填料吸收塔課程設(shè)計

1、填料吸收塔課程設(shè)計,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 設(shè)計計算過程 第三節(jié) 注意事項,第一節(jié) 概述,填料吸收塔是化學(xué)工業(yè)中最常用的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一。它具有結(jié)構(gòu)簡單、便于用耐腐蝕材料制造以及壓降小等優(yōu)點，采用新型高效填料可以獲得很好的經(jīng)濟效果，常用于吸收、精餾等分離過程。本講以填料吸收塔為例，介紹其設(shè)計方法。 在設(shè)計吸收裝置時，必須事先規(guī)定或已知： 在單位時間所應(yīng)處理的氣體總量； 氣體組成； 被吸收組分的吸收率或排出氣體的濃度； 所使用的吸收液； 操作溫度和壓力。,吸收的分類,我們的設(shè)計任務(wù)均為單組分、等溫的物理吸收過程,一般設(shè)計過程和步驟, 吸收劑的選擇 決定操作溫度和壓力 確定氣液平衡關(guān)系； 選擇液氣比

2、和確定流程； 選擇填料 計算塔徑和填料層高度； 壓力損失計算； 塔內(nèi)輔助裝置的選擇和計算；,第二節(jié) 設(shè)計計算過程,一、吸收流程的確定 二、填料的選擇 三、基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)整理 四、物料衡算 五、填料塔的工藝尺寸的計算 六、填料層壓降計算 七、塔內(nèi)輔助裝置的選擇和計算,參考資料,賈紹義，柴誠敬主編.化工原理課程設(shè)計（化工傳遞與單元操作課程設(shè)計）.天津：天津大學(xué)出版社，2002 （向高年級同學(xué)借閱） 匡國柱，史啟才主編.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001,1.填料支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計 涂偉平，陳佩珍，程達芬編.化工過程及設(shè)備設(shè)計.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：103-106. 2

3、.填料塔附屬設(shè)備的設(shè)計 E.E.路德維希編.化工裝置實用工藝設(shè)計（第2卷）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：321-329. 3.制圖標準 魏崇光，鄭曉梅主編.化工工程制圖（化工制圖）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994：10-14，66-71. 劉雪暖，湯景凝主編.化工原理課程設(shè)計.山東：石油大學(xué)出版社，2001：112-121. 4.丙酮-水相平衡常數(shù) 湯金石主編.化工原理課程設(shè)計.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990：210. 5.容器法蘭的選擇 董達勤主編.化工設(shè)備機械基礎(chǔ)（二版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994：324-325,6.填料塔附屬設(shè)備的設(shè)計 湯金石主編.化工原理課程設(shè)計.北京：化學(xué)

4、工業(yè)出版社，1990：225-233. 7.擴散系數(shù)的計算 劉光啟，馬連湘，邢志有主編.化工物性算圖手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：694-695，712 8.吸收塔的設(shè)計 匡國柱，史啟才主編.化工單元過程及設(shè)備過程設(shè)計.北京：化學(xué)工業(yè)出版社：249-299. 9.填料塔內(nèi)件的計算 王樹楹主編.現(xiàn)代填料塔技術(shù)指南.北京：中國石化出版社，1998：163-201. 10.填料塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計 劉雪暖，湯景凝主編.化工原理課程設(shè)計.山東：石油大學(xué)出版社，2001：92-106. 11.筒體和封頭的設(shè)計 魏崇光，鄭曉梅主編.化工工程制圖（化工制圖）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994：183-196.

5、,用例題說明計算過程,例：礦石焙燒爐送出的氣體冷卻到25后送入填料塔中，用20清水洗滌以除去其中的SO2。入塔的爐氣流量為2400m3/h，其中SO2的摩爾分率為0.05，要求SO2的吸收率為95%。吸收塔常壓操作，因該過程液氣比很大，吸收溫度基本不變，可近似取為清水的溫度。,一、設(shè)計流程的確定,根據(jù)氣、液兩相流動方向的不同，分為逆流操作和并流操作兩類，工業(yè)上常采用逆流操作。 除了少數(shù)情況只需單獨進行吸收外，一般需對吸收后的溶液繼以脫吸，使溶劑再生，循環(huán)使用。因此，除了吸收塔以外，還需與其他設(shè)備一道組成一個完整的吸收-脫吸流程。,洗油脫除煤氣中粗苯流程簡圖,吸收塔過程的原則流程,1-吸收塔；2

