填料塔
4.1.3 填料塔工艺尺寸的计算
填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料层高度的计算及分段等。
4.1.3.1塔径的计算
填料塔直径仍采用式4-1计算，即
(4-1)
式中气体体积流量Vs由设计任务给定。由上式可见，计算塔径的核心问题是确定空塔气速u。
(1) 空塔气速的确定
①泛点气速法
泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。
对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.5~0.85
对于规整填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.6~0.95
泛点率的选择主要考虑填料塔的操作压力和物系的发泡程度两方面的因素。设计中，对于加压操作的塔，应取较高的泛点率；对于减压操作的塔，应取较低的泛点率；对易起泡沫的物系，泛点率应取低限值；而无泡沫的物系，可取较高的泛点率。
泛点气速可用经验方程式计算，亦可用关联图求取。
a .贝恩(Bain)—霍根(Hougen)关联式 填料的泛点气速可由贝恩—霍根关联式计算，即
(4-2)
式中 uF——泛点气速，m/s
g——重力加速度，9.81 m/s2 ；
at——填料总比表面积，m2/m3；
ε——填料层空隙率，m3/m3；
ρV、ρL——气相、液相密度，kg/m3；
μL——液体粘度，mPa·s；
wL、wV——液相、气相质量流量，kg/h；
A、K——关联常数。
常数A和K与填料的形状及材质有关，不同类型填料的A、K值列于表4-3中。由式4-2计算泛点气速，误差在15%以内。
表4-3 式3-34中的A、K值
散装填料类型 A
K
规整填料类型
A
K
塑料鲍尔环
0.0942
1.75
金属丝网波纹填料
0.30
1.75
金属鲍尔环
0.1
1.75
塑料丝网波纹填料
0.4201
1.75
塑料阶梯环
0.204
1.75
金属网孔波纹填料
0.155
1.47
金属阶梯环
0.106
1.75
金属孔板波纹填料
0.291
1.75
瓷矩鞍
0.176
1.75
塑料孔板波纹填料
0.291
1.563
金属环矩鞍
0.06225
1.75
b.埃克特(Eckert)通用关联图 散装填料的泛点气速可用埃克特关联图计算，如图4-5所示。计算时，先由气液相负荷及有关物性数据求出横坐标的值，然后作垂线与相应的泛点线相交，再通过交点作水平线与纵座标相交，求出纵座标值。此时所对应的u即为泛点气速uF。
应予指出，用埃克特通用关联图计算泛点气速时，所需的填料因子为液泛时的湿填料因子，称为泛点填料因子，以ΦF表示。泛点填料因子ΦF与液体喷淋密度有关，为了工程计算的方便，常采用与液体喷淋密度无关的泛点填料因于平均值。表4-4列出了部分散装填料的泛点填料因子平均值，可供设计中参考。
图4-5 填料塔泛点和压降的通用关联图
图中 u0——空塔气速，m /s；
φ——湿填料因子，简称填料因子，1 /m；
ψ——水的密度和液体的密度之比；
g——重力加速度，m /s2；
ρV、ρL——分别为气体和液体的密度，kg /m3；
wV、wL——分别为气体和液体的质量流量，kg /s。
此图适用于乱堆的颗粒形填料，如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。对于其他填料，尚无可靠的填料因子数据。
表4-4 散装填料泛点填料因子平均值
填料类型 填料因子，1/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔环
410
—
117
160
—
金属环矩鞍
—
170
150
135
120
金属阶梯环
—
—
160
140
—
塑料鲍尔环
550
280
184
140
92
塑料阶梯环
—
260
170
127
—
瓷矩鞍
1100
550
200
226
—
瓷拉西环
1300
832
600
410
—
②气相动能因子(F因子)法
气相动能因子简称F因子，其定义为
(4-3)
气相动能因子法多用于规整填料空塔气速的确定。计算时，先从手册或图表中查出填料在操作条件下的F因子，然后依据式4-3即可计算出操作空塔气速u。常见规整填料的适宜操作气相动能因子可从有关图表中查得。
应予指出，采用气相动能因子法计算适宜的空塔气速，一般用于低压操作(压力低于0.2 MPa)的场合。
③气相负荷因子(Cs因子)法
气相负荷因于简称Cs因子，其定义为
(4-4)
气相负荷因子法多用于规整填料空塔气速的确定。计算时，先求出最大气相负荷因子Cs,max，然后依据以下关系
Cs=0.8Cs.max (4-5)
计算出Cs，再依据式4-4求出操作空塔气速u。
常用规整填料的Cs.max的计算见有关填料手册，亦可从图4-6所示的Cs.max曲线图查得。图中的横坐标ψ称为流动参数，其定义为
(4-6)
图4-4曲线适用于板波纹填料。若以250Y型板波纹填料为基准，对于其他类型的板波纹填料，需要乘以修正系数C，其值参见表4-5。
表4-5 其他类型的波纹填料的最大负荷修正系数
填 料 类 型 型 号
修 正 系 数
板波纹填料
250Y
1.0
丝网波纹填料
BX
1.0
丝网波纹填料
CY
0.65
陶瓷波纹填料
BX
0.8
(2) 塔径的计算与圆整
根据上述方法得出空塔气速u后，即可由式4-1计算出塔径D。应予指出，由式4-1计算出塔径D后，还应按塔径系列标准进行圆整。常用的标准塔径为：400、500、600、700、800、1000、1 200、1400、1600、2000、2200mm等。圆整后，再核算操作空塔气速u与泛点率。
(3) 液体喷淋密度的验算
填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式为
(4-5)
式中 U——液体喷淋密度，m3/(m2·h)；
Lh——液体喷淋量，m3/h；
D——填料塔直径，m。
为使填料能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，此极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。
对于散装填料，其最小喷淋密度通常采用下式计算，即
Umin=(LW) minat (4-6)
式中 Umin——最小喷淋密度，m3/(m2·h)；
(LW) min——最小润湿速率，m3/(m·h)；
at——填料的总比表面积，m2/m3。
最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算(见有关填料手册)，也可采用一些经验值。对于直径不超过75 mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW) min为0.08 m3/(m·h)；对于直径大于75 mm的散装填料，取(LW) min=0.12 m3/(m·h)。
对于规整填料，其最小喷淋密度可从有关填料手册中查得，设计中，通常取Umin=0.2。
实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若液体喷淋密度小于最小喷淋密度，则需进行调整，重新计算塔径。
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