本章符号说明英文字母

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a
——填料的有效比表面积，m
2
m
3

a
t——填料的总比表面积，m
2
m
3

a
W——填料的润湿比表面积，m
2
m
3

A
T——塔截面积，m
2
；
C
——计算
u
max时的负荷系数，ms；
C
s——气相负荷因子，ms；
d
——填料直径，m；
D
——塔径，m；
DL
——液体扩散系数，m
2
s；
Dv
——气体扩散系数，m
2
s ；
ev
——液沫夹带量,kg(液)kg(气)；
E
——液流收缩系数，无因次;
E
T——总板效率，无因次；
g
——重力加速度，9.81 ms
2
；
h
——填料层分段高度，m；
HETP
关联式常数；
h
max——允许的最大填料层高度，m；
H
B——塔底空间高度，m；
H
D——塔顶空间高度，m；
H
oG——气相总传质单元高度，m；
H
1——封头高度，m；
H
2——裙座高度，m；
HETP
——等板高度，m；

k
G——气膜吸收系数，kmol(m
2
·s·kPa)；
k
L——液膜吸收系数，ms；
K
G——气相总吸收系数，kmol(m
2
·s·kPa)；
l
W——堰长，m；
L
b——液体体积流量，m
3
h；
L
S——液体体积流量，m
3
s；
L
W——润湿速率，m
3
(m·s)；
m
——相平衡常数，无因次；
n
——筛孔数目；
N
OG——气相总传质单元数；
P
——操作压力，Pa；
△
P
——压力降，Pa；
u
——空塔气速，ms；
u
F——泛点气速，ms
u
——漏液点气速，ms；
u
′0——液体通过降液管底隙的速度，ms；
U
——液体喷淋密度，m
3
(m
2
·h)
U
L——液体质量通量，kg(m
2
·h)
U
min——最小液体喷淋密度，m
3
(m
2
·h)
U
v——气体质量通量，kg(m
2
·h)
V
h——气体体积流量，m
3
h；
V
S——气体体积流量，kgs；
w
L——液体质量流量，kgs；
w
V——气体质量流量，kgs；
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，kgm
3
；
ζ——表面张力，Nm；
φ——开孔率或孔流系数，无因次；
Φ——填料因子，lm；
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< br>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< br>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。
4.1.2.1 填料的类型
填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。
(1) 散装填料
散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在
塔 内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形
填料、鞍形填料。环鞍形填 料及球形填料等。现介绍几种较典型的散装填料。
①拉西环填料 拉西环填料是最早提出的工业填料 ，其结构为外径与高度相等的
圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。拉西环填料的气液分布较差，传 质效
率低，阻力大，通量小，目前工业上已很少应用。
②鲍尔环填料 鲍尔环是在拉西环的 基础上改进而得。其结构为在拉西环的侧壁
上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连 ，另一侧向环内弯
曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭，可用陶瓷、塑料、金属等材

质制造。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流
阻力小 ，液体分布均匀。与拉西环相比，其通量可增加50%以上，传质效率提高
30%左右。鲍尔环是目前应 用较广的填料之一。
③阶梯环填料 阶梯环是对鲍尔环的改进。与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一
半，并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平
均路径大为缩短 ，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机
械强度，而且使填料之间由线接触为主变 成以点接触为主，这样不但增加了填料
间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进 液膜的表面更
新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的
环 形填料中最为优良的一种。
④弧鞍填料 弧鞍填料属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷 质材料
制成。弧鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，
表面利用 率高，流道呈弧形，流动阻力小。其缺点是易发生套叠，致使一部分填
料表面被重合，使传质效率降低。 弧鞍填料强度较差，容易破碎，工业生产中应
用不多。
⑤矩鞍填料 将弧鞍填料两端的弧形 面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩
鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填 料一般采用瓷质材
料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被
瓷矩鞍填料所取代。
⑥环矩鞍填料 环矩鞍填料(国外称为Intalox)是兼顾环形和鞍形结 构特点而设
计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。
环矩 鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环
和阶梯环，是工业应用最为普 遍的一种金属散装填料。
工业上常用散装填料的特性参数列于附录五中，可供设计时参考。
(2) 规整填料

