化工過程及設備課程設計課件

化工過程及設備課程設計信陽師范學院化學化工學院劉鵬教授2012年09月2/4/20231性質(zhì)、任務與目的

化工過程及設備課程設計是綜合運用《化工原理》、《化工設備機械基礎》、《化工制圖》、《化工儀表及自動化》課程和有關先修課程所學知識，完成以化工單元操作為主的一次工程設計，從而對學生進行一次設計技能的基本訓練，培養(yǎng)學生綜合運用所學的書本知識解決實際問題的能力，也為畢業(yè)設計打下基礎。因此，化工過程及設備課程設計是提高學生實際工作能力的重要教學環(huán)節(jié)。2/4/202321.對學生進行化工工程設計的基本訓練，使學生掌握化工設計的基本內(nèi)容、程序與方法；2.結(jié)合設計課題培養(yǎng)學生查閱有關技術資料及物性參數(shù)的能力；3.通過查閱技術資料，選用設計計算公式，搜集數(shù)據(jù)，分析工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸間的相互影響，增強學生分析問題、解決問題的能力；4.通過編寫設計說明書，提高學生文字表達能力，掌握撰寫技術文件的有關要求；5.了解一般化工設備圖基本要求，對學生進行繪圖基本技能訓練；通過課程設計達到以下目的：2/4/20233設計內(nèi)容化工過程及設備課程設計主要包括以下內(nèi)容：1、化工工藝設計（1）設計方案確定：對選定的工藝路線、主要設備等作簡要介紹與評述。（2）工藝流程圖繪制：工藝流程圖用單線形式繪制，用示意圖表示單元操作所有主體設備及輔助設備，標出物流量（或能流量）、物流向、控制閥門，以及溫度、壓力控制點的控制標記。2/4/20234圖1-1合成氨工段方案流程圖2/4/20235（3）主要設備的工藝設計計算內(nèi)容包括：?

設計工藝參數(shù)的選定及依據(jù)；?

系統(tǒng)的物料衡算，產(chǎn)品收率及原料耗用量計算；?

系統(tǒng)的熱量衡算，水蒸汽耗量計算；?

主要設備的工藝尺寸設計計算或校核計算。（4）系統(tǒng)流體力學性能計算，主要設備的流體壓降損失計算。（5）輔助設備設計計算，典型輔助設備（如風機、泵、換熱器、貯罐等）主要工藝尺寸或參數(shù)的確定，設備規(guī)格及型號的選定。2/4/202362.主體設備強度設計：

設備材料選擇、強度設計、支座設計等，根據(jù)設計結(jié)果繪制主要化工設備裝配圖1張，圖面應包括下列內(nèi)容：設備總體結(jié)構(gòu)設計；設備的主要工藝尺寸；設備技術特性表；設備接管表（規(guī)格和用途）；設備零部件明細表。2/4/202373.設計說明書編寫設計說明書是將所作的課程設計予以綜合簡介、并對設計給予評述。內(nèi)容包括：（1）設計任務書；（2）目錄；（3）設計方案簡介與評述；（4）工藝設計及計算；（5）主要設備設計；（6）輔助設備選型計算；（7）設計結(jié)果匯總表；（8）參考資料。2/4/202384.圖紙（1）帶控制點工藝流程圖1張（2）主體設備裝配圖1張2/4/20239時間安排

主要內(nèi)容時間工藝設計計算含設計方案確定、工藝流程設計、主體設備設計計算、主要工藝參數(shù)的計算機優(yōu)化設計等第1周設備強度設計、輔助設備的選型計算、設計說明書的編寫第2周帶控制點的工藝流程圖、設備裝配圖的繪制，答辯第3周2/4/202310成績評定

完成了所有設計內(nèi)容并撰寫完課程設計說明書后，進行答辯考核。課程設計成績根據(jù)學生設計期間的表現(xiàn)、設計計算結(jié)果、設計說明書質(zhì)量、圖紙質(zhì)量及答辯考核情況等進行綜合評分，并按優(yōu)、良、中、及格、不及格五級記分。2/4/202311主要參考書目

1.化工原理（上、下冊），譚天恩，麥本熙，丁惠華編著，化工出版社，1998；2.化工原理課程設計相關參考資料3.化工設備機械基礎課程設計4.化工設備機械基礎，刁玉瑋編，大連理工大學出版社，5.物性數(shù)據(jù)的計算與圖表（），王蓮琴編，化工出版社，1992；6.化工工藝設計手冊，上、下冊，國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設計院編，化工出版社，1986；7.化工過程及設備設計，華南理工大學，化學工業(yè)出版社，1986；8.化學工程手冊，化學工業(yè)出版社，19822/4/2023121.板式塔1.1板式塔結(jié)構(gòu)及性能（1）板式塔結(jié)構(gòu)

