填料塔的设计

填料塔的设计设计步骤：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：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。（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。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u1、空塔气速的确定1）泛点气速法/0.5~0.85Fuu——散装填料——规整填料/0.6~0.95Fuu泛点气速可用经验公式法，也可采用Eckert通用关联图求解：（1）贝恩——霍根关联式1/41/820.23lg[]tVVFLLLVLauwAKgw0.5VVLLWW20.2VLLug（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）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：VFu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：,max0.8ssCC0.5VLsmaxVLwC(w,即在图——流动参数）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。20.785hLUD3、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/()mmhhL3/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，minUminLt32/()mmh3/()mmh23/mm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。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.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。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：（二）填料层高度计算及分段1、填料层高度计算OGOGZHN1）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：修正的恩田公式为：0.71/30.237VVtVGtVVVUDkDRT2/31/21/3L0.0095LLLWLLLLUgkkD1.10.4GGwLLwkkkk其中：LL0.050.20.10.7522tWcL2tLtLLLLt23t23W2L2cUUU1exp1.45gm/m;m/m;kghkgh13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。GGL321:K=1/k+1/HkHkmol/(mkPa)mOGYGVVHKKP因为式中:溶解度系数（亨利系数），塔截面积，FF1.4'2.2'u0.5uu0.5u19.50.512.60.5GGFLLFukkuukku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：2）等板高度法TZHETPN3333ln()1.292ln1.47ln:NmPash151036*10N/m;0.08*100.83*10PasLLLLLLHETPh-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、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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，hmax为允许最大填料层高度。见表16。（2）规整填料的分段h(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。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18：2、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;um/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。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%。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2~4（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。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2s03s0Ldn2hH4Lm/s;n0.55~0.60dm;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2s0L3s03LPLdn2g4gLm/sn0.6~0.65dmPPakgm;式中：液体流量，；开孔数目；孔流系数，取；孔径，；分布器的压差（或压降），；液体密度，/设计中，液体流量已知，给定开孔上方的液位高度（或压差），依据计算公式，可设定开孔数目，计算孔径；亦可设定孔径，计算开孔数目。六、示例分析见参考资料。