浅谈塔内件在空分与化工塔器中的应用

车明明 2023-08-02

塔内件在空分和化工塔器中应用的差异总结——通过空分塔器和化工塔器的塔内件结构对比，并结合化工塔器的典型项目，介绍了包括项目配套的任务、项目的设计准备和相关理论计算，以及塔内件和填料的选型等情况。

本文刊登于PROCESS《流程工业》2023年第7期

《浅谈塔内件在空分与化工塔器中的应用》

文/车明明

本文作者供职于杭州杭氧填料有限公司

杭州杭氧填料有限公司（以下简称“杭氧填料”）在空分配套业务的同时，积极探索非空分市场，于2022 年 1 月中标中部某化工企业的石化塔内件项目。该项目为杭氧填料首套自主设计、制造和安装的外部化工塔内件项目。整个项目 7 台塔器，杭氧填料中标 4 台，其余 3 台由上海某公司配套。杭氧填料中标的 4 台塔器内件配套情况见表 1，填料段之间为内件段，内件段包括收集器、分布器和格栅等。不锈钢填料立方数总共约 110 m3，内件总重（含预焊件）9.2 余 t。

项目设计准备

塔设备是化工、石油化工和炼油生产中最重要的设备之一。填料塔作为一种成熟的塔器类型，广泛应用于各类化工过程中。塔内件又是填料塔的重要组成部分，它与填料及塔体共同构成一个完整的填料塔。在塔内，液体自上向下流动、气体由下向上，气液两相在填料表面进行传质和传热过程。塔内件的作用是为了两相间更好地接触，从而进行高效率的物质传递和能量传递，塔内件性能将直接影响填料性能的发挥。

本次装置的塔内件和填料，与大众熟知的空分精馏塔的内件最大不同在于产品的结构形式。空分塔由于其工艺特点，不需要定期更换和维护内部构件，塔内件和填料可以做成整体在制造厂内安装，如图 1、图 2 所示。

化工塔器大多在项目现场安装，所有的塔内件和填料的结构均为分块形式，单块尺寸须保证可从塔的 DN500 人孔进入，并在塔内拼圆组装。这就对制造的精度和安装便捷性提出了很高要求。设计人员根据项目的特点，查阅相关设计资料后，针对两段填料之间的内件段，进行了结构布局设计，结构如图 3 所示。

项目计算及理论

针对此次项目塔内空间小、工况变化范围大、塔效率要求高以及物料沸点相近等技术难点，技术人员使用 Aspen 进行工艺流程模拟，预测各组分流率、组成和性质，确定最优填料选型及内件方案。对填料支撑件，则采用有限元软件计算分析以确保其支撑强度。同时运用 Fluent 进行流体力学分析，根据塔内流体压力等势图、速度等势图、湍动能耗散率等数据，优化液体收集器气液通道，减少气体阻力的同时增强均布效果。

液体分布装置

1. 布液孔的计算

一般情况下，分布器最低液位以30 mm为宜，不得低于15 mm，最高液位由操作弹性、塔内允许高度和造价等来定，一般为200 ～ 250 mm。正常操作液位高度可控制在分布器有效液位高度的60% ～ 70%。此次石化项目中最小流量为正常流量的 50%，保证最低液位为 50 mm。根据下式计算布液孔的孔数和孔径。

式中 Q ：液体体积流量，m3/s ；

d ：布液孔直径，m ；

n ：布液孔数量；

Cd ：孔流系数，无因次，一般取 0.61~0.62 ；

g：重力加速度，取9.81 m/s2 ；

h ：液位高度，m。

2. 布液孔密度

布液孔密度是布液孔数量与塔截面积之比与填料类型及其尺寸有关，还与塔径大小、操作条件有一定的联系。由于受影响的因素较多，各种文献上推荐的淋降点密度相差甚大。

布液孔密度大致的规律是：环形填料大于鞍形；新型开孔填料大于拉西环之类的非开孔填料；同类型小尺寸的填料相比大尺寸需要更多的淋降点密度。散堆填料布液孔密度可控制在100点/m2以下，规整填料通常比表面积大，其值要大于散装填料，一般在 100 点 /m2 以上，比表面积越大，所需布液孔密度越大。

液体收集器

液体收集器采用了折流板式结构，主要作用是对上部液体进行收集，同时对下方的上升气进行分布。折流板通过一定的倾斜设置，使得液体完全收集在两头敞开的槽体内，再流入一个环状的收集盘。在收集盘中液体进行一个混合作用，消除浓度差，再从收集盘下部的预分布管，进入下部的液体分布器中。相对于收集液体，只需要折流板在投影下完全遮蔽塔截面，如何不影响上升气的分布均匀性是更值得关注的方面。设计人员对折流板的结构进行了数值模拟，考察其气体分布的均匀性如图 4 所示。

