填料塔的设计

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。
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
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
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：
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
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

−0.05
UL ρ Lσ Lα t
2
ห้องสมุดไป่ตู้

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。
1/8
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，
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：
（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
1/ 4
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 、
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：
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）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
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
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
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。
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
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。
（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）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 、
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：
1.4 u ' kGα = 1+ 9.5 − 0.5 kGα uF 2.2 u ' kLα = 1+ 2.6 − 0.5 kLα uF