高效塔填料及塔内件设计要点

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。

针对填料塔精馏塔（不包括吸收塔和萃取塔），从工艺设计选型上主要包括以下几方面：1.首先考虑采用规整填料还是散堆填料一般来说，对于负压、常压系统优先考虑规整填料，加压系统下规整填料的效率很低（原因据说不明），得考虑使用散堆填料或者板式塔。

对于喷淋密度超过50m3/m2.h的体系，采用规整填料不太合适，效率下降很多对于不清洁的物料体系（或易结焦的），采用散堆填料较好，也可以考虑采用规整填料中的栅格型，不宜采用波纹板、丝网等，简单的说需要考虑填料的抗堵性能2、填料床层高度的影响填料床层过高会导致液体不良分布的加剧，影响填料效率，sulzer公司推荐15-20块理论塔板设置一个液体再分布器，也有人推荐：床层最高不超过6-7m、或不超过10-15块理论塔板、或床层高度小于6-8倍塔径，从3者中选择最低的作为基准。

3、喷淋点密度的影响对于散堆填料，填料直径越小一般要求喷淋点密度越高，一般不超过100个/m2对于规整填料、比表面积越大要求喷淋点密度越高，sulzer公司推荐为100-300g 个/m2以上4、最低喷淋密度的影响一般来说，不同材质的填料对最低喷淋密度的要求不一样，未上秞的陶瓷、氧化的碳钢、铜等材料对液体的亲和性较好、需要的最低喷淋密度可达到1m3/m2.h以下，而玻璃、陶瓷、不锈钢等居中，约为2-3m3/m2.h，塑料、四氟乙烯等最差，为4-5 m3/m2.h。

不同的液体对填料的浸润性也需要考虑，一般来说粘度大、表面张力大的液体需要的最小喷淋密度较大，比如甘油、水等，而正烷烃之类需要的最小喷淋密度则较低。

5、液体分布器的设计对于散堆填料，分布器的设计较为简单，影响相对较小对于规整填料，分布器的设计极为重要，由于国外各原创填料厂家均把分布器的设计参数进行保密，国内的研究起步晚、相对较少，个人认为目前国内分布器的设计水平较国外先进技术落后20-30年。

分布器首先要考虑足够的气相通道、足够的喷淋点密度，喷淋点分布要尽可能均匀，为保持稳定流量，分布器要有一定的液位高度，一般认为正常操作条件下最少为3英寸高（最低操作弹性时不低于20-30mm）同时要考虑防止堵塞，对于孔流型，进料清洁度一般，通常要求孔径为5-8mm，对于进塔物料比较清洁，进塔前有可靠过滤装置的孔径可以设计为2mm左右，由于一般要求最大流量/最小孔流量≤1.5（也有建议为1.25），故孔径越小对加工精度要求越高；对于堰流型，尤其是V型堰流，对加工精度要求很高（个人认为国内生产厂家很难做好，尤其是一些非正规企业，不知道天津大学做得怎样），设计、计算也较为复杂。

陕西XX煤化工有限责任公司填料、塔内件技术规格书陕西XX矿业机电处：陕西XX煤化工有限责任公司：陕西XX煤化工有限责任公司曹家峪园区：编制：陕西XX煤化（曹家峪）焦化甲醇工程填料、塔内件采购技术要求1、用途：填料：用于脱硫塔、洗苯塔内部填装。

塔内件：用于脱硫塔、再生塔、洗苯塔内部安装2、安装环境：厂址：陕西省XX县店头镇环境温度：最高：38℃：最低：-19℃海拔高度：943m当地大气压（平均）： 94750Pa；环境湿度：年平均相对湿度72%安装位臵：塔器内部3、技术要求3.1脱硫塔填料、内件技术要求3.1.1工艺参数设计压力：0.02MPa（G）工作压力：0.017MPa（G）设计温度：60℃工作温度：39-48℃介质名称：煤气、脱硫液（中度危害，易燃）脱硫塔规格：DN6400×41620设计四台脱硫塔，三开一备运行使用。

