最全填料塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、課 程 設(shè) 計 題 目 填料塔結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)班級 學(xué)號 學(xué)生姓名 2013 年 3月 8日 目錄目錄1第一章 設(shè)計任務(wù)及步驟.2. 設(shè)計任務(wù).2. .設(shè)計步驟.2第二章填料塔.2. 填料塔簡介.2. 填料塔結(jié)構(gòu).2.填料塔的操作方式.3第三章填料塔結(jié)構(gòu)設(shè)計.33.填料. .43.11填料性能. .4 3.12填料選擇.43.2基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù).63.2.1液相物性數(shù)據(jù).63.2.2氣相物性數(shù)據(jù).73.2.3物料衡算.73.3 塔尺寸計算.8 3.3.1 塔徑的計算.9 3.3.2 塔層高塔高的計算.10第四章 填料塔附屬裝置.12 4.1 填料支承裝置.134.2 填料壓緊裝置.144.3 液體分布

2、裝置.144.4 液體再分布裝置.15五、參考文獻(xiàn).15 第一章設(shè)計任務(wù)及步驟.設(shè)計任務(wù)填料塔結(jié)構(gòu)設(shè)計要求包括液體分布裝置、填料支承裝置、液體再分布裝置、填料壓板，其它參數(shù)自定. 設(shè)計步驟先填料塔的設(shè)計：確定填料、塔的結(jié)構(gòu)、計算塔基礎(chǔ)物理數(shù)據(jù)及塔高度，再確定填料塔的附屬裝置：填料支承裝置、填料支承裝置；填料壓緊裝置；液體分布裝置；液體再分布裝置第二章填料塔.填料塔簡介（）填料塔最初出現(xiàn)在十九世紀(jì)中葉，在1881年用于蒸餾操作，二十世紀(jì)初被引入到煉油工業(yè)。（2）填料塔是最常用的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一，它廣泛應(yīng)用于蒸餾、吸收、解吸、汽提、萃取、化學(xué)交換、洗滌和熱交換等過程。 填料塔的結(jié)構(gòu)及填料性能.填料

3、塔的結(jié)構(gòu)填料塔是以塔內(nèi)裝有大量的填料為相間接觸構(gòu)件的氣液一直立式圓筒，底部裝有填傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的塔身是直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。在填料的上方安裝填料壓板，以限制填料隨上升氣流的運動。液體從塔頂加入，經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)置）分布后（小直徑塔一般不設(shè)置）分布后，與液體呈逆流接觸連續(xù)通過填料層空隙，在填料表面氣液兩相密切接觸進行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備，正常操CLEANTECH以創(chuàng)新技術(shù)服務(wù)客戶，以高效節(jié)能造福人類！傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備，正常操作狀

4、態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。填料塔的主要構(gòu)件為包括：填料、液體分布器、填料支承液體再分布器、氣體和液體進出口管等。其塔體為一圓形筒體，筒體內(nèi)分層裝有一定高度的填料。液體由塔頂自上而下沿填料的表面成膜狀流下。如填料層較高，一般設(shè)有液體再分布器，以減弱壁流現(xiàn)象帶來的不良影響。氣液兩相在塔內(nèi)進行接觸傳質(zhì)。其填料塔的結(jié)構(gòu)見圖如下： .填料塔的操作方式（）液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下；（）氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙；（）在填料表面上，氣液兩相接觸進行傳質(zhì)。第三章填料塔結(jié)構(gòu)設(shè)計. 填料填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填

5、料和規(guī)整填料。散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。規(guī)整填料是按一定的幾何構(gòu)形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。. .填料性能（）填料塔的流體力學(xué)性能：主要包括填料層的持液量、填料層的壓降、液泛、填料表面的潤濕及返混等。（）填料的幾何特性：填料的幾何特性數(shù)據(jù)主要包括比表面積、空隙率、填料因子等，是評價填料性能的基本參數(shù)。（）填料的性能評價：填料性能的優(yōu)劣通常根據(jù)效率、通量及壓降三要素衡量。在相同的

