填料塔器设计资料

6 填料塔的结构设计

I. 塔径计算

计算公式： D =

① 塔填料选择

须知：

相对处理能力：拉西环<矩鞍<鲍尔环<阶梯环<环鞍(填料尺寸相同，压降相同)

对于规整填料，分离能力：丝网类填料>板波纹类填料，板波纹填料较丝网类有较大的处理量和较小的压降。250Y ——250指的是填料的比表面积，Y 指的是波纹倾角为45o ,X Y 指的是波纹倾角为30o

填料选择的三步骤：选材质→选类型→选尺寸(径比应保持不低于某一下限值，以防止产生较大的壁效应，造成塔的分离效率下降。)

选尺寸说明：填料尺寸大，成本低，处理量大，但效率低。一般大塔常使用50mm 的填料。

塔径/mm 填料尺寸/mm D<300 20~25 300

D>900

50~80

② 计算方法

泛点气速法 ----散堆填料

(0.5~0.8) f u u =

a. Eckert 关联图法

20.5

0.2f u ()() Y=G G L V L L

W X W g ρφ?ρμρρ=

由X 值和泛点压降线查取Y 值进而求得液泛气速 b. Bain-Hougen 泛点关联式

20.20.250.125f 3u log[] 1.75()() G G L L

L V L

W A g W ρραμερρ=- 填料特性：比表面积、空隙率、泛点压降因子 ---规整填料

a. Bain-Hougen 泛点关联式

20.20.250.125f 3

u log[] 1.75()() G G L L L V L

W A g W ρραμερρ=- 250Y 金属板波纹填料:A=0.297，CY 型丝网填料:A=0.30 b. 泛点压降法

Kister and Gill 等压降曲线(匡国柱.化工单元过程与设备课程设计.北京：化学工业出版社.2002,264-265)

泛点压降与填料因子间的关系：0.7

/40.9p Z Fp

?= Pa/m; Fp —填料因子

等压降曲线: 0.50.50.50.05

p u (

)() Y=() F ()0.277G G L V L L G W X W ρρμρρρρ

=- 气相负荷因子法——用于规整填料塔的计算

0.5[/()]S G L G C u ρρρ=-

max 0.8 S S C C =

0.5

max =f() ( )G L S G L

W C W ρψψρ=

填料手册中给出Csmax 与ψ(流动参数)的关系图。

③ 校核

---散装填料：

a. 径比D/dp 为保证填料润湿均匀，应使径比在10以上，径比过小，液本沿填料下流时常会出现壁流现象。拉西环：D/dp>20；鲍尔环：D/dp>10；鞍形填料：D/dp>15。

b. 泛点率u/uf ∈(0.5~0.8) 保证塔在操作中不发生液泛

c ．喷淋密度>最小喷淋密度 保证填料充分润湿。若喷淋密度过小，可增加吸收剂用量，或采用液体再循环以加大液体流量，或在许可范围内减小塔径，或适当增加填料层高度予以补偿。

d. 每米填料层压降 为使填料塔性能良好的工况下操作，每米填料层的压降不能太大，一般正常压降/147~490 Pa p Z ?=,真空操作下/78.45 Pa p Z ?≤

---规整填料

注意：计算出的塔径D 值，应按压力容器公称直径标准进行圆整，以符合设备的加工要求及设备定型，便于设备的设计加工。根据国内压力容器公称直径标准(JB-1153-71)，直径在1m 以下，间隔为100mm （必要时D 在700mm 以下可50mm 为间隔)；直径在1m 以上，间隔为200mm （必要时D 在2m 以下可用100mm 为间隔）（李功祥，陈兰英.常用化工单元设备设计.广州：华南理工大学出版社.)

④ 所需物性数据

物性数据：气体混合物的密度、液体混合物的密度、液体混合物的粘度、表面张力 计算式：

气体混合物 G pM

RT

ρ= 液体混合物：

1

i

L

i

w ρρ=∑

wi ——组分i 的质量分数

互溶液体混合物的粘度：1/3

1/3m i

i

x μμ

=∑

含水溶液的表面张力：

1/41/41m S W W S O O

σ?σ?σ=+ 式中：/ / SW SW W S SO SO O S x V V x V V ??== 计算精馏段塔径时物性数据的处理：

a. 以上方程所用物性数据近似按塔顶第一板处理. 如

1

1

G pM RT ρ=

b. 以上方程中所用物性数据均取塔顶第一板与加料板物性数据的平均值 计算提馏段塔径时物性数据的处理：

a. 以上方程所用物性数据近似按加料板处理.

b. 以上方程中所用物性数据均取加料板与塔釜物性数据的平均值

II 填料层高度计算

---理论板当量高度(HETP)法 (精馏塔采用)

