化工过程及设备课程设计课件

1、2021-10-221化工过程及设备课程设计化工过程及设备课程设计 信阳师范学院化学化工学院信阳师范学院化学化工学院刘刘 鹏鹏 教授教授20122012年年0909月月2021-10-222性质、任务与目的性质、任务与目的 化工过程及设备课程设计是综合运用化工过程及设备课程设计是综合运用化工原化工原理理、化工设备机械基础化工设备机械基础、化工制图化工制图、化工仪表及自动化化工仪表及自动化课程和有关先修课程所学知课程和有关先修课程所学知识，完成以化工单元操作为主的一次工程设计，从识，完成以化工单元操作为主的一次工程设计，从而对学生进行一次设计技能的基本训练，培养学生而对学生进行一次设计技能的基本

2、训练，培养学生综合运用所学的书本知识解决实际问题的能力，也综合运用所学的书本知识解决实际问题的能力，也为毕业设计打下基础。因此，化工过程及设备课程为毕业设计打下基础。因此，化工过程及设备课程设计是提高学生实际工作能力的重要教学环节。设计是提高学生实际工作能力的重要教学环节。 2021-10-223 1.1.对学生进行化工工程设计的基本训练，使学生掌握化工对学生进行化工工程设计的基本训练，使学生掌握化工设计的基本内容、程序与方法；设计的基本内容、程序与方法； 2.2.结合设计课题培养学生查阅有关技术资料及物性参数的结合设计课题培养学生查阅有关技术资料及物性参数的能力；能力； 3.3.通过查阅技术

3、资料，选用设计计算公式，搜集数据，分通过查阅技术资料，选用设计计算公式，搜集数据，分析工艺参数与结构尺寸间的相互影响，增强学生分析问题、析工艺参数与结构尺寸间的相互影响，增强学生分析问题、解决问题的能力；解决问题的能力； 4.4.通过编写设计说明书，提高学生文字表达能力，掌握撰通过编写设计说明书，提高学生文字表达能力，掌握撰写技术文件的有关要求；写技术文件的有关要求； 5.5.了解一般化工设备图基本要求，对学生进行绘图基本技了解一般化工设备图基本要求，对学生进行绘图基本技能训练；能训练； 通过课程设计达到以下目的：通过课程设计达到以下目的：2021-10-224设计内容设计内容 化工过程及设备

4、课程设计主要包括以下内容：化工过程及设备课程设计主要包括以下内容： 1 1、化工工艺设计、化工工艺设计 （1 1）设计方案确定：对选定的工艺路线、主要设备）设计方案确定：对选定的工艺路线、主要设备等作简要介绍与评述。等作简要介绍与评述。 （2 2）工艺流程图绘制：）工艺流程图绘制：工艺流程图工艺流程图用单线形式绘制，用单线形式绘制，用示意图表示单元操作所有主体设备及辅助设备，用示意图表示单元操作所有主体设备及辅助设备，标出物流量（或能流量）、物流向、控制阀门，标出物流量（或能流量）、物流向、控制阀门，以及温度、压力控制点的控制标记。以及温度、压力控制点的控制标记。2021-10-225图图1-

5、1合成氨工段方案流程图合成氨工段方案流程图2021-10-226（3 3）主要设备的工艺设计计算）主要设备的工艺设计计算内容包括：内容包括： 设计工艺参数的选定及依据；设计工艺参数的选定及依据； 系统的物料衡算，产品收率及原料耗用量计算；系统的物料衡算，产品收率及原料耗用量计算； 系统的热量衡算，水蒸汽耗量计算；系统的热量衡算，水蒸汽耗量计算； 主要设备的工艺尺寸设计计算或校核计算。主要设备的工艺尺寸设计计算或校核计算。 （4 4）系统流体力学性能计算，主要设备的流体压降损失计）系统流体力学性能计算，主要设备的流体压降损失计算。算。 （5 5）辅助设备设计计算，典型辅助设备（如风机、泵、换）辅

6、助设备设计计算，典型辅助设备（如风机、泵、换热器、贮罐等）主要工艺尺寸或参数的确定，设备规格热器、贮罐等）主要工艺尺寸或参数的确定，设备规格及型号的选定。及型号的选定。2021-10-2272.2.主体设备强度设计：主体设备强度设计： 设备材料选择、强度设计、支座设计等，根据设计设备材料选择、强度设计、支座设计等，根据设计结果绘制主要化工设备装配图结果绘制主要化工设备装配图 1 1 张，图面应包括下列内张，图面应包括下列内容：容：设备总体结构设计；设备总体结构设计； 设备的主要工艺尺寸；设备的主要工艺尺寸； 设备技术特性表；设备技术特性表； 设备接管表（规格和用途）；设备接管表（规格和用途）；

