填料塔的设计

1、一、设计方案的确定（一）填料精馏塔设计方案的确定 包括： 1、装置流程的确定； 2、操作压力的确定； 3、进料热状态的确定； 4、加热方式的确定； 5、回流比的选择等； 上述选择原则与板式精馏塔设计基本相同，待学习板式塔设计再加以讨论。第1页/共27页（二）填料吸收塔设计方案的确定1、装置流程的确定 吸收流程一般有： （1）逆流操作 （2）并流操作 （3）吸收剂部分再循环 （4）多塔串联操作 （5）串联并联操作第2页/共27页2 2、吸收剂的选择 吸收剂的选择着重考虑以下几个方面： （1）溶解性； （2）选择性； （3）挥发性； （4）粘滞性； （5）其他如腐蚀性、毒性、易燃易爆、不发泡、冰点

2、低、嘉廉易得、化学稳定性等。3、操作温度与压力的确定（1）温度的确定溶解度（2）压力的确定溶解度和操作费第3页/共27页二、填料类型的选用（一）填料类型散装填料和规整填料 1、散装填料拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍填料、矩鞍填料、环矩鞍填料等。 2、规整填料网波纹填料和板波纹填料（二）填料选择 1、填料种类选择要求传质效率、通量、填料层压降、填料的操作性能。 2、填料规格选择 散装填料工程直径；规整填料比表面积、经济性。 3、填料材质的选择陶瓷、金属和塑料三大类。第4页/共27页三、填料塔工艺尺寸的计算（一）塔径的计算 4sVDu式中：SV气体体积流量。由设计任务给定。核心问题：如何计算空塔气速

3、u1、空塔气速的确定1）泛点气速法/0.5 0.85Fu u 散装填料规整填料/0.6 0.95Fu u 泛点气速可用经验公式法，也可采用Eckert通用关联图求解：第5页/共27页（1 1）贝恩霍根关联式1/41/820.23lgtVVFLLLVLauwAKgw0.5VVLLWW20.2VLLug（2）Eckert关联图见图21横坐标：纵坐标：F注：用Eckert关联图计算泛点气速时，填料因子为湿填料因子，即泛点因子与液体喷淋密度有关，但为了工程计算方便，常采用与液体喷淋密度无关的泛点填料因子的平均值，见数据表11。A，K关联系数（可由表10查得）第6页/共27页第7页/共27页第8页/共2

4、7页2） 气相动能因子（F因子）法气相动能因子简称F因子，其定义为：VF u该公式多用于规整填料空塔气速的计算。可先从相关手册查出填料在操作条件下的F因子，后计算空塔气速u。且在低压条件下应用（0.2MPa）。3）气相负荷因子（Cs 因子）法气相负荷因子定义：VsLVCu 气相负荷因子法多用于规整填料空塔气速的确定。计算时，先求出最大气相负荷因子；常用规整填料的最大气相负荷因子可通过有关填料手册查知，也可从图22曲线（适于波纹板填料）查得，如为其他填料，可以250Y型波纹板填料为基准，乘以修正系数C，见表12后按下式计算：,max0.8ssCC0.5VLs maxVLwC(w,即在图流动参数）

5、第9页/共27页第10页/共27页2 2、塔径的计算与圆整计算的塔径从经济性考虑必须圆整；圆整后，再核算操作泛点气速。20.785hLUD3、液体喷淋密度的验算喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式为：式中：液体喷淋密度，液体喷淋量，D填料塔直径， mU32/()mmhhL3/mh 为使填料获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，称之为最小喷淋密度。minU对散装填料：minmin()tUL式中：最小喷淋密度，最小润湿速率，填料的总比表面积，minUminLt32/()mm h3/()m m h 23/mm第11页/共27页 最小润湿率是指在塔的截面上，单位长度的填

6、料周边的最小液体体积流量。其值可由相关经验公式计算，或采用一些经验值。l对于直径小于75mm的散装填料，可取0.08;对于直径大于75mm的散装填料，取0.12.l对规整填料，其最小喷淋密度可从相关手册查知，设计中，常取0.2。l实际操作中采用的液体喷淋密度大于最小喷淋密度。若液体喷淋密度小于最小喷淋密度，则需进行调整，重新计算塔径。注意：第12页/共27页（二）填料层高度计算及分段 1、填料层高度计算OGOGZHN1）传质单元数法传质单元数的计算详见吸收章节；传质单元高度的计算因传质过程复杂，至今无通用的计算方法和公式。目前，在设计中多选用一些准数关联式进行计算，应用较多的是恩田公式：修正的

