填料塔計算和設(shè)計

1、填料塔計算和設(shè)計填料嫁計算和設(shè)計I *4_/>'卩Pleasure Group Office T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT182012-11-20一、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

2、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木參數(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

3、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，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，

4、應(yīng)根據(jù)它的特點進(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，一般以每個理論級當(dāng)量填料層高 度表示,即HETP值；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，操作費越??；對熱 敏性物系尤為重要；填料抗污堵性能強，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. DN25、DN38、DN50、

5、DM76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8o(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、操作費用等 方面綜合考慮，使所選填料既能滿足技術(shù)要

6、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度下使用，質(zhì)脆、易碎是陶瓷填料的最大缺 點。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；

7、不銹鋼填料耐腐蝕性強，一般能耐C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、氣阻小，具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊 強度下使用，應(yīng)用范圍最為廣泛。(c) 塑料填料主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC),國 內(nèi)一般多釆用聚丙烯材質(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100°C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

8、計算：釆用下式進(jìn)行計算，其核心問題是確定空塔氣速u?？账馑俳ㄗh值為"lm/so泛點氣速法：泛點氣速是填料塔操作氣速的上限，填料塔的操作空塔氣速必 須小于泛點氣速，操作空塔氣速與泛點氣速之比稱為泛點率。對于散裝填料：u/uF二對于規(guī)整填料：u/uF二泛點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，泛點率應(yīng)取低限值，而無泡沫 的物系，可取較高的泛點率；第二，填料塔的操作壓力，對于加壓操作的塔，應(yīng)取較低的泛點率，對于減壓 操作的塔，應(yīng)取較高的泛點率。泛點氣速一般通過經(jīng)驗方程式進(jìn)行計算貝恩一霍根關(guān)聯(lián)式：式中uF為泛點氣速，m/sg為重力加速度，s2a為填料比表面

9、積，m2/m°£為填料層空隙率，m7m3P v> PL為氣相、液相密度，Kg/m3UL為液體粘度，mPasWL、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|大|子，其定義式為：釆用氣相負(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=, max計算出CsoCs, 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

10、大于2X 10_5Pas,操作壓力不大于的場合。（2）填料層高度計算填料層高度的計算可分為傳質(zhì)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，而對于精鐳填料塔，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HETPo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。一般是通過實驗測定，或從工業(yè)應(yīng)用的實際經(jīng)驗中選取HETP值。 釆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，填料層的設(shè)計高度一般為Z "二（）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