7、 设备零部件明细表。设备零部件明细表。 2021-10-2283 .设计说明书编写设计说明书编写 设计说明书是将所作的课程设计予以综合简介、设计说明书是将所作的课程设计予以综合简介、并对设计给予评述。内容包括：并对设计给予评述。内容包括： （ 1 ）设计任务书；）设计任务书； （ 2 ）目录；）目录； （ 3 ）设计方案简介与评述；）设计方案简介与评述； （ 4 ）工艺设计及计算；）工艺设计及计算； （ 5 ）主要设备设计；）主要设备设计； （ 6 ）辅助设备选型计算；）辅助设备选型计算； （ 7 ）设计结果汇总表；）设计结果汇总表； （ 8 ）参考资料。）参考资料。2021-10-2294

8、.图纸图纸 （1）带控制点工艺流程图）带控制点工艺流程图 1 张张 （2）主体设备装配图）主体设备装配图 1 张张 2021-10-2210时间安排时间安排 主要内容主要内容时间时间工艺设计计算含设计方案确定、工工艺设计计算含设计方案确定、工艺流程设计、主体设备设计计算、艺流程设计、主体设备设计计算、主要工艺参数的计算机优化设计等主要工艺参数的计算机优化设计等 第第 1 周周设备强度设计、辅助设备的选型计设备强度设计、辅助设备的选型计算、设计说明书的编写算、设计说明书的编写 第第 2 周周带控制点的工艺流程图、设备装配带控制点的工艺流程图、设备装配图的绘制，答辩图的绘制，答辩第第 3 周周20

9、21-10-2211成绩评定成绩评定 完成了所有设计内容并撰写完课程设计完成了所有设计内容并撰写完课程设计说明书后，进行答辩考核。课程设计成绩根说明书后，进行答辩考核。课程设计成绩根据学生设计期间的表现、设计计算结果、设据学生设计期间的表现、设计计算结果、设计说明书质量、图纸质量及答辩考核情况等计说明书质量、图纸质量及答辩考核情况等进行综合评分，并按优、良、中、及格、不进行综合评分，并按优、良、中、及格、不及格五级记分。及格五级记分。 2021-10-2212主要参考书目主要参考书目 1. 化工原理（上、下册），谭天恩，麦本熙，丁惠华编著，化工原理（上、下册），谭天恩，麦本熙，丁惠华编著， 化

10、工出版社，化工出版社， 1998 ； 2. 化工原理课程设计相关参考资料化工原理课程设计相关参考资料3. 化工设备机械基础课程设计化工设备机械基础课程设计4. 化工设备机械基础，刁玉玮编，大连理工大学出版社，化工设备机械基础，刁玉玮编，大连理工大学出版社，5. 物性数据的计算与图表（），王莲琴编，化工出版社，物性数据的计算与图表（），王莲琴编，化工出版社， 1992 ； 6. 化工工艺设计手册，上、下册，国家医药管理局上海医药化工工艺设计手册，上、下册，国家医药管理局上海医药设计院编，化工出版社，设计院编，化工出版社， 1986 ； 7. 化工过程及设备设计，华南理工大学，化学工业出版社，化工

11、过程及设备设计，华南理工大学，化学工业出版社， 1986 ； 8. 化学工程手册，化学工业出版社，化学工程手册，化学工业出版社， 1982 2021-10-22131. 板板 式式 塔塔1.1 板式塔结构及性能板式塔结构及性能（1） 板式塔结构板式塔结构 进料回流液塔顶气相塔底液相2021-10-2214塔板结构塔板结构 气体通道气体通道 形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等，对塔板性能影响很大。形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等，对塔板性能影响很大。 降液管（液体通道）降液管（液体通道） 液体流通通道，多为弓形。液体流通通道，多为弓形。 受液盘受液盘 塔板上接受液体的部分。塔板上接受液体的部分。 溢流

12、堰溢流堰 使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。2021-10-2215浮阀塔板结构浮阀塔板结构2021-10-2216（2） 塔板上的气塔板上的气液两相流动液两相流动2021-10-2217汽、液两相接触方式汽、液两相接触方式 全塔：逆流接触全塔：逆流接触塔板上：错流接触塔板上：错流接触两相流动的推动力两相流动的推动力 液体：重力液体：重力气体：压力差气体：压力差2021-10-2218 塔板上塔板上理想流动理想流动情况：情况： 液体横向均匀流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。液体横向均匀流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层

13、。 气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。 塔板上的塔板上的非理想非理想流动情况流动情况： 气相或液相返混气相或液相返混 液沫夹带、气泡夹带 ，即：返混现象返混现象 后果后果：板效率降低板效率降低。 不均匀流动不均匀流动 液面落差液面落差（水力坡度）：引起塔板上气体分布气体分布不均匀； 塔壁作用塔壁作用（阻力）：引起塔板上液体分布液体分布不均匀。后果：后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。板效率降低。2021-10-2219液泛现象液泛现象1.2 塔内气、液两相异常流动塔内气、液两相异常流动 （1 1）液泛）液泛 如果由于某种原因，使得

14、气、液两相流动不畅，使板上液如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为象为液泛液泛。2021-10-2220(2) 过量雾沫夹带液泛过量雾沫夹带液泛原因：原因： 气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板；气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板； 气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。 液泛气速：液泛气速： 开始发生液泛时的气速开始发生液泛时的气速。2021-10-22212）降液管液泛）降