不均匀度的表达式如下：

式中：λ 表示收集器气体出口截面的不均匀度，其值越小，气体分布性能越好；u i 表示第i 个微元面积垂直方向上的速度，m/s ；u 表示整个截面垂直方向上的平均速度，m/s ；A i 表示微元面积。图4 为该项目收集器的一个气体流场的模拟，主要考察收集器顶部往上20 cm 左右高度的不均匀度，即气体进入上段填料层的分布情况。

填料支撑装置

填料支撑装置用以支承填料及其持液量的部件。它需满足以下要求。

1. 足够的机械强度以承受设计载荷量，支承板的设计载荷主要包括填料的自重和运行状态下持液的自重，以及检修或安装时的附加载荷。

2. 足够的自由面积以确保气、液两相顺利通过。总开孔面积应尽可能不小于填料层的自由截面积。开孔率过小可导致液泛提前发生。一般开孔率在 70% 以上。

填料支撑设计时需根据填料类型的不同进行设计，针对规整填料的结构主要为格栅板，针对散堆填料的结构主要为梁型喷射式支撑板。具体设计计算可参考SH/T3098—2011《石油化工塔器设计规范》和 HGT 21512—1995 《梁型气体喷射式填料支承板》中的相应内容。

塔内件选型

基于以上基础理论和计算，结合项目具体条件及要求，对塔内件和填料进行选型。

此次项目的塔内件包括液体分布装置、填料压紧装置、填料支撑装置、液体收集及液体进料装置等，需要进行选型的主要内件是液体分布器和填料。

液体分布器

液体分布器位于每段填料上部，将液相均匀地分布到下部填料表面上，形成液体的初始分布。在填料塔的操作中，液体的初始分布对填料性能的发挥影响最大，因此液体分布器是填料塔中最重要的塔内件。

基于不同工况而设计出的液体分布器种类很多，主要分压力型和重力型两大类，其中重力型液体分布器有底开孔槽式、侧开孔槽式以及盘式 3 种。侧开孔槽式液体分布器，其结构与底开孔分布器的结构相似，由多根平行直槽和连通槽组成，只是开孔方式进行了改进，如图 5所示，液体喷淋孔的位置由底部移至两侧。在运行过程中，杂质会沉积在槽底，不易堵住侧面的喷淋孔。由于每根槽由一排开孔增加为双排开孔，在保持与底开孔槽式液体分布器相同的喷淋点密度的前提下，侧开孔槽式液体分布器的槽数可以减少一半。

本次项目的分布器就是以侧开孔式槽式结构为基础研发的。基于本次项目需要现场安装，安装空间有限，安装人员只能通过已经直立安装好的塔体上的人孔进行安装。为满足塔内件对这种安装方式的要求，设计人员将液体分布器设计为可拆卸的分块式分布器，分块示意图如图 6 所示。这样在安装时可以分块运进塔内，在塔内通过紧固件等方式连接成完整的液体分布器。

为了进一步地节省空间，在本次项目中，将分布器和填料压圈合为一体，如图 7 所示，同时压圈也采用分块制造、在塔内安装合并的设计。

液体分布器和填料压圈一体式设计的方式，可以适当调高分布器槽体高度，进而满足更大的工况变化。挡液板布置在压圈上，简化了分布器的制造难度，避免了单组槽体又高又宽进而无法进入人孔的安装问题。

填料设计及选型

填料为气、液两相接触传质与换热提供了场所，与塔内件共同决定了填料塔的性能。填料分散装填料与规整填料。

规整填料又分为散块填料与整盘填料两种。规整填料在整个塔截面上的几何形状规则且均匀，也规定了气、液流路，改善了沟流和壁流现象，减少了压降。

空分精馏塔中常用的规整填料为金属孔板波纹规整填料，如图 8 所示。金属孔板波纹填料的每个单元（或称填料盘）是由若干带斜齿的波纹金属填料片组成（相邻的两填料片交错 90°成盘的圆柱体）。金属填料片上冲有小孔，可以加强气液两相的横向混合；金属填料片上细纹或麻点结构，起到毛细作用，增强了液膜的形成，提高了有效的传质面积。

表征孔板波纹填料的结构参数包括峰高（h）、波纹间距（2B）、波纹顶角（a）、比表面积、波纹对塔轴倾角和开孔率等。金属孔板波纹填料具有多种规格，一般规格的命名方式为数字加字母的形式，如 250Y、125X 等。其中数字部分表示单位立方填料所能提供的几何传质面积，m2/m3 ；字母则表示填料片波纹与塔轴的倾角，按波纹对塔轴角有 30°和 45°两种，分别用 X 和 Y 表示。

考虑此次项目的安装方式和塔工艺参数的特点，采用 500X 和700Y 等不锈钢丝网分块填料，为便于安装，将成盘的规整填料化整为块，如图 9 所示。