填料吸收塔课程设计

填料吸收塔课程设计第一节概述填料吸收塔是化学工业中最常用的气液传质设备之一。它具有结构简单、便于用耐腐蚀材料制造以及压降小等优点，采用新型高效填料可以获得很好的经济效果，常用于吸收、精馏等分离过程。本讲以填料吸收塔为例，介绍其设计方法。在设计吸收装置时，必须事先规定或已知：⑴在单位时间所应处理的气体总量；⑵气体组成；⑶被吸收组分的吸收率或排出气体的浓度；⑷所使用的吸收液；⑸操作温度和压力。第2页,共86页，2024年2月25日，星期天吸收的分类吸收溶质与溶剂是否发生显著的化学反应化学吸收物理吸收混合气体进入液相的组分单组分吸收多组分吸收过程进行中温度的变化情况等温吸收非等温吸收我们的设计任务均为单组分、等温的物理吸收过程第3页,共86页，2024年2月25日，星期天10气体出口装置9液体进口装置8液体分布装置7填料压紧装置6填料5塔体4液体再分布器3填料支承板2液体出口装置1气体进口编号名称第4页,共86页，2024年2月25日，星期天一般设计过程和步骤⑴吸收剂的选择⑵决定操作温度和压力⑶确定气液平衡关系；⑷选择液气比和确定流程；⑸选择填料⑹计算塔径和填料层高度；⑺压力损失计算；⑻塔内辅助装置的选择和计算；第5页,共86页，2024年2月25日，星期天第二节设计计算过程一、吸收流程的确定二、填料的选择三、基础物性数据整理四、物料衡算五、填料塔的工艺尺寸的计算六、填料层压降计算七、塔内辅助装置的选择和计算第6页,共86页，2024年2月25日，星期天参考资料贾绍义，柴诚敬主编.化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）.天津：天津大学出版社，2002匡国柱，史启才主编.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，2001第7页,共86页，2024年2月25日，星期天1.填料支承结构的设计涂伟平，陈佩珍，程达芬编.化工过程及设备设计.北京：化学工业出版社，2000：103-106.2.填料塔附属设备的设计E.E.路德维希编.化工装置实用工艺设计（第2卷）.北京：化学工业出版社，2000：321-329.3.制图标准魏崇光，郑晓梅主编.化工工程制图（化工制图）.北京：化学工业出版社，1994：10-14，66-71.刘雪暖，汤景凝主编.化工原理课程设计.山东：石油大学出版社，2001：112-121.4.丙酮-水相平衡常数汤金石主编.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，1990：210.5.容器法兰的选择董达勤主编.化工设备机械基础（二版）.北京：化学工业出版社，1994：324-325第8页,共86页，2024年2月25日，星期天6.填料塔附属设备的设计汤金石主编.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，1990：225-233.7.扩散系数的计算刘光启，马连湘，邢志有主编.化工物性算图手册.北京：化学工业出版社，2002：694-695，7128.吸收塔的设计匡国柱，史启才主编.化工单元过程及设备过程设计.北京：化学工业出版社：249-299.9.填料塔内件的计算王树楹主编.现代填料塔技术指南.北京：中国石化出版社，1998：163-201.10.填料塔结构的设计刘雪暖，汤景凝主编.化工原理课程设计.山东：石油大学出版社，2001：92-106.11.筒体和封头的设计魏崇光，郑晓梅主编.化工工程制图（化工制图）.北京：化学工业出版社，1994：183-196.第9页,共86页，2024年2月25日，星期天用例题说明计算过程例：矿石焙烧炉送出的气体冷却到25℃后送入填料塔中，用20℃清水洗涤以除去其中的SO2。入塔的炉气流量为2400m3/h，其中SO2的摩尔分率为0.05，要求SO2的吸收率为95%。吸收塔常压操作，因该过程液气比很大，吸收温度基本不变，可近似取为清水的温度。第10页,共86页，2024年2月25日，星期天一、设计流程的确定根据气、液两相流动方向的不同，分为逆流操作和并流操作两类，工业上常采用逆流操作。除了少数情况只需单独进行吸收外，一般需对吸收后的溶液继以脱吸，使溶剂再生，循环使用。因此，除了吸收塔以外，还需与其他设备一道组成一个完整的吸收-脱吸流程。第11页,共86页，2024年2月25日，星期天洗油脱除煤气中粗苯流程简图第12页,共86页，2024年2月25日，星期天吸收塔过程的原则流程1-吸收塔；2-富液泵；3-贫液泵；4-解吸塔第13页,共86页，2024年2月25日，星期天小结⑴根据题目条件，采用清水做吸收剂⑵为提高传质效率，选用逆流吸收⑶采用单塔吸收、部分溶剂循环的吸收流程第14页,共86页，2024年2月25日，星期天二、填料的选择长期的研究，开发出许多性能优良的填料，如图是几种填料的形状。拉西环鲍尔环弧鞍形填料矩鞍形填料θ网环波纹填料结构阶梯环金属鞍环第15页,共86页，2024年2月25日，星期天拉西环鲍尔环阶梯环