15、液管液泛 当塔内气、液两相流量较大，当塔内气、液两相流量较大，导致塔板阻力及降液管内阻力增大导致塔板阻力及降液管内阻力增大时，均会引起降液管液层升高，以时，均会引起降液管液层升高，以致达到上一层塔板，破坏降液管的致达到上一层塔板，破坏降液管的正常流动，直至液相逐渐充满塔板正常流动，直至液相逐渐充满塔板空间，发生液泛。空间，发生液泛。说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。2021-10-2222（2） 严重漏液严重漏液 漏液量增大漏液量增大, ,导致塔板上难以维持正常操作所需的液面导致塔板上难以维持正常操作所需的液面, ,无法无法操作。此漏液

16、为严重漏液，称相应的孔流气速为操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速漏液点气速 。2021-10-22232.3 常用塔板的类型常用塔板的类型（1）泡罩塔板）泡罩塔板优点优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。缺点：缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大。 组成：组成：升气管和泡罩2021-10-2224圆形泡罩条形泡罩泡罩塔2021-10-2225（2）筛板塔板）筛板塔板优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。 目前，广泛应用的一种塔型。目前，广泛应用的一种塔型。塔板上开圆孔，孔径：3 - 8 mm，大孔径筛板：12 - 25 mm。202

17、1-10-2226（3）浮阀塔板）浮阀塔板圆形浮阀条形浮阀浮阀塔盘方形浮阀2021-10-2227优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。泛的应用。缺点：浮阀易脱落或损坏。缺点：浮阀易脱落或损坏。方形浮阀F1型浮阀2021-10-2228（4）多降液管（）多降液管（MD）塔板）塔板 优点：优点：提高允许液体流量2021-10-22291.4 筛板塔化工设计计算筛板塔化工设计计算（1）塔的有效高度）塔的有

18、效高度 Z 已知：已知：实际塔板数 NP ； 塔板间距 HT； pTNHZ 选取塔板间距选取塔板间距 HT ：理论塔板数计算软件塔塔 径径D ， m0.3-0.50.5-0.80.8-1.61.6-2.02.0-2.42.4塔塔 板板 间间 距距HT， m0.2-0.30.3-0.350.35-0.450.45-0.60.5-0.8 0.6塔板间距和塔径的经验关系塔板间距和塔径的经验关系塔体高度：有效高塔体高度：有效高+顶部顶部+底部底部+ 其它其它 有效塔高：有效塔高：2021-10-2230VVLfCuLVmVmLvlVVVLLVqqqqFss C：气体负荷因子，与 HT、 液体表面张力和

19、两相接触状况有关。有关。 液泛气速液泛气速两相流动参数两相流动参数 FLV：（2）塔径）塔径 确定原则：确定原则： 防止过量液沫夹带液泛 步骤：步骤： 先确定液泛气速 uf (m/s)； 然后选设计气速 u； 最后计算塔径 D。2 . 02020CC2021-10-2231对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图 ，C20=(HT 、FLV)0.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05vlVVVLLVssqqFVLVf20 uC筛板塔泛点关联图塔板间距塔板间距

20、 H HT T2021-10-2232 选取设计气速选取设计气速 u 选取泛点率：泛点率： u / uf 一般液体， 0.6 0.8 易起泡液体，0.5 0.6uVAs所需气体流通截面积所需气体流通截面积设计气速设计气速 u = 泛点率泛点率 ufADAd 计算塔径计算塔径 DTdTAAAA1塔截面积：塔截面积：A = AT - AdTAD4塔径塔径说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。液泛气速 uf2021-10-2233（3）溢流装置设计）溢流装置设计 溢流型式的选择溢流型式的选择 依据：依据：塔径 、流量； 型式型式：单流型、

21、U 形流型、双流型、阶梯流型等。 降液管形式和底隙降液管形式和底隙 降液管：弓形弓形、圆形。 降液管截面积：由Ad/AT = 0.06 0.12 确定； 底隙 hb ：通常在 30 40 mm。 溢流堰（出口堰）溢流堰（出口堰） 作用作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。 型式型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。2021-10-2235堰长堰长 lW ：影响液层高度。堰高堰高 hW：直接影响塔板上液层厚度 过小，过小，相际传质面积过小； 过大过大，塔板阻力大，效率低。 常、加压塔：40 80 mm ； 减压塔：25 mm 左右。 TdWAAfDlDbfDldW75. 06 .