7、恩田公式为：0.71/30.237VVtVGtVVVUDkDRT 2/31/21/3L0.0095LLLWLLLLUgkkD1.10.4GGwLLwkkkk 第13页/共27页其中：LL0.050.20.10.7522tWcL2tLtLLLLt23t23W2L2cUUU1 exp1.45gm /m ;m /m ;kg hkg h13 式中：填料的总比表面积，填料的润湿比表面积，液体的表面张力，/ ；填料材质的临界表面张力，/ ；填料形状系数。常见填材质的临界表面张力见表、14常见填料的形状系数见表。第14页/共27页第15页/共27页GGL321: K=1/k+1/HkHkmol/(mkPa)

8、mOGYGVVHKKP因为式中:溶解度系数（亨利系数），塔截面积，FF1.42.2u0.5uu0.5u1 9.50.51 2.60.5GGFLLFukkuukku注意：修正的恩田公式只适用于的情况，如，则应按下式进行校正：第16页/共27页2 2）等板高度法 TZHETP N3333ln()1.292ln1.47ln:N mPa s h15 1036*10 N / m;0.08*100.83*10 Pa sLLLLLLHETPh-式中液体表面张力,/ ; 液体黏度，常数，其值见表。 注：该公式适用范围：1、理论塔板数的计算参蒸馏章节2、等板高度的计算 等板高度与许多因素有关，如填料的类型、尺寸

9、、流体的物性、操作条件及设备尺寸等。其计算方法一般通过实验测定，或从相关手册查知。近年来研究这总结大量数据得到如下常压精馏时的等板高度计算式：上述方法计算的填料层高度，在实际应用中应留有一定的余量，其经验公式为：Z(1.2 1.5)Z第17页/共27页第18页/共27页 2 2、填料层的分段 因液体向下流动时，通过一定的距离，易发生偏集流现象，造成气液分布不均，降低传质效率。设计中，应每隔一定的填料层高度，进行分段，同时加装液体再分布器。 （1）散装填料的分段 以h/D（分段高度与塔径之比）作为基本分段比例，h max 为允许最大填料层高度。见表16。第19页/共27页（2）规整填料的分段h(

10、15 20)HETP对 于 规 整 填 料 ， 分 段 高 度 可 按 下 式 确 定 ：亦可参阅表17推荐的分段高度值。第20页/共27页四、填料层压降的计算 计算方法：通过关联图求得单位填料层高度的压降，结合填料层高度，进行计算。（一）散装填料的压降计算1、埃克特通用关联图计算注意：用埃克特通用关联式计算压降时，填料因子为湿填料因子，简称压降填料因子。因其与液体喷淋密度有关，为工程计算方便，常采用与液体喷淋密度无关的压降填料因子平均值。部分散装填料因子压降填料因子平均值见表18 ： 第21页/共27页2、由填料压降曲线查得（二）规整填料压降的计算V3VP/Z= (u)P/ZPa/m; u

11、m/s; kg/m ; 式中：每米填料层高度的压降，空塔气速，气体密度，、关联式常数，可从相关手册查知。 1、由填料的压降关联式计算2、由填料压降曲线得到FP/Z从 因子与曲线查得。第22页/共27页五、填料塔附属内件的类型设计 （一）塔内件的类型1、填料支撑板2、填料压紧板类型：栅板型、孔管型、驼峰型等。选用：散装填料孔管型或驼峰型； 规整填料栅板型。类型：压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等。选用：散装填料压紧网板或压紧栅板； 规整填料压紧栅板；且：要求压紧装置的自由截面积大于70%。第23页/共27页 3、液体分布器类型：喷头式、盘式、管式、槽式、槽盘式等。4、液体收集及再分布装置液体再分布

12、器：截锥式分布器（最常用）无液体收集作用；液体收集器：斜板式液体收集器，与液体再分布器联用。（二）塔内件的设计1、液体分布器设计的基本要求（1）液体分布均匀足够的分布点密度（见表19，20）；分布点的几何均匀；降液点间的流量均匀性。（2）操作弹性大液体分布器的操作弹性为24（3）自由截面大自由截面积为50%70%。（4）其他结构紧凑、占空间小、制作容易、调整和维修方便。第24页/共27页2、液体再分布能力的计算 （1）重力型分布器布液能力的计算2s03s0Ld n2h H4Lm /s; n0.55 0.60 dm;Hm.多孔型布液器布液能力的计算公式为：式中：液体流量，开孔数目（分布点数目）； 孔流系数，一般取孔径，开孔上方的液体液位高度，类型：多孔型和溢流型，工业上以多孔型为主。(2)压力型液体分布器布液能力计算 2s0L3s0