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1、化工过程及设备课程设计化工过程及设备课程设计信阳师范学院化学化工学院信阳师范学院化学化工学院刘刘 鹏鹏 教授教授20122012年年0909月月2023/4/271第一页，编辑于星期六：十八点 五十七分。性质、任务与目的性质、任务与目的 化工过程及设备课程设计是综合运用化工原化工过程及设备课程设计是综合运用化工原理、化工设备机械基础、化工制图、理、化工设备机械基础、化工制图、化工仪表及自动化课程和有关先修课程所学知化工仪表及自动化课程和有关先修课程所学知识，完成以化工单元操作为主的一次工程设计，从识，完成以化工单元操作为主的一次工程设计，从而对学生进行一次设计技能的基本训练，培养学生而对学生进
2、行一次设计技能的基本训练，培养学生综合运用所学的书本知识解决实际问题的能力，也综合运用所学的书本知识解决实际问题的能力，也为毕业设计打下基础。因此，化工过程及设备课程为毕业设计打下基础。因此，化工过程及设备课程设计是提高学生实际工作能力的重要教学环节。设计是提高学生实际工作能力的重要教学环节。2023/4/272第二页，编辑于星期六：十八点 五十七分。1.1.对学生进行化工工程设计的基本训练，使学生掌握化工对学生进行化工工程设计的基本训练，使学生掌握化工设计的基本内容、程序与方法；设计的基本内容、程序与方法；2.2.结合设计课题培养学生查阅有关技术资料及物性参数的能结合设计课题培养学生查阅有关
3、技术资料及物性参数的能力；力；3.3.通过查阅技术资料，选用设计计算公式，搜集数据，分析工艺通过查阅技术资料，选用设计计算公式，搜集数据，分析工艺参数与结构尺寸间的相互影响，增强学生分析问题、解决问题的参数与结构尺寸间的相互影响，增强学生分析问题、解决问题的能力；能力；4.4.通过编写设计说明书，提高学生文字表达能力，掌握撰写技术通过编写设计说明书，提高学生文字表达能力，掌握撰写技术文件的有关要求；文件的有关要求；5.5.了解一般化工设备图基本要求，对学生进行绘图基本技了解一般化工设备图基本要求，对学生进行绘图基本技能训练；能训练；通过课程设计达到以下目的：通过课程设计达到以下目的：2023/
4、4/273第三页，编辑于星期六：十八点 五十七分。设计内容设计内容化工过程及设备课程设计主要包括以下内容：化工过程及设备课程设计主要包括以下内容：1 1、化工工艺设计、化工工艺设计 （1 1）设计方案确定：对选定的工艺路线、主要设备）设计方案确定：对选定的工艺路线、主要设备等作简要介绍与评述。等作简要介绍与评述。（2 2）工艺流程图绘制：）工艺流程图绘制：工艺流程图工艺流程图用单线形式绘制，用单线形式绘制，用示意图表示单元操作所有主体设备及辅助设备，标出用示意图表示单元操作所有主体设备及辅助设备，标出物流量（或能流量）、物流向、控制阀门，以及温度、物流量（或能流量）、物流向、控制阀门，以及温度
5、、压力控制点的控制标记。压力控制点的控制标记。2023/4/274第四页，编辑于星期六：十八点 五十七分。图图1-1合成氨工段方案流程图合成氨工段方案流程图2023/4/275第五页，编辑于星期六：十八点 五十七分。（3 3）主要设备的工艺设计计算）主要设备的工艺设计计算内容包括：内容包括：设计工艺参数的选定及依据；设计工艺参数的选定及依据；系统的物料衡算，产品收率及原料耗用量计算；系统的物料衡算，产品收率及原料耗用量计算；系统的热量衡算，水蒸汽耗量计算；系统的热量衡算，水蒸汽耗量计算；主要设备的工艺尺寸设计计算或校核计算。主要设备的工艺尺寸设计计算或校核计算。（4 4）系统流体力学性能计算，
6、主要设备的流体压降损失计算。）系统流体力学性能计算，主要设备的流体压降损失计算。（5 5）辅助设备设计计算，典型辅助设备（如风机、泵、换热）辅助设备设计计算，典型辅助设备（如风机、泵、换热器、贮罐等）主要工艺尺寸或参数的确定，设备规格及型器、贮罐等）主要工艺尺寸或参数的确定，设备规格及型号的选定。号的选定。2023/4/276第六页，编辑于星期六：十八点 五十七分。2.2.主体设备强度设计：主体设备强度设计：设备材料选择、强度设计、支座设计等，根据设计结果绘设备材料选择、强度设计、支座设计等，根据设计结果绘制主要化工设备装配图制主要化工设备装配图 1 1 张，图面应包括下列内容：张，图面应包括