煤气流量：132869Nm3/h进口煤气成分：出口煤气成分：3.1.2填料要求：轻瓷填料规格：轻瓷多齿环比表面积：124m2/m3空隙率：79%堆积块数：220n/m3堆积重量：330kg/m3数量：338m3×4=1352 m3规格：阶梯环φ76比表面积：75 m2/m3空隙率：78%堆积个数：2500n/m3堆积重量：530kg/m3干填料因子：158m-1总量：65m3×4=260m33.1.3内件要求按照HG/T21585.1-1998和HG/T21618-1998及国家精镏中心技术要求。

液体分布器及除沫器冲洗装臵2套（旋流板除沫器）进液分布器2个（选槽式分布器，底板δ=8，立板δ=6。

）槽盘式液体分布器2个（底板δ=4，伸气管δ=3，盖板δ=2。

）进气分布器（围板δ=6，立板δ=8，盖板δ=10）材质:06Cr19Ni10注：塔器内件严格按照图纸制作3.2再生塔内件要求3.2.1工艺参数设计压力：常压工作压力：常压设计温度：50℃最低设计金属温度：35℃介质名称：脱硫液再生塔规格：DN4600,H～49400设计四台再生塔并联使用。

填料塔的设计HEN system office room [HEN 16前言世界卫生组织和联合国环境组织发表的一份报告说：“空气污染已成为全世界城市居民生活中一个无法逃避的现实。

”如果人类生活在污染十分严重的空气里，那就将在儿分钟内全部死亡。

工业文明和城市发展，在为人类创造巨大财富的同时，也把数十亿吨计的废气和废物排入大气之中，人类赖以生存的大气圈却成了空中垃圾库和毒气库。

因此，大气中的有害气体和污染物达到一定浓度时，就会对人类和环境带来巨大灾难，对有害气体的控制更必不可少。

一.设计任务书1•设计目的通过对气态污染物净化系统的工艺设计，初步掌握气态污染物净化系统设计的基本方法。

培养学生利用所学理论知识，综合分析问题和解决实际问题的能力、绘图能力、以及正确使用设计手册和相关资料的能力。

2. 设计任务试设计一个填料塔，常压，逆流操作，操作温度为25°C,以清水为吸收剂，吸收脱除混合气体中的NH3,气体处理量为1500m3/h,其中含氨％（体积分数），要求吸收率达到99%,相平衡常数呼。

3. 设计内容和要求1）研究分析资料。

2）净化设备的计算，包括计算吸收塔的物料衡算、吸收塔的工艺尺寸计算、填料层压降的计算及校核计算。

3）附属设备的设计等。

4）编写设计计算书。

设计计算书的内容应按要求编写，即包括与设计有关的阐述、说明及计算。

要求内容完整，叙述简明，层次清楚，计算过程详细、准确，书写工整，装订成册。

设计计算书应包括□录、前言、正文及参考文献等，格式参照学校要求。

5）设计图纸。

包括填料塔剖面结构图、工艺流程图。

应按比例绘制，标出设备、零部件等编号，并附明细表，即按工程制图要求。

图纸幅面、图线等应符合国家标准；图面布置均匀；符合制图规范要求。

6）对设计过程的评述和有关问题的讨论。

二.设计资料1. 工艺流程采用填料塔设计，填料塔是塔设备的一种。

塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。

例如应用于气体吸收时，液体山塔的上部通过分布器进入，沿填料表面下降。

陕西XX煤化工有限责任公司填料、塔内件技术规格书陕西XX矿业机电处：陕西XX煤化工有限责任公司：陕西XX煤化工有限责任公司曹家峪园区：编制：陕西XX煤化（曹家峪）焦化甲醇工程填料、塔内件采购技术要求1、用途：填料：用于脱硫塔、洗苯塔内部填装。

塔内件：用于脱硫塔、再生塔、洗苯塔内部安装2、安装环境：厂址：陕西省XX县店头镇环境温度：最高：38℃：最低：-19℃海拔高度：943m当地大气压（平均）：94750Pa；环境湿度：年平均相对湿度72%安装位置：塔器内部3、技术要求3.1脱硫塔填料、内件技术要求3.1.1工艺参数设计压力：0.02MPa（G）工作压力：0.017MPa（G）设计温度：60℃工作温度：39-48℃介质名称：煤气、脱硫液（中度危害，易燃）脱硫塔规格：DN6400×41620设计四台脱硫塔，三开一备运行使用。

