填料塔計算和設(shè)計

1、填料塔設(shè)計2012-11-20一、填料塔結(jié)構(gòu)填料塔是以塔內(nèi)裝有大量的填料為相間接觸構(gòu)件的氣液傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆 或整砌的方式放置在支承板上。在填料的上方安裝填料壓板，以限制填料隨上升氣流的運(yùn)動。液體從塔頂加入，經(jīng)液體分布器噴淋到填料上， 并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般 不設(shè)置）分布后，與液體呈逆流接觸連續(xù)通過填料層空隙，在填料表面 氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備， 正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。二、填料的類型及性能評價填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣液兩相接觸傳質(zhì)的相

2、界 面，是決定填料塔性能的主要因素。填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的 不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。 散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同， 分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料等；規(guī)整填料按其幾何結(jié)構(gòu)可分 為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等，目前工業(yè)上使用最為廣泛的是波 紋填料，分為板波紋填料和網(wǎng)波紋填料；填料的幾何特性是評價填料性能的基本參數(shù)，主要包括比表面積、空隙率、填料因子等。1. 比表面積：單位體積填料層的填料表面積，其值越大，所提供的氣液 傳質(zhì)面積越大，性能越優(yōu)；2. 空隙率：單位體積填料層的空隙體積；空隙率越大，氣體通過的能力 大且壓降低；3. 填料因子：填料的比表面積與空隙率三次方的比值

3、，它表示填料的流體力學(xué)性能，其值越小，表面流體阻力越小。三、填料塔設(shè)計基本步驟1. 根據(jù)給定的設(shè)計條件，合理地選擇填料；2. 根據(jù)給定的設(shè)計任務(wù)，計算塔徑、填料層高度等工藝尺寸；3. 計算填料層的壓降；4. 進(jìn)行填料塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計包括塔體設(shè)計及塔內(nèi)件設(shè)計兩部 分。四、填料塔設(shè)計1. 填料的選擇填料應(yīng)根據(jù)分離工藝要求進(jìn)行選擇，對填料的品種、規(guī)格和材 質(zhì)進(jìn)行綜合考慮。應(yīng)盡量選用技術(shù)資料齊備，適用性能成熟的新型填料。 對性能相近的填料，應(yīng)根據(jù)它的特點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價，使所選用的填 料既能滿足生產(chǎn)要求，又能使設(shè)備的投資和操作費(fèi)最低。（1）填料種類的選擇填料的傳質(zhì)效率要高：傳質(zhì)效率即分離效率，一

4、般以每個理論級當(dāng)量填料層高度表示，即HETP直；填料的通量要大：在同樣的液體負(fù)荷下，在保證具有較高傳質(zhì)效率的前 提下，應(yīng)選擇具有較高泛點(diǎn)氣速或氣相動能因子的填料；填料層的壓降要低：填料層壓降越低，塔的動力消耗越低，操作費(fèi)越小； 對熱敏性物系尤為重要；填料抗污堵性能強(qiáng)，拆裝、檢修方便。(2) 填料規(guī)格的選擇填料規(guī)格是指填料的公稱尺寸或比表面積；(a) 散裝填料規(guī)格的選擇：工業(yè)塔常用的散裝填料主要有 DN16 DN25DN38 DN50 DN76等;同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增 加，通量減少，填料費(fèi)用也增加很多；而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔 中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流， 使

5、塔的分離效率降低。因此, 對塔徑與填料尺寸的比值要有一定限制，一般塔徑與填料公稱直徑的比值D/d應(yīng)大于&(b) 規(guī)整填料規(guī)格的選擇：國內(nèi)習(xí)慣用比表面積表示規(guī)整填料的型號和規(guī)格，主要有125、150、250、350、500、700;同種類型的規(guī)整填料，其比表面積越大，傳質(zhì)效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費(fèi)用也 明顯增加。選用時應(yīng)從分離要求、通量要求、場地條件、物料性質(zhì)及設(shè) 備投資、操作費(fèi)用等方面綜合考慮，使所選填料既能滿足技術(shù)要求，又 具有經(jīng)濟(jì)合理性。對于同一座填料塔，可以選用不同類型、不同規(guī)格的填料，也可以同時 使用散裝填料和規(guī)整填料。(3) 填料材質(zhì)的選擇 填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料

6、三大類（a） 陶瓷填料陶瓷填料具有很好的耐腐蝕性，可在低溫、高溫下 工作，具有一定的抗沖擊性但不宜在高沖擊強(qiáng)度下使用，質(zhì)脆、易碎是 陶瓷填料的最大缺點(diǎn)。陶瓷填料價格便宜、具有很好的表面潤濕性能， 在氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程中應(yīng)用較為普遍。（b）金屬填料 金屬填料可用多種材質(zhì)制成，金屬材質(zhì)的選擇主要根 據(jù)物系的腐蝕性及金屬材質(zhì)耐腐蝕性來綜合考慮。碳鋼填料造價低，且具有良好的表面潤濕性能，對于無腐蝕性或低腐蝕 性物系有限考慮使用；不銹鋼填料耐腐蝕性強(qiáng)，一般能耐 Cl-以外常見物系的腐蝕，但其造價 較高，且表面潤濕性能較差；有時需要對其表面進(jìn)行處理，才能取得良 好的使用效果。金屬填料通過大

