化工原理课程设计指导书(填料塔)

第二部分填料塔设计

一、化工原理课程设计的目的与要求 (31)

二、化工原理课程设计的内容 (31)

三、安排与要求 (32)

四、设计步骤 (33)

1、收集基础数据 (33)

2、工艺流程的选择 (33)

3、做全塔的物料平衡 (33)

4、确定操作条件 (34)

5、确定回流比 (36)

6、理论板数 (37)

7、填料 (37)

8、填料塔直径的计算 (39)

9、填料层的压降 (42)

10、蒸馏过程填料层高度计算 (43)

11、填料塔的附属结构及设备 (49)

12、关于填料精馏塔总图的绘制 (51)

13、关于设计说明书的编写 (52)

参考文献 (53)

设计任务书 (54)

第二部分填料塔设计

一、化工原理课程设计的目的与要求

通过理论课的学习和生产实习，学生已经掌握了不少理论知识和生产实际知识，对于一个未来的工程技术人员来说，如何运用所学知识去分析和解决实际问题是至关重要的，本课程设计的目的也是如此。

化工原理课程设计是化工专业的学生在校期间第一次进行的设计，要求每个同学独立完成一个实际装置（本次设计为精馏装置）的设计。设计中应对精馏原理、操作、流程及设备的结构、制造、安装、检修进行全面考虑，最终以简洁的文字、表格及图纸正确地把设计表达出来。本次设计是在教师指导下，由学生独立进行的设计。因此，对学生的独立工作能力和实际工作能力是一次很好的锻炼机会，是培养化工技术人员的一个重要环节。通过设计，学生应培养和掌握：

1、正确的设计思想和认真负责的设计态度。

设计应结合实际进行，力求经济、实用、可靠和先进。

设计应对生产负责。设计中的每一数据，每一笔一划都要准确可靠，负责到底。

2、独立的工作能力及灵活运用所学知识分析问题和解决问题的能力。

设计由学生独立完成，教师只起指导作用，学生在设计中碰到的问题可和教师进行讨论。教师只做提示和启发，由学生自己去解决问题，指导教师原则上不负责检查计算结果的准确性，学生应自己负责计算结果的准确性，可靠性。

学生在设计中可以相互讨论，但不能照抄，为了更好地了解和检查学生独立分析问题和解决问题的能力，设计的最后阶段安排有答辩。若答辩不通过，设计不能通过。

3、精馏装置设计的一般方法和步骤。

4、正确运用各种参考资料，合理选用各种经验公式和数据。

由于所用资料不同，各种经验公式和数据可能会有一些差别。设计者应尽可能了解这些公式、数据的来源、使用范围，并能正确地运用。

设计前，学生应该详细阅读设计指导书、任务书，明确设计目的、任务及内容。设计中安排好自己的工作，提高工作效率。

二、化工原理课程设计（精馏装置）的内容

1、选择流程，画流程图。

2、做物料衡算，列出物料衡算表。

31

3、确定操作条件（压力、温度）。

4、选择合适回流比，计算理论板数。

5、做热量衡算，列出热量衡算表。

6、选择换热器，计算冷却介质及加热介质用量。

7、完成填料塔设计。

8、编写设计计算说明书。

设计结束时，学生应交的作业有：工艺流程图一张，填料塔总图一张，设计说明书一份。

三、安排与要求

设计进行两周，大致可分为以下几个阶段：

1、准备（一天）

教师介绍有关课程设计的情况，下达设计任务书。学生应详细阅读设计任务书，明确设计目的、设计任务、设计内容及设计步骤。安排好今后两周的工作。

2、设计计算阶段（四～五天）

按设计任务及内容进行设计计算，有时甚至需要对几个不同的方案进行设计计算，并对设计结果进行分析比较，从中选择较好的方案。计算结束后编写出设计计算说明书。

设计计算说明书应包含：目录、设计任务书、流程图、设计计算、计算结果及所引用的资料目录等。

设计计算说明书除了有数字计算之外还应有分析，只有数字计算，而无论述分析，这样的设计是不完整的，也是不能通过的。计算部分应列出计算式，代入数值，得出结果。计算结果应有单位。说明书一律用A4纸写，文字部分要简练，书写要清楚。说明书要标上页码，加上封面，装订成册。

