第六章化工设备的工艺设计2
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150、250、350、500、700m2/m3等几种 规格。
比表面积 越大
分离效率越高
阻力增加
通量减小
填料的选择
填料的材质 ✓ 陶瓷 ✓ 金属 ✓ 塑料
优点：耐腐蚀、耐热性 缺点：质脆、易碎
优点：可制成薄壁结构， 通量大，气体阻力小，具 有很高的的抗冲击性能。 缺点：耐腐蚀性差。耐腐
蚀的钢材造价极高。
填料塔
持液量小，塔操作有时会不 稳定。不适合侧线出料和进 料等复杂情况。填料层容易 堵塞，不宜直接处理有悬浮
物或容易聚合的物料。
板式塔 > 填料塔
各种塔型的选择可参考P244表6.33
塔设备的选型
板式塔 填料塔
蒸馏过程 吸收过程
板式塔的设计
板式塔的设计步骤： 根据设计任务和工艺要求，确定设计方案 根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型 确定塔径、塔高等工艺尺寸 进行塔板的设计，包括溢流装置、塔板的
• 填料的类型与选择 （一）填料的类型
1.散装填料 2.规整填料
填料的类型（散装填料）
• 拉西环
25～75mm
填料的类型（散装填料）
• 鲍尔环
填料的类型（散装填料）
• 阶梯环填料
填料的类型（散装填料）
• 矩鞍形
• 金属英特洛克斯（Intalox）填料
填料的类型（规整填料）
• 波纹填料
30度倾角：代号X或BX 45度倾角：代号Y或CY
填料的规格 填料的材质
填料的选择
• （1）散装填料规格的选择 散装填料的规格通常是指填料的公称直径。 DN16、DN25、DN38、DN50、DN76
尺寸越小 分离效率越高 阻力增加
小塔径大 尺寸
空隙过大
产生壁流
通量减小 填料费用增加
传质效率下降 生产能力下降
压降增大
填料的选择
• （2）规整填料的规格 国内习惯用比表面积表示，主要有125、
传质通过上升气体穿过 板上的液层来实现，塔 板的开孔率一般占塔截
面积的7%～10%。
填料塔
传质通过上升气体和靠重力 沿填料表面下降的液流接触 实现。填料塔内件的开孔率
通常在50%以上.
板式塔 < 填料塔
板式塔与填料塔的比较
分离效率的比较
板式塔
每米理论板数最多不超 过2。
填料塔
工业上常用填料塔每米理论 级为2～8级。在减压、常压 和低压(压力小于0.3MPa) 操作下，填料塔的分离效率
比表面积，
m2/m3
kx
0.0095
UL
W
L
2
3
L L DL
1 2
Lg L
1
3
填料的润 湿比表面 积，m2/m3
溶质在液体中的扩 散系数，m2/s
填料层高度的计算
对于鞍形填料和拉西环：
a
0.11
L2
2 L
gDP
1 2
DP L2
L
2
3
DP1
a值也可通过有效传质表面与喷淋密度的关系图P257图6.9。
NOL
X2 X1
1 X
X
dX
填料层高度的计算
2)传质单元高度的计算
H OG
G' k y a
H OL
L' k x a
惰性气体流量 吸收塔横截面积
吸收剂流量
填料的有效 传质面积
填料层高度的计算
气体的质量通量，
kg/(m2·h)
填料的总
ky
0.237
UV
t v
0.7
v v Dv
1
3 t Dv
RT
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
• 液体喷淋密度的验算
填料塔的液体喷淋密度：
单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量
液体喷淋密度
U Lh 0.785D2
液体的喷淋量 m3/h
m3/(m2·h)
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
• 最小喷淋密度
