填料吸收塔课程设计剖析

,*,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,