3、上机计算（二～三天）。

4、答辩（一天）

答辩安排在最后一天进行。答辩前学生应将设计计算说明书装订成册，连同折迭好的图纸一起交给教师。答辩时学生先简要汇报一下自己的设计工作，然后回答教师提出的问题。

31

31

四、设计步骤

精馏装置设计的内容与步骤大致如下：

1、收集基础数据

设计所需的基础数据包括： ①进料流量及组成。 ②分离要求。 ③原料的热力学状态。

④冷却介质及其温度、加热介质及温度。 ⑤物性数据（如密度、表面张力等）。

上述基础数据中①、②两项由设计任务给出。③、④两项若任务中未曾给出，则应根据具体情况确定。物性数据可从有关资料中查取。

2、工艺流程的选择

精馏装置一般包括塔顶冷凝器，塔釜再沸器，原料预热器及流体输送泵等。流程选择应结合实际进行，考虑经济性、稳定性。如进料是否需要预热、冷凝器的型式及布置、及再沸器的型号等。

当塔顶需汽相出料时，采用分凝器，除此之外，一般均采用全凝器。对于小塔，通常将冷凝器放于塔顶，采用重力回流。对于大塔，冷凝器可放至适当位置，用泵进行强制回流。

再沸器的型式有立式与卧式、热虹吸式与强制循环式之外。当传热量较小时，选用立式热虹吸式再沸器较为有利。传热量较大时，采用卧式热虹吸式再沸器。当塔釜物料粘度很大，或易受热分解时，宜采用泵强制循环型再沸器。几种再沸器型式如图1所示。

精馏装置中，有可能被利用来预热进料的热量有塔顶蒸汽的潜热和塔釜残液的显热。塔顶蒸汽潜热大，而温度较低，塔釜残液温度高，而显热的热量少。在考虑这些热量的利用时要注意经济上的合理性及操作上的稳定性。

3、做全塔的物料平衡

对于双组分的连续精馏塔，由总物料平衡及分物料平衡有

??

?=+=+F

W D Fx Wx Dx F

W D

31

根据进料流量F 及组成F x ，分离要求，解方程组（1）即可求得馏出液流率D 及残液流率W 。

4、确定操作条件（压力、温度）

精馏操作最好在常压下进行，不能在常压下进行时，可根据下述因素考虑加压或减压操作。

（1）、对热敏性物质，为降低操作温度，可考虑减压操作。

（2）、若常压下塔釜残液的泡点超过或接近200℃时，可考虑减压操作。因为加热蒸汽温度一般低于200℃。

（1）立式热虹吸型 （2）泵强制循环型

（a ） (b)

（3）卧式再沸器 图1 几种再沸器型式

31

（3）、最方便最经济的冷却介质为水。若常压下塔顶蒸汽全凝时的温度低于冷却介质的温度时可考虑加压操作。

还应该指出压力增大时，操作温度随之升高，轻、重组分相对挥发度减少，分离所需的理论板数增加。

在确定操作压力时，除了上面所述诸因素之外，尚需考虑设备的结构、材料等。 通常按下述步骤确定操作压力。

（1）、选择冷却介质，确定冷却介质温度。

最为方便、来源最广的冷却介质为水。设计时应了解本地区水的资源情况及水温。 （2）确定冷却器及回流罐系统压力冷P 。

塔顶蒸汽全部冷凝时的温度一般比冷却介质温度高10～20℃。冷却器和回流罐系统压力即为该温度下的蒸汽压（平衡压力），可由泡点方程式得。

11

=∑=c

t Dt

t

x

K （2）

式中t K —平衡指数。烃类t K 可由资料（1）

（2）查得。 （3）、确定塔顶和塔釜压力。

塔顶压力顶P 等于冷凝器压力冷P 加上蒸汽从塔顶至冷凝器的流动阻力冷凝器顶→?P ，即

冷凝器顶冷顶→?+=P P P （3）

塔釜压力底P 等于塔顶压力加上全塔板阻力塔P ?。全塔阻力塔P ?等于塔板阻力乘实际板数，即

板顶塔顶底P P P ?+=?+=n P P （4） 式中：板P ?—塔板阻力，通常为3～5（mm 汞柱）

在确定了操作压力之后，塔顶温度可由式（5）确定，塔釜温度由式（6）确定。

11

==∑∑

=c

t t

Dt

t

t

k x k

y （5）

11

1

=∑=c

t W t x

K （6）

31 5、确定回流比

对于平衡线向下弯曲的物系，最小回流比的计算式为：

q

q q D m x y y x --=

R （7）

式中：q -q q y ,x 线与平衡线交点座标。

当进料为饱和液体时，最小回流比也可用式（8）计算，进料为饱和蒸汽时，按式（9）计算。

()?