6、操作條件下，填料的比表面積越大，氣液分布越均勻，表面的潤濕性能越好，則傳質(zhì)效率越高；填料的空隙率越大，結(jié)構(gòu)越開敞，則通量越大，壓降亦越低填料塔的流體力學(xué)性能. .填料選擇（）填料類型的選擇工業(yè)上填料按形狀和結(jié)構(gòu)可分為散裝填料和規(guī)整填料兩類 (1) 散裝填料 以隨機的方式堆積在塔內(nèi)，以下是幾種典型的散裝填料：拉西環(huán)填料 最早的工業(yè)填料，但因性能較差，目前工業(yè)上已經(jīng)很少使用鮑爾環(huán)填料 是在拉西環(huán)基礎(chǔ)上的改進，利用率有了很大提高階梯環(huán)填料 對鮑爾環(huán)的改進，為目前所使用的環(huán)形填料最為優(yōu)良的一種弧鞍 填料 一般采用瓷質(zhì)材料，易碎，工業(yè)中不常用環(huán)矩鞍填料 集環(huán)型與鞍型優(yōu)點，是工業(yè)應(yīng)用最廣的一種金屬散裝填料

7、(2) 規(guī)整填料 以一定的幾何形狀，整齊堆砌，工業(yè)用多為波紋填料，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、傳質(zhì)效率高、處理量大，但不易處理粘度大或有懸浮物的物料，且造價高。根據(jù)分離工藝的要求，考慮以下因素：(1)傳質(zhì)效率 在滿足工藝條件的前提下，選用傳質(zhì)效率高，即HETP(或HTU)低的填料。(2)通量 保證較高的傳質(zhì)效率前提下，選用有較高泛點或氣相動能因子的填料。(3)填料層壓降 壓降越小，動力耗費越少，操作費用越小。(4)操作性能 填料具有較大操作彈性，且具有一定的抗污堵、抗熱敏能力等。（）填料規(guī)格的選擇(1)散裝填料 常用主要有16、25、38、50、76等幾種規(guī)格。一般推薦： 300時，選25的填料；時，選

8、2538的填料; 時，選用的填料，但一般大塔中常用的填料。(2)規(guī)整填料 從分離要求、通量要求、場地條件、物料性質(zhì)及設(shè)備投資、操作費用等方面綜合考慮，既考慮工藝要求又兼顧到經(jīng)濟合理性。（）填料材質(zhì)的選擇(1)陶瓷 具有耐腐性及耐熱性，但質(zhì)脆、易碎，不宜高沖擊強度下使用。(2)金屬 碳鋼對低腐蝕無腐蝕物系優(yōu)先考慮，不銹鋼耐以外物系腐蝕，特種合金鋼價格高，只在特殊條件下使用(3)塑料 主要包括PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、 PVC(聚氯乙烯)等，一般采用PP(聚丙烯)材質(zhì)。塑料耐腐蝕性、耐低熱性好，但具有冷脆性，表面潤濕性較差。 一般講，操作溫度較高但無顯著腐蝕性時，選用金屬填料；溫度較低選用塑

9、料填料；物系具有腐蝕性、操作溫度高，宜采用陶瓷填料 綜上所述考慮到本設(shè)計是利用清水吸收SO，吸收液顯弱酸性，有一定的腐蝕性，同時考慮到經(jīng)濟的合理性及吸收的效率，故先選用聚乙烯階梯環(huán)，是否合理在下面的計算中進行核算校驗。.基礎(chǔ)物理數(shù)據(jù).1液相物性數(shù)據(jù) 對低濃度吸收過程， 溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。 由手冊查得，20水的有關(guān)物性 密度 L = 9 9 8 . 2 k g / 粘度 L = 0 . 0 0 1 P a ·S = 3 . 6 k g / （m ·h ） 表面張力 L=72.6 dyn/cm=940896 kg/h N H3在水中的擴散系數(shù)為 DL =2.

10、04×10（- 9 ）m2/s=2.04×10（- 9）×3600 m2/h=7.344 ×10（- 6）m2/ h .氣相物性數(shù)據(jù) 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 M 混氣= yiMi=0 . 0 5 5 ×17.03+0.945×29=28.34 混合氣體的平均密度為 混氣= P M 混氣/ R T = 1 0 1 . 3 2 5 ×28.34/(8.314×2 9 3 . 1 5 ) = 1 . 1 78k g / m3 混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊得 20空氣的粘度為: 空氣=1.81×1

11、0（- 5） Pa·S=0.065 kg/(m·h) 查手冊得 N H 3 在空氣中的擴散系數(shù)為 D 空氣= 1 . 8 9 ×1 0 - 5 m 2 / s = 0 . 0 6 8 m2/ h .物料衡算 進塔氣相摩爾比：Yb =yb /(1- yb )=0.055/(1- 0 . 0 5 5 ) = 0 . 0 5 8 2 N H 3 吸收率（體積分?jǐn)?shù)）：9 3 % （已知）=(yb - ya )/yb N H 3 排放含量（體積分?jǐn)?shù)）：ya =yb - yb = 0 . 0 5 5 - 0 . 0 5 5 ×0 . 9 3 = 0 . 0 0 3