最小润湿速率
最小喷淋密度：
LV
m in
(MWR )
对于散装 直径≤76mm， MWR 0.08m3 /m • h
P255表6.39 查取用于工业塔的HETP参考值
填料层高度的计算
Z ' 1.2 1.5Z
填料层的分段
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
• 对于散装填料 u/uF=0.5～0.8
• 对于规整填料 u/uF=0.6～0.95
考虑因素包括：填料塔的操作压力和物系的发泡程度
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
（1）贝恩-霍根关联式
lg
uF2 g
•
a
3
•
G L
•
பைடு நூலகம்
0.2 L
A K L G
1
4
•
G L
填料塔的设计
（3）吸收剂部分再循环的 操作
优点：提高吸收剂的利用率。 对于非等温吸收过程，可 以控制塔内的温升。
缺点：平均推动力低，需设 置循环泵，操作费用增加。
填料塔的设计
（4）多塔串联操作
优点：防止填料层高 度过大；便于维修。 缺点：输液、喷淋、 支撑板等辅助装置增 加，使设备投资加大。
填料塔的设计
理论塔板数
Z
NT ET
1 HT
总板效率 P246图6.4
板间距
板式塔的工艺尺寸计算
（二）确定蒸馏塔理论板数（吉利兰图）
a. 计算最小回流比
(1)
i xF,i 1 q
i
(2)
i xD,i
i
Rmin
1
板式塔的工艺尺寸计算
b. 确定最小理论板数
N min
lg
xD,L xw,h xD,h xw,L
填料塔的设计
• 填料吸收塔设计方案的确定 （1）逆流操作
优点：传质推动力大，传质速率快，分离 效率高，吸收剂用量高。工业生产中多采 用逆流操作。 缺点：操作气速不宜过大
填料塔的设计
（2）并流操作 优点：系统不受液流限制，可提高操作气 速，以提高生产能力。 缺点：传质推动力较小。
适用于：流向对推动力影响不大；易溶气体 的吸收或处理的气体不需吸收很完全；逆 流操作易引起液泛的体系。
C
C
20
L
20
0.2
P249图6.5
0.5
L V
L V
板式塔的工艺尺寸计算
（四）塔板的设计
泡罩塔板
优点：操作弹性大，并且稳定； 不易堵塞。 缺点：结构复杂，制造成本高， 安装、检修不方便，生产能力 小。
粘度大，易结焦
板式塔的工艺尺寸计算
筛孔塔板
优点：结构简单，造价低 廉，安装、维修方便。生 产能力、塔板效率、板压 降优于泡罩塔。
lg L,h,av
1
N min
lg
xD,L xD,h
xw,h xw,L
lg L,h,av
2
板式塔的工艺尺寸计算
c.用吉利兰图相应的理论板数N(书上P246图6.3)
板式塔的工艺尺寸计算
（三）塔径的计算
D 4V
u
安全系数
u 0.6 ~ 0.8umax
板式塔的工艺尺寸计算
umax C
L V V
第六章 化工设备的工艺设计
塔设备的类型
塔设备的类型
根据塔内气液接触构件的结构形式： 板式塔 填料塔
板式塔
填料塔
板式塔与填料塔的比较
工业上，评价塔设备的性能指标主要有 以下几个方面： 生产能力 分离效率 塔压降 操作弹性 结构、制造及造价
板式塔与填料塔的比较
生产能力的比较
板式塔
明显优于板式塔。
板式塔 < 填料塔
板式塔与填料塔的比较
压力降
板式塔
一般情况下，板式塔的 每个理论级压降约在
0.4～1.1kPa
填料塔
一般情况下，填料塔的每个 理论级压降约在0.01～ 0.27kPa
板式塔 < 填料塔
板式塔与填料塔的比较
操作弹性
板式塔
由于受到塔板液泛、液沫 夹带及降液管能力的限制，
缺点：操作弹性小。
板式塔的工艺尺寸计算
优点：造价低，操作弹 性大、传质性能良好， 塔板效率高。 缺点：容易堵塞
板式塔的工艺尺寸计算
板式塔的工艺尺寸计算
开孔率的计算