22、0 DlW7 . 05 . 0 DlW说明：通常应使溢流强度说明：通常应使溢流强度qVLh/lW 不大于不大于100130 m3/（m h）。）。 或： 双流型:单流型：2021-10-22363/231084.2WVLowlqEhh(4) 塔板及其布置塔板及其布置 受液区和降液区受液区和降液区 一般两区面积相等。 入口安定区和出口安定区入口安定区和出口安定区 其中， E：液流收缩系数，：液流收缩系数，一般可近似取 E =1。mmhOW6mmbbss10050mmbc50堰上方液头高度堰上方液头高度 hOW ：要求：要求： 边缘区：边缘区：bcbdbslWrx2021-10-2237)sin(

23、21222rxrxrxAa)sin( 2)sin( 211221211222rxrxrxrxrxrxAa（5）筛孔的尺寸和排列）筛孔的尺寸和排列 筛孔筛孔： 有效传质区内，常按正三角形排列。 筛板开孔率筛板开孔率 ： 单流型弓形降液管塔板单流型弓形降液管塔板： 有效传质区：有效传质区： 双流型弓形降液管塔板双流型弓形降液管塔板：20220907. 060sin21421tdtdAAoaobcbdbslWrxd0t2021-10-223800AquSVV20200785. 04dAdAna筛孔直径筛孔直径 d0 : 3 8 mm (一般)。 12 25 mm (大筛孔) 孔中心距孔中心距 t :

24、 (2.55) d0 取整。 开孔率开孔率: : 通常为 0.08 0.12。 板厚：板厚：碳钢（3 4mm）、不锈钢。 筛孔气速：筛孔气速：筛孔数：筛孔数：d0t2021-10-2239(6) 塔板的校核塔板的校核 对初步设计的结果进行调整和修正。VmVmLVLmeqqeeqevVVLVLVmLmvssqqqqe11 液沫夹带量校核液沫夹带量校核单位质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔） ev ： kg 液体 / kg气体，或 kmol液体 / kmol气体单位时间夹带到上层塔板的液体质量（或摩尔） e： kg 液体 / h 或 kmol液体 / h 液沫夹带分率：夹带的液体流量占横过

25、塔板液体流量的分数。 故有： 所以2021-10-22402 . 33107 . 5fTvHHue说明：说明：超过允许值，可调整塔板间距塔板间距或塔径塔径。 ev的计算方法的计算方法：方法1：利用Fair关联图求，进而求出ev。方法2：用Hunt经验公式计算ev。)(5 . 2OWWfhhH式中Hf 为板上泡沫层高度：要求要求： ev 0.1 kg 液体 / kg气体。2021-10-2241 塔板阻力的计算和校核塔板阻力的计算和校核 塔板阻力：塔板阻力：液柱mgphLff 塔板阻力 hf包括 以下几部分: （a）干板阻力 h0气体通过板上孔的阻力（设无液体时）； （b）液层阻力 hl 气体通

26、过液层阻力； （c）克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力。清液柱高度表示：（a）干板阻力）干板阻力h0200,021CuggphLVLof2021-10-2242d0/C0塔板孔流系数C0 孔流系数孔流系数2021-10-2243OWWlhhh（b）液层阻力）液层阻力 hl查图求充气系数查图求充气系数2/1V32/1aamkgsmuF2021-10-2244说明：说明：若塔板阻力过大，可增加开孔率增加开孔率或 降低堰高。降低堰高。03104dghL（c）克服液体表面张力阻力克服液体表面张力阻力（一般可不计） 降液管液泛校核降液管液泛校核dLOWWdhgpphhH12dfOWWhhhh故塔板阻

27、力：hhhhLf0降液管中清液柱高度降液管中清液柱高度 (m)2021-10-2245)()()4(0476.032vLfsLfbHLZHb（a） 液面落差液面落差一般较小，可不计。当一般较小，可不计。当不可忽略时不可忽略时，一般要求：一般要求： 0.5h0282211018. 1153. 02bWsbWsddhlLhlLguh（b b） 液体通过降液管阻力液体通过降液管阻力 hd21dddhhh包括底隙阻力 hd1和进口堰阻力hd2。无进口堰时：无进口堰时：02dh2021-10-2246dlLddHHHWTdhHH泡沫层高度泡沫层高度要求：要求：说明：说明：若泡沫高度过大，可减小塔板阻力减

28、小塔板阻力或 增大塔板间距。增大塔板间距。泡沫层相对密度：对不易起泡物系，6 . 05 . 04 . 03 . 0易起泡物系， 液体在降液管中停留时间校核液体在降液管中停留时间校核 目的：目的：避免严重的气泡夹带。 sVLTdqHA停留时间：停留时间：要求：要求：s53说明：说明：停留时间过小，可增加降液管面积增加降液管面积 或 增大塔板间距。增大塔板间距。2021-10-2247（a）计算严重漏液时干板阻力严重漏液时干板阻力 h0 hhhhOWW13.00056.00（b）计算漏液点气速漏液点气速 u0 0002hgCuVL说明：说明：如果稳定系数k过小，可 减小开孔率减小开孔率 或 降低堰

29、高。降低堰高。 严重漏液校核严重漏液校核 漏液点气速漏液点气速 u0 ：发生严重漏液时筛孔气速。 稳定系数：稳定系数：00uuk要求：要求：25 . 1k2021-10-2248 过量液沫夹带线（气相负荷上限线）过量液沫夹带线（气相负荷上限线） 规定：ev = 0.1（ kg 液体 / kg气体） 为限制条件。3232 . 313)(101 . 75 . 21081. 8WVLWTVVlqhHAqhh（6）塔板的负荷性能图）塔板的负荷性能图确定塔板的操作弹性 液相下限线液相下限线006. 01084. 23/23WVLowlqEhh整理出：规定：WVLhlq07. 3 严重漏液线（气相下限线）