规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料。规 整填料种类很多，根据
其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等，工业上应用的规整填料绝< br>大部分为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料两大类，可用
陶瓷、塑料、金属 等材质制造。加工中，波纹与塔轴的倾角有30°和45°两种，
倾角为30°以代号BX(或X)表示 ，倾角为45°以代号CY(或Y)表示。
金属丝网波纹填料是阿波纹填料的主要形式，是由金属丝 网制成的。其特点是压
降低。分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏< br>性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因性能优良仍得到了广泛的
应用。
金属板波纹填料是板波纹填料的主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多φ4
mm~φ6 mm的小孔，可起到粗分配板片上的液体。加强横向混合的作用。波纹板
片上轧成细小沟纹，可起到细分 配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金
属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径 塔及气液负荷较大的场
合。
波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大 ，比表面积大。
其缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造
价高。
工业上常用规整填料的特性参数列于附录六中，可供设计时参考。
4.1.2.2 填料的选择
填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的
要求，
又要使设备投资和操作费用较低。
（1）填料种类的选择

填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面。
①传质效率 传质效率即分离效率，它有两种表示方法：一是以理论级进行计算
的表示方法，以 每个理论级当量的填料层高度表示，即HETP值；另一是以传质
速率进行计算的表示方法，以每个传质 单元相当的填料层高度表示，即HTU值。
在满足工艺要求的前提下，应选用传质效率高，即HETP( 或HTU值)低的填料。
对于常用的工业填料，其HETP(或HTU)值可由有关手册或文献中查到， 也可通过
一些经验公式来估算。
②通量 在相同的液体负荷下，填料的泛点气速愈高或气相 动能因子愈大，则通
量愈大，塔的处理能力亦越大。因此，在选择填料种类时，在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。对于大多数常
用填料，其泛点气速 或气相动能因子可由有关手册或文献中查到，也可通过一些
经验公式来估算。
③填料层的压降 填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降愈低，动
力消耗越低，操 作费用愈小。选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。
比较填料的压降有两种方法，一是比较填 料层单位高度的压降△
P

Z
；另一是比
较填料层单位传质效率的比压 降△
P

N
T。填料层的压降可用经验公式计算，亦可
从有关图表中查 出。
④填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作弹性、抗污堵性及抗热敏性等。
所选填 料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳
定。同时，还应具有一定的抗污堵 、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度
的变化。
此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。
（2）填料规格的选择
通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择的方法亦不尽相同，现分
别加以介绍。

①散装填料规格的选择 散装填料的规格通常是指填料的公称直径。工业塔常用
的散装填料主要有
D
N16、
D
N25、
D
N38、
D
N50、
D
N76等几种规格。同类填料，尺
寸越小，分离效率越高，但 阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺
寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良 及严重的壁流，使塔的分离
效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，常用填料的塔径与填 料
公称直径比值
D

d
的推荐值列于表4-2。
表4-2 塔径与填料公称直径的比值Dd的推荐值

填 料 种 类
拉西环
鞍环
鲍尔环
阶梯环
环矩鞍
D

d
的推荐值
D

d
≥20~30
D

d
≥15
D

d
≥10~15
D

d
>8
D

d
>8
②规整填料规格的选择 工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国
内习惯用比表面 积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格，
同种类型的规整填料， 其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减小，
填料费用也明显增加。选用时应从分离要求、 通量要求、场地条件、物料性质及
设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足工艺要求， 又具有经
济合理性。
应予指出，一座填料塔可以选用同种类型、同一规格的填料，也可选用 同种类型、
不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的
塔段 可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技
术经济统一的原则来选择填料 的规格。
（3）填料材质的选择
工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。

①陶瓷填料 陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的
常见的各种无机酸、有机酸的腐蚀，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱
陶瓷填料。
陶瓷填料因其质脆、易碎，不宜在高冲击强度下使用。陶瓷填料价格便宜，具有
很好的表面润湿性能，工 业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程。
②金属填料 金属填料可用多种材质制成， 金属材质的选择主要根据物系的腐蚀
性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。碳钢填料造价低，且具有良好 的表面润湿
性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一
般能 耐除Cl-以外常见物系的腐蚀，但其造价较高；钛材、特种合金钢等材质制
成的填料造价极高，一般只 在某些腐蚀性极强的物系下使用。
金属填料可制成薄壁结构(0.2~1.0mm)，与同种类型、 同种规格的陶瓷、塑料填
料相比，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压 、
高冲击强度下使用，工业应用主要以金属填料为主。
③塑料填料 塑料填料的材质主要包 括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC)
等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的 耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机
酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100℃以下使用 。聚丙烯填
料在低温(低于0℃)时具有冷脆性，在低于0℃的条件下使用要慎重，可选用耐
低 温性能好的聚氯乙烯填料。
塑料填料具有质轻。价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸 、萃取、
除尘等装置中。塑料填料的缺点是表面润湿性能差，在某些特殊应用场合，需要
对其表 面进行处理，以提高表面润湿性能。
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
V
s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

u
F=0.5~0.85
对于规整填料，其泛点率的经验值为
u

u
F=0.6~0.95 < br>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
u
F——泛点气速，ms
g
——重力加速度，9.81 ms2 ；
a
t——填料总比表面积，m
2
m
3
；
ε——填料层空隙率，m
3
m
3
；