7、下列内容：设备总体结构设计；设备总体结构设计；设备的主要工艺尺寸；设备的主要工艺尺寸；设备技术特性表；设备技术特性表；设备接管表（规格和用途）；设备接管表（规格和用途）；设备零部件明细表。设备零部件明细表。2023/4/277第七页，编辑于星期六：十八点 五十七分。3.设计说明书编写设计说明书编写 设计说明书是将所作的课程设计予以综合简介、并对设计说明书是将所作的课程设计予以综合简介、并对设计给予评述。内容包括：设计给予评述。内容包括：（1）设计任务书；）设计任务书；（2）目录；）目录；（3）设计方案简介与评述；）设计方案简介与评述；（4）工艺设计及计算；）工艺设计及计算；（5）主要设备设计；
8、）主要设备设计；（6）辅助设备选型计算；）辅助设备选型计算；（7）设计结果汇总表；）设计结果汇总表；（8）参考资料。）参考资料。2023/4/278第八页，编辑于星期六：十八点 五十七分。4.图纸图纸（1）带控制点工艺流程图）带控制点工艺流程图1张张（2）主体设备装配图）主体设备装配图1张张2023/4/279第九页，编辑于星期六：十八点 五十七分。时间安排时间安排 主要内容主要内容时间时间工艺设计计算含设计方案确定、工艺工艺设计计算含设计方案确定、工艺流程设计、主体设备设计计算、主要流程设计、主体设备设计计算、主要工艺参数的计算机优化设计等工艺参数的计算机优化设计等第第1周周设备强度设计、辅
9、助设备的选型计算、设备强度设计、辅助设备的选型计算、设计说明书的编写设计说明书的编写第第2周周带控制点的工艺流程图、设备装配图带控制点的工艺流程图、设备装配图的绘制，答辩的绘制，答辩第第3周周2023/4/2710第十页，编辑于星期六：十八点 五十七分。成绩评定成绩评定 完成了所有设计内容并撰写完课程设计完成了所有设计内容并撰写完课程设计说明书后，进行答辩考核。课程设计成绩根说明书后，进行答辩考核。课程设计成绩根据学生设计期间的表现、设计计算结果、设据学生设计期间的表现、设计计算结果、设计说明书质量、图纸质量及答辩考核情况等计说明书质量、图纸质量及答辩考核情况等进行综合评分，并按优、良、中、及
10、格、不进行综合评分，并按优、良、中、及格、不及格五级记分。及格五级记分。2023/4/2711第十一页，编辑于星期六：十八点 五十七分。主要参考书目主要参考书目 1.化工原理（上、下册），谭天恩，麦本熙，丁惠华编著，化工原理（上、下册），谭天恩，麦本熙，丁惠华编著，化化工出版社，工出版社，1998；2.化工原理课程设计相关参考资料化工原理课程设计相关参考资料3.化工设备机械基础课程设计化工设备机械基础课程设计4.化工设备机械基础，刁玉玮编，大连理工大学出版社，化工设备机械基础，刁玉玮编，大连理工大学出版社，5.物性数据的计算与图表（），王莲琴编，化工出版社，物性数据的计算与图表（），王莲琴编，
11、化工出版社，1992；6.化工工艺设计手册，上、下册，国家医药管理局上海医药化工工艺设计手册，上、下册，国家医药管理局上海医药设计院编，化工出版社，设计院编，化工出版社，1986；7.化工过程及设备设计，华南理工大学，化学工业出版社，化工过程及设备设计，华南理工大学，化学工业出版社，1986；8.化学工程手册，化学工业出版社，化学工程手册，化学工业出版社，19822023/4/2712第十二页，编辑于星期六：十八点 五十七分。1.板板式式塔塔1.1板式塔结构及性能板式塔结构及性能（1）板式塔结构板式塔结构 进料回流液塔顶气相塔底液相2023/4/2713第十三页，编辑于星期六：十八点 五十七分
12、。塔板结构塔板结构气体通道气体通道形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等，对塔板性能影响很大。形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等，对塔板性能影响很大。降液管（液体通道）降液管（液体通道）液体流通通道，多为弓形。液体流通通道，多为弓形。受液盘受液盘塔板上接受液体的部分。塔板上接受液体的部分。溢流堰溢流堰使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。2023/4/2714第十四页，编辑于星期六：十八点 五十七分。浮阀塔板结构浮阀塔板结构2023/4/2715第十五页，编辑于星期六：十八点 五十七分。（2）塔板上的气塔板上的气液两相流动液两相流动2023/4/271
13、6第十六页，编辑于星期六：十八点 五十七分。汽、液两相接触方式汽、液两相接触方式 全塔：逆流接触全塔：逆流接触塔板上：错流接触塔板上：错流接触两相流动的推动力两相流动的推动力 液体：重力液体：重力气体：压力差气体：压力差2023/4/2717第十七页，编辑于星期六：十八点 五十七分。塔板上塔板上理想流动理想流动情况：情况：液体横向均匀流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。液体横向均匀流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。塔塔板上的板上的非理想非理想流动情况流动情况：气相或液相返混气相或液相返
