试论散装散装填料塔设计及核算软件开发大专

论文导读：
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 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。文献认摘自：毕业论文格式模板www.7ctime.com
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、Carillo模型等。有文献推荐Frank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0.5～0.6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。

2.3 负荷性能图液论文导读：

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
用水吸收空气中的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。
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：
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