煤气流量：132869Nm3/h进口煤气成分：出口煤气成分：3.1.2填料要求：轻瓷填料规格：轻瓷多齿环比表面积：124m2/m3空隙率：79%堆积块数：220n/m3堆积重量：330kg/m3数量：338m3×4=1352 m3规格：阶梯环φ76比表面积：75 m2/m3空隙率：78%堆积个数：2500n/m3堆积重量：530kg/m3干填料因子：158m-1总量：65m3×4=260m33.1.3内件要求按照HG/T21585.1-1998和HG/T21618-1998及国家精镏中心技术要求。

液体分布器及除沫器冲洗装置2套（旋流板除沫器）进液分布器2个（选槽式分布器，底板δ=8，立板δ=6。

）槽盘式液体分布器2个（底板δ=4，伸气管δ=3，盖板δ=2。

）进气分布器（围板δ=6，立板δ=8，盖板δ=10）材质:06Cr19Ni10注：塔器内件严格按照图纸制作3.2再生塔内件要求3.2.1工艺参数设计压力：常压工作压力：常压设计温度：50℃最低设计金属温度：35℃介质名称：脱硫液再生塔规格：DN4600,H～49400设计四台再生塔并联使用。

填料塔的施工注意事项填料塔的制造与安装应按设计要求进行,不能一概而论。

有些设计对制造、安装的某些误差精度要求较高,而另外一些设计对制造、安装的这些误差精度要求可能并不太高,误差稍大,并不影响塔的正常操作。

静压孔流式液体分布器受安装水平度的影响,若设计液位只有50mm,对水平度的要求较高,否则会导致液体分布不均,水平度偏差10mm,两点液量相差11%;若设计液位200mm,水平度稍差,对液体分布不会有大的影响,水平度偏差10mm,两点液量相差只有2.5%。

制造与安装精度虽不可一概而论,某些精度也无标准可言,但仍有公认的误差精度可供参考。

1、填料塔的垂直度由于塔节的对接、塔节与裙座的对接、塔的基础及热变形等因素的作用,塔不可能做到绝对垂直,因此使塔产生了垂直度偏差。

在填料塔填料层内,液体受重力的作用趋于垂直下流,因此若塔有倾斜,液体将优先流向倾斜的下一边塔壁,倾斜的上一边液流小,气体则优先流向倾斜的上一边塔壁,结果导致填料层内的气液分布不均,分离效率下降,许多工程实践证明了这一点。

多数结果认为,每倾斜一度分离效率下降5%~10%,规整填料由于塔倾斜而引起的效率下降较散装填料要小。

规整填料的倾斜度应小于0.2°~0.5°。

填料塔静压液体分布器的水平度要求很高,应在塔安装就位后现场安装,以避免塔垂直度对分布器等水平度的影响。

塔的无规则小摇动,不会使塔效率有大的下降,较垂直塔的效率下降小于10%。

塔的无规则摇动会使液体分布器分布性能下降,使液体分布器溢流,使塔的效率大幅度下降,使用管式分布器可避免此类事故发生。

很高的塔,由于风载的影响,塔顶摇动很大宜采用管式液体分布器。

2、填料塔的椭圆度一般认为,填料塔的椭圆度并不影响填料塔的性能,只是影响塔内件及填料的安装。

散装填料的安装并不受塔椭圆度的影响。

为了便于安装,规整填料塔的塔径误差需予以限制,常规规整填料塔推荐误差可以查取相应的设计手册。

填料吸收塔设计方案1、设计方案简介1.1吸收剂的选择根据所处理混合气体，可采用洗油为吸收剂，其物理化学性质稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。

1.2吸收流程该吸收过程可采用简单的一步吸收流程，同时应对吸收后的洗后进行再生处理。

以混合气体原有的状态即27℃和1atm条件下进行吸收，流程如图2-1所示。

混合气体进入吸收塔，与洗油逆流接触后，得到净化气排放，吸收苯后的洗油，经富液泵送入再生塔塔顶，用过热水蒸气进行气提解吸操作，解吸后的洗油经贫油泵，送回吸收塔塔顶，循环使用，气提气则进入冷凝系统进行苯水分离。