進料回流液塔頂氣相塔底液相2/4/202313塔板結(jié)構(gòu)①氣體通道形式很多，如篩板、浮閥、泡罩等，對塔板性能影響很大。②降液管（液體通道）液體流通通道，多為弓形。③受液盤塔板上接受液體的部分。④溢流堰使塔板上維持一定高度的液層，保證兩相充分接觸。2/4/202314浮閥塔板結(jié)構(gòu)2/4/202315（2）塔板上的氣—液兩相流動2/4/202316汽、液兩相接觸方式全塔：逆流接觸塔板上：錯流接觸兩相流動的推動力

液體：重力氣體：壓力差2/4/202317塔板上理想流動情況：液體橫向均勻流過塔板，氣體從氣體通道上升，均勻穿過液層。氣液兩相接觸傳質(zhì)，達相平衡，分離后，繼續(xù)流動。塔板上的非理想流動情況：

①氣相或液相返混液沫夾帶、氣泡夾帶，即：返混現(xiàn)象

后果：板效率降低。②不均勻流動

液面落差（水力坡度）：引起塔板上氣體分布不均勻；塔壁作用（阻力）：引起塔板上液體分布不均勻。后果：使塔板上氣液接觸不充分，板效率降低。2/4/202318液泛現(xiàn)象1.2塔內(nèi)氣、液兩相異常流動

（1）液泛如果由于某種原因，使得氣、液兩相流動不暢，使板上液層迅速積累，以致充滿整個空間，破壞塔的正常操作，稱此現(xiàn)象為液泛。2/4/202319(2)過量霧沫夾帶液泛原因：①氣相在液層中鼓泡，氣泡破裂，將霧沫彈濺至上一層塔板；②氣相運動是噴射狀，將液體分散并可攜帶一部分液沫流動。

液泛氣速：

開始發(fā)生液泛時的氣速。2/4/2023202）降液管液泛

當塔內(nèi)氣、液兩相流量較大，導致塔板阻力及降液管內(nèi)阻力增大時，均會引起降液管液層升高，以致達到上一層塔板，破壞降液管的正常流動，直至液相逐漸充滿塔板空間，發(fā)生液泛。說明：兩種液泛互相影響和關聯(lián)，其最終現(xiàn)象相同。2/4/202321（2）嚴重漏液

漏液量增大,導致塔板上難以維持正常操作所需的液面,無法操作。此漏液為嚴重漏液，稱相應的孔流氣速為漏液點氣速。2/4/2023222.3常用塔板的類型（1）泡罩塔板優(yōu)點：塔板操作彈性大，塔效率也比較高，不易堵。缺點：結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高，塔板阻力大。組成：升氣管和泡罩2/4/202323圓形泡罩條形泡罩泡罩塔2/4/202324（2）篩板塔板優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低、塔板阻力小。目前，廣泛應用的一種塔型。塔板上開圓孔，孔徑：3-8mm，大孔徑篩板：12-25mm。2/4/202325（3）浮閥塔板圓形浮閥條形浮閥浮閥塔盤方形浮閥2/4/202326優(yōu)點：浮閥根據(jù)氣體流量，自動調(diào)節(jié)開度，提高了塔板的操作彈性、降低塔板的壓降，同時具有較高塔板效率，在生產(chǎn)中得到廣泛的應用。缺點：浮閥易脫落或損壞。方形浮閥F1型浮閥2/4/202327（4）多降液管（MD）塔板

優(yōu)點：提高允許液體流量2/4/2023281.4篩板塔化工設計計算（1）塔的有效高度Z

已知：實際塔板數(shù)NP

；塔板間距HT；

選取塔板間距

HT

：理論塔板數(shù)計算軟件塔板間距和塔徑的經(jīng)驗關系塔體高度：有效高+頂部+底部+

其它

有效塔高：2/4/202329

C：氣體負荷因子，與HT、液體表面張力和兩相接觸狀況有關。①液泛氣速兩相流動參數(shù)FLV：（2）塔徑

確定原則：防止過量液沫夾帶液泛

步驟：先確定液泛氣速uf(m/s)；

然后選設計氣速

u；

最后計算塔徑D。2/4/202330對于篩板塔(浮閥、泡罩塔)，可查圖，C20=(HT

、FLV)0.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070.010.10.090.060.05篩板塔泛點關聯(lián)圖塔板間距HT2/4/202331②選取設計氣速

