文献综述-dn4000水煤气洗涤塔设计【优秀过程装备与控制工程设计】

毕业设计论文综述报告题目DN4000水煤气洗涤塔设计学院名称机械工程学院2012年3月24日1本设计（课题）研究的目的和意义在化工、炼油、医药、食品及环境保、护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。目前工业上应用最广泛的还是填料塔及板式塔，填料塔属于微分接触型的气液传质设备，塔内以填料作为气液接触和传质的构件。液体在填料表面呈膜状自上而下流动，气体呈连续相自下而上与液体做逆流流动，并进行气液两相间的传质与传热，两相间的组分浓度或温度沿塔高呈连续变化；填料塔具有效率高、压降低、持液量小、构造简单、安装容易、投资少等优点,是石油、化工、化纤、轻工、制药及原子能等工业中广泛应用的气液接触传质设备之一。过去,由于其存在着放大效应和壁流效应,使其应用仅仅局限于小塔上。近年来,人们进行了大量的研究,取得了突破性进展,目前应用的规整填料最大直径可达1420M,突破了仅限于小塔的传统观念,并在现代化工生产中得到更为普遍的应用。塔设备性能的好坏，对生产、产品产量、质量、成本以及环境保护、废料处理等都有较大的影响。因此对塔设备的研究一直是工程界所关注的热点。2本设计（课题）国内外研究历史与现状塔设备的使用已有二百多年的历史，现在填料塔设备发展的已经十分完善。设备主要包含填料、塔内设备及塔设备等。目前的研究主要集中在填料、液体分布器和气体分布器等方面。塔填料、塔内件及工艺流程又是填料塔技术发展的关键。随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速的发展。目前，国内外已开始利用大型高效塔改造板式搭，并在增加产量、提高产品质量、节能等方面取得了巨大的成就。并且随着一些新型塔板及大通量、低压降、高效规整填料和塔内件的开发应用成功，可以预测21世纪的塔器分离技术将向行业化、复合化、节能化、大型化方向发展。3目前存在的主要问题填料塔的设计包括塔内填料的选取、塔内件的设计和塔体的设计以及各种设备的优缺点，新的填料的优点以及新元件的适当的选取。4本设计（课题）拟解决的关键问题和研究方法重点是填料的选择，塔内设备的选择和设计及塔体的工艺设计。难点是塔内设备的优先选取。其难点是对塔体以及一些塔内件的强度计算及校核。研究方法；从网络上下载最新的学术期刊，并参考化工设计手册，完成数据的计算和各种设备的选取。5文献综述填料塔最初出现在十九世纪中叶，在1881年用于精馏操作。填料塔的塔体横截面有圆形，矩形及多边形等，但绝大部分是圆形。塔壳材料可以是碳钢，不锈钢，聚氯乙烯，玻璃钢和砖等。塔内放置着填料（PACKINGS）。填料种类很多。用于制造填料的材料有碳钢、不锈钢、陶瓷、聚丙烯、增强聚丙烯等。由于填料与塔体取材面广，故易于解决物料腐蚀问题。填料在填料塔操作中起着重要作用。填料塔的发展史中最主要的是填料的发展史。早期以碎石为填料。自二十世纪初至廿世纪中叶，曾兴起了对填料开发、研制的热潮。在这时期，先后出现了拉西环、STEDMAN金属纱网规则填料、弧鞍形填料、鲍尔环及矩鞍形填料等。这些新型填料的出现，使填料塔的操作性能得到显著改进。一填料（1）填料的类型常见填料的形状可分为四种类型。短管形填料最早采用的拉西环是高度与外径之比为1的短管。该填料易于制造，强度好，取材面广，但流体力学及传质性能都不够理想。鞍形填料鞍形填料不同于短管形填料，其特点是不分内、外表面，整个填料表面由各种曲面组成，填料在塔内任意方位均可使流体舒畅流过。1931年出现的这类填料称弧鞍形填料，是因形如马鞍而得名。这种填料与拉西环相比，填料表面利用率高，阻力小，但因形状设计尚有缺陷，相邻填料有重叠倾向，填料层均匀性较差，且填料易碎，故使用不广。鞍形填料都是乱堆填料。短管形与鞍形填料的结合型填料现在已开发的这类填料有环矩鞍与共轭环等，开发这类填料的出发点是想使之具有短管形与鞍形两大类填料的优点。试验表明，共轭环的阻力比阶梯环低（4050），比鲍尔环低（5055），其传质单元高度比阶梯环的约低15，比鲍尔环的约低30，可见，新的结合型填料的优点是明显的。波纹整砌填料这是我国开发成功并于1971年发表的填料类型。该填料的基本件是冲压出45度斜波纹槽的薄板。薄板高度通常为4060MM。