14、混 液沫夹带、气泡夹带，即：返混现象返混现象 后果后果：板效率降低板效率降低。不均匀流动不均匀流动 液面落差液面落差（水力坡度）：引起塔板上气体分布气体分布不均匀；塔壁作用塔壁作用（阻力）：引起塔板上液体分布液体分布不均匀。后果：后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。板效率降低。2023/4/2718第十八页，编辑于星期六：十八点 五十七分。液泛现象液泛现象1.2塔内气、液两相异常流动塔内气、液两相异常流动（1 1）液泛）液泛 如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液层如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为迅速
15、积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为液泛液泛。2023/4/2719第十九页，编辑于星期六：十八点 五十七分。(2)过量雾沫夹带液泛过量雾沫夹带液泛原因：原因：气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板；气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板；气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。液泛气速：液泛气速：开始发生液泛时的气速开始发生液泛时的气速。2023/4/2720第二十页，编辑于星期六：十八点 五十七分。2）降液管液泛）降液管液泛当塔内气、液两相流量较大，导当塔内气、液两相流量较大，导致塔板阻
16、力及降液管内阻力增大时，致塔板阻力及降液管内阻力增大时，均会引起降液管液层升高，以致达到均会引起降液管液层升高，以致达到上一层塔板，破坏降液管的正常流动，上一层塔板，破坏降液管的正常流动，直至液相逐渐充满塔板空间，发生液直至液相逐渐充满塔板空间，发生液泛。泛。说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。2023/4/2721第二十一页，编辑于星期六：十八点 五十七分。（2）严重漏液严重漏液 漏液量增大漏液量增大,导致塔板上难以维持正常操作所需的液面导致塔板上难以维持正常操作所需的液面,无法操作。此无法操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液
17、为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速漏液点气速 。2023/4/2722第二十二页，编辑于星期六：十八点 五十七分。2.3常用塔板的类型常用塔板的类型（1）泡罩塔板）泡罩塔板优点优点：塔板操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵。缺点：缺点：结构复杂，制造成本高，塔板阻力大。组成：组成：升气管和泡罩2023/4/2723第二十三页，编辑于星期六：十八点 五十七分。圆形泡罩条形泡罩泡罩塔2023/4/2724第二十四页，编辑于星期六：十八点 五十七分。（2）筛板塔板）筛板塔板优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。优点：结构简单、造价低、塔板阻力小。目前，广泛应用的一种塔型。目前，广泛应用的一种塔型。
18、塔板上开圆孔，孔径：3-8 mm，大孔径筛板：12-25 mm。2023/4/2725第二十五页，编辑于星期六：十八点 五十七分。（3）浮阀塔板）浮阀塔板圆形浮阀条形浮阀浮阀塔盘方形浮阀2023/4/2726第二十六页，编辑于星期六：十八点 五十七分。优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛的应用。缺点：浮阀易脱落或损坏。缺点：浮阀易脱落或损坏。方形浮阀F1型浮阀2023/4/2727第二十七页，编辑