u

選取泛點率：u/

uf

一般液體，0.6~0.8

易起泡液體，0.5~0.6所需氣體流通截面積設計氣速

u=泛點率×ufADAd③計算塔徑

D塔截面積：A=AT-Ad塔徑說明：計算塔徑需圓整，且重新計算實際氣速及泛點率。液泛氣速uf2/4/202332（3）溢流裝置設計

①溢流型式的選擇依據(jù)：塔徑、流量；

型式：單流型、U形流型、雙流型、階梯流型等。②降液管形式和底隙

降液管：弓形、圓形。降液管截面積：由Ad/AT=0.06~0.12確定；

底隙

hb

：通常在30~40mm。③

溢流堰（出口堰）

作用：維持塔板上一定液層，使液體均勻橫向流過。

型式：平直堰、溢流輔堰、三角形齒堰及柵欄堰。2/4/2023332/4/202334堰長

lW

：影響液層高度。堰高hW：直接影響塔板上液層厚度過小，相際傳質(zhì)面積過?。?/p>

過大，塔板阻力大，效率低。常、加壓塔：40~80mm；

減壓塔：25mm左右。說明：通常應使溢流強度qVLh/lW

不大于100~130m3/（mh）?；颍弘p流型:單流型：2/4/202335(4)塔板及其布置

①受液區(qū)和降液區(qū)一般兩區(qū)面積相等。

②入口安定區(qū)和出口安定區(qū)其中，E：液流收縮系數(shù)，一般可近似取E=1。堰上方液頭高度hOW

：要求：③邊緣區(qū)：bcbdbslWrx2/4/202336（5）篩孔的尺寸和排列

篩孔：有效傳質(zhì)區(qū)內(nèi)，常按正三角形排列。篩板開孔率：

單流型弓形降液管塔板：④有效傳質(zhì)區(qū)：

雙流型弓形降液管塔板：bcbdbslWrxd0t2/4/202337篩孔直徑d0:3~8mm(一般)。

12~25mm(大篩孔)

孔中心距t:(2.5~5)d0

取整。

開孔率φ:

通常為0.08~0.12。

板厚：碳鋼（3~4mm）、不銹鋼。

篩孔氣速：篩孔數(shù)：d0t2/4/202338(6)塔板的校核

對初步設計的結(jié)果進行調(diào)整和修正。①液沫夾帶量校核單位質(zhì)量（或摩爾）氣體所夾帶的液體質(zhì)量（或摩爾）ev：

kg液體/kg氣體，或kmol液體

/kmol氣體單位時間夾帶到上層塔板的液體質(zhì)量（或摩爾）e：

kg液體/h或kmol液體/h液沫夾帶分率ψ：夾帶的液體流量占橫過塔板液體流量的分數(shù)。故有：

所以2/4/202339說明：超過允許值，可調(diào)整塔板間距或塔徑。

ev的計算方法：方法1：利用Fair關聯(lián)圖求Ψ，進而求出ev。方法2：用Hunt經(jīng)驗公式計算ev。式中Hf

為板上泡沫層高度：要求：ev≤

0.1

kg

液體/kg氣體。2/4/202340②塔板阻力的計算和校核

塔板阻力：

塔板阻力hf包括

以下幾部分:

（a）干板阻力h0—氣體通過板上孔的阻力（設無液體時）；

（b）液層阻力hl—氣體通過液層阻力；（c）克服液體表面張力阻力hσ—孔口處表面張力。清液柱高度表示：（a）干板阻力h02/4/202341d0/δC0塔板孔流系數(shù)C0—孔流系數(shù)2/4/202342（b）液層阻力hl查圖求充氣系數(shù)β2/4/202343說明：若塔板阻力過大，可增加開孔率或降低堰高。（c）克服液體表面張力阻力（一般可不計）

③降液管液泛校核故塔板阻力：降液管中清液柱高度(m)2/4/202344（a）液面落差Δ一般較小，可不計。當不可忽略時，一般要求：Δ<0.5h0（b）液體通過降液管阻力hd包括底隙阻力hd1和進口堰阻力hd2。無進口堰時：2/4/202345泡沫層高度要求：說明：若泡沫高度過大，可減小塔板阻力或增大塔板間距。泡沫層相對密度：對不易起泡物系，易起泡物系，④液體在降液管中停留時間校核目的：避免嚴重的氣泡夾帶。

