填料吸收塔课程设计

1、填料吸收塔课程设计,第一节 概述 第二节 设计计算过程 第三节 注意事项,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： 在单位时间所应处理的气体总量； 气体组成； 被吸收组分的吸收率或排出气体的浓度； 所使用的吸收液； 操作温度和压力。,吸收的分类,我们的设计任务均为单组分、等温的物理吸收过程,一般设计过程和步骤, 吸收剂的选择 决定操作温度和压力 确定气液平衡关系； 选择液气比

2、和确定流程； 选择填料 计算塔径和填料层高度； 压力损失计算； 塔内辅助装置的选择和计算；,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,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 （向高年级同学借阅） 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，2001,1.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

3、.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，1994：324-325,6.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

4、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，2002：694-695，712 8.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.

5、,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。,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。,洗油脱除煤气中粗苯流程简图,吸收塔过程的原则流程,1-吸收塔；2

6、-富液泵；3-贫液泵；4-解吸塔,小结, 根据题目条件，采用清水做吸收剂 为提高传质效率，选用逆流吸收 采用单塔吸收、部分溶剂循环的吸收流程,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,阶梯环,环,按填料结构及其使用方式可以分为散堆填料和规整填料。,1.填料的几何特性, 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。 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

7、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。,1.填料的几何特性, 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。,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

8、，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。,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,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。 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、DN

9、76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。,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

10、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。,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）、

11、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100C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。,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，

12、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。,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,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,液相物性数

13、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： 密度： 粘度： 表面张力： SO2在水中的扩散系数：,2. 气相物性数据, 混合气体的平均摩尔质量： 混合气体的平均密度： 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： 查手册得SO2在空气中的扩散系数为：,3. 气液相平衡数据, 由手册查得：常压下20时SO2在水中的亨利系数： 相平衡常数为： 溶解度系数为：,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,1. 物料衡算与吸收操作线方程,或,操作线方程：,2.吸收

14、剂用量对操作线的影响,3.最小液气比,由图解得 若 则 或 所以 操作液气比, 进塔气相摩尔比： 出塔气相摩尔比： 进塔惰性气相流量： 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： 对于纯吸收过程，进塔液相组成为:, 取操作液气比为：,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,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

15、气速，m/s,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0.50.8。 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0.60.8之间。,（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

16、进行关联的。其中：,式中：,提示：实验填料因子的选取见设计教材p140141,Ecket泛点关联图,（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.2002.1:263265 图书馆有,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,1.2 塔径的计算及校核,塔径的计算：,塔径的圆整：,单位：mm,圆整后D=1200mm,（1）泛点率校核,（2）填料规格校核,（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

17、淋量，其计算式为：,式中：U液体喷淋密度，m3/(m2h); 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/(m2h); (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,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/(mh);对于直径大于75mm的散装填料，可取 (

18、LW)min为0.12m3/(mh)。 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=0.2,2. 填料层高度的计算,采用传质单元数法计算，其基本公式为：,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： 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,（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

19、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。,（3）图解法 此方法适用于平衡线为曲线时的情况。,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：,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,修正的恩田公式只适用于u0.5uF的情况，当u0.5uF时，需按p144的公式进行校正,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：,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

20、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。,Ecket泛点关联图,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,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）,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

21、塔高度的计算（p215）,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）,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。,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。,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