19、于星期六：十八点 五十七分。（4）多降液管（）多降液管（MD）塔板）塔板 优点：优点：提高允许液体流量2023/4/2728第二十八页，编辑于星期六：十八点 五十七分。1.4筛板塔化工设计计算筛板塔化工设计计算（1）塔的有效高度）塔的有效高度Z 已知：已知：实际塔板数 NP ；塔板间距 HT；选取塔板间距选取塔板间距 HT：理论塔板数计算软件塔板间距和塔径的经验关系塔板间距和塔径的经验关系塔体高度：有效高塔体高度：有效高+顶部顶部+底部底部+其它其它有效塔高：有效塔高：2023/4/2729第二十九页，编辑于星期六：十八点 五十七分。C：气体负荷因子，与 HT、液体表面张力和两相接触状况有关。
20、有关。液泛气速液泛气速两相流动参数两相流动参数FLV：（2）塔径）塔径 确定原则：确定原则：防止过量液沫夹带液泛 步骤：步骤：先确定液泛气速 uf(m/s)；然后选设计气速 u；最后计算塔径 D。2023/4/2730第三十页，编辑于星期六：十八点 五十七分。对于筛板塔(浮阀、泡罩塔)，可查图，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筛板塔泛点关联图塔板间距塔板间距 H HT T2023/4/2731第三十一页，编辑于星期六：
21、十八点 五十七分。选取设计气速选取设计气速 u选取泛点率：泛点率：u/uf一般液体，0.6 0.8 易起泡液体，0.5 0.6所需气体流通截面积所需气体流通截面积设计气速设计气速 u=泛点率泛点率ufADAd计算塔径计算塔径 D塔截面积：塔截面积：A=AT-Ad塔径塔径说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。说明：计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。液泛气速 uf2023/4/2732第三十二页，编辑于星期六：十八点 五十七分。（3）溢流装置设计）溢流装置设计溢流型式的选择溢流型式的选择依据：依据：塔径、流量；型式型式：单流型、U形流型、双流型、阶梯流型等。降液管形式和底隙降
22、液管形式和底隙降液管：弓形弓形、圆形。降液管截面积：由Ad/AT=0.06 0.12 确定；底隙 hb：通常在 30 40 mm。溢流堰（出口堰）溢流堰（出口堰）作用作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。型式型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。2023/4/2733第三十三页，编辑于星期六：十八点 五十七分。2023/4/2734第三十四页，编辑于星期六：十八点 五十七分。堰长堰长 lW：影响液层高度。堰高堰高hW：直接影响塔板上液层厚度过小，过小，相际传质面积过小；过大过大，塔板阻力大，效率低。常、加压塔：40 80 mm；减压塔：25 mm 左右。说明：通常应使溢流强度说明
23、：通常应使溢流强度qVLh/lW不大于不大于100130m3/（m h）。）。或：双流型:单流型：2023/4/2735第三十五页，编辑于星期六：十八点 五十七分。(4)塔板及其布置塔板及其布置 受液区和降液区受液区和降液区 一般两区面积相等。入口安定区和出口安定区入口安定区和出口安定区其中，E：液流收缩系数，：液流收缩系数，一般可近似取 E=1。堰上方液头高度堰上方液头高度hOW：要求：要求：边缘区：边缘区：bcbdbslWrx2023/4/2736第三十六页，编辑于星期六：十八点 五十七分。（5）筛孔的尺寸和排列）筛孔的尺寸和排列 筛孔筛孔：有效传质区内，常按正三角形排列。筛板开孔率筛板开
24、孔率：单流型弓形降液管塔板单流型弓形降液管塔板：有效传质区：有效传质区：双流型弓形降液管塔板双流型弓形降液管塔板：bcbdbslWrxd0t2023/4/2737第三十七页，编辑于星期六：十八点 五十七分。筛孔直径筛孔直径d0:3 8 mm(一般)。12 25 mm(大筛孔)孔中心距孔中心距t:(2.55)d0 取整。开孔率开孔率:通常为 0.08 0.12。板厚：板厚：碳钢（3 4mm）、不锈钢。筛孔气速：筛孔气速：筛孔数：筛孔数：d0t2023/4/2738第三十八页，编辑于星期六：十八点 五十七分。(6)塔板的校核塔板的校核对初步设计的结果进行调整和修正。液沫夹带量校核液沫夹带量校核单位
25、质量（或摩尔）气体所夹带的液体质量（或摩尔）ev：kg 液体/kg气体，或 kmol液体/kmol气体单位时间夹带到上层塔板的液体质量（或摩尔）e：kg 液体/h 或 kmol液体/h 液沫夹带分率：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。故有：所以2023/4/2739第三十九页，编辑于星期六：十八点 五十七分。说明：说明：超过允许值，可调整塔板间距塔板间距或塔径塔径。ev的计算方法的计算方法：方法1：利用Fair关联图求，进而求出ev。方法2：用Hunt经验公式计算ev。式中Hf 为板上泡沫层高度：要求要求：ev 0.1 kg 液体/kg气体。2023/4/2740第四十页，编辑于星期六：