停留時間：要求：說明：停留時間過小，可增加降液管面積或增大塔板間距。2/4/202346（a）計算嚴重漏液時干板阻力

h0′（b）計算漏液點氣速u0′

說明：如果穩(wěn)定系數(shù)k過小，可減小開孔率或降低堰高。⑤嚴重漏液校核

漏液點氣速u0′

：發(fā)生嚴重漏液時篩孔氣速。

穩(wěn)定系數(shù)：要求：2/4/202347①過量液沫夾帶線（氣相負荷上限線）

規(guī)定：ev=

0.1（

kg

液體/kg氣體）為限制條件。（6）塔板的負荷性能圖——確定塔板的操作彈性②液相下限線整理出：規(guī)定：③嚴重漏液線（氣相下限線）2/4/202348代入相關公式，如hOW、σ、u0’，整理出。④液相上限線⑤降液管液泛線規(guī)定：2/4/202349塔板的操作彈性：或2/4/2023502.填料塔（PackedTower）

塔體：一般取為圓筒形，可由金屬、塑料或陶瓷制成，金屬筒體內(nèi)壁常襯以防腐材料。填料：大致可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類，是傳熱和傳質(zhì)的場所。塔內(nèi)件：包括填料支承與壓緊裝置、液體與氣體分布器、液體再分布器以及氣體除沫器等。操作原理：液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流動，并與在壓強差推動下穿過填料空隙的氣體相互接觸，發(fā)生傳熱和傳質(zhì)。7653421液體氣體82/4/202351填料（Towerpacking）填料塔的核心，是氣液兩相接觸進行質(zhì)、熱傳遞的場所。填料的流體力學和傳質(zhì)性能與填料的材質(zhì)、大小和幾何形狀緊密相關，材質(zhì)一定時，表征填料特性的數(shù)據(jù)主要有：比表面積a：單位體積填料層所具有的表面積(m2/m3)。被液體潤濕的填料表面就是氣液兩相的接觸面。大的a和良好的潤濕性能有利于傳質(zhì)速率的提高。對同種填料，填料尺寸越小，a越大，但氣體流動的阻力也要增加。空隙率：單位體積填料所具有的空隙體積(m3/m3)。代表的是氣液兩相流動的通道，大，氣、液通過的能力大，氣體流動的阻力小。=

0.45~0.95。填料因子：填料比表面積與空隙率三次方的比值(1/m)，a/3，表示填料的流體力學性能，值越小，流動阻力越小。有干填料因子與濕填料因子之分。2/4/202352填料（Towerpacking）堆積密度p

：單位體積填料的質(zhì)量(kg/m3)。在機械強度允許的條件下，填料壁要盡量薄，以減小填料的堆積密度，從而既可降低成本又可增加空隙率。機械強度大，化學穩(wěn)定性好以及價格低廉等也是優(yōu)良填料應盡量兼有的性質(zhì)。注意：一些難以定量表達的因素(幾何形狀)對填料的流體力學和傳質(zhì)性能也有重要的影響。新型填料的開發(fā)一般是改進填料幾何形狀使之更為合理，從而獲得高的填料效率。