ρV、ρL——气相、液相密度，kgm
3
；
μL——液体粘度，mPa·s；
w
L、
w
V——液相、气相质量流量，kgh；
A
、
K
——关联常数。
常数
A
和
K< br>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

1.75
1.75
1.75
1.75
1.75
1.75
规整填料类型
金属丝网波纹填
料
塑料丝网波纹填
料
金属网孔波纹填
料
金属孔板波纹填
料
塑料孔板波纹填
料

A

0.30
0.4201
0.155
0.291
0.291

K

1.75
1.75
1.47
1.75
1.563

塑料鲍尔环 0.0942
金属鲍尔环 0.1
塑料阶梯环 0.204
金属阶梯环 0.106
瓷矩鞍 0.176
金属环矩鞍 0.06225
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
u
F。
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
u
0——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 s
2
；
ρV、ρL——分别为气体和液体的密度，kg m
3
；
w
V、
w
L——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
金属鲍尔环
金属环矩鞍
金属阶梯环
塑料鲍尔环
塑料阶梯环
瓷矩鞍
瓷拉西环
D
N16
410
—
—
550
—
1100
1300
D
N25
—
170
—
280
260
550
832
填料因子，1m
D
N38
117
150
160
184
170
200
600
D
N50
160
135
140
140
127
226
410
D
N76
—
120
—
92
—
—
—
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(
C
s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
C
s,max，然后依据以下关 系

C
s=0.8
C
(4-5)
计算出
C
s，再依据式4-4求出操作空塔气速
u
。
常 用规整填料的
C
的计算见有关填料手册，亦可从图4-6所示的
C

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
板波纹填料
丝网波纹填料
丝网波纹填料
陶瓷波纹填料
(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、70 0、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
型 号
250Y
BX
CY
BX
修 正 系 数
1.0
1.0
0.65
0.8
(4-5)
式中
U
——液体喷淋密度，m
3
(m
2
·h)；
L
h——液体喷淋量，m
3
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
U
min表示。
对于散装填料，其最小喷淋密度通常采用下式计算，即
U
min=(
L
W) min
a
t (4-6)
式中
U
min——最小喷淋密度，m
3
(m
2
·h)；
(
L
W) min——最小润湿速率，m
3
(m·h)；
a
t——填料的总比表面积，m
2
m
3
。
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(
L
W) min为0.08 m
3
(m·h)；对于直径大
于75 mm的散装填料，取(
L
W) min=0.12 m
3
(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
U
min=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。
4.1.3.2 填料层高度计算及分段
(1) 填料层高度计算
填料层高度 的计算分为传质单元数法和等板高度法。在工程设计中，对于吸收、
解吸及萃取等过程中的填料塔的设计 ，多采用传质单元数法；而对于精馏过程中
的填料塔的设计，则习惯用等板高度法。
①传质单元数法
采用传质单元数法计算填料层高度的基本公式为
Z
＝
H
OG
N
OG (4-7)

a
.传质单元数的计算 传质单元数的计算方法在《化工传质与分离过程》教材的
吸收一章中已详尽介绍．此处不再赘述。
b
.传质单元高度的计算 传质过程的影响因素十分复杂，对于不同的物系、不同
的填 料以及不同的流动状况与操作条件，传质单元高度各不相同，迄今为止，尚
无通用的计算方法和计算公式 。目前，在进行设计时多选用一些准数关联式或经
验公式进行计算，其中应用较为普遍的是修正的恩田( Onde)公式。
修正的恩田公式为
(4-8)
(4-9)
(4-10)
(4 -11)
其中
式中
U
V、U
L——气体、液体的质量通量，kg(m
2
·h)；
(4-12)
μV、μL——气体、液体的粘度，kg(m·h) [1Pa·s=3600 kg(m·h)]；
ρV、ρL——气体、液体的密度，kgm
3
；
D
V、
D
L——溶质在气体、液体中的扩散系数，m
2
s；
R
——通用气体常数，8.314 (m
3
·kPa)(kmol·K) ；
T
——系统温度，K；
a
t——填料的总比表面积，m
2
m
3
；
a
w——填料的润湿比表面积，m
2
m
3
；
g
——重力加速度，1.27×108mh；
ζL——液体的表面张力