?????----=

F D F D m x x x x 1111R αα （8） ()11111R -??

????----=

F D F D m x x x x αα （9） 汽液混合进料时，最小回流比的计算式为：

01))(1()(R ==-+=q m q m m R q R q （10）

式中：

1)(=q m R ——泡点进料时的m R ，按式（8）计算。 0)(=q m R ——露点进料时的m R ，按式（9）计算。

由上式可知，最小回流比和进料液化分率q 有关。当泡点进料时，q=1。露点进料时，q=0。若进料压力高于塔的操作压力，且原料温度较高时，进入塔内后可因压力降低而产生绝热汽化。绝热汽化温度T 及液化分率可由绝热汽化方程组（11）计算。

???

???

?--==?-+∑=h H h H q q K K x F i i F i c 11

1)1( （11）

式中：H 、h —汽相、液相焓。

F h —原料液焓。

方程（11）可由试差法解得，方法如下： a 、 根据进料温度及组成，求得F h ；

31

b 、 假设汽化温度，查得i K ；

c 、 由方程（11）的第一式求得q 及汽、液相组成；

d 、 由假设温度及求得的汽、液相组成计算汽、液相焓H 及h ；

e 、 将H 、h 、F h 代入方程（11）的第二式，若等式成立，则计算正确；若等号不 成立，则重设温度，重复（b ）至（e ）过程。

适宜回流比通常为最小回流比的1.2～2倍，设计时应根据理论板和回流比的关系图（图2）确定。

m

适宜

图2 理论板和回流比关系图

图2是在假设若干个不同的回流比下，分别用简捷法求出相应的理论板数，然后，由计算结果作图而得到的。显然适宜回流比应在图中曲线斜率变化最大处。

6、理论板数的计算

对于双组份精馏塔，求解理论板数可用图解法或简捷法。若理论板数较多，且溶液接近理想溶液时，可作简捷法计算。

简捷法求理论板数时，有吉利兰（Gilliland ）法和埃尔巴—马道克斯（Erbar —Maddox ）法。据称埃尔巴法比吉利兰法精度要高，但埃尔巴法只能用于泡点进料，且指明回流比为最适宜回流比，而一般回流比大多高于这个数值[5]。

图解法和简捷法的具体作法参阅教材，此处不再讨论。

7﹑填料塔的特性﹑适用场合及填料的选择

由于对填料研究的不断深入，又由于许多新型填料的问世，填料塔的应用趆来越广泛。许多过去曾被板式塔垄断的大型塔，已成功地被填料塔所取代。下面简单介绍填料塔的特

31 性，适用场合及填料的选择。

（1）﹑填料塔的特性：

对塔设备的评价主要从生产能力﹑分离效率﹑压降（阻力）﹑弹性及成本等几个方面进行，填料塔的特性也正是体现在这几个方面。

*生产能力 填料塔的生产能力大于同直径的筛板塔和浮阀塔。 *分离效率 填料塔的分离效率可和相同高度的板式塔相比。

*操作弹性 设计合理的填料塔，其操作弹性一般好于筛板塔，大致和浮阀塔相当。 *压降（阻力） 除非在很高的液相流率下操作，填料塔中每一个理论板的压降通常小于板式塔。