30、严重漏液线（气相下限线）hhhhOWW13.00056.002021-10-2249代入相关公式，如hOW、u0，整理出。 液相上限线液相上限线sLHAsTd5dThAHV720 降液管液泛线降液管液泛线WTdhHHLvcugh2000)(21WTbWhWhhLVhHhlLlLndV)5 . 1(1018. 11026. 41041. 3283232208规定：2021-10-2250min,max,hhVVVVqqmin,max,hhVLVLqq塔板的操作弹性：塔板的操作弹性： 或2021-10-2251塔体塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒

31、体内壁常衬以防料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。腐材料。 填料填料：大致可分为散装填料和规整填料：大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。两大类，是传热和传质的场所。塔内件塔内件：包括填料支承与压紧装置、液：包括填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。体除沫器等。操作原理操作原理：液体经塔顶喷淋装置均匀分：液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热过填料空隙的

32、气体相互接触，发生传热和传质。和传质。 7653421液体气体82021-10-2252填料（Tower packing） 填料塔的核心填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所。，是气液两相接触进行质、热传递的场所。填料的流体力学和传质性能与填料的材质、大小和几何形状填料的流体力学和传质性能与填料的材质、大小和几何形状紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：比表面积比表面积 a：单位体积填料层所具有的表面积：单位体积填料层所具有的表面积(m2/m3)。被液。被液体润湿的填料表面就是气液两相的接触面。大的体润湿的填料表面就是气液两相

33、的接触面。大的 a 和良好的和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。对同种填料，填料尺寸越润湿性能有利于传质速率的提高。对同种填料，填料尺寸越小，小，a 越大，但气体流动的阻力也要增加。越大，但气体流动的阻力也要增加。空隙率空隙率 ：单位体积填料所具有的空隙体积单位体积填料所具有的空隙体积(m3/m3)。代表的。代表的是气液两相流动的通道，是气液两相流动的通道， 大，气、液通过的能力大，气体大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。流动的阻力小。 = 0.450.95。填料因子填料因子 ：填料比表面积与空隙率三次方的比值填料比表面积与空隙率三次方的比值(1/m)，a/ 3，表示填料的流体力学性能

34、，值越小，流动阻力越小。，表示填料的流体力学性能，值越小，流动阻力越小。有干填料因子与湿填料因子之分。有干填料因子与湿填料因子之分。2021-10-2253填料（Tower packing） 堆积密度堆积密度 p ：单位体积填料的质量单位体积填料的质量(kg/m3)。在机械强度允。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小填料的堆积密度，从许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小填料的堆积密度，从而既可降低成本又可增加空隙率。而既可降低成本又可增加空隙率。机械强度机械强度大大，化学稳定性化学稳定性好以及好以及价格低廉价格低廉等也是优良填料应等也是优良填料应尽量兼有的性质。尽量兼有的性质。注意注意

35、：一些难以定量表达的因素一些难以定量表达的因素(几何形状几何形状)对填料的流体力对填料的流体力学和传质性能也有重要的影响。新型填料的开发一般是改进学和传质性能也有重要的影响。新型填料的开发一般是改进填料几何形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。填料几何形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。 常用的填料（Typical tower packing） 常用的填料可分为常用的填料可分为散装填料散装填料和和规整填料规整填料两大类。散装填料在两大类。散装填料在塔内可乱堆，也可以整砌。塔内可乱堆，也可以整砌。2021-10-2254优点：优点：易于制造，价格低廉，且对它易于制造，价格低廉，且对它的研究

36、较为充分，所以在过去较长的的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用。时间内得到了广泛的应用。缺点：缺点：高径比大，堆积时填料间易形高径比大，堆积时填料间易形成线接触，故液体常存在严重的沟流成线接触，故液体常存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高。润湿率较低，因而传质速率也不高。拉西环（拉西环（Raschig ring）填料）填料最早使用的一种填料，为高径比相等的陶瓷和金属等制成的空心圆环。在拉西环基础上衍生了在拉西环基础上衍生了环、十字环及螺旋环等，其基本改环、十字环及螺旋环等，其基本改进是在拉西环内增加一结构

37、，以增大填料的比表面积。进是在拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积。2021-10-2255鲍尔环（鲍尔环（Pall ringPall ring）填料）填料在环的侧壁上开一层或两层长方形在环的侧壁上开一层或两层长方形小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。上下两层长是形成向内弯的叶片。上下两层长方形小孔位置交错。方形小孔位置交错。鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同

38、的比表面积和空隙率，但鲍尔环在的比表面积和空隙率，但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使其侧壁上的小孔可供气液流通，使环的内壁面得以充分利用。环的内壁面得以充分利用。比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。效率较高，沟流现象也大大降低。2021-10-2256这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高环的基础上又有提高，其生产能力可提高约约10%10%，压降则可降低，压降则可降低25%25%，且由于填料，且由于填料间呈

39、多点接触，床层均匀，较好地避免了间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。沟流现象。阶梯环填料（阶梯环填料（Stair ring）阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，环阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 4545的十字形叶片，环的高度为直径的一的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。半，环的一端成喇叭口形状的翻边。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。开孔的填料，因此获得广泛的应用。2021-10-22