6、-富液泵；3-貧液泵；4-解吸塔,小結(jié), 根據(jù)題目條件，采用清水做吸收劑 為提高傳質(zhì)效率，選用逆流吸收 采用單塔吸收、部分溶劑循環(huán)的吸收流程,二、填料的選擇,長期的研究，開發(fā)出許多性能優(yōu)良的填料，如圖是幾種填料的形狀。,拉西環(huán),鮑爾環(huán),階梯環(huán),環(huán),按填料結(jié)構(gòu)及其使用方式可以分為散堆填料和規(guī)整填料。,1.填料的幾何特性, 比表面積 單位體積填料的填料表面積稱為比表面積，以 a 表示，其單位為m2/m3。填料的比表面積愈大，所提供的氣液傳質(zhì)面積愈大。因此，比表面積是評價填料性能優(yōu)劣的一個重要指標。 空隙率 單位體積填料中的空隙體積稱為空隙率，以 表示，其單位為m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越

7、大，氣體通過的能力越大且壓降低。因此，空隙率是評價填料性能優(yōu)劣的又一重要指標。,1.填料的幾何特性, 填料因子 填料的比表面積與空隙率三次方的比值，即a/ 3，稱為填料因子，以 表示，其單位為1/m。填料因子分為干填料因子與濕填料因子，填料未被液體潤濕時的 a/3 稱為干填料因子，它反映填料的幾何特性；填料被液體潤濕后，填料表面覆蓋了一層液膜，a和 均發(fā)生相應(yīng)的變化，此時的a/ 3 稱為濕填料因子，它表示填料的流體力學(xué)性能，值越小，表明流動阻力越小。,2.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

8、，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。采用模糊數(shù)學(xué)方法對九種常用填料的性能進行了評價，得出如下表所示的結(jié)論。,3.填料種類的選擇,填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求，通常考慮以下幾個方面： (1) 傳質(zhì)效率要高 一般而言，規(guī)整填料的傳質(zhì)效率高于散裝填料 (2) 通量要大 在保證具有較高傳質(zhì)效率的前提下，應(yīng)選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料 (3) 填料層的壓降要低 (4) 填料抗污堵性能強，拆裝、檢修方便,4.填料規(guī)格的選擇,填料規(guī)格是指填料的公稱尺寸或比表面積。 散裝填料規(guī)格的選擇 工業(yè)塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN

9、76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定，一般塔徑與填料公稱直徑的比值D/d應(yīng)大于8。,4.填料規(guī)格的選擇,（2）規(guī)整填料規(guī)格的選擇 工業(yè)上常用規(guī)整填料的型號和規(guī)格的表示方法很多，國內(nèi)習(xí)慣用比表面積表示，主要有125、150、250、350、500、700等幾種規(guī)格，同種類型的規(guī)整填料，其比表面積越大，傳質(zhì)效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費用也明顯增加。選用時應(yīng)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

10、費用等方面綜合考慮，使所選填料既能滿足技術(shù)要求，又具有經(jīng)濟合理性。應(yīng)予指出，一座填料塔可以選用同種類型，同一規(guī)格的填料，也可選用同種類型不同規(guī)格的填料；可以選用同種類型的填料，也可以選用不同類型的填料；有的塔段可選用規(guī)整填料，而有的塔段可選用散裝填料。設(shè)計時應(yīng)靈活掌握，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟統(tǒng)一的原則來選擇填料的規(guī)格。,5.填料材質(zhì)的選擇,填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。 (1)陶瓷填料 陶瓷填料具有很好的耐腐蝕性及耐熱性，陶瓷填料價格便宜，具有很好的表面潤濕性能，質(zhì)脆、易碎是其 最大缺點。在氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程中應(yīng)用較為普遍。 (2)塑料填料 塑料填料的材質(zhì)主要包括聚丙烯（PP）、

11、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC）等，國內(nèi)一般多采用聚丙烯材質(zhì)。塑料填料的耐腐蝕性能較好，可耐一般的無機酸、堿和有機溶劑的腐蝕。其耐溫性良好，可長期在100C以下使用。塑料填料質(zhì)輕、價廉，具有良好的韌性，耐沖擊、不易碎，可以制成薄壁結(jié)構(gòu)。它的通量大、壓降低，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。塑料填料的缺點是表面潤濕性能差，但可通過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚韥砀纳破浔砻鏉櫇裥阅堋?5.填料材質(zhì)的選擇,(3)金屬填料 金屬填料可用多種材質(zhì)制成，選擇時主要考慮腐蝕問題。碳鋼填料造價低，且具有良好的表面潤濕性能，對于無腐蝕或低腐蝕性物系應(yīng)優(yōu)先考慮使用；不銹鋼填料耐腐蝕性強，一般能耐除Cl 以外常見物系的腐蝕，