理论板当量高度的值与填料塔内的物系性质、气液流动状态、填料的特性等多种因素有关，一般源于实测数据或由经验关联式进行估算。在实际设计缺乏可靠数据时，也可取文献(匡国柱.化工单元过程与设备课程设计.北京：化学工业出版社.2002,264-265)P273页所列数据作参考。

填料尺寸/mm 25 38

50

等板高度/mm

矩鞍环 430 550 750 鲍尔环 420 540 710 阶梯环

环鞍

430 530 650

以上关于HETP 的取法是基于一种认识，即填料塔的分离效率与被分离物系的物理性质无关或影响很小，显然这与实际情况相比，有时会出现较大的偏差，故在设计时应特别给予注意。

精馏段 R

R

N Z H E T P

N N T S M

=?= NTSM ——与1m 填料分离能力相当的塔板数

HETP ——与1层理论板分离能力相当的填料层高度 精馏段总压降 (/)p Z p Z ?=?? 式中： /p Z ?——每米填料层压降

提馏段的计算方法与精馏段相同。 ---填料层的分段

目的：使填料层内气液两相处于良好的分布状态。

一般情况：每经过10块理论板的当量高度设置一个液体收集装置，并进行液体的再分布。

规整填料的分段：

填料种类 孔板波纹250Y 丝网波纹500(BX) 丝网波纹700(CY)

每段填料最大高度/m

≤6

≤3

≤1.5

提醒：为了保证工程上的可靠性，计算出的填料层高度还应加上20%左右的裕度。

III. 塔高

塔高=填料层高度+附属部件的高度+塔顶空间+塔底空间

IV . 填料塔流体力学参数计算

a.填料塔压力降

123p p p p ?=?+?+?

1p ?——气体进出口压力降；2p ?——填料层的压力降；3p ?——其他塔内件的压力降.

b.泛点率

c.气体动能因子 F =

7 附属内件的选型

包括液体初始分布器、填料压紧装置、填料支撑装置、液体再分布器、气体入塔分布器

8 塔附属高度

塔附属高度包括：塔的上部空间高度、安装液体分布器和再分布器(包括液体收集器)的所需空间高度、塔釜高度及支座高度。

① 塔的上部空间高度

塔的上部空间高度的作用：在塔填料层以上，有一足够的空间高度，以使随气流携带的液滴能从气相中分离出来，该高度一般取1.2~1.5m.

② 安装液体分布器和再分布器(包括液体收集器)所需空间高度 其高度值依据分布器的形式而定，一般取1~1.5m 的空间高度。 ③ 塔釜高度

釜液所占高度的计算：依据釜液流量、釜液的停留时间、塔径计算。 例：釜液体积流量为Ls m 3/s, 塔径为D m, 停留时间为t min

料液在釜内的停留时间15min ，装填系数取0.5，塔釜高h/塔径D=2:1

塔釜液量 1560W s L L =?? 塔釜体积 /0.5W W V L = 2

2

3

24

4

2

W d d d V h d πππ=

=

?=

釜液所占高度 2h d = m

液面上方的气液分离高度要求：满足安装塔底气相接管所需空间高度和气液分离所需空间高度。

④ 塔底裙座高度(当用裙式支座时用)：塔底封头至基础环之间的高度

8 接管规格的确定

包括进料管、回流管、塔顶蒸汽接管、塔釜出料管

设计依据: 初设u →d =

计u

9 冷凝器与再沸器的传热面积的估算

冷凝器：根据当地气候条件确定冷却水的温度，选择冷却水的出口温度→计算对数平均推动力→根据冷热流体的流动通道和种类选择总传热系数→/C m A Q K t =?

再沸器：选择蒸汽压力(温度)→计算对数平均推动力(m s W t T t ?=-)→根据冷热流体的流动通道和种类选择总传热系数→/B m A Q K t =?

10 原料泵的选型 11 绘制精馏塔的装配图 12 撰写设计说明书

5.填料塔的设计

5.1 设计原则

5.1.1 对于一般乱堆填料，压降应小于200～250mm水柱/米填料层,才不会发生液泛。

(1) 对于操作压力降在125～167mm水柱/米填料层的低中压填料塔，应选择压力降在63～83mm水柱/米填料层的填料；

(2) 对于吸收和相似体系，应选择压力降在17～63mm水柱/米填料层的填料；

(3) 对于常压或加压蒸馏，应选择压力降在42～83mm水柱/米填料层的填料；

(4) 对于真空蒸馏，随物系而定，选择压力降在8～21mm水柱/米填料层的填料；

(5) 对于泡沫物系，应选择压力降在8～21mm水柱/米填料层的填料；

(6) 对于无泡沫物系，处理能力与表面张力无关。但在有泡沫的条件下，处理能力将受到表面张力显著影响，因而设计必须选用正常无泡沫液体的50%操作压力降；

(7) 对于粘度μL < 30cp的液体，粘度处理能力的影响甚微，而对于高粘度的液体，应选择较大的填料以减少压力降。

5.1.2 填料层持液量应小于塔釜持液量的5%，以保证塔效率。

5.1.3 填料塔蒸馏过程中的气液容积比相对于吸收过程要小得多，设计塔径一般小于800mm，填料层高度一般小于6～7米，以保证液体喷淋均匀。

5.1.4 拉西环的“径比”为20～30；鲍尔环等一类环形填料的“径比”为10～15；鞍形填料的“径比”下限为15；当D T ≤ 300mm时，填料公称尺寸20～25mm;