40、57弧鞍形弧鞍形(Berl saddle)矩鞍形矩鞍形(Intalox saddle)填料填料一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质型填料型填料 ( (马鞍填料马鞍填料) )。弧鞍填料在塔内呈。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道，相互搭接状态，形成弧形气体通道，优点优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，填料性能优于拉西环。性能较好，填料性能优于拉西环。矩鞍填料的两端为矩形，且填料两面大小矩鞍填料的两端为矩形，且填料两面大小不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，填料的均匀性得到

41、改善。液体分布均匀，填料的均匀性得到改善。液体分布均匀，气液传质速率得到提高。瓷矩鞍填料是目气液传质速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料。前采用最多的一种瓷质填料。缺点缺点：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影响传质速率。响传质速率。2021-10-2258优点优点：网丝细密，空隙很高，比表：网丝细密，空隙很高，比表面积很大。由于毛细管作用，填料面积很大。由于毛细管作用，填料表面润湿性能很好。故网体填料气表面润湿性能很好。故网体填料气体阻力小，传质速率高。体阻力小，传质速率高。缺点：缺点：造价很高，故多用于实验室造价很高

42、，故多用于实验室中难分离物系的分离。中难分离物系的分离。 金属英特洛克斯（金属英特洛克斯（Intalox）填料）填料有环形与鞍形的结构特点，生产能力大、压有环形与鞍形的结构特点，生产能力大、压降低、液体分布性能好、传质速率高及操作降低、液体分布性能好、传质速率高及操作弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。与实体填料对应的另一类填料为网体填料。与实体填料对应的另一类填料为网体填料。有多种形式，如金属丝网制成的网环和鞍型网等。有多种形式，如金属丝网制成的网环和鞍型网等。网体填料（网体填料（Wire gauze packings）2021-10-2259规整填料规整

43、填料规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。分块拼成圆筒形在塔内砌装。优点优点：空隙大，生产能力大，压降小。流道规则，只要液体：空隙大，生产能力大，压降小。流道规则，只要液体初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。缺点缺点：造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难：造价较

44、高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。分离或分离要求很高的情况。 2021-10-2260规整填料规整填料Corrugated MetalPlates Packings 6400金属板波纹规整填料 300脉冲规整填料脉冲规整填料各种陶瓷规整填料各种陶瓷规整填料2021-10-2261填料的流体力学性能填料的流体力学性能 压降压降填料塔效率主要取决于填充填料流体力学性能和传质性能。填料塔效率主要取决于填充填料流体力学性能和传质性能。压降、液泛气速、持液量及气液分布对填料塔的设计和操作压降、液泛气速、持液量及气液分布对填料塔的设计和操作参数的确定至关重要。参数的确定至关

45、重要。压降与气速的关系：压降与气速的关系：气体通过干填料层时的气体通过干填料层时的流动与气体通过颗粒固流动与气体通过颗粒固定床的流动相似，只是定床的流动相似，只是通常填料层的空隙率更通常填料层的空隙率更大，故气体在空隙中的大，故气体在空隙中的流速更高而处于湍流。流速更高而处于湍流。载液区高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg p载点气速液泛气速2021-10-2262有一定持液量时，有一定持液量时， pu 将不再为简单的直线关将不再为简单的直线关系系(喷淋密度为喷淋密度为L1、L2曲曲线线)，且存在两个较明显，且存在两个较明显的转折点。的转折点。压降压降气体通过干填料层的压气体通过

46、干填料层的压降降 p 与空塔气速与空塔气速 u 的关的关系在双对数坐标上为直系在双对数坐标上为直线，斜率线，斜率 1.82.0。原因原因：喷淋液体在填料上形成液膜，占据部分空隙，减小了：喷淋液体在填料上形成液膜，占据部分空隙，减小了气体的流通截面，对相同空塔气速压降升高。气体的流通截面，对相同空塔气速压降升高。载液区高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg p载点气速液泛气速2021-10-2263P点后，液沫夹带量点后，液沫夹带量 ，液相返混，液相返混可导致填料效率可导致填料效率 ，(HETP )。载点载点(B)后，持液量后，持液量 ，气液相互作，气液相互作用用 ，相界面积，相界面

47、积 ，湍动增强，湍动增强 ，传，传质过程质过程 ，填料效率，填料效率 (HETP )；载液和液泛对传质的影响：载液和液泛对传质的影响：压降压降气速较低时，气液相间相互影响小，在一定的液体喷淋密度下，填料持液量与气速无关，气体压降与气速的关系为直线且基本与 L=0 的直线平行。lg u高液量低液量载点线lg LPB泛点C载液区空塔气速 u等板高度HETP填料塔的操作一般控制在偏离泛点一定距离的载液区内，这样，既可得填料塔的操作一般控制在偏离泛点一定距离的载液区内，这样，既可得到较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。到较高的传质效率，填料层的压降也不会过大。 2021-10-2264压降与气速的

