填料塔的设计

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A，K——关联系数（可 关联系数（ 关联系数 由表10查得 查得） 由表 查得）
关联图——见图21 （2）Eckert关联图 ） 关联图 横坐标： 横坐标： 纵坐标： 纵坐标：
u 2φψ g
ρV 0.2 µL ρL
关联图计算泛点气速时， 注：用Eckert关联图计算泛点气速时，填料因子为湿填料因子，即 关联图计算泛点气速时 填料因子为湿填料因子，
C s = 0.8C s ,max
即在Cs,max
w ρ ϕ图(ϕ = L V ——流动参数） wV ρL
0.5
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。 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。
3、液体喷淋密度的验算 、
φ
F
泛点因子与液体喷淋密度有关，但为了工程计算方便， 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。 体喷淋密度无关的泛点填料因子的平均值，见数据表 。
气相动能因子（ 因子） 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： 气相动能因子简称 因子，其定义为： 因子
上述方法计算的填料层高度， 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： 中应留有一定的余量，其经验公式为：
Z' = (1.2 ~ 1.5)Z
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， 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， 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。 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 （分段高度与塔径之比）作为基本分段比例， 大填料层高度。见表16。 大填料层高度。见表 。
1.4 u ' kGα = 1+ 9.5 − 0.5 kGα uF 2.2 u ' kLα = 1+ 2.6 − 0.5 kLα uF
2）等板高度法
Z = HETP ⋅ NT
1、理论塔板数的计算——参蒸馏章节 、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、流体的物性、 等板高度与许多因素有关，如填料的类型、尺寸、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。 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： 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：
传质单元数的计算详见吸收章节； 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 至今无通用的计算方法和公式。目前， 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： 关联式进行计算，应用较多的是恩田公式： 修正的恩田公式为： 修正的恩田公式为：
ln( HETP ) = h − 1.292 ln σ L + 1.47 ln µ L 式中:σ L L 液体表面张力, N /m; µ L L 液体黏度， Pa ⋅ s h L 常数，其值见表15。 注：该公式适用范围： 10 -3 p σ L p 36 *10 −3 N / m; 0.08 *10 −3 p µ L p 0.83*10 −3 Pa ⋅ s
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k G α = k G α wψ 1.1 k Lα = k Lα wψ
0.4
其中： 其中：
0.1 0.75 2 σ c UL U Lα t αW = 1 − exp −1.45 2 αt σ L α t µL ρ L g 式中：α t L 填料的总比表面积，m 2 / m3 ;
UV µV αt DV kG = 0.237 αt µV ρV DV RT
UL µL kL = 0.0095 αW kL ρL DL
2/3 −1/ 2
0.7
1/3
µL g ρL
（1）温度的确定 ）温度的确定——溶解度 溶解度 （2）压力的确定 ）压力的确定——溶解度和操作费 溶解度和操作费
二、填料类型的选用
（一）填料类型——散装填料和规整填料 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 、散装填料 拉西环、 拉西环 鲍尔环、阶梯环、弧鞍填料、 鞍填料、环矩鞍填料等。 鞍填料、环矩鞍填料等。 2、规整填料 、规整填料——网波纹填料和板波纹填料 网波纹填料和板波纹填料