筛孔区面积
A0 100 %
Aa
Aspen
填料塔的设计
填料塔的设计步骤如下： • 根据设计任务和工艺要求，确定设计方案 • 根据设计任务和工艺要求，合理的选择填料 • 确定塔径、填料层高度等工艺尺寸 • 计算填料层的压降 • 进行填料塔塔内件的设计和选型
布置、升气道的设计及排列 进行校核验算。
板式塔的设计
设计方案的确定 （一）装置流程的确定
原
料
精
冷凝器
冷却器
或
馏
产
塔
冷却器
品
的
预
再沸器
处
理
板式塔的设计
（二）操作压力的选择
常压蒸馏 减压蒸馏 加压蒸馏
板式塔的设计
（三）进料热状况的选择
q=1 饱和液体进料 q=0 饱和蒸气进料 0<q<1 气液混合物进料 q<0 过热蒸气进料 q>1 过冷液体进料
一般操作弹性较小
填料塔
填料本身对气液负荷变化的 适应性很大，可根据实际需 要确定填料塔的操作弹性。
板式塔 < 填料塔
板式塔与填料塔的比较
结构、制造及造价等
板式塔
造价低
填料塔
结构较为简单、制造维修方 便，但是造价较高
板式塔 > 填料塔
板式塔与填料塔的比较
其它方面
板式塔
持液量大，比填料塔更易 于操作。容易实现侧线进 料和出料，可以直接处理 悬浮物或容易聚合的物料。
填料性能的优劣通常根据 效率(Efficiency)、通量 (Flux)及压降(Press to decline)三要素衡量。在 相同的操作条件下，填料 的比表面积越大，气液分 布越均匀，表面的润湿性 能越好，则传质效率越高； 填料的空隙率越大，结构 越开敞，则通量越大，压 降亦越低。
填料的选择
1
8
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
（2）埃克特通用关联图
0.5
X
GL GV
V L
Y
GV2 gv L
0.2 L
填料因子
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
• 塔径的计算与圆整 常用的标准塔径为：400，500，600，700， 800，1000，1200，1400，1600，2000， 2200等。 圆整后，再核算操作空塔气速u与泛点率。
板式塔的设计
（四）加热方式的选择
设置再沸器，采用间接蒸汽加热
不设再沸器，采用直接蒸汽加热
板式塔的设计
（五）回流比的选择
选择原则：使设备费和操作费用之和最低。
板式塔的工艺尺寸计算
塔的高度 塔板的数目 塔径的确定 塔板的设计
计 算！
板式塔的工艺尺寸计算
（一）塔的有效高度
实际塔板数
Z N实 HT
填料层高度的计算
• 等板高度法
Z HETP • NT
填料的类型和尺寸
等板高度 （HETP）
系统物性 操作条件
设备的尺寸
P258 图6.10
填料层高度的计算
常压蒸馏时的HETP计算
液体的表面张力
lnHETP h 1.292 ln L 1.47 ln L
10-3<σL<36×10-3N/m 0.08×10-3<μL<0.83×10-3Pa·s
填料：
直径>76mm， MWR 0.12m3 /m • h
比表面积
对于规整 填料：
可从有关填料手册中查得，设计中通常取0.2
填料层高度的计算
1）传质单元数法
吸收、解析及萃取
2）等板高度法
精馏过程
填料层高度的计算
• 传质单元数法
Z HOGNOG
Z HOLNOL
1）传质单元数
N OG
Y2 1 dY Y1 Y Y
优点：耐腐蚀性好，耐温性良好， PP、PE、PVC，质轻、价廉、耐
冲击。 缺点：表面润湿性差，需表面处理。
填料塔尺寸的计算
• 塔径的计算 • 填料层高度的计算及分段
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
（一）塔径的计算
D 4V
u