环第16页,共86页，2024年2月25日，星期天按填料结构及其使用方式可以分为散堆填料和规整填料。规整填料格栅填料格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等波纹填料金属丝网波纹填料、金属孔板波纹填料、金属压延孔板波纹填料脉冲填料脉冲填料散堆填料拉西环拉西环填料鲍尔环金属鲍尔环填料、塑料鲍尔环填料、改型鲍尔环填料阶梯环金属填料、塑料阶梯环弧鞍填料弧鞍填料矩鞍填料瓷质、聚丙烯矩鞍填料环矩鞍填料金属环矩鞍填料球形填料聚丙烯浮球填料、多面空心填料第17页,共86页，2024年2月25日，星期天1.填料的几何特性

⑴比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a表示，其单位为m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。⑵空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以

表示，其单位为m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。第18页,共86页，2024年2月25日，星期天1.填料的几何特性⑶填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/

3，称为填料因子，以

表示，其单位为1/m。填料因子分为干填料因子与湿填料因子，填料未被液体润湿时的a/

3

称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a和

均发生相应的变化，此时的a/

3

称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能，

值越小，表明流动阻力越小。第19页,共86页，2024年2月25日，星期天2.填料的性能评价填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价，得出如下表所示的结论。填料名称评估值语言值排序丝网波纹填料0.86很好1孔板波纹填料0.61相当好2金属Intalox0.59相当好3金属鞍形环0.57相当好4金属阶梯环0.53一般好5金属鲍尔环0.51一般好6瓷Intalox0.41较好

7瓷鞍形环0.38略好8瓷拉西环0.36略好9第20页,共86页，2024年2月25日，星期天3.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)传质效率要高

一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料(2)通量要大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(3)填料层的压降要低(4)填料抗污堵性能强，拆装、检修方便第21页,共86页，2024年2月25日，星期天4.填料规格的选择填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。⑴散装填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减少，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，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。第22页,共86页，2024年2月25日，星期天4.填料规格的选择（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，通量减少，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技术要求，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。第23页,共86页，2024年2月25日，星期天5.填料材质的选择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很好的耐腐蚀性及耐热性，陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，质脆、易碎是其最大缺点。在气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程中应用较为普遍。(2)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

C以下使用。塑料填料质轻、价廉，具有良好的韧性，耐冲击、不易碎，可以制成薄壁结构。它的通量大、压降低，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，但可通过适当的表面处理来改善其表面润湿性能。第24页,共86页，2024年2月25日，星期天5.填料材质的选择(3)金属填料金属填料可用多种材质制成，选择时主要考虑腐蚀问题。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，且表面润湿性能较差，在某些特殊场合（如极低喷淋密度下的减压精馏过程），需对其表面进行处理，才能取得良好的使用效果；钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价很高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。一般来说，金属填料可制成薄壁结构，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，应用范围最为广泛。第25页,共86页，2024年2月25日，星期天小结对于水吸收SO2的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用DN38聚丙烯阶梯环填料第26页,共86页，2024年2月25日，星期天三、基础物性数据整理1.液相物性数据2.气相物性数据3.气液相平衡数据第27页,共86页，2024年2月25日，星期天液相物性数据对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，20℃时水的有关物性数据如下：⑴密度：⑵粘度：⑶表面张力：⑷SO2在水中的扩散系数：第28页,共86页，2024年2月25日，星期天2.气相物性数据⑴混合气体的平均摩尔质量：⑵混合气体的平均密度：⑶混合气体的粘度可近似取空气的粘度，查手册得20℃空气的粘度为：⑷查手册得SO2在空气中的扩散系数为：第29页,共86页，2024年2月25日，星期天3.气液相平衡数据⑴由手册查得：常压下20℃时SO2在水中的亨利系数：⑵相平衡常数为：⑶溶解度系数为：第30页,共86页，2024年2月25日，星期天四、物料衡算（求最小液气比）1.物料衡算与吸收操作线方程2.吸收剂用量对操作线的影响3.最小液气比第31页,共86页，2024年2月25日，星期天1.物料衡算与吸收操作线方程

或操作线方程：第32页,共86页，2024年2月25日，星期天2.吸收剂用量对操作线的影响第33页,共86页，2024年2月25日，星期天3.最小液气比由图解得若则或所以