12、但其造價較高，且表面潤濕性能較差，在某些特殊場合（如極低噴淋密度下的減壓精餾過程），需對其表面進行處理，才能取得良好的使用效果；鈦材、特種合金鋼等材質(zhì)制成的填料造價很高，一般只在某些腐蝕性極強的物系下使用。一般來說，金屬填料可制成薄壁結(jié)構(gòu)，它的通量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強度下使用，應(yīng)用范圍最為廣泛。,小結(jié),對于水吸收SO2的過程，操作溫度及操作壓力較低，工業(yè)上通常選用塑料散裝填料。在塑料散裝填料中，塑料階梯環(huán)填料的綜合性能較好，故此選用DN38聚丙烯階梯環(huán)填料,三、基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)整理,1. 液相物性數(shù)據(jù) 2. 氣相物性數(shù)據(jù) 3. 氣液相平衡數(shù)據(jù),液相物性數(shù)

13、據(jù),對于低濃度吸收過程，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時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度： 粘度： 表面張力： SO2在水中的擴散系數(shù)：,2. 氣相物性數(shù)據(jù), 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量： 混合氣體的平均密度： 混合氣體的粘度可近似取空氣的粘度，查手冊得20空氣的粘度為： 查手冊得SO2在空氣中的擴散系數(shù)為：,3. 氣液相平衡數(shù)據(jù), 由手冊查得：常壓下20時SO2在水中的亨利系數(shù)： 相平衡常數(shù)為： 溶解度系數(shù)為：,四、物料衡算（求最小液氣比）,1. 物料衡算與吸收操作線方程 2.吸收劑用量對操作線的影響 3.最小液氣比,1. 物料衡算與吸收操作線方程,或,操作線方程：,2.吸收

14、劑用量對操作線的影響,3.最小液氣比,由圖解得 若 則 或 所以 操作液氣比, 進塔氣相摩爾比： 出塔氣相摩爾比： 進塔惰性氣相流量： 該過程屬低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計算，即： 對于純吸收過程，進塔液相組成為:, 取操作液氣比為：,五、填料塔的工藝尺寸的計算,1. 填料塔塔徑的計算 1.1 泛點氣速的計算 1.2 塔徑的計算及校核 2. 填料層高度的計算 2.1氣相總傳質(zhì)單元高度的計算 2.2氣相總傳質(zhì)單元數(shù)的計算,1. 填料塔塔徑的計算,填料塔的直徑D與操作空塔氣速u及氣體體積流量Vs之間存在以下關(guān)系： 式中：D 塔徑，m; Vs氣體體積流量，m3/s; u 操作空塔

15、氣速，m/s,1.1 泛點氣速的計算,液泛氣速為操作氣速的最大極限速度，所以操作氣速必須小于液泛氣速，一般取操作氣速為液泛氣速的50%80%，即泛點率（操作氣速與液泛氣速的比值）約為0.50.8。 若泛點率小，操作氣速小，壓力降小，能耗低，操作彈性大；但塔徑增大，設(shè)備投資高，生產(chǎn)能力低，同時不利于氣、液充分接觸，致使分離效率低 若泛點率取值過大，壓力降大，能耗多，且操作不平穩(wěn)，難以控制，分離效果更差。 因此，泛點率應(yīng)根據(jù)具體情況而定。大多數(shù)情況下，泛點率應(yīng)選在0.60.8之間。,（1）散堆填料泛點氣速的計算,常用?？颂兀‥ckert）泛點氣速關(guān)聯(lián)圖進行計算，該關(guān)聯(lián)圖是以X為橫坐標，以Y為縱坐標

16、進行關(guān)聯(lián)的。其中：,式中：,提示：實驗填料因子的選取見設(shè)計教材p140141,Ecket泛點關(guān)聯(lián)圖,（2）規(guī)整填料泛點氣速的計算,參考文獻： 匡國柱，史啟才主編.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2002.1:263265 圖書館有,本例中：,氣相質(zhì)量流量為： 液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即 Eckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標為： 查圖5-21得： 查表5-11得： 取,1.2 塔徑的計算及校核,塔徑的計算：,塔徑的圓整：,單位：mm,圓整后D=1200mm,（1）泛點率校核,（2）填料規(guī)格校核,（3）液體噴淋密度校核,填料塔的液體噴淋密度是指單位時間、單位塔截面上液體的噴

