填料塔设计

填料塔的设计

本章符号说明英文字母

a——填料的有效比表面积，m2/m3 at——填料的总比表面积，m2/m3 aW——填料的润湿比表面积，m2/m3 AT——塔截面积，m2；

C——计算umax时的负荷系数，m/s； Cs——气相负荷因子，m/s； d——填料直径，m； D——塔径，m；

DL——液体扩散系数，m2/s； Dv——气体扩散系数，m2/s ； ev——液沫夹带量,kg(液)/kg(气)； E——液流收缩系数，无因次; ET——总板效率，无因次； g——重力加速度，9.81 m/s2 ； h——填料层分段高度，m； HETP关联式常数；

hmax——允许的最大填料层高度，m； HB——塔底空间高度，m； HD——塔顶空间高度，m； HoG——气相总传质单元高度，m； H1——封头高度，m； H2——裙座高度，m； HETP——等板高度，m；

kG——气膜吸收系数，kmol/(m2·s·kPa)； kL——液膜吸收系数，m/s；

KG——气相总吸收系数，kmol/(m2·s·kPa)； lW——堰长，m；

Lb——液体体积流量，m3/h； LS——液体体积流量，m3/s； LW——润湿速率，m3/(m·s)； m——相平衡常数，无因次；

n——筛孔数目；

NOG——气相总传质单元数； P——操作压力，Pa； △P——压力降，Pa； u——空塔气速，m/s； uF——泛点气速，m/s

u0.min——漏液点气速，m/s；

u′0——液体通过降液管底隙的速度，m/s； U——液体喷淋密度，m3/(m2·h) UL——液体质量通量，kg/(m2·h) Umin——最小液体喷淋密度，m3/(m2·h) Uv——气体质量通量，kg/(m2·h) Vh——气体体积流量，m3/h； VS——气体体积流量，kg/s； wL——液体质量流量，kg/s； wV——气体质量流量，kg/s； x——液相摩尔分数； X——液相摩尔比Z y——气相摩尔分数； Y——气相摩尔比；

Z——板式塔的有效高度，m； 填料层高度，m。 希腊字母

β——充气系数，无因次； δ——筛板厚度，m ε——空隙率，无因次；

θ——液体在降液管内停留时间，s； μ——粘度，Pa·s； ρ——密度，kg/m3； ζ——表面张力，N/m；

φ——开孔率或孔流系数，无因次； Φ——填料因子，l/m；

ψ——液体密度校正系数，无因次。 下标

max——最大的； min——最小的； L——液相的；

V——气相的。

在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离。气体的吸收是用适当的液体吸收剂与气体混合物接触，吸收气体混合物中一个或几个组分，使其中的各组分得以分离的一种操作。在化工生产中它主要用于原料气的净化、有用组分的回收、制取气体的溶液作为成品以及废气的治理等方面，因此吸收操作是一种重要的分离方法，在化学工业中应用相当普遍。

可用作吸收的设备种类很多，如填料塔、板式塔、喷洒塔和鼓泡塔等，工业上较多地使用填料塔。填料塔的类型很多，其设计的原则大体相同，一般来说，填料塔的设计步骤如下： ①根据设计任务和工艺要求，确定设计方案； ②根据设计任务和工艺要求，合理地选择填料； 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进行填料塔塔内件的设计与选型。

4.1 填料塔设计

4.1.1 设计方案的确定

4.1.1.1 填料精馏塔设计方案的确定

填料精馏塔设计方案的确定包括装置流程的确定、操作压力的确定、进料热状况的选择、加热方式的选择及回流比的选择等，其确定原则与板式精馏塔基本相同，参见第三章。

4.1.1.2填料吸收塔设计方案的确定

(1) 装置流程的确定

吸收装置的流程主要有以下几种，图4-1～4-4列出了部分流程。

①逆流操作 气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分高效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。

②并流操作 气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，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；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。

③吸收剂部分再循环操作 在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于以下情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应予指出，吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用