操作液气比

第34页,共86页，2024年2月25日，星期天⑴进塔气相摩尔比：⑵出塔气相摩尔比：⑶进塔惰性气相流量：⑷该过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：⑸

对于纯吸收过程，进塔液相组成为:第35页,共86页，2024年2月25日，星期天⑹取操作液气比为：第36页,共86页，2024年2月25日，星期天五、填料塔的工艺尺寸的计算1.填料塔塔径的计算1.1泛点气速的计算1.2塔径的计算及校核2.填料层高度的计算2.1气相总传质单元高度的计算2.2气相总传质单元数的计算第37页,共86页，2024年2月25日，星期天1.填料塔塔径的计算填料塔的直径D与操作空塔气速u及气体体积流量Vs之间存在以下关系：式中：D——塔径，m;Vs——气体体积流量，m3/s;u——操作空塔气速，m/s第38页,共86页，2024年2月25日，星期天1.1泛点气速的计算液泛气速为操作气速的最大极限速度，所以操作气速必须小于液泛气速，一般取操作气速为液泛气速的50%~80%，即泛点率（操作气速与液泛气速的比值）约为0.5~0.8。若泛点率小，操作气速小，压力降小，能耗低，操作弹性大；但塔径增大，设备投资高，生产能力低，同时不利于气、液充分接触，致使分离效率低若泛点率取值过大，压力降大，能耗多，且操作不平稳，难以控制，分离效果更差。因此，泛点率应根据具体情况而定。大多数情况下，泛点率应选在0.6~0.8之间。第39页,共86页，2024年2月25日，星期天（1）散堆填料泛点气速的计算常用埃克特（Eckert）泛点气速关联图进行计算，该关联图是以X为横坐标，以Y为纵坐标进行关联的。其中：式中：提示：实验填料因子的选取见参考教材第40页,共86页，2024年2月25日，星期天Ecket泛点关联图第41页,共86页，2024年2月25日，星期天（2）规整填料泛点气速的计算参考文献：匡国柱，史启才主编.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社.2002.1:263~265图书馆找第42页,共86页，2024年2月25日，星期天本例中：气相质量流量为：液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即Eckert通用关联图的横坐标为：查图5-21得：查表5-11得：取第43页,共86页，2024年2月25日，星期天1.2塔径的计算及校核塔径的计算：塔径的圆整：塔径（D）圆整间隔举例≤70050或100如：600、650、700700≤D≤1000100如：700、800、900D≥1000200如：1000、1200、1400单位：mm圆整后D=1200mm第44页,共86页，2024年2月25日，星期天（1）泛点率校核第45页,共86页，2024年2月25日，星期天（2）填料规格校核填料种类D/d的推荐值拉西环≥20~30鞍环≥15鲍尔环≥10~15阶梯环＞8环矩鞍＞8第46页,共86页，2024年2月25日，星期天（3）液体喷淋密度校核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：式中：U——液体喷淋密度，m3/(m2·h);Lh——液体喷淋量，m3/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Umin表示式中：Umin——最小喷淋密度，m3/(m2·h);(LW)min——最小润湿密度，m3/h;at——填料的总比面积，m2/m3散装填料最小喷淋密度计算公式第47页,共86页，2024年2月25日，星期天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，也可采用一些经验值。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW)min为0.08m3/(m·h);对于直径大于75mm的散装填料，可取(LW)min为0.12m3/(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Umin=0.2第48页,共86页，2024年2月25日，星期天2.填料层高度的计算采用传质单元数法计算，其基本公式为：第49页,共86页，2024年2月25日，星期天2.1气相总传质单元数的计算计算气相总传质单元数有三种方法：⑴对数平均推动力法此方法适用于平衡线为直线时的情况，其解析式为：△Y1=Y1-Y1*，为塔底气相传质推动力，Y1*为与X1相平衡的气相摩尔比，Y1*=mX1△Y2=Y2-Y2*，为塔顶气相传质推动力，Y2*为与X2相平衡的气相摩尔比，Y2*=mX2第50页,共86页，2024年2月25日，星期天（2）脱吸因素法此方法适用于平衡线为直线时的情况，其解析式为：式中为脱吸因数。为方便计算，以S为参数，为横坐标，为纵坐标，在半对数坐标上标绘上式的函数关系，得到右图所示的曲线。此图可方便地查出值。第51页,共86页，2024年2月25日，星期天（3）图解法此方法适用于平衡线为曲线时的情况。第52页,共86页，2024年2月25日，星期天此例采用“脱吸因素法”求解脱吸因素为：气相总传质单元数为：第53页,共86页，2024年2月25日，星期天2.1气相总传质单元高度的计算普遍采用修正的恩田（Onde）公式求取第54页,共86页，2024年2月25日，星期天修正的恩田公式只适用于u≤0.5uF的情况，当u≥0.5uF时，需按p144的公式进行校正第55页,共86页，2024年2月25日，星期天本例题计算过程略，计算的填料层高度为Z=6m.对于散装填料，一般推荐的分段高度为：填料类型h/Dhmax拉西环2.5≤4m鞍环5~8≤6m鲍尔环5~10≤6m阶梯环8~15≤6m环矩鞍8~15≤6m第56页,共86页，2024年2月25日，星期天六、填料层压降计算散装填料的压降值可由埃克特通用关联图计算。先根据气液负荷及有关数据，求出横坐标值，再根据操作孔塔气速u及有关物性数据，求出纵坐标值。通过作图得出交点，读出交点的等压线数值，即得到每米填料层压降值。第57页,共86页，2024年2月25日，星期天Ecket泛点关联图第58页,共86页，2024年2月25日，星期天七、塔内辅助装置的选择和计算1液体分布器2填料塔附属高度3填料支承板4填料压紧装置5液体进、出口管6液体除雾器7筒体和封头8手孔9法兰10液体再分布装置

