当0.05?fmax?0.10时，虽然能够达到预期的分离要求，但是填料床对液体分布不均却非敏感，如果液体分布质量部够好，会出现潜在的理论塔板数量不足的风险。
当fmax?0.05时，理论塔板数严重不足，即使分布水平非常均匀也很难达到预期的分离要求。
下面要说的是前面提到过的一种装置，在开车启动时不能达到预期效果的原因是由于图6.3中标记A的填料床性能不良。流进这个床层混合液体中氮的摩尔分数是44%.当把氧和氩合并成一个组分时就可以假定该混合物是一个二元组分。设计要求离开该床层混合物中氮的摩尔浓度应达到百万分之17。该浓度的控制很关键，因为从塔2上部分进入氩塔3中的氮会最终和氩一起作为塔顶产物馏出，氩塔顶部没有低温区，氮不能分离出来因此会影响氩的纯度。为了使氩塔3进料中氮的浓度尽可能低，将图6.3中标记A的填料床设计成15层理论塔板。该床层的最大分配不均系数设计值为0.008。然而，在最初的开车运行中，只有11层理论塔氮浓度符合要求，此外在氩塔塔顶产物中氮组分过高。
研究发现塔板数量下降的原因是由于在填料床A中少量的液体分布不均叠加效应和
fmax值过低综合作用的结果。补救措施是通过缩短填料床的尺寸来增加fmax的值。
将这个装置停车进行改进，把原来的一个床改为两个床，其中一个床中安置7层塔板，另一个安置8层塔板。在两个填料床之间安装一种新式的集液-再分布器来执行行液体的混合和再分布任务。再次开车运行时，在两个填料床的组合的情况下达到了设计的理论塔板的数量并且在纯氩产品中氮的浓度符合了要求。上面的填料床中fmax的计算值是0.11.，下面的计算值是0.51，这样fmax的值和原来的值相比有了很大的提高。
邦纳奎斯特和洛基特在1999年就曾提出在中压塔A截面上使用两个等高的填料床的重要意义。
表6.1乙苯-苯乙烯精馏
乙苯-苯乙烯的精馏
从苯乙烯中分离乙苯是种重要的真空精馏操作而且这种分离方法在生产中广泛使用。表6.1总结了乙苯-苯乙烯精馏中用到的关键的参数。该精馏塔使用了工业化生产仿真软件进行精馏过程的模拟。Hysys仿真模拟开发公司使用的是威尔逊旗下的软件包。表1中对浓度的模拟结果中涉及到了四种物质组分。将这四种组分合并成伪二元组分，只涉及乙苯和苯乙烯的摩尔分数。这些伪二元组分的浓度结果用在方程（1）来计算出fmax的值。
在以下两种情况时在精馏段设计26层塔板：使用一个填料床时安置26层塔板；两张填料床时每个床安置13层塔板。提馏段69层理论塔板应用在以下四种情况：使用一个填料床、两个填料床或三个填料床，最多是四个。尽可能在各填料床之间均匀分配塔板的数量。
精馏段模拟结果如图6.5所示。如果在精馏段安置一个填料床，fmax的值
是0.066。可是当把一个填料床等分成两个填料床安置时，每个填料床上的fmax的值会增至0.14。根据比林汉姆和洛基特2002年空气分离试验的经验可以得出，当fmax?0.05时，很难达到预期的分离效果。当0.05?fmax?0.10时，可以满足设计的分离要求，但是仍然对不均匀分布很敏感。当fmax?0.10时，填料床对不均匀分布的敏感度就大大降低了。从以上分析可以得出结论，在设计乙苯-苯乙烯的精馏段时应该使用两个填料床。实际的生产中应用的也是两个填料床。
图6.5乙苯-苯乙烯精馏段
在图6.5中是乙苯-苯乙烯提馏段模拟的结果。图6-7的模拟过程中都使用了多个填料床，多个填料床时表示的顺序是：最左面的条形柱表示塔顶的填料床，最右面的条形柱表示的是塔釜的填料床。从图6.6中可以发现，只有使用4个填料床时，才能使精馏塔塔釜的填料床上fmax的值大于0.05。这也解释了工业生产中提馏段通常使用4个填料床的缘故。图6中的结果显示，每个填料床上塔板数均匀分配的分离效果并不理想。我们可以减少提馏段塔釜填料床塔板的数量，增加中间的填料床上塔板的数量，这样做可以使提馏段的4个填料床的fmax的值基本一致。
图6.6 乙苯-苯乙烯提馏段每张填料床上塔板数量相等的情况
针对上面出现的问题进行了研究。如图6.7所示，在提馏段使用三张填料床，当塔釜的填料床上的塔板数量从23逐渐减少到14时，塔釜填料床上fmax的值增加到0.12，这也就可以到达设计的分离要求。同理，将塔顶填料床的塔板数从23改为18。最终的设计方案是塔顶18块塔板，中间37块塔板，塔釜14块塔板而不是最初的塔板数量均匀分配的方法。
图6.7乙苯-苯乙烯精馏段 各填料床塔板数量不等
这一发现可从麦凯布-蒂尔分离图表中得到解释。提馏段塔顶和塔釜的填料床各有一个端面处于相对压紧的状态，而中间的填料床上下两个端面压力相当，不存在这种现象。因此中间的填料床对分布不均敏感度低，可以在它上面安置更多的塔板。
利用这种方法对填料床进行优化，可以在当前工业精力塔设计中使用三张填料床就可以了。一方面可以节省塔内件的耗材，另一方面可以降低塔的高度，从而降低了塔的成本。
通过上面的研究发现，在设计提馏段中使用三张填料床时可以使每张填料床的最大分配不均系数基本一致。这样，每张填料床对不均匀分布的敏感度大体一致了。在此基础上可以设计出塔板数量配置的最佳方案，假设填料床上液体分布不均系数的恒定，即使通过填料床的流量发生改变时该系数也不会增加。因此，当液体不良分布加剧时，填料床对不良分布的敏感度仅取决于fmax的值的大小，与填料床的尺寸无关。奥尔布赖特在1984年、兹韦德伍兹1999年、孙等2000年时都曾断言过存在液体分布不均的自然态或平衡态，所有上述假设得到了强有力的证明。
结束语
事实证明对于任意一个填料床在已知设计分离要求的情况下，都能计算其相应的最大
分配不均系数。空分装置的数据研究说明，填料床不能达到设计分离要求是与fmax有关。在填料床的fmax?0.05时很难到达设计的分离要求。通过计算乙苯-苯乙烯填料床分离器上
fmax的值证明在其精馏段应使用两个填料床，提馏段应使用四个填料床。如果在提馏段各
填料床中塔板数量不等，使用三个填料床就可以达到设计的分离要求。
名词
f 液体分配不均系数
fmax 最大分配不均系数
L.s?1 液体流量，单位kmol 有效理论塔板数量 N
NA 实际理论塔板数量
V.s?1 蒸汽流量，单位kmolx 易挥发组分中液相的摩尔分数
y 易挥发组分中气相的摩尔分数
? 相对挥发度
参考文献
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