1.3吸收塔设备及塔填料选择该过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，故采用填料塔较为适宜，并选用25mm塑料作阶梯环填料，其主要性能参数如下。

经查表将25mm塑料阶梯环的主要物性参数见下表1-1。

表1-1 25mm塑料阶梯环的物性参数[]1比表面积α填料因子孔隙率ε填料的对应A值泛点填料因子填料的表面张力228 260 0.9 0.204 176 751.4解吸塔设备及塔填料选择解吸塔采用水蒸气加热再生法，并选用25mm碳钢阶梯环填料，其主要性能参数见下表1-2。

表1-2 25mm碳钢阶梯环的物性参数[]1比表面积α填料因子孔隙率ε填料的对应A值泛点填料因子填料的表面张力220 273 0.93 0.106 176 751.5操作参数选择操作参数主要包括吸收（解吸）压力、温度及吸收因子（解吸因子）。

吸收过程：1atm、27℃；解析过程：1atm、120℃。

吸收因子（解吸因子）通过工艺过程设计计算得出。

1.6提高能量利用率尽量保持气体吸收前后压力1atm，避免气体解压后重新加压；设计时尽量减小各部分的阻力损失，以减少气体输送过程的能量损失；回收系统内部热量。

2、流程的设计及说明图2-1 从水煤气中回收粗苯的流程示意[]2采用常规逆流操作流程。

流程说明：煤气由塔底进入吸收塔，其中粗苯蒸气被塔顶淋下的洗油吸收后，由塔顶送。

1.1填料塔设计1.1.1概述石化行业是国民经济中能耗较高的产业部门，其能耗占工业能耗接近1/5，占全国总能耗的14%左右。

在目前占有工业能耗接近五分之一的石化行业中，较大的能耗主要来源于化学原料及化学制品制造业能耗、石油天然气开采业能耗、石油加工、炼焦及核燃料加工业能耗、橡胶制品业能耗。

而在化工生产中，分离的能耗占主要部分，其中尤以精馏塔在分离设备中占有最大比例，因此，塔设计的好快与否，对于整个工厂的经济效益有着很重要的作用。

塔设备的投资费用占整个工艺设备费用的四分之一左右，塔设备所耗用的钢材料重量在各类工艺设备中所占的比例也较多，例如在年产250万吨常压减压炼油装置中耗用的钢材重量占62.4%，在年产60-120万吨催化裂化装置中占48.9%。

因此，塔设备的设计和研究，是我们工作的重点。

在本化工厂设计中，塔设备汇总如表所示：表8-1 塔设备汇总表塔设备编号塔设备名称T0101裂解油预分塔T0102隔壁塔T0103抽提塔T0104溶剂回收塔T0201甲苯塔T0202二甲苯塔（续表）T0401歧化反应产物分离隔壁塔T0501抽取液塔T0502抽余液塔1.1.2设计依据《压力容器》GB 150-2011《钢制塔式容器》JB 4710-2005《钢制压力容器用封头标准》JB/T 4746-2002《碳钢、低合金钢制填料塔式压力容器技术要求》QSY-GDJ-JS121-008-2010《碳素钢、低合金钢人孔与手孔类型与技术条件》HG 21514-95《中国地震动参数区划图》GB 18306-2001《建筑结构荷载规范》GB 50009-20121.1.3塔型的选择原则精馏塔主要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。

1.1.3.1填料塔与板式塔的比较表8-2 精馏塔的主要类型及特点结构特点每层板上装配有不同型式的气液接触元件或特殊结构，如筛板、泡罩、浮阀等；塔内设置有多层塔板，进行气液接触塔内设置有多层整砌或乱堆的填料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填料等散装填料，格栅、波纹板、脉冲等规整填料；填料为气液接触的基本元件操作特点气液逆流逐级接触微分式接触，可采用逆流操作，也可采用并流操作设备性能空塔速度（亦即生产能力）高，效率高且稳定；压降大，液气比的适应范围大，持液量大，操作弹性小大尺寸空塔气速较大，小尺寸空塔气速较小；低压时分离效率高，高压时分离效率低，传统填料效率较低，新型乱堆及规整填料效率较高；大尺寸压力降小，小尺寸压力降大；要求液相喷淋量较大，持液量小，操作弹性大（续表）装困难，安装程序较简单，检修清理容易，金属材料耗量大修清理困难，可采用非金属材料制造，但安装过程较为困难适用场合处理量大，操作弹性大，带有污垢的物料处理强腐蚀性，液气比大，真空操作要求压力降小的物料1.1.3.2板式塔塔型选择一般原则：选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、运转、维修等。