增加。

④多塔串联操作 若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。

⑤串联-并联混合操作 若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小(否则易引起塔的液泛)，塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联、气相作并联的混合流程。

总之，在实际应用中，应根据生产任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点选择适宜的流程布置。

图4-1 逆流吸收塔 图4-2 串联逆流吸收塔流程 1 吸收塔2 贮槽 3 泵 4 冷却器

图4-3 吸收剂部分循环吸收塔 图4-4 吸收剂部分循环的吸收解吸联合流程 1 吸收塔 2泵 3 冷却器 1 吸收塔2 贮槽 3 泵 4 冷却器 5 换热器 6 解吸塔 （2）吸收剂的选择

吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方面。

①溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的需用量。

②选择性 吸收剂对溶质组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。

③挥发度要低 操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失。 ④粘度 吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。

⑤其他 所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。

一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。工业上常用的吸收剂列于表4-1。 表4-1 工业常用吸收剂

溶质 氨 丙酮蒸气 氯化氢 二氧化碳 二氧化硫 硫化氢 苯蒸气 丁二烯 二氯乙烯 一氧化碳 吸收剂 水、硫酸 水 水 水、碱液、碳酸丙烯酯 水 碱液、砷碱液、有机溶剂 煤油、洗油 乙醇、乙腈 煤油 铜氨液 (3)操作温度与压力的确定

①操作温度的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。例如水吸收CO2的操作中用水量极大，吸收温度主要由水温决定，而水温又取决于大气温度，故应考虑夏季循环水温高时补充一定量地下水以维持适宜温度。

②操作压力的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需结合具体工艺条件综合考虑，以确定操作压力。

4.1.2 填料的类型与选择

塔填料(简称为填料)是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。

填料类型 DN25金属环矩鞍填料 DN40金属环矩鞍填料 DN50金属环矩鞍填料 DN25金属鲍尔环 DN38金属鲍尔环 h 填料类型 h 6.8505 7.0382 7.2883 6.8505 7.0779 DN50金属鲍尔环 DN25瓷环矩鞍填料 DN38瓷环矩鞍填料 DN50瓷环矩鞍填料 7.3781 6.8505 7.1079 7.4430 式4-18考虑了液体粘度及表面张力的影响，其适用范围如下： 103＜ζL＜36 × 10-3 N/m；0.08 × 10-3＜μL＜0．83×10-3 Pa·S

应予指出，采用上述方法计算出填料层高度后，还应留出一定的安全系数。根据设计经验，填料层的设计高度一般为 Z′＝(1.2~1.5)Z (4-19)

式中 Z′——设计时的填料高度，m； Z ——工艺计算得到的填料层高度，m。 (2) 填料层的分段

液体沿填料层下流时，有逐渐向塔壁方向集中的趋势，形成壁流效应。壁流效应造成填料层气液分布不均匀，使传质效率降低。因此，设计中，每隔一定的填料层高度，需要设置液体收集再分布装置，即将填料层分段。

①散装填料的分段 对于散装填料，一般推荐的分段高度值见表4-8，表中h/D为分段高度与塔径之比，hmax为允许的最大填料层高度。

表4-8 散装填料分段高度推荐值

填料类型 拉西环 矩鞍 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍 h/D 2.5 5～8 5～10 8～15 5～15 Hmax/m ≤4 ≤6 ≤6 ≤6 ≤6

②规整填料的分段 对于规整填料，填料层分段高度可按下式确定： h＝(15~20)HETP (4-20)

式中 h——规整填料分段高度，m； HETP——规整填料的等板高度，m。 亦可按表4-9推荐的分段高度值确定。 表4-9 规整填料分段高度推荐值

填料类型 250Y板波纹填料 500Y板波纹填料 500(BX)丝网波纹填料 700(CX)丝网波纹填料

h/m 6.0 5.0 3.0 1.5 4.1.4 填料层压降的计算

填料层压降通常用单位高度填料层的压降△P/Z表示。设计时，根据有关参数，由通用关联图(或压降曲线)先求得每米填料层的压降值，然后再乘以填料层高度，即得出填料层的压力降。