常用的填料（Typicaltowerpacking）常用的填料可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。散裝填料在塔內(nèi)可亂堆，也可以整砌。2/4/202353優(yōu)點：易于制造，價格低廉，且對它的研究較為充分，所以在過去較長的時間內(nèi)得到了廣泛的應用。缺點：高徑比大，堆積時填料間易形成線接觸，故液體常存在嚴重的溝流和壁流現(xiàn)象。且拉西環(huán)填料的內(nèi)表面潤濕率較低，因而傳質(zhì)速率也不高。拉西環(huán)（Raschigring）填料最早使用的一種填料，為高徑比相等的陶瓷和金屬等制成的空心圓環(huán)。在拉西環(huán)基礎上衍生了θ環(huán)、十字環(huán)及螺旋環(huán)等，其基本改進是在拉西環(huán)內(nèi)增加一結(jié)構(gòu)，以增大填料的比表面積。2/4/202354鮑爾環(huán)（Pallring）填料在環(huán)的側(cè)壁上開一層或兩層長方形小孔，小孔的母材并不脫離側(cè)壁而是形成向內(nèi)彎的葉片。上下兩層長方形小孔位置交錯。鮑爾環(huán)填料的優(yōu)良性能使它一直為工業(yè)所重視，應用十分廣泛。可由陶瓷、金屬或塑料制成。同尺寸的鮑爾環(huán)與拉西環(huán)雖有相同的比表面積和空隙率，但鮑爾環(huán)在其側(cè)壁上的小孔可供氣液流通，使環(huán)的內(nèi)壁面得以充分利用。比之拉西環(huán)，鮑爾環(huán)不僅具有較大的生產(chǎn)能力和較低的壓降，且分離效率較高，溝流現(xiàn)象也大大降低。2/4/202355這樣的結(jié)構(gòu)使得階梯環(huán)填料的性能在鮑爾環(huán)的基礎上又有提高，其生產(chǎn)能力可提高約10%，壓降則可降低25%，且由于填料間呈多點接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象。階梯環(huán)填料（Stairring）階梯環(huán)填料的結(jié)構(gòu)與鮑爾環(huán)填料相似，環(huán)壁上開有長方形小孔，環(huán)內(nèi)有兩層交錯45°的十字形葉片，環(huán)的高度為直徑的一半，環(huán)的一端成喇叭口形狀的翻邊。階梯環(huán)一般由塑料和金屬制成，由于其性能優(yōu)于其它側(cè)壁上開孔的填料，因此獲得廣泛的應用。2/4/202356弧鞍形(Berlsaddle)矩鞍形(Intaloxsaddle)填料一種表面全部展開的具有馬鞍形狀的瓷質(zhì)型填料(馬鞍填料)?；“疤盍显谒?nèi)呈相互搭接狀態(tài)，形成弧形氣體通道，優(yōu)點：空隙率高，氣體阻力小，液體分布性能較好，填料性能優(yōu)于拉西環(huán)。矩鞍填料的兩端為矩形，且填料兩面大小不等?？朔嘶“疤盍舷嗷ブ丿B的缺點，填料的均勻性得到改善。液體分布均勻，氣液傳質(zhì)速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一種瓷質(zhì)填料。缺點：相鄰填料易相互套疊，使填料有效表面降低，從而影響傳質(zhì)速率。2/4/202357優(yōu)點：網(wǎng)絲細密，空隙很高，比表面積很大。由于毛細管作用，填料表面潤濕性能很好。故網(wǎng)體填料氣體阻力小，傳質(zhì)速率高。缺點：造價很高，故多用于實驗室中難分離物系的分離。金屬英特洛克斯（Intalox）填料有環(huán)形與鞍形的結(jié)構(gòu)特點，生產(chǎn)能力大、壓降低、液體分布性能好、傳質(zhì)速率高及操作彈性大，在減壓蒸餾中其優(yōu)勢更為顯著。與實體填料對應的另一類填料為網(wǎng)體填料。有多種形式，如金屬絲網(wǎng)制成的網(wǎng)環(huán)和鞍型網(wǎng)等。網(wǎng)體填料（Wiregauzepackings）2/4/202358規(guī)整填料規(guī)整填料一般由波紋狀的金屬網(wǎng)絲或多孔板重疊而成。使用時根據(jù)填料塔的結(jié)構(gòu)尺寸，疊成圓筒形整塊放入塔內(nèi)或分塊拼成圓筒形在塔內(nèi)砌裝。優(yōu)點：空隙大，生產(chǎn)能力大，壓降小。流道規(guī)則，只要液體初始分布均勻，則在全塔中分布也均勻，因此規(guī)整填料幾乎無放大效應，通常具有很高的傳質(zhì)效率。缺點：造價較高，易堵塞難清洗，因此工業(yè)上一般用于較難分離或分離要求很高的情況。2/4/202359規(guī)整填料CorrugatedMetalPlatesPackings6400金屬板波紋規(guī)整填料300脈沖規(guī)整填料各種陶瓷規(guī)整填料2/4/202360填料的流體力學性能壓降填料塔效率主要取決于填充填料流體力學性能和傳質(zhì)性能。壓降、液泛氣速、持液量及氣液分布對填料塔的設計和操作參數(shù)的確定至關重要。壓降與氣速的關系：氣體通過干填料層時的流動與氣體通過顆粒固定床的流動相似，只是通常填料層的空隙率更大，故氣體在空隙中的流速更高而處于湍流。載液區(qū)高液量低液量CC’BB’AA’L=0L1L2lgulgp載點氣速液泛氣速2/4/202361有一定持液量時，p~u

將不再為簡單的直線關系(噴淋密度為L1、L2曲線)，且存在兩個較明顯的轉(zhuǎn)折點。壓降氣體通過干填料層的壓降p與空塔氣速u的關系在雙對數(shù)坐標上為直線，斜率1.8~2.0。原因：噴淋液體在填料上形成液膜，占據(jù)部分空隙，減小了氣體的流通截面，對相同空塔氣速壓降升高。載液區(qū)高液量低液量CC’BB’AA’L=0L1L2lgulgp載點氣速液泛氣速2/4/202362P點后，液沫夾帶量，液相返混可導致填料效率，(HETP)。載點(B)后，持液量，氣液相互作用，相界面積，湍動增強，傳質(zhì)過程，填料效率

