规整填料塔设计浅析
规整填料塔设计浅析
引言：规整填料，是一种在塔内按均匀几何图形排列、整齐堆砌的填料，具有较高的传质性能和生产能力。因此，规整填料塔的应用范围是越来越广泛，其设计的要求也越来越高。
1 规整填料塔的结构
填料塔由筒体、塔内件及填料构成。填料分为散装和规整填料两大类。塔内件有各种形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置与进料装置及气体分布装置等。筒体有整体式结构及法兰连接分段式结构。对于直径800mm 以上的大塔一般采用整体式结构，填料及所有塔内件从人孔送入塔内组装，如图1所示：
图1规整填料塔填料塔结构示意图
2 规整填料塔的特点
规整填料塔不仅结构简单，而且具有生产能力大（通量大）、分离效率高、持液量小、操作弹性大、压强降低等特点。通过填料材质的选择，可处理腐蚀性的物料。尤其对于压强降较低的真空精馏操作，更显示出其优越性。但是，规整填料塔的造价通常高于板式塔，对于含有悬浮物的料液、易聚合的物系则不适用，而且对于有侧线出料的场合等也不大适宜。
图2 规整填料
3 填料塔的设计
3.1
液泛气速计算
液泛是指逆流填料塔中气液两相交互作用达到一种特定流体力学现象。发生液泛时，持液量增加，气液鼓泡传质，气流脉动，液体被大量带出塔顶部，塔操作不稳定甚至被破坏。因此，填料塔只有在泛点气速以下才可能稳定地操作，但如果气速太低又会造成设备的浪费以及气、液体分布的不均匀。通常认为，液泛气速是填料塔逆流操作的极限气速，一般取操作气速为液泛气速的50%~80%[1]。规整填料塔设计的首要任务是根据填料类型，将其在操作条件下的泛点气速算出，再确定适宜的塔径和塔内实际操作气速下的填料层压降。
利用Bain-Haugen公式计算液泛气速在工业中使用非常广泛，而且参数少，易查找，计算精度较高，对规整填料非常适用。该公式是Bain-Haugen[2]修正Sherwood等提出的，修正后的公式为：
式中，L、G为液相、气相流率，kg/s；为液泛气速，m/s；为气相密度，kg/m3 ；为干填料因子，m-1；为液相、气相密度，kg/m3；为液相粘度，Pa?s。
根据各种填料的实验数据回归出的A、B 值，即可将该公式应用到不同的规整填料计算中3.2
塔径计算
塔径主要根据工艺条件的要求、生产的稳定性、生产的状态（连续、间歇）、以及塔的操作条件等参数确定，其设计是一个综合性的问题。塔内气速低，塔径就大，塔内的压降低；塔内气速高，塔径就小，塔内的压降就大，所以需要统筹考虑。
塔径计算方法主要有泛点算法、载点算法和FP-Cmax图法。FP-Cmax 图法是工业上普遍使用的用来计算规整填料塔塔径的方法，一般由填料生产厂家提供，所以计算结果准确性较高。利用该方法计算塔径时，首先计算出流动参数FP 值：
再根据FP-Cmax 图求出极限气体负荷因子Cmax 值，考虑液体表面张力和粘度的影响对Cmax 的影响进行修正得CS:
填料设计气体负荷因子CG一般为：CG = （0.75 –0.8）CS
填料的塔截面积AC由下式求得:
填料塔的塔径：DT = 1.13
3.3
填料塔压降计算
填料床层的压降是一个重要特性，它直接涉及精馏的能耗，在减压精馏时更为重要，往往是设计的一个重要指标。计算填料塔压降的模型方法分为两类，一类是专门适用于某特定类型的，这种模型算法往往由填料开发者提出，有些没有公开发表，需向填料制造商咨询；另一类是通用的。对于应用通用的模型算法计算压降时，应留意实验数据正确性问题。
Kister与Gill 在大量实验实测数据的基础上，修正了Eckert 通用关联图，得到Kister 通用关联图[3]（图3）。与Eckert 通用关联图相比，其优越之处在于它能清楚地表明关联图的正确情况，即对关联图的限制明确，因此对实际问题所做的压降估计的可靠性大大提高。
图3 规整填料压降通用关联图
图3中横坐标为流动参数FP，FP = ；
纵坐标为通量参数Y，Y = ；
C 为气相负荷因子，C=ug，m/s ；
v为液相运动粘度，v =，m2/s；
为与填料结构形状和尺寸特性有关的实验填料因子，m-1。
3.4
填料塔持液量计算
持液量是指正在操作的填料塔内单位体积填料层中积存的液体体积量，常以m3液体/m3填料表示。一般分为静持液量HS和动（操作）持液量Ho ，前者是指塔在停止操作相当长时间后塔中残余的液体，这部分液体量在塔操作中几乎不会改变，故对塔中传质几乎不起作用。除去静持液量外，其余持液量为动持液量。静、动持液量两者之和为总持液量Ht。为得到塔中良好的传质和高的分离效率，塔中保持适当的持液量是必需的。但持液量不宜过多，否则将造成压降增大，液体在塔中停留时间过长，对危险物品和热敏性物料是不希望的。由于持液量占有了塔中自由流动空间，故影响塔中实际气速从而影响压降。
文献[4]认为Billet 模型的预测值与实验值误差较小，尤其在恒持液量区，因此可以采用Billet 模型计算规整填料的持液量。
Billet 模型的3741
正常操作时的持液量：hL = hLS [ 1+ 1.2]
hLS为载点持液量
3.5
填料高度计算
为使填料塔完成分离任务，足够的填料层高度至关重要，所以确定填料层高度是填料塔设计的关键。填料层高度的计算方法有传质单元高度法、传质系数法和等板高度法。由于现在塔设计过程中常使用模拟软件模拟出塔的理论板数，所以采用等板高度法计算填料层高度更为方便。等板高度又称理论板当量高度，是表达填料塔效率的一种方法，用HETP（Height Equivalent to a TheoreticalPlate）表示。由于填料塔内气、液组成是微分连续变化的，与板式塔的阶跃变化不同，所以引用传质单元概念，以平衡级为基础，把整个填料层分为若干个平衡级，因此填料层高度Z 的计算式为：Z = NT * HT
式中，NT为理论板数，无因次；HT为等板高度，m。等板高度即表示与一块理论版所相当的填料层高度。
由于Lockett 模型涉及的参数仅为流体物性和填料比表面积，计算误差在工程允许范围内，通用性较好。所以选择Lockett 模型可以作为预测规整填料的模型。
式中，g为9.81m/s2；为液相、气相密度，kg/m3；为粘度，kg/（m/s）；a为填料比面积，m2/m3。