若干板片平行组合，但相邻薄板的波纹反向。当塔截面为圆形，则波形板片的组合体为圆柱形。上下相邻的填料组合体，其薄板方向互呈90度交错。波纹填料的材料有碳钢、不锈钢、铝、陶瓷、玻璃钢及纸浸树脂等。薄板厚度金属板一般为051MM，陶瓷板为115MM，纸浸树脂及玻璃钢板则为0102MM。这种填料为气、液相提供了一段段带分支的直通道，气流阻力小，允许操作气速较大（如空速可达2M/S），故处理能力大。由于相邻两薄板间波峰接触点多，接触点给液体提供了混合、再铺展的条件，故可促进液体的表面更新，也促进气体湍流程度的增加。此外，这种填料具有较高的比表面积（A值为300900M2/M3）近年来不少工厂采用不锈钢丝网制作的波纹填料，既保留波纹整砌填料的优点，又改善布液的均匀性。这种填料属高效填料2填料的选用填料的选用主要根据效率、通量及压降三个重要的性能参数决定。它们决定了塔的大小及操作费用。在实际应用中，考虑到塔体的投资，一般选用具有中等比表面积的填料比较经济。比表面积较小的填料空隙率大，可用于流体高通量、大液量及物料较脏的场合。在同一塔中，可根据塔中不同高度处两相流量和分离难易而采用多种不同规格的填料。此外，在选择填料时还应考虑系统的腐蚀性、成膜性和是否含有颗粒等因素来选择不同材料，不同种类的填料。二填料塔的传质问题和放大效应在板式塔上，液体横向流过塔板与气体错流传质，塔内流体的浓度沿塔高呈梯级变化，通常用塔板效率来衡量传质效果。而在填料塔内，气、液体互呈逆流，组成沿填料层高呈连续变化的运动，故常用传质系数、传质单元高度（HTU）和等板高度（HETP）来衡量传质效果。这些系数和高度值受着许多因素的影响，主要有下述五个方面。1气、液体在填料层横截面上的分布在填料层横截面上，可供气、液体流通的自由截面并不是均匀分布的，近壁处的自由截面相对要大一些，气体在此处的局部流量也会偏高。另一方面，要使液体均匀地分布在填料层上，先要填料层顶部保证液体喷洒均匀，但液体在重力作用之下向下流动时，往往有向壁偏流的倾向。这种气、液体分布不均匀的现象，会使传质系数减小，HTU和HETP值增大。为了减少这种分布不均匀现象，所用填料尺寸要小于塔径的1/101/15，并且当填料层较高时，宜将填料层分段，每段填料上设置液体再分布器，将沿壁流下的液体导向中间。2持液量持液量可分为两部分静持量。塔停止喷淋液体和停止排液后，填料层内所积存的液体呈称静持量，以液体/填料（M3/M3）表示，其值只于填料特性及液体性质有关；动持量。将塔停止喷淋液体和停止排液后，同时测的填料层内所排出的液体称动持量，以液体/填料（M3/M3）表示，其值还与液体喷淋量有关，在载点以上又与气速有关。静持量和动持量之和称总持液量。持液量大使塔身重量增大，填料层内的气流通道减小压降增大，并使液体在填料层内的平均停留时间增长，这种停留时间的增长，有利于伴有化学反应的吸收系统。持液量大还使塔操作的惯性效应增大，使操作时组成的波动较小，但使达到稳定操作的开工时间增长，不利于处理贵重液体和精密分馏。持液量的大小还影响填料的有效润湿表面，从而也影响传质的性能。3填料表面的润湿填料表面的润湿性能直接影响到填料表面上成膜，而成膜是否理想又影响到气、液两相的传质。在物系和操作条件确定后，填料的润湿性能就由填料的材质、表面形状及装填方法所决定。润湿状态还与喷淋量有关，液体喷淋量小时，部分填料表面不能为液体所润湿，即使在液体喷淋量很大的情况下，也难于做到使填料表面完全有效润湿，因在一些液体不流动的静止区中，所有的液体往往为气体所饱和，或气、液体之间已达到平衡，不能再发生传质作用。这些原因都使填料塔的体积传质系数下降，或使HTU或HETP值增大。4传质系数关于气相和液相的传质膜系数，及其相对大小对总传质系数的影响在吸收专著中均有讨论。对难溶气体的吸收，则宜增大液气比L/G对总传质系数的增大较为有效。反之，对易溶气体的吸收，则宜增大气体流量以促进传质。文献上积累了许多关于传质系数、HTU和HETP的数据。这些数据多是从小塔试验所得结果。由于各人额试验条件不同，所得数据的差别也很大，用于设计大塔时，可靠性较差，故设计所需数据最好取自相同系统和相同规模装置上或类似条件下的实测数据。有关传质系数、传质单元高度和等板高度的关联式请参见吸收、精馏等有关手册和专著。