*成本 填料的制造成本较高，但填料塔比板式塔容易安装，因此可导致总体上较低的安装成本。

填料塔存在的两个主要缺点是容易堵塞设备及容易造成液体和气体分布的不良。因此，在填料塔的设计时，必须考虑采取适当的防护措施。

（2）﹑填料塔的适用场合：

填料塔很容易应用于板式塔很难应用的某些场合。例如：

塔径小于800毫米的塔，如使用板式塔将很难安装，而填料塔却很容易安装。 要求低压降的塔，如采用板式塔将很难保证塔底的真空度，而填料塔的压降通常低于板式塔。

对于液相负荷很大﹑含有腐蚀性物质、物系容易起泡的物系，釆用填料塔比较适宜。 由于填料塔容易堵塞及其清理困难，因此在物料不清洁的情况下，不宜釆用填料塔。此外，液气比很小的塔，有侧线釆出的塔，需要中间取热的塔也不推荐填料塔。

（3）、对填料的要求及选择

填料是填料塔的重要组成部分，是提供塔内气液两相接触的场所，填料塔对填料的要求具体表现在如下几个方面。

① 比表面积要大。比表面积是指单位堆积体积填料所具有的表面积32/M M 。 ② 能提供大的流体通量。即所选用的填料结构要敞开，使属于死角区域的空间小，

有效的空间小，有效的空隙率大。

③ 液体的再分布性能要好，具体要求有以下四个方面： a.填料在塔内装填之后，整个床层结构均匀。

31

b.填料在塔内堆放的形式应有利于液体向四周均匀分布。

c.填料本身的结构要保证同一截面上的填料在接受上面流下的液体之后，不仅能垂直往下传递，而且能横向传递。从目前的填料来看，曲面结构及倾斜放置形状均有利于液体向横向传递。

d.减轻液体向壁面的偏流。

④要有足够的机械强度，有良好的化学稳定性。 ⑤重量轻，来源易，价格低廉。

现代工业填料塔所用填料种类繁多，大体可分为如下两大类，即实体填料和网体填料。实体填料包括常用的拉西环、鲍尔环、阶梯环形填料，矩鞍形、弧鞍形等鞍形填料以及波纹填料等。网体填料则包括由丝网体制成的各种填料，如鞍形网、及网环填料等。有关几种常用填料特性数据，参看“化工原理”教材。

8、填料塔直径的计算

（1）、填料塔的设计气速

填料塔的气速与等板高度（HELP ）的关系如图3所示。当气速较小时（图中A 点左面）当气相为层流，传质阻力大。随着气速增大，传质阻力减小，等板高度减小。在AB 段，气相为湍流，等板高度大致恒定。BC 段接近液泛，C 点以右为液泛区。

显然C 点气速为操作的最大气速（泛点气速），而A 点为最小气速。对于一些新型填料，最大气速和最小气速之比可达7左右。

填料塔的设计气速通常为泛点气速的0.4～0.8倍。不起泡的物系可取0.6～0.8倍，轻度起泡可取0.5～0.6倍，易起泡的物系可取0.4～0.5倍。对于新型填料可取大值。

图3气速与等板高度的关系

填料塔的泛点气速可根据图4或式（13）计算，在求得泛点气速之后即可按上所述，

31

根据物系的起泡程度及填料确定设计气速。

3

/1G'L'??

?

??L G

ρρ

图4 填料塔液泛、压力降通用关联图

图4中，

橫坐标：5.0G'L'????

??

L G

ρρ 或 5

.0G L V V ???

? ??G L ρρ

纵坐标：L

G L g ρρ?μ??1

.01.2G 或 L L G f g W ρμ?ρ1.0

各物理量的意义如下：

G ＇、L ＇――气体与液体的质量流速Kg/M 2S ； V G 、V L ――气体与液体的体积流量M 3/S ；

L G ρρ、――气体与液体的密度K g /M 3。

?――填料因子I/M ；

31

μL ――液体粘度CP （即MNS/M 2）；

g ――重力加速度M/S 2； W f ――气体的泛点气速M/S 。

此图适用于乱堆的拉西环，弧鞍形填料，矩鞍形填料，鲍尔环等。 波涨纹填料中的泛点气速，可用下式计算。

25

.05.01.04.09.1??

? ?????? ??=L G d u W G s f ρσ （13） 式中：

g ――填料空隙率。

s d ――填料通道的当量直径（mm ）

。 σ――液体表面张力（dyn/cm ）.