4.1.4.1 散装填料的压降计算

（1）由埃克特通用关联式计算

散装填料的压降值可由埃克特通用关联图计算。计算时，先根据气液负荷及有关物性数据，求出横坐标值，再根据操作空塔气速u及有关物性数据，求出纵坐标值。通过作图得出交点，读出过交点的等压线数值，即得出每米填料层压降值。

应予指出，用埃克特通用关联图计算压降时，所需的填料因子为操作状态下的湿填料因子，称为压降填料因子，以φp表示。压降填料因子φp与液体喷淋密度有关，为了工程计算的方便，常采用与液体喷淋密度无关的压降填料因子平均值。表4-10列出了部分散装填料的压降填料因子平均值，可供设计中参考。

表4-10 散装填料压降填料因子平均值

填料类型 金属鲍尔环 金属环矩鞍 金属阶梯环 塑料鲍尔环 塑料阶梯环 瓷矩鞍环 瓷拉西环 DN16 306 - - 343 - 700 1050 DN25 - 138 - 232 176 215 576 填料因子, 1/m DN38 114 93.4 118 114 116 140 450 DN50 98 71 82 125 89 160 288 DN76 - 36 - 62 - - - （2）由填料压降曲线查得

散装填料压降曲线的横坐标通常以空塔气速u表示，纵坐标以单位高度填料层压降△P/Z表示，常见散装填料的u～△P/Z曲线可从有关填料手册中查得。

4.1.4.2 规整填料的压降计算

(1) 由填料的压降关联式计算 规整填料的压降通常关联成以下形式

(4-18)

式中 △P/Z——每米填料层高度的压力降，Pa/m； u——空塔气速，m/s； ρv——气体密度，kg/m3；

α、β——关联式常数，可从有关填料手册中查得。 (2) 由填料压降曲线查得

规整填料压降曲线的横坐标通常以F因子表示，纵坐标以单位高度填料层压降△P/Z表示，常见规整填料的F～△P/Z曲线可从有关填料手册中查得。

4.1.5 填料塔内件的类型与设计

4.1.5.1 塔内件的类型

填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。 (1) 填料支承装置

填料支承装置的作用是支承塔内的填料。常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。对于散装填料，通常选用孔管型、驼峰型支承装置；对于规整填料，通常选用栅板型支承装置。设计中，为防止在填料支承装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支承装置的自由截面积应大于75%。 (2) 填料压紧装置

为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同的类型。对于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定；对于规整填料，通常选用压紧栅板。设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应大于70%。

为了便于安装和检修，填料压紧装置不能与塔壁采用连续固定方式，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。

(3) 液体分布装置

液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。工业应用以管式。槽式及槽盘式为主。 管式分布器由不同结构形式的开孔管制成。其突出的特点是结构简单，供气体流过的自由截面大，阻力小。但小孔易堵

塞，操作弹性一般较小。管式液体分布器多用于中等以下液体负荷的填料塔中。在减压精馏及丝网波纹填料塔中，由于液体负荷较小，设计中通常用管式液体分布器。

槽式液体分布器是由分流槽(又称主槽或一级槽)、分布槽(又称副槽或二级槽)构成的。

一级槽通过槽底开孔将液体初分成若干流股，分别加人其下方的液体分布槽。分布槽的槽底(或槽壁)上设有孔道域导管)，将液体均匀分布于填料层上。槽式液体分布器具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，特别适合于大气液负荷及含有固体悬浮物、粘度大的液体的分离场合，应用范围非常广泛。

槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它兼有集液、分液及分气三种作用，结构紧凑，气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高达10：1，适用于各种液体喷淋量。近年来应用非常广泛，在设计中建议优先选用。 (4) 液体收集及再分布装置

前已述及，为减小壁流现象，当填料层较高时需进行分段，故需设置液体收集及再分布装置。

最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。截锥式再分布器结构简单，安装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径小于0.6m的塔中。