化工工艺设计第6章填料精馏塔的工艺设计填料精馏塔工艺设计是在化工工艺设计中非常关键的一部分，其确定直接影响到塔内物料在萃取、分离和精馏过程中的传质和传热情况。

本章将介绍填料精馏塔的工艺设计包括填料的选择、填料层间距的确定、塔径的确定以及相应的传质和传热设计等方面。

一、填料选择：在填料精馏塔的工艺设计中，填料的选择是一个重要的环节。

填料既要具有较大的总表面积，也要具备良好的液体和气体分布性能，以及足够的物理和化学稳定性。

常见的填料有环形、球型、骨架型等多种形式。

选择填料时需要综合考虑填料的本构特性、传质性能和传热性能。

二、填料层间距的确定：填料层间距的确定也是填料精馏塔工艺设计的重要内容。

填料层间距的大小影响到塔内物料在填料层之间的分布和流动情况，对传质和传热性能有重要影响。

填料层间距过小会导致液体经过填料层时阻力增大，增加能耗；填料层间距过大则会导致塔内液体在水平方向的混合程度不高，使得传质效果降低。

具体的填料层间距一般可以通过试验和经验确定。

三、塔径的确定：填料精馏塔的塔径本质上是一个经济性和操作性之间的折衷选择。

过大的塔径会增加建设和设备成本，过小的塔径则会降低传质效率。

一般来说，在保证传质效果的条件下，应尽可能选取经济合理的塔径。

塔径的确定依据一般是塔底径和塔顶径之间的液下压降和气上压降限制。

四、传质和传热设计：填料精馏塔的传质和传热设计是塔的工艺设计中的重要环节。

传质的设计主要考虑两相物料之间的传质速率，需要根据具体的传质模型和工艺要求进行计算。

传热的设计主要包括液相传热和气相传热两部分。

液相传热一般由填料和壁面之间的传热和填料层内部的传热组成，需要根据传热模型和壁面温度进行计算。

气相传热一般由塔顶和塔底的传热和填料层内部的传热组成，需要根据传热模型和塔顶温度进行计算。

在填料精馏塔的工艺设计中，还需要综合考虑流态分布、杂质分布、载液比、精馏塔和冷凝器之间的热负荷等。

通过合理的填料选择、填料层间距的确定、塔径的确定以及传质和传热的设计，可以实现填料精馏塔的高效运行，提高产品质量和产量。

填料塔内件设计知识点介绍...填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等，这些都是我们熟悉的填料塔内件。

合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。

填料支承装置1、支承装置的介绍填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量，同时保证气液两相顺利通过。

常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。

支承装置的选择，主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流率等。

2、支承设计对精馏操作的影响支承若设计不当，填料塔的液泛可能首先发生在支承板上。

为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。

此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。

自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。

增加压强降，降低效率，甚至形成液泛。

3、作为填料支承装置需要满足的情况由于填料支承装置本身对塔内气液的流动状态也会产生影响，因此作为填料支承装置，除考虑其对流体流动的影响外，一般情况下填料支承装置应满足如下要求：（1）足够的强度和刚度，以支持填料及所持液体的重量（持液量），并考虑填料空隙中的持液量，以及可能加于系统的压力波动，机械震动，温度波动等因素。

（2）足够的开孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在支撑处发生液泛；为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。

此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。

自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。

增加压强降，降低效率，甚至形成液泛。

（3）结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大于20Pa）；（4）结构简单，便于加工制造安装和维修。

（5）要有一定的耐腐蚀性。

填料压紧装置1、填料压紧装置及作用填料压紧装置是填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧的一种装置。