26、十八点 五十七分。塔板阻力的计算和校核塔板阻力的计算和校核塔板阻力：塔板阻力：塔板阻力 hf包括 以下几部分:（a）干板阻力 h0气体通过板上孔的阻力（设无液体时）；（b）液层阻力 hl 气体通过液层阻力；（c）克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力。清液柱高度表示：（a）干板阻力）干板阻力h02023/4/2741第四十一页，编辑于星期六：十八点 五十七分。d0/C0塔板孔流系数C0孔流系数孔流系数2023/4/2742第四十二页，编辑于星期六：十八点 五十七分。（b）液层阻力）液层阻力hl查图求充气系数查图求充气系数2023/4/2743第四十三页，编辑于星期六：十八点 五十七分。说明：说
27、明：若塔板阻力过大，可增加开孔率增加开孔率或降低堰高。降低堰高。（c）克服液体表面张力阻力克服液体表面张力阻力（一般可不计）降液管液泛校核降液管液泛校核故塔板阻力：降液管中清液柱高度降液管中清液柱高度(m)2023/4/2744第四十四页，编辑于星期六：十八点 五十七分。（a）液面落差液面落差一般较小，可不计。当一般较小，可不计。当不可忽略时不可忽略时，一般要求：一般要求：0.5h0（b b）液体通过降液管阻力液体通过降液管阻力hd包括底隙阻力 hd1和进口堰阻力hd2。无进口堰时：无进口堰时：2023/4/2745第四十五页，编辑于星期六：十八点 五十七分。泡沫层高度泡沫层高度要求：要求：说
28、明：说明：若泡沫高度过大，可减小塔板阻力减小塔板阻力或增大塔板间距。增大塔板间距。泡沫层相对密度：对不易起泡物系，易起泡物系，液体在降液管中停留时间校核液体在降液管中停留时间校核目的：目的：避免严重的气泡夹带。停留时间：停留时间：要求：要求：说明：说明：停留时间过小，可增加降液管面积增加降液管面积或 增大塔板间距。增大塔板间距。2023/4/2746第四十六页，编辑于星期六：十八点 五十七分。（a）计算严重漏液时干板阻力严重漏液时干板阻力 h0（b）计算漏液点气速漏液点气速u0说明：说明：如果稳定系数k过小，可 减小开孔率减小开孔率 或 降低堰高。降低堰高。严重漏液校核严重漏液校核 漏液点气速
29、漏液点气速u0：发生严重漏液时筛孔气速。稳定系数：稳定系数：要求：要求：2023/4/2747第四十七页，编辑于星期六：十八点 五十七分。过量液沫夹带线（气相负荷上限线）过量液沫夹带线（气相负荷上限线）规定：ev=0.1（kg 液体/kg气体）为限制条件。（6）塔板的负荷性能图）塔板的负荷性能图确定塔板的操作弹性液相下限线液相下限线整理出：规定：严重漏液线（气相下限线）严重漏液线（气相下限线）2023/4/2748第四十八页，编辑于星期六：十八点 五十七分。代入相关公式，如hOW、u0，整理出。液相上限线液相上限线降液管液泛线降液管液泛线规定：2023/4/2749第四十九页，编辑于星期六：十
30、八点 五十七分。塔板的操作弹性：塔板的操作弹性：或2023/4/2750第五十页，编辑于星期六：十八点 五十七分。2.2.填料塔（填料塔（Packed TowerPacked Tower）塔体塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑料：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。料。填料填料：大致可分为散装填料和规整填料两：大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。大类，是传热和传质的场所。塔内件塔内件：包括填料支承与压紧装置、液：包括填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体与气体分布器、液体再分布器以及气
31、体除沫器等。体除沫器等。操作原理操作原理：液体经塔顶喷淋装置均匀分布：液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。空隙的气体相互接触，发生传热和传质。7653421液体气体82023/4/2751第五十一页，编辑于星期六：十八点 五十七分。填料（Tower packing）填料塔的核心填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所。，是气液两相接触进行质、热传递的场所。填填料料的的流流体体力力学学和和传传质质性性能能与与填填料料的的