(HETP)；載液和液泛對傳質(zhì)的影響：壓降氣速較低時，氣液相間相互影響小，在一定的液體噴淋密度下，填料持液量與氣速無關，氣體壓降與氣速的關系為直線且基本與L=0的直線平行。lgu高液量低液量載點線lgLPB泛點C載液區(qū)空塔氣速

u等板高度HETP填料塔的操作一般控制在偏離泛點一定距離的載液區(qū)內(nèi)，這樣，既可得到較高的傳質(zhì)效率，填料層的壓降也不會過大。2/4/202363壓降與氣速的關聯(lián)圖壓降對填料塔操作的可靠性和經(jīng)濟性有著決定性的影響。選擇填料和確定塔徑時，不同系統(tǒng)應控制的壓降范圍不同。吸收（mmH2O/m）蒸餾（mmH2O/m）系統(tǒng)不起泡系統(tǒng)起泡常壓或加壓真空20~358~2035~658~35壓降：表面摩擦阻力+形體阻力，前者是氣體在空隙中流動時在填料表面和氣液界面上產(chǎn)生的粘性應力，后者是由于氣體流道的突然增大或縮小，方向的改變等造成的動能損失。影響因素：填料特性(幾何形狀、比表面積、等)，流體物性(、等)以及操作條件(氣液流量、T等)。難以進行準確的理論計算，迄今仍然只能由各種經(jīng)驗關聯(lián)式或關聯(lián)圖進行估算。2/4/202364?？颂?Eckert)壓降通用關聯(lián)圖橫坐標：GG,GL——氣體和液體的質(zhì)量流速，kg/(m2.s)；

u——空塔氣速，m/s；V,L——氣體和液體的密度，kg/m3；L——液體的粘度，mPa.s；WG,WL——氣體和液體的質(zhì)量流量，kg/s；——濕填料因子(泛點填料因子)，1/m；

Vs,Ls——氣體和液體的體積流量，m3/s；

g——重力加速度9.81m/s2；——液體密度校正系數(shù)(水與液相密度之比=/L)

?？v坐標：2/4/202365埃克特(Eckert)壓降通用關聯(lián)圖適用范圍：亂堆填料(Randompackings)，如拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)等。與泛點線相對應的空塔氣速為空塔液泛氣速。利用此圖可根據(jù)選定的空塔氣速求壓降，或根據(jù)規(guī)定的壓降求算相應的空塔氣速。最上方的三條線分別為弦柵、整砌拉西環(huán)及亂堆填料的泛點線。其余為亂堆填料的等壓降線。2/4/202366泛點氣速泛點：液泛開始發(fā)生，是填料塔的操作極限。泛點氣速：開始發(fā)生液泛時的氣速，泛點的直接表達參數(shù)。為防止液泛發(fā)生，最大操作氣速應<95%泛點氣速，設計點的氣速通常取泛點氣速的50%~80%。故正確估算泛點氣速對填料塔的設計和操作都十分重要。填料的種類，物系的物性以及氣、液相負荷等因素對泛點都有一定的影響。泛點氣速的估算式通常仍是借助于實驗數(shù)據(jù)所得的各種經(jīng)驗關聯(lián)式或關聯(lián)圖。對于散裝填料，目前廣泛采用埃克特(Eckert)壓降和氣速通用關聯(lián)圖中的泛點曲線。規(guī)整填料有類似的泛點實驗關聯(lián)圖，可參考有關文獻。根據(jù)兩相流動參數(shù)即可由?？颂?Eckert)關聯(lián)圖中的泛點線查縱坐標值，若填料因子已知，即可求得泛點氣速。2/4/202367持液量（Liquidholdup）填料的持液量：操作時單位體積填料在表面和空隙中所積存的液體體積量。由靜持液量和動持液量兩部分組成。動持液量：停止氣液兩相進料后從填料中排放出來的液體。與填料特性，物性及氣液兩相流量有關。靜持液量：液體排放完后仍保留在填料層內(nèi)的那部分液體。與填料表面積，表面特征及潤濕性有關。持液量對填料的壓降、氣液通量以及分離效率均有影響。液體在填料層中的停留時間與持液量成正比，故熱敏性物系分離不宜采用持液量大的填料。對間歇蒸餾不宜采用持液量大的填料。填料塔穩(wěn)定操作時持液量越小，靈敏度越高。理想的操作：大傳質(zhì)表面，較小持液量。2/4/202368填料塔內(nèi)的氣、液分布氣、液兩相分布不均勻?qū)λ蕰a(chǎn)生不利的影響。小尺度不良分布：單個填料尺度或規(guī)整填料的通道尺度上的不均勻分布。原因：由于氣體的彌散性，氣體在小尺度上容易分布均勻。而液體能否在填料表面擴展成膜與填料的潤濕性直接相關。即使填料潤濕性很好，液體的初始分布也很均勻，但在向下流過一定高度的填料層后部分液體必然會匯集為細股流，使另一部分填料表面不能為液體所潤濕。小尺度的不良分布是填料的特性，當液體流經(jīng)一定距離后，這種不良分布特性保持穩(wěn)定，稱為特征分布。通常散裝填料的小尺度不良分布較規(guī)整填料突出。2/4/202369填料塔內(nèi)的氣、液分布大尺度不良分布：由液體初始分布不均、填料層結(jié)構(gòu)不均和塔體傾斜等非正常因素所引起。壁效應：若塔壁附近空隙率顯著大于填料主體區(qū)，則會造成液體向壁區(qū)偏流并最終形成沿塔壁垂直向下的壁流，減少了填料氣體區(qū)的液流量。塔體傾斜會造成液體優(yōu)先流向下方塔壁而匯集，上方塔壁及靠壁區(qū)液體分布則不足。填料破碎、變形等也會造成大范圍的液流分布不均。大尺度液流不均還會引發(fā)氣流分布不均，造成氣體走短路，使填料塔操作惡化。改進措施：加強液流入塔的初始分布均勻性，在塔內(nèi)設置液體再分布器，填料充填均勻，對大型塔填料尺寸與塔徑之比不大于1/30以避免壁效應等。2/4/202370填料塔塔徑與塔高的計算塔徑填料塔的直徑可根據(jù)圓形管道內(nèi)的流量公式計算式中：Vs——操作條件下氣體體積流量，m3/s；