12、8 5 出塔氣相摩爾比：Ya =ya /(1- ya )=0.00385/(1- 0 . 0 0 3 8 5 ) = 0 . 0 0 3 8 6 5 進塔惰性氣體流量： GB = 2 9 0 0 ×273.15×(1- 0 . 0 5 5 ) ÷2 9 3 . 1 5 ÷22.4=114.0kmol/h, 由于該吸收過程為低濃度吸收，平衡關(guān)系可按下式計算： 對于清水作吸收劑，Xa = 0 (LS / GB )min=(Yb - Ya )/(Xb*- Xa )=(Yb - Ya )/(Yb / m- Xa ) =(0.0582- 0.003865)/(0.

13、0582/0.7541 - 0 ) =0.7040 取操作液氣比為 1 . 6 ，則 (LS / GB ) = 1 . 6 (LS / GB )min=1.6×0.7040=1.1264 L=1.1264×114.0=128.4kmol/h 對全塔進行物料衡算，GB (Yb - Ya )=L(Xb - Xa ) Xb = GB / LS (Yb - Ya )+Xa =114.0×(0.0582- 0.003865)/128.4+0=0.04824 操作線方程：Y=(LS / GB )X+(Ya - (LS / GB ) Xa )=1.1264X+0.003865

14、3.3塔尺寸的計算3.3.1塔徑吸收塔的吸收為等溫吸收，其溫度為20。設(shè)計壓力取為它的操作壓力101.325kPa。塔徑的計算公式為 D= ， 式中 Vs氣體體積流量，m3/h； 適宜的空塔氣速。m/s。泛點氣速的計算采用Bain-Hougen（貝恩-霍根）關(guān)聯(lián)式來計算，即 =A-1.75式中 干填料因子，m-1； 氣、液相的密度，kg/m3； 液相粘度，mPas； 氣、液相流體的質(zhì)量流量，; A常數(shù)，與填料形狀和材質(zhì)有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，查（化工原理P334附錄九）得SO2的密度為=2.927kg/h，則有 =(29/22.4) 查得（化工原理P328附錄三）水溫在20時，·s。選用塑

15、料鮑爾環(huán)（亂堆）Dg25mm，查表（化工原理P224表5-4）得以下其參數(shù)：各項參數(shù)比表面積m2·m-3空隙率·m-3干填料因子/m-1參數(shù)值2090.90287查常用化工單元設(shè)備設(shè)計P114表3-9得，當(dāng)填料為塑料鮑爾環(huán)時，A=0.0942。經(jīng)計算得出的Bain-hougen關(guān)聯(lián)式的各項參數(shù)為A數(shù)值2871.261998.21.0043467.7584347.300.0942將所得數(shù)據(jù)代入Bain-hougen關(guān)聯(lián)式，得 =解之得 取安全系數(shù)為0.8，得 塔徑的計算 D=取塔徑圓整 D=900mmD/d=900/25=3610，故符合要求3.3.3塔層高度及塔高的計算填料

16、層高度計算公式式中 Z填料層高度，m； HOG氣相的總傳質(zhì)單元高度，m； NOG氣相的總傳質(zhì)單元數(shù)；V惰性氣體流量，kmol/h;KYa氣相的體積吸收總系數(shù)，kmol/(m3·s)；Y*氣相平衡濃度，摩爾比；塔截面積，m2。傳質(zhì)單元高度計算由恩田等人的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式有式中 單位體積填料層的濕潤表面積 液體的表明張力及填料材質(zhì)的臨界表面張力，N/m； LG液體通過空塔截面的質(zhì)量流速，kg/(m·s)； 液體的粘度，Pa·s； 液體的密度，kg/m3; g重力加速度，m/s。查常用化工單元設(shè)備設(shè)計P109表3-3，得=33×10-3N/m，查P110表3-5，有

17、=1.45，查P114表3-8，得塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子為，查化工原理P328附錄三，當(dāng)水溫為20時，水的表面張力L=726.9×10-4N/m。將數(shù)據(jù)代入恩田等人的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，有 =0.629 查化學(xué)工程手冊有，20時SO2在水中的分子擴散系數(shù)為DL=1.47×10-9m/s,在空氣中的分子擴散系數(shù)為DG=1.08×10-5m/s，由恩田修正式，有=0.0095=3.862 =0.237=2.409×10-5kmol/(m3·s·kPa)則有 kLa=kLaW=3.862×10-4×131.46=0.0508s