32、材材质质、大大小小和和几几何何形形状状紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：比比表表面面积积a：单单位位体体积积填填料料层层所所具具有有的的表表面面积积(m2/m3)。被被液液体体润润湿湿的的填填料料表表面面就就是是气气液液两两相相的的接接触触面面。大大的的a 和和良良好好的的润润湿湿性性能能有有利利于于传传质质速速率率的的提提高高。对对同同种种填填料料，填填料料尺尺寸寸越越小小，a 越越大，但气体流动的阻力也要增加。大，但气体流动的阻力也要增加。空空隙隙率率：单单位位体体积积填填料料所所具具有有的的空空隙隙体体积积(m3/m3)。代代
33、表表的的是是气气液液两两相相流流动动的的通通道道，大大，气气、液液通通过过的的能能力力大大，气气体体流流动动的的阻力小。阻力小。=0.450.95。填填料料因因子子：填填料料比比表表面面积积与与空空隙隙率率三三次次方方的的比比值值(1/m)，a/3，表表示示填填料料的的流流体体力力学学性性能能，值值越越小小，流流动动阻阻力力越越小小。有有干干填填料料因子与湿填料因子之分。因子与湿填料因子之分。2023/4/2752第五十二页，编辑于星期六：十八点 五十七分。填料（Tower packing）堆堆积积密密度度 p：单单位位体体积积填填料料的的质质量量(kg/m3)。在在机机械械强强度度允允许许的
34、的条条件件下下，填填料料壁壁要要尽尽量量薄薄，以以减减小小填填料料的的堆堆积积密密度度，从从而而既既可可降降低低成本又可增加空隙率。成本又可增加空隙率。机机械械强强度度大大，化化学学稳稳定定性性好好以以及及价价格格低低廉廉等等也也是是优优良良填填料料应应尽尽量量兼有的性质。兼有的性质。注注意意：一一些些难难以以定定量量表表达达的的因因素素(几几何何形形状状)对对填填料料的的流流体体力力学学和和传传质质性性能能也也有有重重要要的的影影响响。新新型型填填料料的的开开发发一一般般是是改改进进填填料料几几何何形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。常用的填料（T
35、ypical tower packing）常常用用的的填填料料可可分分为为散散装装填填料料和和规规整整填填料料两两大大类类。散散装装填填料料在在塔塔内内可乱堆，也可以整砌。可乱堆，也可以整砌。2023/4/2753第五十三页，编辑于星期六：十八点 五十七分。优优点点：易易于于制制造造，价价格格低低廉廉，且且对对它它的的研研究究较较为为充充分分，所所以以在在过过去去较较长长的的时间内得到了广泛的应用。时间内得到了广泛的应用。缺缺点点：高高径径比比大大，堆堆积积时时填填料料间间易易形形成成线线接接触触，故故液液体体常常存存在在严严重重的的沟沟流流和和壁壁流流现现象象。且且拉拉西西环环填填料料的的内
36、内表表面面润润湿湿率率较较低低，因而传质速率也不高。因而传质速率也不高。拉西环（拉西环（Raschigring）填料）填料最早使用的一种填料，为高径比相等的陶瓷和金属等制成的空心圆环。在在拉拉西西环环基基础础上上衍衍生生了了环环、十十字字环环及及螺螺旋旋环环等等，其其基基本本改改进进是是在在拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积。拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积。2023/4/2754第五十四页，编辑于星期六：十八点 五十七分。鲍尔环（鲍尔环（Pall ringPall ring）填料）填料在在环环的的侧侧壁壁上上开开一一层层或或两两层层长长方方形形小小孔孔，小小孔孔的的母母材材并并
37、不不脱脱离离侧侧壁壁而而是是形形成成向向内内弯弯的的叶叶片片。上上下下两两层层长长方方形形小小孔位置交错。孔位置交错。鲍鲍尔尔环环填填料料的的优优良良性性能能使使它它一一直直为为工工业业所所重重视视，应应用用十十分分广广泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。同同尺尺寸寸的的鲍鲍尔尔环环与与拉拉西西环环虽虽有有相相同同的的比比表表面面积积和和空空隙隙率率，但但鲍鲍尔尔环环在在其其侧侧壁壁上上的的小小孔孔可可供供气气液液流流通通，使使环环的的内内壁壁面面得得以充分利用。以充分利用。比比之之拉拉西西环环，鲍鲍尔尔环环不不仅仅具具有有较较大大的的生生产产能能力力和和较较低低的的压
