填料塔計(jì)算和設(shè)計(jì)

1、填料塔計(jì)算和設(shè)計(jì)填料嫁計(jì)算和設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)。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(guò)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(píng)價(jià)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(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(píng)價(jià)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：?jiǎn)挝惑w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：?jiǎn)挝惑w積填料層的空隙體積；空隙率越大，氣體通過(guò)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(jì)基本步驟1根據(jù)給定的設(shè)計(jì)條件，合理地選擇填料；2. 根據(jù)給定的設(shè)計(jì)任務(wù)，計(jì)算塔徑、填料層高度等工藝尺寸；3. 計(jì)算填料層的壓降；4. 進(jìn)行填料塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括塔體設(shè)計(jì)及塔內(nèi)件設(shè)計(jì)兩部分。四、填料塔設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)性能相近的填 料，

4、應(yīng)根據(jù)它的特點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，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，一般以每個(gè)理論級(jí)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(diǎn)氣速或氣相動(dòng)能因子的填料；填料層的壓降要低：填料層壓降越低，塔的動(dòng)力消耗越低，操作費(fèi)越?。粚?duì)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. 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(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(huì)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(duì)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(guó)內(nèi)習(xí)慣用比表面積表示規(guī)整填料的型號(hào)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(shí)應(yīng)從分離要求、通量要求、場(chǎng)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

6、求，又具有經(jīng)濟(jì)合理性。對(duì)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(shí)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(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(jià)格便宜、具有很好的表面潤(rùn)濕性能，在氣體吸收、氣體洗滌、 液體萃取等過(guò)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(lái)綜合考慮。碳鋼填料造價(jià)低，且具有良好的表面潤(rùn)濕性能，對(duì)于無(wú)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(qiáng)，一般能耐C以外常見(jiàn)物系的腐蝕，但其造價(jià)較高，且表面潤(rùn)濕性能較差；有時(shí)需要對(duì)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(guò)大、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(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC),國(guó) 內(nèi)一般多釆用聚丙烯材質(zhì)。塑料填料質(zhì)輕、價(jià)廉，具有良好的韌性，耐沖擊、不易碎，耐腐蝕性較好，可 長(zhǎng)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(diǎn)是表面潤(rùn)濕性能差，需對(duì)其表面進(jìn)行處理。2. 填料塔工藝尺寸的計(jì)算(1) 塔徑的

8、計(jì)算：釆用下式進(jìn)行計(jì)算，其核心問(wèn)題是確定空塔氣速u?？账馑俳ㄗh值為"lm/so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(duì)于散裝填料：u/uF二對(duì)于規(guī)整填料：u/uF二泛點(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(duì)于易起泡沫的物系，泛點(diǎn)率應(yīng)取低限值，而無(wú)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(duì)于加壓操作的塔，應(yīng)取較低的泛點(diǎn)率，對(duì)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(guò)經(jīng)驗(yàn)方程式進(jìn)行計(jì)算貝恩一霍根關(guān)聯(lián)式：式中uF為泛點(diǎn)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(dòng)能因子法：氣相動(dòng)能因子簡(jiǎn)稱F因子，其定義式為計(jì)算時(shí)，先從手冊(cè)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(jì)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(jiǎn)稱Cs|大|子，其定義式為：釆用氣相負(fù)荷因子計(jì)算操作空塔氣速，先計(jì)算出最大氣相負(fù)荷因子Cs, max,然后依據(jù)Cs=, max計(jì)算出CsoCs, max的數(shù)值見(jiàn)有關(guān)填料手冊(cè)。氣相動(dòng)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(chǎng)合。（2）填料層高度計(jì)算填料層高度的計(jì)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(jì)計(jì)算，而對(duì)于精鐳填料塔，則習(xí)慣用等 板高度法計(jì)算填料層高度。等板高度法計(jì)算填料層的基本公式為：Z=HETP Nt由上式可看出，當(dāng)工藝計(jì)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，或從工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中選取HETP值。 釆用上述方法計(jì)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(jì)經(jīng) 驗(yàn)，填料層的設(shè)計(jì)高度一般為Z "二（）Z（3）填料層壓降的計(jì)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(jì)（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(jì)算散裝填料的壓降值可從有關(guān)填料手冊(cè)中查得，也可由?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計(jì)算。 計(jì)算時(shí)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(guò)作