中文译文
填料精馏塔中不良分布对分离的影响
洛基特，比林汉姆
（美国纽约市托纳旺达普莱克斯公司）
摘要：在精馏塔的填料床中，“最大分配不均系数”fmax是指在平行塔模型中获得所需要的分离效果的前提下所允许的最大分配不均匀值。据先前的研究显示“最大分配不均系数”可以很容易的通过常规塔的模拟输出计算出来，同时它也是衡量填料床分布不均匀灵敏度的一种方法。本文中，在空气分离和乙苯-苯乙烯精馏的实例中应用了fmax。空气分离装置采集的数据分析显示fmax值的大小决定了系统不能达到设计所需要的分离效果的程度。当
fmax?0.05时，很难达到设计所需的分离效果。一项案例研究表明当床层增加时fmax会从
一个很低的值得到增加，这样就可以实现设计所需的分离效果。从fmax在乙苯-苯乙烯精馏中的应用可以得出结论，在精馏段应该使用两张填料床、在提馏段应该使用四个填料床。通过改变提馏段床层上的塔板的数量来均衡分布不均的敏感度，因此在的设计中只使用三张填料床就可以达到预期的分离效果。 关键词：精馏；填料；不均匀分布
引言
在填料精馏塔中液体或气体的不均匀分布会导致分离效果的降低。近年来，许多科研人员都在努力地去预测分配不均发生的程度以及估计它对分离产生的影响。在最近的一篇论文中，作者（比林汉姆和洛基特）引入了“最大分配不均系数”的概念，用此来描述填料层对分配不均的敏感度。为了理解“最大分配不均系数”的意义，在图6.1中，用一个并行塔组来表示一个填料塔中液体分配的不均匀，图 6.1 中的左塔表示液体流速为
(1?f)L，而右塔的液体流速为(1?f)L，这样填料塔中液体的流速 L就由左右两个塔的液
体流速来表示。 由于两个塔的操作线斜率不同，因此两个塔系统的总体分离效果比液相分配均匀时要小。经典计算结果显示
图6.1 并行塔模型
有效塔板数随分配不均系数f增加而降低。在图6.2中标记的是极限情况下“最大分配不均系数”的值，它表示精馏系统能够获得所需的分离效果所允许的最大分配不均值。对于一个任意给定的分配不均系数f(0.04)的值，一个特定的填料层是否对分配不均敏感仅仅取决于该填料层或fmax 的值。例如在图6.2中，f?0时每个平行塔模型对应的填料层相当于10块理论塔板。这个填料层对应的fmax?0.1，当f?0.04时，填料层实际供给的有效塔板约为9.5块，因此，分配不均的影响可以忽略。当N?40时，这个填料层对应的
fmax?0.038，当f?0.04时，填料层仅提供约24块有效塔板。因此，在设计填料塔时，对
于需要衡量整个填料层对分布不均的敏感性的分离过程时，设计者只需确定出所需分离的
fmax即可
x0?y0y0??(1?y0)
图 6.2并行塔模型
?=1.538,y0?0.5, yn=0.95 xN?1?0.95的结果
在比林汉姆和洛基特2002年的研究中显示fmax的值是随塔板的数量、相对挥发度、终端浓度和摩尔气化率而改变的。对二元体系，导出了下面能简单计算fmax的等式，式中的符号与图6.1中的符号相互对应。
fmax?yN?1?yNx1?x0yN?1?yNx1?x0??()()yN?y0xN?1?x0yN?y0xN?1?x0 (1)
式（1）中：
fmax————最大分配不均系数；
yN?1————第(N?1)块理论塔板的易挥发组分的气相组成； yN ————第N块理论塔板的易挥发组分的气相组成； y0 ————进塔蒸汽易挥发组分的气相组成；
xN?1————第(N?1)块理论塔板的易挥发组分的液体相组成；
xN ————第N块理论塔板的易挥发组分的液相组成； x0 ————与y0对应的液相组成；
yN?1??xN?11?xN?1(??1) （2）
式（2）中：
? ————相对挥发度，其余符号意思与（1）式相同；
需要说明的是不需通过建立双塔模型来确定fmax的值，式（1）中涉及的各量通过常规塔的仿真模拟输出就可以得到。
我们将fmax应用到两个重要的工业分离生产的实例中，即通过填料精馏塔实现空气分离和乙苯—苯乙烯的分离。
空气分离
典型的空分装置三塔系统如6.3所示。向下面的高压塔1的塔釜通入饱和空气，利用下面的高压塔顶处氮气的冷凝释放的热作为低压塔2的再沸器来产生氧蒸汽。在低压塔6.2的塔顶和塔釜可以分别得到氮和氧的制成产品，低压塔2上部区域馏出的馏分是摩尔分数5-15%的氩，馏份作为原料进入低压塔3中，在此分离出塔顶馏份作为氩制成产品。低压氩塔顶部的
图 6.3空气分离使用的三塔系统
冷凝器的热量是用来加热高压塔1塔釜的一股物料。
上述的三座精馏塔内构件通常由塔盘，填料（一般使用规整填料）组成，有些塔内将塔盘和填料结合使用。在图6.3中可以看出塔器涉及了多个不同的截面，由于塔器存在多种进料和出料，在上方的中压塔和低压塔多个截面现象表现更为明显。此外，当选择填料作为塔的内件时，通常将该塔的截面细分为两个或更多的填料床，并在床层之间安置集液器和液体再分布器。当氩精馏塔中制造出的纯氩中氧的含量小于百万分之五时，该塔需要180层理论塔板。至少需要10层填料床彼此相互堆叠安置才行。
规整填料技术应用在在普莱克斯分离塔中已经有15年多了，目前许多投产运行的填料床中已经使用了该项技术。规整填料在生产运行中能够达到或好于预期的结果。然而，有较少的一部分填料床在开车开始运行的一段时间不能达到设计的分离效果，在绝大多数情况下，这些偏差值较小，不需要停车检查，但是应该采取必要的矫正措施。
针对以上存在偏差情况的塔进行模拟仿真并利用方程（1）计算出塔的分离性能。计算结
果绘制在fmax和实测塔板数的百分率的对应关系，如图6.4所示。
图6.4空分装置数据采集分析系统监测填料床中分离性能下降的情况下
图6.4中的数据可以分为四段来分析。当fmax?0.02时，填料床对分布不均不敏感。少数的塔板的理论值存在明显的误差，这是由于床层间取样组成存在着不确定度以及塔板理论数量的圆整造成的。
当0.10?fmax?0.20时，填料床对不良分布的敏感度稍有上升，fmax在这个范围内的情况下，只有出现严重的分布不均时，理论塔板的数量会下降。比如，在集液器溢出的情况下会出现严重的分布不均，此时会导致理论塔板数量的降低。