资源描述
,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,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,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,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.,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.,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,SO,2,。入塔的炉气流量为,2400m,3,/h,,其中,SO,2,的摩尔分率为,0.05,,要求,SO,2,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-,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,弧鞍形填料,矩鞍形填料,网,环,波纹填料结构,阶梯环,金属鞍环,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,。,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,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,m,2,/m,3,。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,m,3,/m,3,,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。,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,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,Intalox,0.59,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,Intalox,0.41,较好,7,瓷鞍形环,0.38,略好,8,瓷拉西环,0.36,略好,9,3.,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,、,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,。,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。,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。,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。,小结,对于水吸收,SO,2,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,D,N,38,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:,SO,2,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,SO,2,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,,m,3,/s;,u ,操作空塔气速,,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:,塔径(,D,),圆整间隔,举例,700,50,或,100,如:,600,、,650,、,700,700D1000,100,如:,700,、,800,、,900,D1000,200,如:,1000,、,1200,、,1400,单位:,mm,圆整后,D=1200mm,(,1,)泛点率校核,(,2,)填料规格校核,填料种类,D/d,的推荐值,拉西环,2030,鞍环,15,鲍尔环,1015,阶梯环,8,环矩鞍,8,(,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,,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,式中:,U,min,最小喷淋密度,,m,3,/(m,2,h);,(L,W,),min,最小润湿密度,,m,3,/h;,at,填料的总比面积,,m,2,/m,3,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,(L,W,),min,为,0.08m,3,/(mh);,对于直径大于,75mm,的散装填料,可取,(L,W,),min,为,0.12m,3,/(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,U,min,=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:,Y,1,=Y,1,-Y,1,*,,为塔底气相传质推动力,,Y,1,*,为与,X,1,相平衡的气相摩尔比,,Y,1,*=mX,1,Y,2,=Y,2,-Y,2,*,,为塔顶气相传质推动力,,Y,2,*,为与,X,2,相平衡的气相摩尔比,,Y,2,*=mX,2,(,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。,(,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,u0.5u,F,的情况,当,u,0.5u,F,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:,填料类型,h/D,h,max,拉西环,2.5,4m,鞍环,58,6m,鲍尔环,510,6m,阶梯环,815,6m,环矩鞍,815,6m,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。,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、填料塔高度的计算(,p215,),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,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,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,),(,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,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,),HG/T 21618-1998,丝网除沫器,7,筒体和封头,(,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,),8,人孔和手孔,HG,T 21514-2005,钢制人孔和手孔的类型与技术条件,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,匡国柱,:,第四章 列管换热器零、部件的工艺结构设计,第三节 其他结构设计,一、法兰选用(,p122,)二、垫片(,p122,),10,液体再分布器,匡国柱,:,第九章 塔设备的机械设计,第三节 填料塔结构设计,二、液体再分布器(,p320,),随液体流经的填料层厚度的增加,偏流程度增加,液体的大尺度不良分布就越严重。,解决方法:每隔一定高度设置一液体再分布器。,截锥式再分布器,11,泵的选择,略,
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