u与泛点气速的关系： 泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔 的操作空塔气速必须小于泛点气速，操作空 塔气速与泛点气速之比成为泛点率。
比表面积 越大
分离效率越高
阻力增加
通量减小
填料的选择
填料的材质 ✓ 陶瓷 ✓ 金属 ✓ 塑料
优点：耐腐蚀、耐热性 缺点：质脆、易碎
优点：可制成薄壁结构， 通量大，气体阻力小，具 有很高的的抗冲击性能。 缺点：耐腐蚀性差。耐腐
蚀的钢材造价极高。
填料塔
持液量小，塔操作有时会不 稳定。不适合侧线出料和进 料等复杂情况。填料层容易 堵塞，不宜直接处理有悬浮
物或容易聚合的物料。
板式塔 > 填料塔
各种塔型的选择可参考P244表6.33
塔设备的选型
板式塔 填料塔
蒸馏过程 吸收过程
板式塔的设计
板式塔的设计步骤： 根据设计任务和工艺要求，确定设计方案 根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型 确定塔径、塔高等工艺尺寸 进行塔板的设计，包括溢流装置、塔板的
• 填料的类型与选择 （一）填料的类型
1.散装填料 2.规整填料
填料的类型（散装填料）
• 拉西环
25～75mm
填料的类型（散装填料）
• 鲍尔环
填料的类型（散装填料）
• 阶梯环填料
填料的类型（散装填料）
• 矩鞍形
• 金属英特洛克斯（Intalox）填料
填料的类型（规整填料）
• 波纹填料
30度倾角：代号X或BX 45度倾角：代号Y或CY
填料的规格 填料的材质
填料的选择
• （1）散装填料规格的选择 散装填料的规格通常是指填料的公称直径。 DN16、DN25、DN38、DN50、DN76
尺寸越小 分离效率越高 阻力增加
小塔径大 尺寸
空隙过大
产生壁流
通量减小 填料费用增加
传质效率下降 生产能力下降
压降增大
填料的选择
• （2）规整填料的规格 国内习惯用比表面积表示，主要有125、
传质通过上升气体穿过 板上的液层来实现，塔 板的开孔率一般占塔截
面积的7%～10%。
填料塔
传质通过上升气体和靠重力 沿填料表面下降的液流接触 实现。填料塔内件的开孔率
通常在50%以上.
板式塔 < 填料塔
板式塔与填料塔的比较
分离效率的比较
板式塔
每米理论板数最多不超 过2。
填料塔
工业上常用填料塔每米理论 级为2～8级。在减压、常压 和低压(压力小于0.3MPa) 操作下，填料塔的分离效率
比表面积，
m2/m3
kx
0.0095
UL
W
L
2
3
L L DL
1 2
Lg L
1
3
填料的润 湿比表面 积，m2/m3
溶质在液体中的扩 散系数，m2/s
填料层高度的计算
对于鞍形填料和拉西环：
a
0.11
L2
2 L
gDP
1 2
DP L2
L
2
3
DP1
a值也可通过有效传质表面与喷淋密度的关系图P257图6.9。
NOL
X2 X1
1 X
X
dX
填料层高度的计算
2)传质单元高度的计算
H OG
G' k y a
H OL
L' k x a
惰性气体流量 吸收塔横截面积
吸收剂流量
填料的有效 传质面积
填料层高度的计算
气体的质量通量，
kg/(m2·h)
填料的总
ky
0.237
UV
t v
0.7
v v Dv
1
3 t Dv
RT
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
• 液体喷淋密度的验算
填料塔的液体喷淋密度：
单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量
液体喷淋密度
U Lh 0.785D2
液体的喷淋量 m3/h
m3/(m2·h)
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
• 最小喷淋密度
最小润湿速率
最小喷淋密度：
LV
m in
(MWR )