G 、L ――气体及液体的流量（Kg/h ）。 操作空塔气速：W ＝0.5～0.8W f . (2) 、塔径的确定：

用上述方法确定了操空塔气速W 之后，再由下式确定塔径：

M xW

V D S

4=

（14）

式中：S V —气体在操作条件下的体积流量M 3

/S 。

当计算出的塔径不是整数时，要进行圆整。圆整的根据是符合加工要求及设备定型，以便于设备的设计、加工。根据国内容器公称直径标准(JB-1153-71)，直径在1M 以下间隔为100MM ，直径在1M 以上时，间隔为200MM 。

(3)、填料尺寸

填料塔直径和填料直径之比(D/d)太小时，容易出现壁流。一般D/d 应大于10。但填料直径趆小，造价越高。推荐的填料尺寸如下：

塔径［米］ 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 鲍尔环[毫米] 25 25 38 50 50 50 拉西环[毫米] 10 15 25 38 50 50

31

9、填料层的压降

填料层的压降既与气液流动状况有关，又与填料特性有关，情况比较复杂，有关手册载有各种尺寸填料实测的压力降曲线，可供计算时应用。

另外图4是填料塔泛点和压降的通用关联图，可以用它来求取气体通过填料层的压降。用通用关联图求压降，简便实用，计算结果的精确程度能满足工程实用的要求。

图4适用于乱堆拉西环、鲍尔环、鞍形填料等。

对波纹填料，可先计算干填料压降，然后再计算湿填料压降。 (1)、干填料压降可表示如下：

g

w a Z P G

D D ρδζ23

41=?

(15)

式中：D P ?―干填料压降（O mmH 2）;

D ζ―干填料的阴力系数；

15

.015

.04???

? ??=

=

a W R G

G

a

D μρλ

λ

ζ

G ρ―气体密度，3/M Kg

W ―空塔气速（S M /）； g ―重力加速度（2/S M ） a ―比表面积（32/M M ）；

δ－空隙率；

a d ―当量直径，)(4M a

d a δ

=

； Z ―填料层高度（M ）； G μ―气体粘度（ms Kg /）； λ―系数，推荐数值为：

对于平行直纹的波板，λ＝0.72；

31

对于波纹成45°倾角交错排列并不断转向的波纹板，λ＝1.8。 （2）、喷淋和湿填料的压降S P ?

???? ?

?+=??a D S d L P P 6

.075.0125.1 (17) 式中：L ――喷淋密度，h M M 23

。

10、蒸馏过程填料层高度计算：

（1）、用等板高度（H.E.T.P ）计算

蒸馏过程所需的塔高，首先按前面所述计算出理论板数，则填料高度Z ＝N 理

×

（H.E.T.P ）（M ）。

等板高度与许多因素有关，包括流体力学因素、物理因素、热力学因素，以及传递和操作因素等，至今尚未有很完善的计算公式求取其值。一般多采用直接测定的实验数据，或利用主要性质（相对挥发度、粘度、密度、液气比等）相近的物系数据。具体设计时，可查阅有关文献、手册。

表1 用于工业塔的H.E.T.P 参考数值

（2）、用传质单元高度法计算：

填料高度 Z ＝H OG N OG A 、气相总传质单元高度H OG 的计算： ① 首先应用关联式计算气相传质单元高度H G

31 32175

.025.011.36'3600C C C V V V a C R H G L G G G ?????

?

??+????=-δ （18）

式中：

G H ――气相传质单元高度（m ）

； 'δ――湿填料空隙率（对于蒸馏过程，因液量小，可直接应用填料的空隙率δ）； R G ――气膜填允系数；

C ――气相特性因数，一般物系取C ＝0.6； a ――填料的比表面积（m 2/m 3）;

V G ――实际气速（δ/m ），w w V G ,'/δ=——空塔气速（δ/m ） V L ――液体表面速度（δ/m ）；

C 1、C 2、C 3――浓度校正系数，压力校正系数及温度校正系数。对于常温、常压及低浓度系数，这三项系数可以不考虑。 其中：

P

P P C L

G 2'11+-

= 25.02p C =

44

.0322.1-=G T C

P ――系数总压（atm ）;

G P ――可溶性气体在气相中分压； 'G P ――与液相浓度平衡的气相分压；

G T ――气相温度（°K ）。

31

图5填料液膜厚度液体表面速度图

图中的数据只适用于水在28℃时的情况。对于其它情况，由图所查得的液膜厚度应除以校正系数B ，而V L 则应乘以B 。

3/1)/100(215.0L L B μγ= γL 为液体重度（Kg/m 3）,μL 为液体粘度（CP ）。 ②其次计算液相传质单元高度H L 3

.0544.32W

L

L L L C R C C H =

（19） 式中：H L ――液相传质单元高度（m ）;

R L ――液膜填允系数；

CL ――液相物性因数，5.053

.010L

L L L D C ?