σc——填料材质的临界表面张力，kgh
2
(1dyncm=12960kgh
2
) ；
ψ——填料形状系数。
常见材质的临界表面张力值见表4-5、常见填料的形状系数见表4-6。
表4-5 常见材质的临界表面张力值

材质
表面张力, mN
m
聚氯乙
烯
40
碳
56
瓷
61
玻璃 聚丙烯
73 33
钢
75
石蜡
20
表4-6 常见填料的形状系数

填料类型
Ψ值
球形
0.72
棒形
0.75
拉西环
1
弧鞍
1.19
开孔环
1.45
由修正的恩田公式计算出
k
Ga和
k
La后，可按下式计算气相总传质单元高度
H
O G：
(4-13)
(4-14)
式中
H
——气体、液体的质量通量，kg(m
2
·h)；
Ω——气体、液体的粘度，kg(m·h) [1Pa·s=3600 kg(m·h)]；
应予指出，修正的恩田公式只适用于
u
≤0.5
u
F的情况，当
u
＞0.5
u
F时，需要按
下式进行校正，即
(4-15)
(4-16)
②等板高度法
采用等板高度法计算填料层高度的基本公式为

Z
＝
H
ETP·
N
T (4-17)
a.
理论板数的计算 理论板数的计算方法在《化工原理》教材的蒸馏一章中已详
尽介绍，此处不再赘述。
b.
等板高度的计算 等板高度与许多因素有关，不仅取决于填料的类型和尺寸，
而且 受系统物性、操作条件及设备尺寸的影响。目前尚无准确可靠的方法计算填
料的HETP值。一般的方法 是通过实验测定，或从工业应用的实际经验中选取HETP
值，某些填料在一定条件下的
HETP值可从有关填料手册中 查得。近年来研究者
通过大量数据回归得到了常压蒸馏时的
H
ETP关联式如下：
(4-18)
式中
HETP
——等板高度，mrn；
ζL——液体表面张力，Nm；
μL——液体粘度，Pa·S
h
——常数，其值见表4-7。
表4-7
HETP
关联式中的常数值
h 填料类型 h
填料类型
D
N25金属环矩鞍填料 6.8505
D
N50金属鲍尔环 7.3781
D
N40金属环矩鞍填料 7.0382
D
N25瓷环矩鞍填料 6.8505
D
N50金属环矩鞍填料 7.2883
D
N38瓷环矩鞍填料 7.1079
D
N25金属鲍尔环 6.8505
D
N50瓷环矩鞍填料 7.4430
D
N38金属鲍尔环 7.0779
式4-18考虑了液体粘度及表面张力的影响，其适用范围如下：
103＜ζL＜36 × 10-3 Nm；0.08 × 10-3＜μL＜0．83×10-3 Pa·S
应予指出，采用上 述方法计算出填料层高度后，还应留出一定的安全系数。根据
设计经验，填料层的设计高度一般为
Z
′＝(1.2~1.5)
Z
(4-19)

式中
Z
′——设计时的填料高度，m；
Z
——工艺计算得到的填料层高度，m。
(2) 填料层的分段
液体沿填料层下 流时，有逐渐向塔壁方向集中的趋势，形成壁流效应。壁流效应
造成填料层气液分布不均匀，使传质效率 降低。因此，设计中，每隔一定的填料
层高度，需要设置液体收集再分布装置，即将填料层分段。
①散装填料的分段 对于散装填料，一般推荐的分段高度值见表4-8，表中hD
为分段高度与 塔径之比，hmax为允许的最大填料层高度。
表4-8 散装填料分段高度推荐值
填料类型
拉西环
矩鞍
鲍尔环
阶梯环
环矩鞍


②规整填料的分段 对于规整填料，填料层分段高度可按下式确定：
h

D

2.5
5～8
5～10
8～15
5～15
H
maxm
≤4
≤6
≤6
≤6
≤6
h
＝(15~20)
HETP
(4-20)
式中
h
——规整填料分段高度，m；
HETP
——规整填料的等板高度，m。
亦可按表4-9推荐的分段高度值确定。
表4-9 规整填料分段高度推荐值