对于散装 直径≤76mm， MWR 0.08m3 /m • h
P255表6.39 查取用于工业塔的HETP参考值
填料层高度的计算
Z ' 1.2 1.5Z
填料层的分段
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
• 对于散装填料 u/uF=0.5～0.8
• 对于规整填料 u/uF=0.6～0.95
考虑因素包括：填料塔的操作压力和物系的发泡程度
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
（1）贝恩-霍根关联式
lg
uF2 g
•
a
3
•
G L
•
பைடு நூலகம்
0.2 L
A K L G
1
4
•
G L
填料塔的设计
（3）吸收剂部分再循环的 操作
优点：提高吸收剂的利用率。 对于非等温吸收过程，可 以控制塔内的温升。
缺点：平均推动力低，需设 置循环泵，操作费用增加。
填料塔的设计
（4）多塔串联操作
优点：防止填料层高 度过大；便于维修。 缺点：输液、喷淋、 支撑板等辅助装置增 加，使设备投资加大。
填料塔的设计
理论塔板数
Z
NT ET
1 HT
总板效率 P246图6.4
板间距
板式塔的工艺尺寸计算
（二）确定蒸馏塔理论板数（吉利兰图）
a. 计算最小回流比
(1)
i xF,i 1 q
i
(2)
i xD,i
i
Rmin
1
板式塔的工艺尺寸计算
b. 确定最小理论板数
N min
lg
xD,L xw,h xD,h xw,L
填料塔的设计
• 填料吸收塔设计方案的确定 （1）逆流操作
优点：传质推动力大，传质速率快，分离 效率高，吸收剂用量高。工业生产中多采 用逆流操作。 缺点：操作气速不宜过大
填料塔的设计
（2）并流操作 优点：系统不受液流限制，可提高操作气 速，以提高生产能力。 缺点：传质推动力较小。
适用于：流向对推动力影响不大；易溶气体 的吸收或处理的气体不需吸收很完全；逆 流操作易引起液泛的体系。
C
C
20
L
20
0.2
P249图6.5
0.5
L V
L V
板式塔的工艺尺寸计算
（四）塔板的设计
泡罩塔板
优点：操作弹性大，并且稳定； 不易堵塞。 缺点：结构复杂，制造成本高， 安装、检修不方便，生产能力 小。
粘度大，易结焦
板式塔的工艺尺寸计算
筛孔塔板
优点：结构简单，造价低 廉，安装、维修方便。生 产能力、塔板效率、板压 降优于泡罩塔。
lg L,h,av
1
N min
lg
xD,L xD,h
xw,h xw,L
lg L,h,av
2
板式塔的工艺尺寸计算
c.用吉利兰图相应的理论板数N(书上P246图6.3)
板式塔的工艺尺寸计算
（三）塔径的计算
D 4V
u
安全系数
u 0.6 ~ 0.8umax
板式塔的工艺尺寸计算
umax C
L V V
第六章 化工设备的工艺设计
塔设备的类型
塔设备的类型
根据塔内气液接触构件的结构形式： 板式塔 填料塔
板式塔
填料塔
板式塔与填料塔的比较
工业上，评价塔设备的性能指标主要有 以下几个方面： 生产能力 分离效率 塔压降 操作弹性 结构、制造及造价
板式塔与填料塔的比较
生产能力的比较
板式塔
明显优于板式塔。
板式塔 < 填料塔
板式塔与填料塔的比较
压力降
板式塔
一般情况下，板式塔的 每个理论级压降约在
0.4～1.1kPa
填料塔
一般情况下，填料塔的每个 理论级压降约在0.01～ 0.27kPa
板式塔 < 填料塔
板式塔与填料塔的比较
操作弹性
板式塔
由于受到塔板液泛、液沫 夹带及降液管能力的限制，
缺点：操作弹性小。
板式塔的工艺尺寸计算
优点：造价低，操作弹 性大、传质性能良好， 塔板效率高。 缺点：容易堵塞
板式塔的工艺尺寸计算
板式塔的工艺尺寸计算
开孔率的计算
筛孔区面积
A0 100 %
Aa
Aspen
填料塔的设计
