢⎣⎡μ⋅ρ⋅+=G G G8.0G G Le Ge G G D S U U 054.0D Ska u u 0.580.5a Gf G e ⋅⎪⎪⎭⎫⎝⎛+= ()θε=sin h -1u U t GGe θ⋅⋅ε=sin h u U t LLe式中： ε填料空隙率 θ填料几何角度 H d 填料当量直径，m L u液体空塔流速，m/s h t 填料持液量，%D G气体扩散系数，m 2/s5.持液量BRAVO 提出的总持液量计算公式[6]为：31e L L L Ht t sin g u 3d F 4h ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛θ⋅ε⋅ρ⋅μ⋅⋅=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ρρ-ρ⋅⋅=L GL e g 5.0g 式中： F t 有效湿润表面的修正系数，取0.94g重力加速度，m/s26.压降6.1 填料压降规整填料的压降可按BRAVO 公式计算[7]：55.0R 3c H 2Ge G eG F C 11g d U R 7.92171.0P ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡ρ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=∆ ()θε=sin h -1u U t GGeθ⋅⋅ε=sin h u U t LLecH 2LeR g d U F =GGGe H eG U d R μρ=式中： P ∆ 填料压降，m/Pac g 重力加速度，m/s2G μ 气体黏度，mPa.s3C与填料种类相关的常数**6.2 250Y 填料压降干填料压降：()72.1GG u 802P ρ=∆湿填料压降：()LL3LL3108.372.1GG1046.4u10848P ⋅-⋅-⨯+⨯ρ⨯=∆式中：LL液体喷淋密度，m 3/m 2.h本公式的计算值与实测值相比，平均偏差为5.5%，最大偏差为10%。

6.3 500Y 与750Y 填料压降500Y 与750Y 填料压降根据F 因子按图3计算。

7.塔内件设计7.1填料支撑填料支撑的基本要求有：①符合承重要求，支撑板上的负荷包括填料重量、填料空隙中充满液体的重量及可能加到装置上冲击压力的总和。

②支撑装置的自由流动净截面面积应是塔截面面积的65%，或更大，以防止由于流体流动受阻，压力降增加而导致液泛。

③支撑装置上的填料层高度应按规定设计，以免产生机械的、振动的和热的冲击负荷，影响塔的操作。

图5 填料支撑结构规整填料常用的填料支撑如图5，其尺寸和负荷见表4。

7.2液体分配器[8]塔内液体的均布是填料塔良好操作之关键所在，它直接影响塔内气液两相的接触表面积及填料塔的操作效率。

在空分装置的精馏中，一般采用液体自流式（即重力型）。

填料上的液体分布器的选择，与塔直径的大小、填料形式及分布器的材质有关。

分布器一般分为两类：①液体自流式；②液体受压进料式。

表5是几种液体分配器的主要特征及其适用范围。

表4 104型填料支撑参数塔径IDmm 支撑环宽度mm负荷，kPa 高度Hmm碳钢不锈钢铝LF4150～300 夹子56.0 67.0 33.5 25301～450 19 37.3 44.5 22.2 25451～600 25 27.7 33.0 16.5 25601～750 32 27.7 33.0 16.5 32751～1500 38 26.3 31.6 15.8 511501～2250 50 16.2 19.1 9.0 652251～3000 63 26.3 31.6 15.8 653001～3500 63 24.4 29.2 14.6 653501～4500 76 15.8 19.1 9.0 65注：塔径大于等于2700mm的填料支撑需要增加中间支撑梁。