48、关联图压降与气速的关联图压降对填料塔操作的可靠性和经济性有着决定性的影响。压降对填料塔操作的可靠性和经济性有着决定性的影响。选择填料和确定塔径时，不同系统应控制的压降范围不同。选择填料和确定塔径时，不同系统应控制的压降范围不同。吸收吸收（mmH2O/m）蒸馏蒸馏（mmH2O/m）系统不起泡系统不起泡系统起泡系统起泡常压或加压常压或加压真空真空20358203565835压降压降：表面摩擦阻力：表面摩擦阻力+形体阻力，前者是气体在空隙中流动形体阻力，前者是气体在空隙中流动时在填料表面和气液界面上产生的粘性应力，后者是由于气时在填料表面和气液界面上产生的粘性应力，后者是由于气体流道的突然增大或缩小

49、，方向的改变等造成的动能损失。体流道的突然增大或缩小，方向的改变等造成的动能损失。影响因素影响因素：填料特性：填料特性(几何形状、比表面积、几何形状、比表面积、 等等)，流体物，流体物性性( 、 等等)以及操作条件以及操作条件(气液流量、气液流量、T 等等)。难以进行准确的理论计算，迄今仍然只能由各种经验关联式难以进行准确的理论计算，迄今仍然只能由各种经验关联式或关联图进行估算。或关联图进行估算。2021-10-2265埃克特埃克特 (Eckert) 压降通用关联图压降通用关联图横坐标：横坐标：GG ,GL 气体和液体的质量流速，气体和液体的质量流速，kg/(m2.s)； u 空塔气速，空塔气

50、速，m/s； V , L 气体和液体的密度，气体和液体的密度，kg/m3； L 液体的粘度，液体的粘度，mPa.s；WG ,WL 气体和液体的质量流量，气体和液体的质量流量，kg/s； 湿填料因子湿填料因子(泛点填料因子泛点填料因子)，1/m； Vs ,Ls 气体和液体的体积流量，气体和液体的体积流量，m3/s； g 重力加速度重力加速度 9.81m/s2； 液体密度校正系数液体密度校正系数(水与液相密度之比水与液相密度之比 = / L) 。纵坐标：纵坐标：5 . 05 . 05 . 0,VLssLVGLLVGLVLWWGG或2 . 022 . 02LLVGLLVgGgu或2021-10-22

51、66埃克特埃克特 (Eckert) 压降通用关联图压降通用关联图适用范围适用范围：乱堆填料：乱堆填料(Random packings)，如拉西环、鲍尔环、如拉西环、鲍尔环、矩鞍环等。矩鞍环等。与泛点线相对应的空与泛点线相对应的空塔气速为空塔液泛气塔气速为空塔液泛气速。速。利用此图可根据选定利用此图可根据选定的空塔气速求压降，的空塔气速求压降，或根据规定的压降求或根据规定的压降求算相应的空塔气速。算相应的空塔气速。 最上方的三条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线。其余为最上方的三条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线。其余为乱堆填料的等压降线。乱堆填料的等压降线。2021-10-2

52、267泛点气速泛点气速泛点：泛点：液泛开始发生，是填料塔的操作极限。液泛开始发生，是填料塔的操作极限。泛点气速：泛点气速：开始发生液泛时的气速，泛点的直接表达参数。开始发生液泛时的气速，泛点的直接表达参数。 为防止液泛发生，最大操作气速应为防止液泛发生，最大操作气速应 95% 95%泛点气速，设计点的气速泛点气速，设计点的气速通常取泛点气速的通常取泛点气速的50%80%50%80%。故正确估算泛点气速对填料塔的设计和。故正确估算泛点气速对填料塔的设计和操作都十分重要。操作都十分重要。 填料的种类，物系的物性以及气、液相负荷等因素对泛点都有一定填料的种类，物系的物性以及气、液相负荷等因素对泛点都

53、有一定的影响。泛点气速的估算式通常仍是借助于实验数据所得的各种经的影响。泛点气速的估算式通常仍是借助于实验数据所得的各种经验关联式或关联图。验关联式或关联图。 对于散装填料，目前广泛采用埃克特对于散装填料，目前广泛采用埃克特(Eckert)(Eckert)压降和气速通用关联压降和气速通用关联图中的泛点曲线。图中的泛点曲线。 规整填料有类似的泛点实验关联图，可参考有关文献。规整填料有类似的泛点实验关联图，可参考有关文献。 根据两相流动参数即可由埃克特根据两相流动参数即可由埃克特(Eckert)(Eckert)关联图中的泛点线查纵坐关联图中的泛点线查纵坐标值，若填料因子已知，即可求得泛点气速。标值

54、，若填料因子已知，即可求得泛点气速。 2021-10-2268持液量（持液量（Liquid holdup）填料的持液量填料的持液量：操作时单位体积填料在表面和空隙中所积存的液体体积：操作时单位体积填料在表面和空隙中所积存的液体体积量。由静持液量和动持液量两部分组成。量。由静持液量和动持液量两部分组成。动持液量：动持液量：停止气液两相进料后从填料中排放出来的液体。与填料特性停止气液两相进料后从填料中排放出来的液体。与填料特性，物性及气液两相流量有关。，物性及气液两相流量有关。静持液量静持液量：液体排放完后仍保留在填料层内的那部分液体。与填料表面：液体排放完后仍保留在填料层内的那部分液体。与填料表