38、压降降，且且分分离离效效率率较较高高，沟流现象也大大降低。沟流现象也大大降低。2023/4/2755第五十五页，编辑于星期六：十八点 五十七分。这这样样的的结结构构使使得得阶阶梯梯环环填填料料的的性性能能在在鲍鲍尔尔环环的的基基础础上上又又有有提提高高，其其生生产产能能力力可可提提高高约约10%10%，压压降降则则可可降降低低25%25%，且且由由于于填填料料间间呈呈多多点点接接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环填料（阶梯环填料（Stairring）阶阶梯梯环环填填料料的的结结构构与与鲍鲍尔尔环环填填料料相相似似，环环壁壁上上开开有有长长方方形形小小
39、孔孔，环环内内有有两两层层交交错错 4545的的十十字字形形叶叶片片，环环的的高高度度为为直直径径的的一一半半，环环的的一一端成喇叭口形状的翻边。端成喇叭口形状的翻边。阶阶梯梯环环一一般般由由塑塑料料和和金金属属制制成成，由由于于其其性性能能优优于于其其它它侧侧壁壁上上开开孔孔的填料，因此获得广泛的应用。的填料，因此获得广泛的应用。2023/4/2756第五十六页，编辑于星期六：十八点 五十七分。弧鞍形弧鞍形(Berlsaddle)矩鞍形矩鞍形(Intaloxsaddle)填料填料一一种种表表面面全全部部展展开开的的具具有有马马鞍鞍形形状状的的瓷瓷质质型型填填料料 (马马鞍鞍填填料料)。弧弧鞍
40、鞍填填料料在在塔塔内内呈呈相相互互搭搭接接状状态，形成弧形气体通道，态，形成弧形气体通道，优优点点：空空隙隙率率高高，气气体体阻阻力力小小，液液体体分分布布性性能较好，填料性能优于拉西环。能较好，填料性能优于拉西环。矩矩鞍鞍填填料料的的两两端端为为矩矩形形，且且填填料料两两面面大大小小不不等等。克克服服了了弧弧鞍鞍填填料料相相互互重重叠叠的的缺缺点点，填填料料的的均均匀匀性性得得到到改改善善。液液体体分分布布均均匀匀，气气液液传传质质速速率率得得到到提提高高。瓷瓷矩矩鞍鞍填填料料是是目目前前采采用用最最多多的的一一种种瓷瓷质填料。质填料。缺缺点点：相相邻邻填填料料易易相相互互套套叠叠，使使填填
41、料料有有效效表表面面降降低低，从从而而影影响响传传质速率。质速率。2023/4/2757第五十七页，编辑于星期六：十八点 五十七分。优优点点：网网丝丝细细密密，空空隙隙很很高高，比比表表面面积积很很大大。由由于于毛毛细细管管作作用用，填填料料表表面面润润湿湿性性能能很很好好。故故网网体体填填料料气气体体阻阻力力小小，传传质速率高。质速率高。缺缺点点：造造价价很很高高，故故多多用用于于实实验验室室中难分离物系的分离。中难分离物系的分离。金属英特洛克斯（金属英特洛克斯（Intalox）填料）填料有有环环形形与与鞍鞍形形的的结结构构特特点点，生生产产能能力力大大、压压降降低低、液液体体分分布布性性能
42、能好好、传传质质速速率率高高及及操操作作弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。与实体填料对应的另一类填料为网体填料。与实体填料对应的另一类填料为网体填料。有多种形式，如金属丝网制成的网环和鞍型网等。有多种形式，如金属丝网制成的网环和鞍型网等。网体填料（网体填料（Wiregauzepackings）2023/4/2758第五十八页，编辑于星期六：十八点 五十七分。规整填料规整填料规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。使使用用时时根根据据填填料料塔塔的的结结构构尺尺寸寸，叠叠成成圆圆筒筒形形整整块块放放入入
43、塔塔内内或或分分块块拼成圆筒形在塔内砌装。拼成圆筒形在塔内砌装。优优点点：空空隙隙大大，生生产产能能力力大大，压压降降小小。流流道道规规则则，只只要要液液体体初初始始分分布布均均匀匀，则则在在全全塔塔中中分分布布也也均均匀匀，因因此此规规整整填填料料几几乎乎无无放大效应，通常具有很高的传质效率。放大效应，通常具有很高的传质效率。缺缺点点：造造价价较较高高，易易堵堵塞塞难难清清洗洗，因因此此工工业业上上一一般般用用于于较较难难分分离或分离要求很高的情况。离或分离要求很高的情况。2023/4/2759第五十九页，编辑于星期六：十八点 五十七分。规整填料规整填料Corrugated MetalPla
44、tes Packings 6400金属板波纹规整填料 300脉冲规整填料脉冲规整填料各种陶瓷规整填料各种陶瓷规整填料2023/4/2760第六十页，编辑于星期六：十八点 五十七分。填料的流体力学性能填料的流体力学性能压降压降填料塔效率主要取决于填充填料流体力学性能和传质性能。填料塔效率主要取决于填充填料流体力学性能和传质性能。压压降降、液液泛泛气气速速、持持液液量量及及气气液液分分布布对对填填料料塔塔的的设设计计和和操操作作参数的确定至关重要。参数的确定至关重要。压降与气速的关系：压降与气速的关系：气气体体通通过过干干填填料料层层时时的的流流动动与与气气体体通通过过颗颗粒粒固固定定床床的的流流