18、-1 kGa=kGaW=2.409×10-5×131.46=3.167×10-3kmol/(m2·s·kPa)計算KYa KYa=pKGa而 則 KYa=pKGa=101.325×6.50×10-4=0.0659 kmol/(m3·s)又 傳質(zhì)單元數(shù)的計算 則 設(shè)計填料層高及塔高的計算 6.195m取21%的余量，則有 由填料塔的分段高度推薦值，對于塑料鮑爾環(huán)，有 取顯然，該填料塔需要分層，對于塑料環(huán)，其填料分段高度不宜超過34.5m，則可將填料分兩層安裝，其分段高度分別為4.0+3.5=7.5m。塔頂應(yīng)該有足夠的

19、高度以使隨氣流攜帶的液滴能夠從氣相中分離出來，減少塔頂出口氣體中液體的夾帶，這段高度一般取1.21.5m，在這里取=1.2m；塔底空間高度，取液體停留時間為1min，所需的液封高度為 此外，塔底液面到填料層底部之間還應(yīng)留有空間以滿足安進氣管的要求，進氣管的位置應(yīng)該在填料層以下約一個塔徑的距離，且高于塔底液面300mm以上，則塔底空間高度可取=900mm+300mm+2300mm=3.5m，留有足夠的空間以滿足安裝進氣管的要求。 故實際塔高為:第四章 填料塔的附屬裝置4.1填料支撐裝置填料支承結(jié)構(gòu)是用于支承塔內(nèi)填料及其所持有的氣體與液體的重量的裝置。對填料的基本要求是：有足夠的強度以支承填料的重

20、量；提供足夠的自由截面以使氣、液兩相流體順利通過防止在此產(chǎn)生液泛；有利于液體的再分布，耐腐蝕，易制造易裝卸等。 分為兩類：氣液逆流通過平板型支承板，板上有篩孔或柵板式;氣體噴射型，分為圓柱升氣管式的氣體噴射型支承板和梁式氣體噴射型支承板。 支承面是平面的支撐裝置，存存兩個缺點： (1)氣休和液體必須逆向通過同一開孔，常導(dǎo)致板上積累一定高度的液層，甚至在液流量很小時，也會發(fā)生這種現(xiàn)象，因此導(dǎo)致氣液流動阻力很大； (2)通道易被第一層臥置的填料所堵塞，因而降低了實際流通面積。 優(yōu)良的支承板結(jié)構(gòu)，必須是工作時的實際自由截面大于填料層中的白由截面，氣體噴射式支承板作為較好的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已被普遍采用。 分塊

21、式氣體噴射式支承板系用 34mm 厚的不銹鋼板按規(guī)定尺寸沖出許多長圓孔，壓制成型后，焊接固定在扁鋼圈內(nèi)而成。波數(shù)和波距按塔徑具體確定。 長圓孔的尺寸選擇原則：塔徑 D400mm 時，最小填料為10 mm；塔徑 D4001200mm 時，最小填料為15mm。 這種支承板可提供 100的自由截面，波形結(jié)構(gòu)承載能力好，空隙率又大。宜用于1200mm 以下的塔。為裝卸方便，宜制成分塊式結(jié)構(gòu)，在波形內(nèi)增設(shè)加強板，可提高支承板的剛度。 分塊式支承板的設(shè)計參考數(shù)據(jù)，列于表 5-37。它的最大液體負(fù)荷為 145m3(m2·h)，最大承載能力為 40000Pa。 【作用】填料支承安裝在填料層底部，主要有以下幾個作用：（1）阻止填料穿過氣體分布裝置而掉下來； （2）支承操作狀況下填料床層的重量。 【分類】常用的填料支承裝置有：（1）柵板型；（2）梁型；（3）升氣管型等。 4.2填料壓緊裝置【作用】防止在氣流的作用下填料床層發(fā)生松動和跳動而引起的填料破碎或帶走?！痉诸悺刻盍蠅壕o裝置分為填料壓板和床層限制板兩大類，每類又有不同的型式。4.2.1填料壓板填料壓板自由放置于填料層上端，靠自身重量將填料壓緊。它適用于陶瓷、石墨等制成的易發(fā)生破碎的散裝填料。 4.3液體分布裝置【作用】使加入到塔內(nèi)的吸收劑分布均勻。液體淋灑不良就不能在填料表面散布均勻，甚至出現(xiàn)