5轴向返混的影响在填料塔内气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在不同程度的返混，影响传质效率。返混现象可有多种原因引起，例如填料层内的气、液体分布不均；气体和液体在填料层内的沟流；液体喷淋密度大时所造成的气体局部向下运动；塔内气、液体的湍流脉动使气、液体微团停留时间的不一致等。填料塔内流体的返混使塔内每一相沿塔高的浓度梯度减小，也减小了平均推动力，使所需填料层高度增加。按理想的活塞流所设计的填料层高度，往往因存在返混而须将填料层适当加高，以保证预期的分离效果。返混因素常采用湍流扩散数学模型来分析。三填料塔的内件填料塔的内件是为了保证气液更好的接触，以便发挥填料塔的最大效率和生产能力。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安装在填料层底部，其作用是防止填料穿过支承装置而落下；支承操作时填料层的重量；保证足够的开孔率，使气液两相能自由通过。支承装置具备足够的强度及刚度，而且要求结构简单，便于安装，所用的材料耐介质的腐蚀。常用的填料支承装置有栅板型、波纹型、孔管型、驼峰型等。支承装置的选择，主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流率等。2填料压紧装置填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压紧器和床层限位器两大类。3液体分布装置液体分布器安装由于填料上部，它将液相加料及回流液均匀的分布到填料的表面上，形成液体的初始分布。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。液体分布器的安装位置一般高于填料层表面150300MM，以提供足够的空间让上升气体不受约束的穿过分布器。4液体收集及再分布装置液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，这种现象称为壁流。壁流将导致填料层内气液分布不均，使传质效率下降，严重时使塔心的填料不能被也液体润湿而形成干锥。为减小壁流现象，可间隔一定高度在填料层内设置液体再分布装置。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06M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。三填料塔的研究及改进随着化工生产向大型化发展，人们一直重视填料塔的放大规律，并且把注意力集中在改善气体和液体的分布，以及改进填料的性能两个方面。一般认为拉西环有较严重的流体分布不良效应，自从出现了鲍尔环、矩鞍形填料和阶梯环之后，近年来又特别重视液体喷淋装置和再分布器的改进，使填料塔放大的可能性比过去有所提高。通过对大直径实验塔的测定，证明压降数据与埃克特的通用关联图很相符合，40MM瓷质拉西环乱堆填料的泛点数据也与该图相符合，其他尺寸的几种填料的泛点数据则与图线符合稍差，至于传质单元高度的数据与多数从小塔所得的的关联式计算结果相比，都存在较大误差。试验还表明大塔的气、液体通过能力、流体力学性能和传质效率均与填料层高度无关，还表明在大直径填料塔中只要液体开始分布均匀，则填料层中流体分布可不受填料层高度的影响。规整填料比乱堆填料的放大效应要小，因为不是规整填料，如网波透露了等形状本身具有液体再分布的能力。6参考文献1刘乃鸿塔技术的最新发展与新型填料的开发应用J石油化工设备,1991,20244482CIHLAZ,SCHMIDTOCOLLBEHAVIOROFLIQUIDSTRICKINGTHROUGHTHEPACKINGINACYLINDRICALCOLUMNJCZECHCHEMCOMN,1957,2238968973LEGOFFP,LESPINASEEBHYDRODYNAMIESOFPACKEDCOL2UMNSJREVINSTFRPET,1962,17121284魏建华,伍昭化,陈大昌,等高效填料塔成套分离工程J现代化工,1996,161029335PETRECF,LARACHIF,LIUTAI,ETALPRESSUREDROPTHROUGHSTRUCTUREDPACKINGSBREAKDOWNINTOTHECONTRIBU2TINGMECHANIS