55、面积，表面特征及润湿性有关。积，表面特征及润湿性有关。 持液量对填料的压降、气液通量以及分离效率均有影响。持液量对填料的压降、气液通量以及分离效率均有影响。 液体在填料层中的停留时间与持液量成正比，故热敏性物系分离不液体在填料层中的停留时间与持液量成正比，故热敏性物系分离不宜采用持液量大的填料。宜采用持液量大的填料。 对间歇蒸馏不宜采用持液量大的填料。对间歇蒸馏不宜采用持液量大的填料。 填料塔稳定操作时持液量越小，灵敏度越高。填料塔稳定操作时持液量越小，灵敏度越高。理想的操作理想的操作：大传质表面，较小持液量。：大传质表面，较小持液量。 2021-10-2269填料塔内的气、液分布填料塔内的气

56、、液分布 气、液两相分布不均匀对塔效率会产生不利的影响。气、液两相分布不均匀对塔效率会产生不利的影响。小尺度不良分布小尺度不良分布：单个填料尺度或规整填料的通道尺度上的不均匀：单个填料尺度或规整填料的通道尺度上的不均匀分布。分布。原因原因：由于气体的弥散性，气体在小尺度上容易分布均匀。而液体：由于气体的弥散性，气体在小尺度上容易分布均匀。而液体能否在填料表面扩展成膜与填料的润湿性直接相关。即使填料润湿能否在填料表面扩展成膜与填料的润湿性直接相关。即使填料润湿性很好，液体的初始分布也很均匀，但在向下流过一定高度的填料性很好，液体的初始分布也很均匀，但在向下流过一定高度的填料层后部分液体必然会汇集

57、为细股流，使另一部分填料表面不能为液层后部分液体必然会汇集为细股流，使另一部分填料表面不能为液体所润湿。体所润湿。 小尺度的不良分布是填料的特性，当液体流经一定距离后，这种小尺度的不良分布是填料的特性，当液体流经一定距离后，这种不良分布特性保持稳定，称为特征分布。通常散装填料的小尺度不不良分布特性保持稳定，称为特征分布。通常散装填料的小尺度不良分布较规整填料突出。良分布较规整填料突出。2021-10-2270填料塔内的气、液分布填料塔内的气、液分布大尺度不良分布：大尺度不良分布：由液体初始分布不均、填料层结构不均和塔体倾斜等由液体初始分布不均、填料层结构不均和塔体倾斜等非正常因素所引起。非正常

58、因素所引起。壁效应：壁效应：若塔壁附近空隙率显著大于填料主体区，则会造成液体向壁区若塔壁附近空隙率显著大于填料主体区，则会造成液体向壁区偏流并最终形成沿塔壁垂直向下的壁流，减少了填料气体区的液流量。偏流并最终形成沿塔壁垂直向下的壁流，减少了填料气体区的液流量。 塔体倾斜会造成液体优先流向下方塔壁而汇集，上方塔壁及靠壁塔体倾斜会造成液体优先流向下方塔壁而汇集，上方塔壁及靠壁区液体分布则不足。区液体分布则不足。 填料破碎、变形等也会造成大范围的液流分布不均。填料破碎、变形等也会造成大范围的液流分布不均。 大尺度液流不均还会引发气流分布不均，造成气体走短路，使填大尺度液流不均还会引发气流分布不均，造

59、成气体走短路，使填料塔操作恶化。料塔操作恶化。改进措施：改进措施：加强液流入塔的初始分布均匀性，在塔内设置液体再分布器加强液流入塔的初始分布均匀性，在塔内设置液体再分布器，填料充填均匀，对大型塔填料尺寸与塔径之比不大于，填料充填均匀，对大型塔填料尺寸与塔径之比不大于 1/30 1/30 以避免壁以避免壁效应等。效应等。2021-10-2271填料塔塔径与塔高的计算 塔径塔径 填料塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算填料塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算uVDs4式中：式中：Vs 操作条件下气体体积流量，操作条件下气体体积流量，m3/s； u 操作条件下的空塔气速，操作条件下的空塔气速，m

60、/s。 一般取一般取 u = (0.50.8) uf 。对一定气体负荷，塔径计算关键在于空塔泛点气速的求取。当缺乏实测对一定气体负荷，塔径计算关键在于空塔泛点气速的求取。当缺乏实测数据时，泛点气速数据时，泛点气速 uf 可用埃克特可用埃克特(Eckert)压降关联图估算。一般填料塔压降关联图估算。一般填料塔的操作气速大致在的操作气速大致在 0.21.0 m/s。按上式算出的塔径，应按压力容器公称直径进行圆整，如圆整为按上式算出的塔径，应按压力容器公称直径进行圆整，如圆整为600、800、1000、1200 mm 等。等。2021-10-2272塔径塔径验算液体喷淋密度，以确保填料能得到充分的润