在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。常用的液体收集器为斜板式液体收集器。 前已述及，槽盘式液体分布器兼有集液和分液的功能，故槽盘式液体分布器是优良的液体收集及再分布装置。

4.1.5.2 塔内件的设计

填料塔操作性能的好坏、传质效率的高低在很大程度上与塔内件的设计有关。在塔内件设计中，最关键的是液体分布器的设计，现对液体分布器的设计进行简要的介绍。 (1) 液体分布器设计的基本要求

性能优良的液体分布器设计时必须满足以下几点：

①液体分布均匀 评价液体分布均匀的标准是：足够的分布点密度；分布点的几何均匀性；降液点间流量的均匀性。 a.分布点密度。液体分布器分布点密度的选取与填料类型及规格、塔径大小、操作条件等密切相关，各种文献推荐的值也相差很大。大致规律是：塔径越大，分布点密度越小；液体喷淋密度越小，分布点密度越大。对于散装填料，填料尺寸越大，分布点密度越小；对于规整填料，比表面积越大，分布点密度越大。表4-11、表4-12分别列出了散装填料塔和规整填料塔的分布点密度推荐值，可供设计时参考。 表4-11 Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值

塔径,mm D=400 D=750 D≥1200 分布点密度,点/ m2塔截面 330 170 42 表4-12 苏尔寿公司的的规整填料塔分布点密度推荐值

填料类型 250Y孔板波纹填料 500(BX)丝网波纹填料 700(CX)丝网波纹填料 分布点密度,点/ m2塔截面 ≥100 ≥200 ≥300 b.分布点的几何均匀性。分布点在塔截面上的几何均匀分布是较之分布点密度更为重要的问题。设计中，一般需通过反复计算和绘图排列，进行比较，选择较佳方案。分布点的排列可采用正方形、正三角形等不同方式。

c.降液点间流量的均匀性。为保证各分布点的流量均匀，需要分布器总体的合理设计。精细的制作和正确的安装。高性能的液体分布器，要求各分布点与平均流量的偏差小于6%。

②操作弹性大 液体分布器的操作弹性是指液体的最大负荷与最小负荷之比。设计中，一般要求液体分布器的操作弹性为2－4，对于液体负荷变化很大的工艺过程，有时要求操作弹性达到10以上，此时，分布器必须特殊设计。 ③自由截面积大 液体分布器的自由截面积是指气体通道占塔截面积的比值。根据设计经验，性能优良的液体分布器，其自由截面积为50%－70%。设计中，自由截面积最小应在35%以上。 ④其他 液体分布器应结构紧凑、占用空间小、制造容易、调整和维修方便。 (2) 液体分布器布液能力的计算

液体分布器布液能力的计算是液体分布器设计的重要内容。设计时，按其布液作用原理不同和具体结构特性，选用不同的公式计算。

①重力型液体分布器布液能力计算 重力型液体分布器有多孔型和溢流型两种型式，工业上以多孔型应用为主，其布液工作的动力为开孔上方的液位高度。多孔型分布器布液能力的计算公式为

(4-19)

式中 Ls——液体流量，m3/s； n——开孔数目(分布点数目)；

φ——孔流系数，通常取φ＝0.55～0.60； d0——孔径，m ；

△H——开孔上方的液位高度，m。

②压力型液体分布器布液能力计算 压力型液体分布器布液工作的动力为压力差(或压降)，其布液能力的计算公式为

(4-20)

式中 Ls——液体流量，m3/s； n——开孔数目(分布点数目)； φ——孔流系数，通常取φ＝0.60~0.65 d0——孔径，m；

△P——分布器的工作压力差(或压降)，Pa；

ρL——液体密度，kg/m3。

设计中，液体流量Ls为已知，给定开孔上方的液位高度△H(或已知分布器的工作压力差△P)，依据分布器布液能力计算公式，可设定开孔数目n，计算孔径d0；亦可设定孔径d0，计算开孔数目n。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tzc.html