填料类型
250Y板波纹填料
500Y板波纹填料
h
m
6.0
5.0

500(BX)丝网波纹填料 3.0
700(CX)丝网波纹填料 1.5

4.1.4 填料层压降的计算 填料层压降通常用单位高度填料层的压降△PZ表示。设计时，根据有关参数，
由通用关联图(或压 降曲线)先求得每米填料层的压降值，然后再乘以填料层高
度，即得出填料层的压力降。
4.1.4.1 散装填料的压降计算
（1）由埃克特通用关联式计算
散装填 料的压降值可由埃克特通用关联图计算。计算时，先根据气液负荷及有关
物性数据，求出横坐标值，再根 据操作空塔气速
u
及有关物性数据，求出纵坐标
值。通过作图得出交点，读出过交点的 等压线数值，即得出每米填料层压降值。
应予指出，用埃克特通用关联图计算压降时，所需的填料因 子为操作状态下的湿
填料因子，称为压降填料因子，以φp表示。压降填料因子φp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压降填料因子平均值。
表4-10列出了 部分散装填料的压降填料因子平均值，可供设计中参考。
表4-10 散装填料压降填料因子平均值

填料类型
金属鲍尔环
金属环矩鞍
金属阶梯环
塑料鲍尔环
塑料阶梯环
瓷矩鞍环
瓷拉西环
填料因子, 1m
D
N25
D
N38
D
N50
- 114 98
138 93.4 71
- 118 82
232 114 125
176 116 89
215 140 160
576 450 288
D
N16
306
-
-
343
-
700
1050
D
N76
-
36
-
62
-
-
-

（2）由填料压降曲线查得
散装填料压降曲线的横坐标通常以空塔气速u
表示，纵坐标以单位高度填料层压
降△PZ表示，常见散装填料的
u
～
△P

Z
曲线可从有关填料手册中查得。
4.1.4.2 规整填料的压降计算
(1) 由填料的压降关联式计算
规整填料的压降通常关联成以下形式
(4-18)
式中 △
P

Z—
—每米填料层高度的压力降，Pam；
u
——空塔气速，ms；
ρv——气体密度，kgm
3
；
α、β——关联式常数，可从有关填料手册中查得。
(2) 由填料压降曲线查得 规整填料压降曲线的横坐标通常以
F
因子表示，纵坐标以单位高度填料层压降
△P

Z
表示，常见规整填料的
F
～
△P

Z曲线可从有关填料手册中查得。
4.1.5 填料塔内件的类型与设计
4.1.5.1 塔内件的类型
填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分 布装置、液体收集再
分布装置等。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。
(1) 填料支承装置
填料支承装置的作用是支承塔内的填料。常 用的填料支承装置有栅板型、孔管型、
驼峰型等。对于散装填料，通常选用孔管型、驼峰型支承装置；对 于规整填料，

通常选用栅板型支承装置。设计中，为防止在填料支承装置处压降过大甚至 发生
液泛，要求填料支承装置的自由截面积应大于75%。
(2) 填料压紧装置 为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料
压紧装置。填料压紧 装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同的类型。对
于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧 栅板，在其下方，根据填料的规格
敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定；对于规整填料，通常选用压 紧栅板。
设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的
自由截 面积应大于70%。
为了便于安装和检修，填料压紧装置不能与塔壁采用连续固定方式，对于小塔可
用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。
(3) 液体分布装置
液体分布装 置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。工业应用
以管式。槽式及槽盘式为主。 < br>管式分布器由不同结构形式的开孔管制成。其突出的特点是结构简单，供气体流
过的自由截面大， 阻力小。但小孔易堵塞，操作弹性一般较小。管式液体分布器
多用于中等以下液体负荷的填料塔中。在减 压精馏及丝网波纹填料塔中，由于液
体负荷较小，设计中通常用管式液体分布器。
槽式液体分布器是由分流槽(又称主槽或一级槽)、分布槽(又称副槽或二级槽)
构成的。
一级槽通过槽底开孔将液体初分成若干流股，分别加人其下方的液体分布槽。分
布槽的槽底(或 槽壁)上设有孔道域导管)，将液体均匀分布于填料层上。槽式液
体分布器具有较大的操作弹性和极好的 抗污堵性，特别适合于大气液负荷及含有
固体悬浮物、粘度大的液体的分离场合，应用范围非常广泛。
槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它兼有集液、分液及分气三种作