?

??

?

?=μγ D L ――组分在液相中的扩散系数（s cm /2）

C 4――润湿率效正系数，当L L 润湿率不很大时，C 4≈1； C 5――温度校正系数。

31 表2 拉西环填料的传质特性数据

（3）、计算气相总传质单元高度H OG ：

A

H H H L G OG += （20）

M M mG L A = 吸收因数

式中：

L M 、G M ―液相及气相流量（Kmol/h ）。 m ―气液相平衡常数，即平衡线的平均斜率值。

特别指出：按式（18）及式（19）计算的H G 及H L 均系假定填料表面充分润湿时由所测得的数据关联而成。对于?76mm 的拉西环，最低润湿率为0.8m 3/mh ；对于超过?76mm

31

的拉西环，则取最低润湿率为0.12 m 3/mh 。当塔内的润湿率L W 超过上述规定时，对所得的总传质单元高度不需要校正。但L W 低于上述最低润湿率时，则可由图5估算填料表面效率η，然后将H OG 除以η，做为校正的总传质单元高度。

填料表面效率η

最低润湿率分率 规定的最低润湿率

操作的润湿率最低润湿率分率=

图6 填料表面效率

B 、蒸馏过程传质单元数的计算 气相总传质单元数?

-=∞S

S

y y y

y dy N *，其计算方法有图解积分法、梯级近似法和解析法。

① 图解积分法：

首先做出M-T 图，在操作线上读出一系列Y 值，并相应在平衡线上读出一系列Y*值，然后以Y 橫坐标，以

Y

Y -*1为纵坐标，曲线下所围面积即等于N OG

的数值。

② 梯级近似法：

在M-T 图上亦可用作梯级线的方法求取传质单元数。在平衡线与操作线之间作出其垂直距离的中点轨迹线，即图7中的虚线（AM ＝A 1M 1，BN+NB 1……），自塔项的D 点开始作

水平线DEF，使DE＝EF，自F作垂线交操作线于G，然后再从G作水平线GHJ，使GH ＝HJ……，如此进行至塔釜，所得梯级数即为传质单元数。

图8 梯级法求传质单元数

③解析法：

余国综教授等人将传质单元数N与全回流下的最少理论板数N m和最小回流比R m 及操作回流比R之间进行关联，其关联结果如图8。

图9 传质单元数的关联

图中关联的参数范围如下：

31

31

表3

考虑到计算机对上述曲线的使用要求，作者将曲线回归为以下多项式：

N/N m =1.0123694-0.4048348θ+6.5406911θ2

-13.3130273θ3

+9.4039032θ4

式中，)1()1(++=R R m θ。其适应范围θ＜0.95。与曲线的最大误差为2.8％。

C 、填料高度Z 的计算：

将前面计算出的N OG 值与H OG 值代入填料高度计算式：

Z ＝H OG ×N OG （m ） （21）

填料层高度过大，容易出现壁流现象。因此填料层高度必须受到限制。当填料层高度较大时，必须分段，在段和段之间设液体再分布装置。一般每一段填料的高度不大于6米。对于鲍尔环、Intalix 填料等新型填料，在喷淋密度大于12米3

/米2

时，每一段填料可高达9米。

11、填料塔的附属结构及设备

（1）、确定冷凝器和再沸器的热负荷Q C 、Q I ； 对于全凝器。由冷凝器热平衡可得：

)()1(1D C h H D R Q -+=

式中：R ――回流比；

D ――馏出液流率；

H I h D ——分别为塔顶蒸汽。馏出液的焓。 对于全塔做热平衡有：

F C W D r Fh Q Wh Dh Q -++=

式中：F W h h ――分别为塔釜液，加料液的焓。