填料塔的设计步骤如下： • 根据设计任务和工艺要求，确定设计方案 • 根据设计任务和工艺要求，合理的选择填料 • 确定塔径、填料层高度等工艺尺寸 • 计算填料层的压降 • 进行填料塔塔内件的设计和选型
布置、升气道的设计及排列 进行校核验算。
板式塔的设计
设计方案的确定 （一）装置流程的确定
原
料
精
冷凝器
冷却器
或
馏
产
塔
冷却器
品
的
预
再沸器
处
理
板式塔的设计
（二）操作压力的选择
常压蒸馏 减压蒸馏 加压蒸馏
板式塔的设计
（三）进料热状况的选择
q=1 饱和液体进料 q=0 饱和蒸气进料 0<q<1 气液混合物进料 q<0 过热蒸气进料 q>1 过冷液体进料
一般操作弹性较小
填料塔
填料本身对气液负荷变化的 适应性很大，可根据实际需 要确定填料塔的操作弹性。
板式塔 < 填料塔
板式塔与填料塔的比较
结构、制造及造价等
板式塔
造价低
填料塔
结构较为简单、制造维修方 便，但是造价较高
板式塔 > 填料塔
板式塔与填料塔的比较
其它方面
板式塔
持液量大，比填料塔更易 于操作。容易实现侧线进 料和出料，可以直接处理 悬浮物或容易聚合的物料。
填料性能的优劣通常根据 效率(Efficiency)、通量 (Flux)及压降(Press to decline)三要素衡量。在 相同的操作条件下，填料 的比表面积越大，气液分 布越均匀，表面的润湿性 能越好，则传质效率越高； 填料的空隙率越大，结构 越开敞，则通量越大，压 降亦越低。
填料的选择
1
8
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
（2）埃克特通用关联图
0.5
X
GL GV
V L
Y
GV2 gv L
0.2 L
填料因子
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
• 塔径的计算与圆整 常用的标准塔径为：400，500，600，700， 800，1000，1200，1400，1600，2000， 2200等。 圆整后，再核算操作空塔气速u与泛点率。
板式塔的设计
（四）加热方式的选择
设置再沸器，采用间接蒸汽加热
不设再沸器，采用直接蒸汽加热
板式塔的设计
（五）回流比的选择
选择原则：使设备费和操作费用之和最低。
板式塔的工艺尺寸计算
塔的高度 塔板的数目 塔径的确定 塔板的设计
计 算！
板式塔的工艺尺寸计算
（一）塔的有效高度
实际塔板数
Z N实 HT
填料层高度的计算
• 等板高度法
Z HETP • NT
填料的类型和尺寸
等板高度 （HETP）
系统物性 操作条件
设备的尺寸
P258 图6.10
填料层高度的计算
常压蒸馏时的HETP计算
液体的表面张力
lnHETP h 1.292 ln L 1.47 ln L
10-3<σL<36×10-3N/m 0.08×10-3<μL<0.83×10-3Pa·s
填料：
直径>76mm， MWR 0.12m3 /m • h
比表面积
对于规整 填料：
可从有关填料手册中查得，设计中通常取0.2
填料层高度的计算
1）传质单元数法
吸收、解析及萃取
2）等板高度法
精馏过程
填料层高度的计算
• 传质单元数法
Z HOGNOG
Z HOLNOL
1）传质单元数
N OG
Y2 1 dY Y1 Y Y
优点：耐腐蚀性好，耐温性良好， PP、PE、PVC，质轻、价廉、耐
冲击。 缺点：表面润湿性差，需表面处理。
填料塔尺寸的计算
• 塔径的计算 • 填料层高度的计算及分段
填料塔尺寸的计算（塔径的计算）
（一）塔径的计算
D 4V
u
u与泛点气速的关系： 泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔 的操作空塔气速必须小于泛点气速，操作空 塔气速与泛点气速之比成为泛点率。