用，结构紧凑，气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高达10：1，适用于各种液
体喷淋量。近年来应用 非常广泛，在设计中建议优先选用。
(4) 液体收集及再分布装置
前已述及，为减小壁流现象，当填料层较高时需进行分段，故需设置液体收集及
再分布装置。
最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。截锥式再分布器结构简单，安装方
便，但它只起到 将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径
小于0.6m的塔中。
在通 常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分
布装置。液体收集器的作用是 将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器
进行液体再分布。常用的液体收集器为斜板式液体收集 器。
前已述及，槽盘式液体分布器兼有集液和分液的功能，故槽盘式液体分布器是优
良的液 体收集及再分布装置。
4.1.5.2 塔内件的设计
填料塔操作性能的好坏、传质效 率的高低在很大程度上与塔内件的设计有关。在
塔内件设计中，最关键的是液体分布器的设计，现对液体 分布器的设计进行简要
的介绍。
(1) 液体分布器设计的基本要求
性能优良的液体分布器设计时必须满足以下几点：
①液体分布均匀 评价液体分布均匀的标准是：足够的分布点密度；分布点的几
何均匀性；降液点间流量的均匀性。 < br>a
.分布点密度。液体分布器分布点密度的选取与填料类型及规格、塔径大小、操
作条件 等密切相关，各种文献推荐的值也相差很大。大致规律是：塔径越大，分
布点密度越小；液体喷淋密度越 小，分布点密度越大。对于散装填料，填料尺寸

越大，分布点密度越小；对于规整填料， 比表面积越大，分布点密度越大。表
4-11、表4-12分别列出了散装填料塔和规整填料塔的分布点 密度推荐值，可供
设计时参考。
表4-11 Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值

塔径,mm
D=400
D=750
D≥1200
分布点密度,点 m塔截面
330
170
42
2
表4-12 苏尔寿公司的的规整填料塔分布点密度推荐值
分布点密度,点 m塔截面
填料类型
250Y孔板波纹填料 ≥100
500(BX)丝网波纹填料 ≥200
700(CX)丝网波纹填料 ≥300 2
b.
分布点的几何均匀性。分布点在塔截面上的几何均匀分布是较之分布点密度更
为重要的问题。设计中，一般需通过反复计算和绘图排列，进行比较，选择较佳
方案。分布点的排列可 采用正方形、正三角形等不同方式。
c.
降液点间流量的均匀性。为保证各分布点的流量均 匀，需要分布器总体的合理
设计。精细的制作和正确的安装。高性能的液体分布器，要求各分布点与平均 流
量的偏差小于6%。
②操作弹性大 液体分布器的操作弹性是指液体的最大负荷与最小负 荷之比。设
计中，一般要求液体分布器的操作弹性为2－4，对于液体负荷变化很大的工艺
过程 ，有时要求操作弹性达到10以上，此时，分布器必须特殊设计。
③自由截面积大 液体分布器的自 由截面积是指气体通道占塔截面积的比值。根
据设计经验，性能优良的液体分布器，其自由截面积为50 %－70%。设计中，自

由截面积最小应在35%以上。
④其他 液体分布器应结构紧凑、占用空间小、制造容易、调整和维修方便。
(2) 液体分布器布液能力的计算
液体分布器布液能力的计算是液体分布器设计的重要内容。设计时，按其 布液作
用原理不同和具体结构特性，选用不同的公式计算。
①重力型液体分布器布液能力计算 重力型液体分布器有多孔型和溢流型两种型
式，工业上以多 孔型应用为主，其布液工作的动力为开孔上方的液位高度。多孔
型分布器布液能力的计算公式为
(4-19)
式中
L
s——液体流量，m
3
s；
n
——开孔数目(分布点数目)；
φ——孔流系数，通常取φ＝0.55～0.60；
d
0——孔径，m ；
△H
——开孔上方的液位高度，m。
②压力型液体分布器布液能力计算 压力型液体分布器布液工作的动力为压力差
(或压降)，其布液能力的计算公式为
(4-20)
式中
L
s——液体流量，m
3
s；
n
——开孔数目(分布点数目)；
φ——孔流系数，通常取φ＝0.60~0.65
d
0——孔径，m；
△P
——分布器的工作压力差(或压降)，Pa；
ρL——液体密度，kgm
3
。

设计中，液体流量
L
s为已知，给定开孔上方的液位高度
△H
(或已知分布器的工
作压力差△
P
)，依据分布器布液能力计算公式，可设定开孔数目
n
，计算孔径
d
0；
亦可设定孔径
d
0，计算开孔数目
n
。