u——操作條件下的空塔氣速，m/s。一般取u=(0.5~0.8)uf

。對一定氣體負荷，塔徑計算關鍵在于空塔泛點氣速的求取。當缺乏實測數(shù)據(jù)時，泛點氣速uf

可用?？颂?Eckert)壓降關聯(lián)圖估算。一般填料塔的操作氣速大致在0.2~1.0m/s。按上式算出的塔徑，應按壓力容器公稱直徑進行圓整，如圓整為600、800、1000、1200mm等。2/4/202371塔徑驗算液體噴淋密度，以確保填料能得到充分的潤濕。填料塔的液體最小噴淋密度與填料的比表面積a有關，其關系為：式中：Umin——最小噴淋密度，m3/(m2s)；

(Lw)min——最小潤濕速率，m3/(ms)。最小潤濕速率：在塔橫截面上，單位長度的填料周邊上潤濕填料所需最少液體的體積流量。直徑<75mm的拉西環(huán)及其它填料，(Lw)min=0.08m3/(mh)；直徑>75mm的環(huán)形填料，(Lw)min=0.12m3/(mh)。實際噴淋密度應大于最小噴淋密度。若不能滿足此條件，可采用增大回流比或液體再循環(huán)等方法加大塔內(nèi)液體流量，或適當提高氣速，減小塔徑等。2/4/202372塔高取決于所需的填料層高度及塔內(nèi)附屬構(gòu)件所需的高度。附屬構(gòu)件(如氣液分布裝置，除沫器及液體再分布器等)的高度要由所選的類型和計算的尺寸來確定。填料層的高度通常采用傳質(zhì)單元法(第9章吸收計算)或等板高度法進行計算。等板高度(HETP)：與一層理論塔板的分離效果相當?shù)奶盍蠈痈叨取５劝甯叨鹊拇笮?，表明填料效率的高低。等板高度一般由實驗測定，或取生產(chǎn)設備的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。若完成分離任務所需的理論板數(shù)為N，則填料層高度Z為2/4/202373默奇(Murch)等板高度經(jīng)驗公式

GG——氣體的空塔質(zhì)量速度，kg/(m2h)；——相對揮發(fā)度；

D——塔徑，m；

L——液體粘度，mPas；

Z——填料層高度，m；L——液體的密度，kg/m3；c1,c2,c3——常數(shù)，取決于填料類型及尺寸。適用范圍：(1)常壓操作，操作氣速為泛點氣速的25~85%；(2)高回流比操作；(3)值不大于3的碳氫化合物蒸餾系統(tǒng)；(4)填料層高度為0.9~3.0m，塔徑為0.5~0.75m，填料尺寸不大于塔徑的1/8。2/4/202374默奇(Murch)等板高度經(jīng)驗公式默奇（Murch）等板高度經(jīng)驗公式中的常數(shù)填料類型尺寸mmc1c2c3