−0.05
UL ρ Lσ Lα t
2

0.2

α W L 填料的润湿比表面积，m 2 / m3 ; σ L L 液体的表面张力，kg/h 2； σ c L 填料材质的临界表面张力，kg/h 2； ψ L 填料形状系数。
常见填材质的临界表面张力见表13、常见填料的形状系数见表14。
2 3 α t ——填料的总比表面积， / m 填料的总比表面积， 填料的总比表面积 m
Lmin——最小润湿速率， 3 /(m⋅h) 最小润湿速率， 最小润湿速率 m
最小润湿率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。 最小润湿率是指在塔的截面上，单位长度的填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。 其值可由相关经验公式计算，或采用一些经验值。
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： 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：
Lh U= 0.785D 0.785 D 2
源自文库
式中： 液体喷淋密度， 3 2 式中： U ——液体喷淋密度， m /(m • h) 液体喷淋密度
Lh
3 ——液体喷淋量， m / h 液体喷淋量， 液体喷淋量
（2）规整填料的分段 ）
对于规整填料，分段高度可按下式确定： h = (1 5 ~ 2 0 ) H E T P
1 因为: K Gα = 1/k Gα +1/Hk Lα H OG = V K Y αΩ = V K Gα P Ω
式中:H L 溶解度系数（亨利系数）， kmol /(m 3 ⋅ kPa) Ω L 塔截面积， m 2
注意：修正的恩田公式只适用于u ≤ 0.5uF的情况，如u f 0.5uF， 则应按下式进行校正：
填料塔的设计
设计步骤： 设计步骤：
1、确定设计方案 2、合理选择填料及其类型 3、确定塔径、填料层高度等工艺尺寸 确定塔径、 4、计算填料层的压降 5、进行填料塔内件的设计与选型
一、设计方案的确定
（一）填料精馏塔设计方案的确定
包括： 包括： 1、装置流程的确定； 、装置流程的确定； 2、操作压力的确定； 、操作压力的确定； 3、进料热状态的确定； 、进料热状态的确定； 4、加热方式的确定； 、加热方式的确定； 5、回流比的选择等； 、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， 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。 学习板式塔设计再加以讨论。
Cs = u
ρ L − ρV
ρV
气相负荷因子法多用于规整填料空塔气速的确定。计算时， 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； 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 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 22曲线 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： 12》 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：
注意： 注意：
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 实际操作中采用的液体喷淋密度大于最小喷淋密度。 最小喷淋密度，则需进行调整，重新计算塔径。 最小喷淋密度，则需进行调整，重新计算塔径。
（二）填料层高度计算及分段
1）传质单元数法 ） 1、填料层高度计算 、
Z = HOG ⋅ NOG
（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 、填料种类选择要求 传质效率、 传质效率 通量、填料层压降、 料的操作性能。 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。 工程直径；规整填料 比表面积、 散装填料 工程直径 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。 、填料材质的选择 陶瓷、 陶瓷 金属和塑料三大类。
F =u ρV
该公式多用于规整填料空塔气速的计算。 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）。 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（ 因子） 气相负荷因子定义： 气相负荷因子定义：
（1）贝恩——霍根关联式 贝恩 霍根关联式
2 uF lg[ g
at ρV 3 ε ρL
w ρ 0.2 µL ] = A − K L V wV ρ L
WV ρ V WL ρ L
0.5
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对于直径小于75mm的散装填料，可取0.08;对于直径大于 的散装填料，可取 对于直径大于75mm的散装填料， 的散装填料， 对于直径小于 的散装填料 对于直径大于 的散装填料 取0.12. 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 。 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。
D——填料塔直径， m 填料塔直径， 填料塔直径 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， 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。 为最小喷淋密度。 U min 对散装填料： 对散装填料： U min
= ( Lmin )α t
3 2 U 式中： 最小喷淋密度， 式中： min——最小喷淋密度， /(m ⋅ h) 最小喷淋密度 m
三、填料塔工艺尺寸的计算
（一）塔径的计算
4Vs D= πu
式中： 气体体积流量。 式中： VS ——气体体积流量。由设计任务 气体体积流量 给定。 给定。
核心问题：如何计算空塔气速 核心问题：如何计算空塔气速u 1、空塔气速的确定 、 1）泛点气速法 ） 散装填料 u / uF = 0.5 ~ 0.85 ——散装填料 规整填料 u / uF = 0.6 ~ 0.95 ——规整填料 泛点气速可用经验公式法，也可采用 通用关联图求解： 泛点气速可用经验公式法，也可采用Eckert通用关联图求解： 通用关联图求解
（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： 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 ）串联——并联操作 并联操作
2、吸收剂的选择 吸收剂的选择着重考虑以下几个方面： 吸收剂的选择着重考虑以下几个方面：
（1）溶解性； ）溶解性； （2）选择性； ）选择性； （3）挥发性； ）挥发性； （4）粘滞性； ）粘滞性； 如腐蚀性、 （5）其他 ）其他——如腐蚀性、毒性、易燃易爆、不发泡、 如腐蚀性 毒性、易燃易爆、不发泡、 冰点低、嘉廉易得、化学稳定性等。 冰点低、嘉廉易得、化学稳定性等。
3、操作温度与压力的确定 、