45、动动相相似似，只只是是通通常常填填料料层层的的空空隙隙率率更更大大，故故气气体体在在空空隙隙中中的的流流速速更更高高而而处于湍流。处于湍流。载液区高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg p载点气速液泛气速2023/4/2761第六十一页，编辑于星期六：十八点 五十七分。有有一一定定持持液液量量时时，pu 将将不不再再为为简简单单的的直直线线关关系系(喷喷淋淋密密度度为为L1、L2曲曲线线)，且且存在两个较明显的转折点。存在两个较明显的转折点。压降压降气气体体通通过过干干填填料料层层的的压压降降 p 与与空空塔塔气气速速u 的的关关系系在在双双对对数数坐坐标标上上为为直直线线，斜斜率
46、率1.82.0。原原因因：喷喷淋淋液液体体在在填填料料上上形形成成液液膜膜，占占据据部部分分空空隙隙，减减小小了了气气体体的的流通截面，对相同空塔气速压降升高。流通截面，对相同空塔气速压降升高。载液区高液量低液量CCBBAAL=0L1L2lg ulg p载点气速液泛气速2023/4/2762第六十二页，编辑于星期六：十八点 五十七分。P点点后后，液液沫沫夹夹带带量量，液液相相返返混混可可导致填料效率导致填料效率，(HETP )。载载点点(B)后后，持持液液量量，气气液液相相互互作作用用，相相界界面面积积，湍湍动动增增强强，传传质质过程过程，填料效率，填料效率(HETP )；载液和液泛对传质的影
47、响：载液和液泛对传质的影响：压降压降气速较低时，气液相间相互影响小，在一定的液体喷淋密度下，填料持液量与气速无关，气体压降与气速的关系为直线且基本与 L=0 的直线平行。lg u高液量低液量载点线lg LPB泛点C载液区空塔气速 u等板高度HETP填填料料塔塔的的操操作作一一般般控控制制在在偏偏离离泛泛点点一一定定距距离离的的载载液液区区内内，这这样样，既既可可得得到到较较高高的传质效率，填料层的压降也不会过大。的传质效率，填料层的压降也不会过大。2023/4/2763第六十三页，编辑于星期六：十八点 五十七分。压降与气速的关联图压降与气速的关联图压降对填料塔操作的可靠性和经济性有着决定性的影
48、响。压降对填料塔操作的可靠性和经济性有着决定性的影响。选择填料和确定塔径时，不同系统应控制的压降范围不同。选择填料和确定塔径时，不同系统应控制的压降范围不同。吸收吸收（mmH2O/m）蒸馏蒸馏（mmH2O/m）系统不起泡系统不起泡系统起泡系统起泡常压或加压常压或加压真空真空20358203565835压压降降：表表面面摩摩擦擦阻阻力力+形形体体阻阻力力，前前者者是是气气体体在在空空隙隙中中流流动动时时在在填填料料表表面面和和气气液液界界面面上上产产生生的的粘粘性性应应力力，后后者者是是由由于于气气体体流流道道的的突然增大或缩小，方向的改变等造成的动能损失。突然增大或缩小，方向的改变等造成的动能
49、损失。影影响响因因素素：填填料料特特性性(几几何何形形状状、比比表表面面积积、等等)，流流体体物物性性(、等等)以及操作条件以及操作条件(气液流量、气液流量、T 等等)。难难以以进进行行准准确确的的理理论论计计算算，迄迄今今仍仍然然只只能能由由各各种种经经验验关关联联式式或或关关联联图进行估算。图进行估算。2023/4/2764第六十四页，编辑于星期六：十八点 五十七分。埃克特埃克特(Eckert)压降通用关联图压降通用关联图横坐标：横坐标：GG,GL 气体和液体的质量流速，气体和液体的质量流速，kg/(m2.s)；u空塔气速，空塔气速，m/s；V,L 气体和液体的密度，气体和液体的密度，kg
50、/m3；L液体的粘度，液体的粘度，mPa.s；WG,WL 气体和液体的质量流量，气体和液体的质量流量，kg/s；湿填料因子湿填料因子(泛点填料因子泛点填料因子)，1/m；Vs,Ls 气体和液体的体积流量，气体和液体的体积流量，m3/s；g 重力加速度重力加速度9.81m/s2；液体密度校正系数液体密度校正系数(水与液相密度之比水与液相密度之比=/L)。纵坐标：纵坐标：2023/4/2765第六十五页，编辑于星期六：十八点 五十七分。埃克特埃克特(Eckert)压降通用关联图压降通用关联图适适用用范范围围：乱乱堆堆填填料料(Random packings)，如如拉拉西西环环、鲍鲍尔尔环环、矩鞍环