陶瓷拉西環(huán)91.36×104-0.371.2412.54.48×104-0.241.24252.39×103-0.101.24

弧鞍501.5×10301.2412.52.55×104-0.451.11252.11×103-0.141.112/4/202375填料塔的附屬結(jié)構(gòu)填料支承板（Packingsupportplate）主要包括：填料支承裝置、液體分布及再分布裝置、氣體進口分布裝置及出口除沫裝置等。附屬結(jié)構(gòu)的選型、設計、安裝是否正確合理，對填料塔的操作和傳質(zhì)分離效果都會有直接影響，應給予足夠的重視。用以支承填料的部件。它應具有：(1)足夠的機械強度以承受設計載荷量，支承板的設計載荷主要包括填料的重量和液泛狀態(tài)下持液的重量。(2)足夠的自由面積以確保氣、液兩相順利通過?？傞_孔面積應盡可能不小于填料層的自由截面積。開孔率過小可導致液泛提前發(fā)生。一般開孔率在70%以上。常用的支承板有柵板、升氣管式和氣體噴射式等類型。2/4/202376填料支承板（Packingsupportplate）柵板(supportgrid)：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，造價低；缺點是柵板間的開孔容易被散裝填料擋住，使有效開孔面積減小。2/4/202377填料支承板（Packingsupportplate）升氣管式：具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點。氣體由升氣管側(cè)面的狹縫進入填料層。2/4/202378填料支承板（Packingsupportplate）氣體噴射式(multibeampackingsupportplate)：具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點。氣體由波形的側(cè)面開孔射入填料層。2/4/202379床層限位圈和填料壓板(Bedlimiterandholddownplate)填料壓緊和限位裝置安裝在填料層頂部，用于阻止填料的流化和松動，前者為直接壓在填料之上的填料壓圈或壓板，后者為固定于塔壁的填料限位圈。規(guī)整填料一般不會發(fā)生流化，但在大塔中，分塊組裝的填料會移動，因此也必需安裝由平行扁鋼構(gòu)造的填料限制圈。2/4/202380液體分布器（Liquiddistributor）作用：將液體均勻分布于填料層頂部。液體初始分布質(zhì)量將直接影響到液體在整個填料層的分布，從而影響填料塔的分離效率和操作彈性，因此液體分布器是填料塔的一個極為重要的內(nèi)部構(gòu)件。蓮蓬頭分布器：噴頭的下部為半球形多孔板，噴頭直徑為塔徑的1/3~1/5，一般用于直徑在0.6m以下的塔中。它的主要缺點是噴灑孔易堵塞，且氣量較大時液沫夾帶量大。2/4/202381液體分布器（Liquiddistributor）壓力型多孔管式分布器：有環(huán)形和梯形兩種。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價低、易于支承。自由面積較大(一般在70%以上)，氣體阻力小，適用于氣體流量很大的場合。其操作彈性在2:1~2.5:1之間。缺點：也存在小孔易堵塞的問題，故被噴淋的液體不能有固體顆?；驊腋∥?。2/4/202382液體分布器（Liquiddistributor）梯形二級槽式液體分布器2/4/202383液體分布器（Liquiddistributor）優(yōu)點：具有較多的噴淋點數(shù)，分布質(zhì)量比較高，且操作彈性可高達4:1。缺點：結(jié)構(gòu)較復雜，造價較高，對安裝水平度要求高。氣體通過阻力較大，一般適用于氣體負荷不太大的場合?？琢鞣植计鳎河斜P式和槽式兩種。盤式孔流分布器：氣、液流道分離，液體自盤底的噴淋孔流下，盤中維持有一定高度的液位，氣體則從盤中設置的圓管中上升。2/4/202384液體分布器（Liquiddistributor）優(yōu)點：抗堵、抗腐蝕能力強，操作可靠，可處理含固體的物料，操作彈性和處理量較大，操作彈性可達到4:1。缺點：分布質(zhì)量極易受液面的波動和分布器水平度的影響，故通常必須裝有水平調(diào)節(jié)裝置。槽式溢流分布器：液體從通常為V字形的溢流口中溢出。一般適用于直徑大于1.0m的填料塔中。2/4/202385液體再分布器（Liquidredistributor）隨液體流經(jīng)的填料層厚度的增加，偏流程度增加，液體的大尺度不良分布就越嚴重。解決方法：每隔一定高度設置一液體再分布器。偏流效應越嚴重，設置液體再分布器的填料間隔應越小，如拉西環(huán)每段填料高度一般約為塔徑的3倍，而鮑爾環(huán)和