填料塔的设计
本章符号说明英文字母
a——填料的有效比表面积，m2/m3 at——填料的总比表面积，m2/m3 aW——填料的润湿比表面积，m2/m3 AT——塔截面积，m2；
C——计算umax时的负荷系数，m/s； Cs——气相负荷因子，m/s； d——填料直径，m； D——塔径，m；
DL——液体扩散系数，m2/s； Dv——气体扩散系数，m2/s ； ev——液沫夹带量,kg(液)/kg(气)； E——液流收缩系数，无因次; ET——总板效率，无因次； g——重力加速度，9.81 m/s2 ； h——填料层分段高度，m； HETP关联式常数；
hmax——允许的最大填料层高度，m； HB——塔底空间高度，m； HD——塔顶空间高度，m； HoG——气相总传质单元高度，m； H1——封头高度，m； H2——裙座高度，m； HETP——等板高度，m；
kG——气膜吸收系数，kmol/(m2·s·kPa)； kL——液膜吸收系数，m/s；
KG——气相总吸收系数，kmol/(m2·s·kPa)； lW——堰长，m；
Lb——液体体积流量，m3/h； LS——液体体积流量，m3/s； LW——润湿速率，m3/(m·s)； m——相平衡常数，无因次；
n——筛孔数目；
NOG——气相总传质单元数； P——操作压力，Pa； △P——压力降，Pa； u——空塔气速，m/s； uF——泛点气速，m/s
u0.min——漏液点气速，m/s；
u′0——液体通过降液管底隙的速度，m/s； U——液体喷淋密度，m3/(m2·h) UL——液体质量通量，kg/(m2·h) Umin——最小液体喷淋密度，m3/(m2·h) Uv——气体质量通量，kg/(m2·h) Vh——气体体积流量，m3/h； VS——气体体积流量，kg/s； wL——液体质量流量，kg/s； wV——气体质量流量，kg/s； x——液相摩尔分数； X——液相摩尔比Z y——气相摩尔分数； Y——气相摩尔比；
Z——板式塔的有效高度，m； 填料层高度，m。 希腊字母
β——充气系数，无因次； δ——筛板厚度，m ε——空隙率，无因次；
θ——液体在降液管内停留时间，s； μ——粘度，Pa·s； ρ——密度，kg/m3； ζ——表面张力，N/m；
φ——开孔率或孔流系数，无因次； Φ——填料因子，l/m；
ψ——液体密度校正系数，无因次。 下标
max——最大的； min——最小的； L——液相的；
V——气相的。
在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离。气体的吸收是用适当的液体吸收剂与气体混合物接触，吸收气体混合物中一个或几个组分，使其中的各组分得以分离的一种操作。在化工生产中它主要用于原料气的净化、有用组分的回收、制取气体的溶液作为成品以及废气的治理等方面，因此吸收操作是一种重要的分离方法，在化学工业中应用相当普遍。
可用作吸收的设备种类很多，如填料塔、板式塔、喷洒塔和鼓泡塔等，工业上较多地使用填料塔。填料塔的类型很多，其设计的原则大体相同，一般来说，填料塔的设计步骤如下： ①根据设计任务和工艺要求，确定设计方案； ②根据设计任务和工艺要求，合理地选择填料； ③确定塔径、填料层高度等工艺尺寸； ④计算填料层的压降；
⑤进行填料塔塔内件的设计与选型。
4.1 填料塔设计
4.1.1 设计方案的确定
4.1.1.1 填料精馏塔设计方案的确定
填料精馏塔设计方案的确定包括装置流程的确定、操作压力的确定、进料热状况的选择、加热方式的选择及回流比的选择等，其确定原则与板式精馏塔基本相同，参见第三章。
4.1.1.2填料吸收塔设计方案的确定
(1) 装置流程的确定
吸收装置的流程主要有以下几种，图4-1～4-4列出了部分流程。
①逆流操作 气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分高效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。
②并流操作 气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的气体不需吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。
③吸收剂部分再循环操作 在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于以下情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应予指出，吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用
增加。
④多塔串联操作 若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。
⑤串联-并联混合操作 若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小(否则易引起塔的液泛)，塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联、气相作并联的混合流程。
总之，在实际应用中，应根据生产任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点选择适宜的流程布置。
图4-1 逆流吸收塔 图4-2 串联逆流吸收塔流程 1 吸收塔2 贮槽 3 泵 4 冷却器
图4-3 吸收剂部分循环吸收塔 图4-4 吸收剂部分循环的吸收解吸联合流程 1 吸收塔 2泵 3 冷却器 1 吸收塔2 贮槽 3 泵 4 冷却器 5 换热器 6 解吸塔 （2）吸收剂的选择
吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方面。
①溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的需用量。
②选择性 吸收剂对溶质组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。
③挥发度要低 操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失。 ④粘度 吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。
⑤其他 所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。
一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。工业上常用的吸收剂列于表4-1。 表4-1 工业常用吸收剂
溶质 氨 丙酮蒸气 氯化氢 二氧化碳 二氧化硫 硫化氢 苯蒸气 丁二烯 二氯乙烯 一氧化碳 吸收剂 水、硫酸 水 水 水、碱液、碳酸丙烯酯 水 碱液、砷碱液、有机溶剂 煤油、洗油 乙醇、乙腈 煤油 铜氨液 (3)操作温度与压力的确定
①操作温度的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。例如水吸收CO2的操作中用水量极大，吸收温度主要由水温决定，而水温又取决于大气温度，故应考虑夏季循环水温高时补充一定量地下水以维持适宜温度。
②操作压力的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需结合具体工艺条件综合考虑，以确定操作压力。
4.1.2 填料的类型与选择
塔填料(简称为填料)是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。