当300mm ≤ D T ≤ 900mm时，填料公称尺寸25～38mm；

当D T ≥ 900mm时，填料公称尺寸50～80mm。

5.1.6 填料的负荷上限表征了其相对生产能力，一些填料的负荷上下限如下：

填料的负荷因子F= W(ρ)也表征了设计气体负荷，某些填料的F S如下：

5.1.7 部分填料的等板高度HETP表征了其相对分离效率，部分填料的HETP如下：

5.1.8部分填料在相同气速下的相对压降：

5.1.9 常用填料的喷淋点密度：

当D T≥1200mm时，每230cm2塔截面积内设置一个喷淋点；

当D T = 750mm时，每60cm2塔截面积内设置一个喷淋点；

当D T = 400mm时，每30cm2塔截面积内设置一个喷淋点。

对于波纹填料，因其效率较高，对液体均布要求苛刻，每20～90cm2塔截面积内设置一个喷淋点。

5.1.10 液体分布装置的安装位置，除喷头结构外，通常高于填料层150～300mm 以上。再分布器的间距h与塔径D T比必须大于1.5～2，以保证气体沿塔截面的均匀分布。对于较大的塔径，当使用有助长液体不良分布倾向的拉西环类填料时，取h/D T ≤ 2.5～3，每段填料高度不宜超过6米。

5.2 设计步骤

5.2.1 选择填料

(1) 根据所处理物系的腐蚀及操作温度确定材质；

(2) 根据塔径确定填料公称直径；

(3) 根据生产能力；

所处理物系的粘度和表面张力以及气体输送装置的功率等选用不同填料。

5.2.2 确定塔径

若无实验数据，可根据公式计算泛点气速(实际操作气速为泛点气速的75%)，从而计算塔径。

5.2.3 计算压降

无实验数据，可根据填料厂商提供负荷因子F S～单板压降?P关联图表计算压降。

5.2.4 计算填料层高度

若无实验数据，可根据填料厂商提供的负荷因子F S～等板高度HETP关联图表计算。

5.2.5 确定填料的分段数，选定液相再分布装置。

5.2.6选定液相喷淋装置，设置除雾/沫器。

5.3 计算范例

校核一个4英尺6英寸内径塔设计，该塔装填45英尺高的1#?1/16” 厚的钢拉西环。

用10%碱液(比重γ

=1.22)洗涤110?F空气中的CO2，碱液流速为2250磅/

碱

时.英尺2，空气流速为4540磅/时.英尺2，操作压力为365磅/英寸2(绝)。

ρV = (MW空气/R单位转换因子)?(T60?F/T R) ?(P psia/P1atm)

= (29/379)?(520/570) ?(365/14.7) = 1.732磅/英尺3

ρL = R单位转换因子?γ碱= (62.3)?(1.22) = 76.1磅/英尺3

已知104?F时液体的粘度μL=2 cp；重力加速度gc = 32.2 英尺/秒2

由下表查得，F = a/ε3 = 137

乱堆装填填料因子F ～公称填料尺寸d0

(L/G) ?ρV/(ρL-ρG)) = (2250/4540) ?(1.732/(76.1-1.732))

= 0.07563

(G2/ρV) ? F ?μL0.1/(ρL-ρV)/gc=(4540/3600)2/1.732(137)(2.0)0.1/(76.1-1.732)/32.2 = 0.0563

分别以0.07563和0.0563两点为横坐标和纵坐标，由附图8-13B查得操作点在较低载液区，压力降约为0.6mm水柱/英尺填料层，床层总压力降45?0.6 = 27英寸水柱。

该床层应该分割成三段，需要两个中间填料支撑和再分布两用板(器)以及一个底部支撑板。估算每个再分布板或底部支撑板的压降= 1.0英寸水柱塔内总压力降27+3?1.0 = 30英寸水柱

以0.07563为横坐标点，由附图8-13B查得乱堆填料液泛曲线纵坐标为0.21。

则0.0563点的液泛率为：0.0563/0.21 = 0.2681 = 26.81%

从横坐标0.07563处查得B线的纵坐标为0.035。

载点率为：0.07563/0.075 = 1.0084 = 100.84%