7、、氣阻小，具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、 高沖擊強(qiáng)度下使用，應(yīng)用范圍最為廣泛。（c） 塑料填料 主要包括聚丙烯（PR、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC, 國內(nèi)一般多采用聚丙烯材質(zhì)。塑料填料質(zhì)輕、價廉，具有良好的韌性，耐沖擊、不易碎，耐腐蝕性較 好，可長期在100C以下使用；它的通量大、壓降低，多用于吸收、解 析、萃取、除塵等裝置中；塑料填料的缺點(diǎn)是表面潤濕性能差，需對其 表面進(jìn)行處理。2. 填料塔工藝尺寸的計算(1) 塔徑的計算：采用下式進(jìn)行計算，其核心問題是確定空塔氣速 u?？账馑俳ㄗh值為 0.21m/s。TUI4匕泛點(diǎn)氣速法:泛點(diǎn)氣速是填料塔操作氣速的上限， 填料塔的操作空塔氣

8、速必須小于泛點(diǎn)氣速，操作空塔氣速與泛點(diǎn)氣速之比稱為泛點(diǎn)率。對于散裝填料：u/uF=0.5-0.85 對于規(guī)整填料：u/uF=0.6-0.95 泛點(diǎn)率的選擇主要考慮兩方面因素: 第一，物系的發(fā)泡情況，對于易起泡沫的物系，泛點(diǎn)率應(yīng)取低限值，而 無泡沫的物系，可取較高的泛點(diǎn)率;第二，填料塔的操作壓力，對于加壓操作的塔，應(yīng)取較低的泛點(diǎn)率，對 于減壓操作的塔，應(yīng)取較高的泛點(diǎn)率。泛點(diǎn)氣速一般通過經(jīng)驗(yàn)方程式進(jìn)行計算貝恩一霍根關(guān)聯(lián)式:式中1/4uF2為泛點(diǎn)氣速，m/sg為重力加速度，9.81m/s2a為填料比表面積，m/m3為填料層空隙率，m/m3P v、P L為氣相、液相密度，Kg/m3 u L為液體粘度，

9、mP?sWL、WV為液相、氣相的質(zhì)量流量，Kg/hA、 K為關(guān)聯(lián)常數(shù)氣體動能因子法：氣相動能因子簡稱F因子，其定義式為計算時，先從手冊或圖表中查出填料在操作條件下的 F因子，然后依據(jù)上式即可計算出操作空塔氣速 u。氣相負(fù)荷因子法：氣相負(fù)荷因子簡稱Cs因子，其定義式為:采用氣相負(fù)荷因子計算操作空塔氣速，先計算出最大氣相負(fù)荷因子Cs,max,然后依據(jù) Cs=0.8Cs,max 計算出 Cs。Cs,max的數(shù)值見有關(guān)填料手冊。氣相動能因子法和氣相負(fù)荷因子法一般只適用于規(guī)整填料，且液體粘度不大于2X 10-3Pa?s，操作壓力不大于 0.2MPa的場合。(2) 填料層咼度計算填料層高度的計算可分為傳質(zhì)

10、單元法和等板高度法。在工程上，傳質(zhì)單 元法多用于吸收、解吸、萃取等填料塔的設(shè)計計算，而對于精餾填料塔, 則習(xí)慣用等板高度法計算填料層高度。等板高度法計算填料層的基本公式為：Z=HETP Nt由上式可看出，當(dāng)工藝計算出完成規(guī)定分離任務(wù)所需的理論板層數(shù)NT后，關(guān)鍵是確定填料層的等板高度 HETP等板高度不僅取決于填料的類型和尺寸，而且受系統(tǒng)物性、操作條件和 設(shè)備尺寸的影響。一般是通過實(shí)驗(yàn)測定，或從工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中選 取HETF值。采用上述方法計算出填料層高度后，還應(yīng)留出一定的安全系數(shù)。根據(jù)設(shè) 計經(jīng)驗(yàn)，填料層的設(shè)計高度一般為Zx = (1.3-1.5 ) Z(3) 填料層壓降的計算填料層壓力降是填料塔壓力降的主要組成部分。通常，根據(jù)設(shè)計(或操 作)參數(shù)，由通用關(guān)聯(lián)圖(或壓降曲線)先求得每米填料層的壓降值， 然后再乘以填料層高度，即得出填料層的壓力降。散裝填料的壓降計算散裝填料的壓降值可從有關(guān)填料手冊中查得，也可由?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計算。計算時先根據(jù)氣液負(fù)荷及有關(guān)物性數(shù)據(jù)，求出橫坐標(biāo)；再根據(jù)操 作空塔氣速、壓降填料因子及有關(guān)物性參數(shù)，求出縱坐標(biāo)；通過作圖得 出交點(diǎn)，讀出過交點(diǎn)的等壓線數(shù)值，即可得出每米填料層壓降值。p為壓降填料因子，為液體密度校正系數(shù)，p水/ p L仗產(chǎn)乂十片IgU規(guī)整填料的壓降計算通過填料的壓降關(guān)聯(lián)式計算， 規(guī)整填料的壓降通常關(guān)聯(lián)成以下形