1、1散装填料塔设计及核算软件开发研究摘要：通过分析研究现有的文献资料，研究了用于填料塔流体力学计算的数学模型，并提出了负荷性能图绘制的方法，编写了散装填料塔设计及核算软件，实现了散装填料塔负荷性能图的绘制及输出，为填料塔的设计及改造提供参考。 关键词：软件开发 散装填料 流体力学 负荷性能图 设计及核算 填料塔是化工生产中常用的一种分离设备，广泛地应用于精馏、吸收、解吸、气体洗涤、液体萃取等单元操作过程。自 20 世纪初，填料塔应用于工业分离过程以来，在增产、节能、提高产品质量、改善环境和减少投资等方面的优势明显，应用范围越来越广，而填料塔的设计要求也越来越高。 1 计算模型的确定 1.1 液泛
2、气速计算模型 文献针对鲍尔环，用 Eckert 通用关联图、Bain-Haugen 公式、Billet 等泛点气速预测模型与实验值进行了对比，结果表明 Bain-Haugen 公式与实验数据吻合的较好，因此本文采用 Bain-Haugen 公式作为液泛气速计算模型。 1.2 塔径计算模型 塔径的计算方法主要有泛点法、载点法和 FP-Cmax 图法。若要求操作稳定，压降小，则可以选择载点以下的操作气速。但目前对于载点关2联式的研究较少，并且在很多场合下（尤其在大液量时）载点气速难以确定，而泛点算法则是在填料塔计算中普遍使用的方法。FP-Cmax 图法是工业上普遍用来计算规整填料塔塔径。因此本文采
3、用泛点法作为塔径的计算模型。 1.3 压降计算模型 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；另一类是通用的计算模型。 目前主要的压降算法模型有 Eckert 通用关联图、Billet 模型、S-B-F 压降模型、新 Eckert 通用关联图、Kister 通用关联图、BRF 法、Robbins 法。以文献的实验数据为基准值，对适用于散装填料的模型进行了比较计算，结果表明新 Eckert 压降通用关联图与实验值比较吻合，因此本文采用新 Eckert 压降通用关联图的拟合公式作为压降计算模型。 1.4
4、持液量计算模型 持液量的计算模型主要有 Mackowiak 模型、Billet 模型、大竹模型、Rocha 模型等。文献认为 Mackowiak 模型和大竹公式的误差较大；Rocha模型较为复杂，参数众多，文献只提供部分参数；文献认为 Billet 模型的预测值与实验值误差较小，尤其在恒持液量区，因此本文采用 Billet模型作为持液量的计算模型。 1.5 等板高度计算模型 目前等板高度的计算模型有 Hands and Whitt 公式、Frank 公式、Murch 公式、Strigle 公式、Rocha 模型、Brova 公式、Lockett 模型、3Carillo 模型等。有文献推荐 Fr
5、ank 公式作为等板高度计算模型，因此本文采用 Frank 公式。另外，可根据填料厂家提供的等板高度推荐值手动输入。 2 负荷性能图限制线确定 2.1 负荷性能图气相上限线 填料塔内气体流率增加，持液量趋于增加，压降也相应增加，在泛点处液体在填料表面处积累并逐渐增多，气体负荷略微增加，压降将趋于无穷大，此时填料床层出现液泛现象。许多实际情况下，操作可以维持在泛点，但这种操作状况极不稳定，操作性能较差。因此本文将泛点时的气体量作为负荷性能图的气相上限线。 2.2 负荷性能图气相下限线 气相流速与填料层持液量和压降有明显关系，气速降低，填料层持液量和压降也降低，当气速下降到一定程度时，塔内气液相湍
6、动程度明显降低，气相分布不均，则气液传质效率明显降低。 Kister 以压降作为判断气相负荷下限的标准，由最小压降计算出气相负荷的下限，推荐操作时散装填料层的压降应不低于 0.1 英寸水柱/英尺填料层高度，而在实际操作中操作压降低于上述推荐值时仍可处于正常操作状态。因此以 Kister 的推荐值作为计算气相负荷下限的标准并不准确。孙津生认为当气相负荷因子在 0 到 0.6 时，存在一个传质拐点，在此拐点以下，传质效率大幅下降，而在实际工程设计中如果负荷因子取在 0.50.6 之间时，一般认为风险较大，所以本文将气相动能因子为0.6 时的气相负荷作为负荷性能图的气相下限线。 42.3 负荷性能图
7、液相上限线 由于填料具有较大空隙率，与板式塔相比，填料塔一般不会发生液相超负荷现象，所以对于填料的液相负荷上限研究较少。文献研究表明对于高效填料塔最大液相喷淋密度应低于 200 m3/（m2?h） ，但对于填料吸收塔最大液相喷淋密度超过 200 m3/（m2?h）时，部分情况下，也处于正常操作状况。关于填料的最大液相喷淋密度还有待于进一步研究。本文暂采用最大喷淋密度 200 m3/（m2?h）作为负荷性能图的液相上限线。 2.4 负荷性能图液相下限线 要保证填料塔正常操作，必须有一定的液体喷淋量。当液相的操作负荷低于某一值时，填料单体提供的表面积得不到有效的润湿，液体在填料表面不能建立稳定的液
8、膜， 从而降低了气液传质效率。因此，本文以最小喷淋密度作为负荷性能图的液相下限线。 2.5 负荷性能图液泛线 填料塔中液相在填料表面形成液膜流动，气相向上流动对液膜流动产生牵制作用，随气相速度增加，液膜下降速度逐渐减小，气相速度增加到一定程度时液膜增厚，气相速度进一步增加，液膜进一步增厚，如此循环，持液量增加。最终液相变为连续相，气相成为分散相，此现象即为液泛。同理，当气相速度一定时，液相喷淋量增加到一定后，也会造成液泛现象发生。因此液泛可以反映填料塔内气液两相相互影响的极限值。本文以 Eckert 关联图中泛点线的回归解析式作为负荷性能图的液泛线。 3 软件设计功能考核 5用水吸收空气中的
9、SO2 气体，混合气体处理量为 100kmol，其中 SO2的含量为 7%，空气含量 93%，要求净化气中 SO2 的含量达到 15%（mol） ，操作压力为常压，气体入口温度为 25，洗手液中不含 SO2，水入口温度为 25，要求设计吸收塔，对其进行工艺计算并输出填料塔的负荷性能图。 其中液相流率 L=72530kg/s，气相流率 G=3148kg/s，理论板数 10 块，其他物性参数：=998.2kg/m3，气相密度=1.383kg/m3，液相粘度=1mPa?s，气相粘度=0.018 mPa?s，液相表面张力 0.07154N/m。选用DN38 塑料鲍尔环填料。设计及核算结果如表 1 所示
10、。 4 结语 软件的计算结果和核算结果与文献值相差较小，误差在工程允许误差范围内，所以本软件计算结果准确可靠，可应用于实践。另外软件绘制出了填料塔的负荷性能图，表示出了填料塔的可行稳定操作区域，为填料塔设计、改造提供了直观的依据。 参考文献： 1 李军，陈亮，孙兰义等.填料萃取塔设计软件 CUP-Tower 的开发J，石油化工设备，2009，38（3）：2023 2 田正义.规整填料塔软件开发D.青岛：青岛科技大学，2009 3 闫蓉，仇汝臣，田正义.丝网波纹规整填料塔设计软件开发J.石油化工设计，2011，28（1）：3941 4 唐营，仇汝臣，杜军驻.板波纹规整填料塔设计软件开发J.石油化工设备，2012，41（2）：8487