第59页,共86页，2024年2月25日，星期天1液体分布器匡国柱:第六章吸收过程工艺设计第三节填料塔的工艺设计四、液体初始分布器工艺设计（p215）第九章塔设备的机械设计第三节填料塔结构设计一、液体分布器（p317）

第60页,共86页，2024年2月25日，星期天第61页,共86页，2024年2月25日，星期天第62页,共86页，2024年2月25日，星期天2填料塔附属高度匡国柱:第六章吸收过程工艺设计第三节填料塔的工艺设计三、填料塔高度的计算（p215）第63页,共86页，2024年2月25日，星期天10气体出口装置9液体进口装置8液体分布装置7填料压紧装置6填料5塔体4液体再分布器3填料支承板2液体出口装置1气体进口编号名称第64页,共86页，2024年2月25日，星期天3填料支承及压紧装置匡国柱:第六章吸收过程工艺设计第三节填料塔的工艺设计八、填料支承及压紧装置（p222）第九章塔设备的机械设计第三节填料塔结构设计三、填料支承板（p321）

第65页,共86页，2024年2月25日，星期天第66页,共86页，2024年2月25日，星期天栅板：优点是结构简单，造价低；缺点是栅板间的开孔容易被散装填料挡住，使有效开孔面积减小。第67页,共86页，2024年2月25日，星期天4填料压紧装置填料压紧和限位装置安装在填料层顶部，用于阻止填料的流化和松动，前者为直接压在填料之上的填料压圈或压板，后者为固定于塔壁的填料限位圈。第68页,共86页，2024年2月25日，星期天5液体进、出口管匡国柱:第四章列管换热器零、部件的工艺结构设计第一节列管换热器零、部件的工艺结构设计五、接管（p101）第五章精馏过程工艺设计第七节精馏过程系统设计实例六、管路设计及泵的选择（p192）第九章塔设备的机械设计第四节辅助装置及附件二、进出料接管

附录七输送流体用无缝钢管常用规格品种

（p376）第69页,共86页，2024年2月25日，星期天（1）塔顶蒸汽出口管

（2）液相进料管（3）塔底出料管（4）气相进料管

《GB/T8163-1999流体输送用无缝钢管》《GB/T17395-1998无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》第70页,共86页，2024年2月25日，星期天6液体除雾器匡国柱:第六章吸收过程工艺设计第三节填料塔的工艺设计七、除沫装置（p221）第九章塔设备的机械设计第四节辅助装置及附件一、丝网除沫器（p325）

第71页,共86页，2024年2月25日，星期天HG/T21618-1998丝网除沫器第72页,共86页，2024年2月25日，星期天7筒体和封头第73页,共86页，2024年2月25日，星期天第74页,共86页，2024年2月25日，星期天（1）筒体的设计选用标准：筒体（JB1153-73）（2）封头的设计选用标准：选取椭圆形封头（JB1153-73）附录六椭圆形封头（p373）第75页,共86页，2024年2月25日，星期天8人孔和手孔HG／T21514-2005钢制人孔和手孔的类型与技术条件第76页,共86页，2024年2月25日，星期天9法兰（1）管法兰的选择选用标准：HG20593-97板式平焊钢制管法兰（欧洲体系）（2）容器法兰的选择选用标准：JB/T4701-2000甲型平焊法兰