17、淋量，其計算式為：,式中：U液體噴淋密度，m3/(m2h); Lh液體噴淋量，m3/h; D填料塔直徑，m,為使填料能獲得良好的潤濕，塔內(nèi)液體噴淋量應(yīng)不低于某一極限值，此極限值稱為最小噴淋密度，以Umin表示,式中：Umin最小噴淋密度，m3/(m2h); (LW)min最小潤濕密度，m3/h; at填料的總比面積，m2/m3,散裝填料最小噴淋密度計算公式,最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經(jīng)驗公式計算，也可采用一些經(jīng)驗值。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(LW)min為0.08m3/(mh);對于直徑大于75mm的散裝填料，可取 (

18、LW)min為0.12m3/(mh)。 對于規(guī)整填料，其最小噴淋密度可從有關(guān)填料手冊中查得，設(shè)計中，通常取Umin=0.2,2. 填料層高度的計算,采用傳質(zhì)單元數(shù)法計算，其基本公式為：,2.1 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)的計算,計算氣相總傳質(zhì)單元數(shù)有三種方法： 對數(shù)平均推動力法 此方法適用于平衡線為直線時的情況，其解析式為：,Y1=Y1-Y1*，為塔底氣相傳質(zhì)推動力，Y1*為與X1相平衡的氣相摩爾比， Y1*= mX1 Y2=Y2-Y2*，為塔頂氣相傳質(zhì)推動力，Y2*為與X2相平衡的氣相摩爾比， Y2*= mX2,（2） 脫吸因素法 此方法適用于平衡線為直線時的情況，其解析式為：,式中 為脫吸因數(shù)。為方

19、便計算，以S為參數(shù)，為橫坐標，為縱坐標，在半對數(shù)坐標上標繪上式的函數(shù)關(guān)系，得到右圖所示的曲線。此圖可方便地查出值。,（3）圖解法 此方法適用于平衡線為曲線時的情況。,此例采用“脫吸因素法”求解,脫吸因素為：,氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為：,2.1 氣相總傳質(zhì)單元高度的計算,普遍采用修正的恩田（Onde）公式求取,修正的恩田公式只適用于u0.5uF的情況，當(dāng)u0.5uF時，需按p144的公式進行校正,本例題計算過程略，計算的填料層高度為Z=6m. 對于散裝填料，一般推薦的分段高度為：,六、填料層壓降計算,散裝填料的壓降值可由?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計算。先根據(jù)氣液負荷及有關(guān)數(shù)據(jù)，求出橫坐標值，再根據(jù)操作孔塔氣速u

20、及有關(guān)物性數(shù)據(jù)，求出縱坐標值。通過作圖得出交點 ，讀出交點的等壓線數(shù)值，即得到每米填料層壓降值。,Ecket泛點關(guān)聯(lián)圖,七、塔內(nèi)輔助裝置的選擇和計算,1 液體分布器 2 填料塔附屬高度 3 填料支承板 4 填料壓緊裝置 5 液體進、出口管,6 液體除霧器 7 筒體和封頭 8 手孔 9 法蘭 10 液體再分布裝置,1 液體分布器,匡國柱: 第六章 吸收過程工藝設(shè)計 第三節(jié) 填料塔的工藝設(shè)計 四、液體初始分布器工藝設(shè)計（p215） 第九章 塔設(shè)備的機械設(shè)計 第三節(jié) 填料塔結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、液體分布器（p317）,2 填料塔附屬高度,匡國柱: 第六章 吸收過程工藝設(shè)計 第三節(jié) 填料塔的工藝設(shè)計 三、填料

21、塔高度的計算（p215）,3 填料支承及壓緊裝置,匡國柱: 第六章 吸收過程工藝設(shè)計 第三節(jié) 填料塔的工藝設(shè)計 八、填料支承及壓緊裝置（p222） 第九章 塔設(shè)備的機械設(shè)計 第三節(jié) 填料塔結(jié)構(gòu)設(shè)計 三、填料支承板（p321）,柵板 ：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，造價低；缺點是柵板間的開孔容易被散裝填料擋住，使有效開孔面積減小。,4 填料壓緊裝置,填料壓緊和限位裝置安裝在填料層頂部，用于阻止填料的流化和松動，前者為直接壓在填料之上的填料壓圈或壓板，后者為固定于塔壁的填料限位圈。,5 液體進、出口管,匡國柱: 第四章 列管換熱器零、部件的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計 第一節(jié) 列管換熱器零、部件的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計 五、接管（p101） 第五章 精餾過程工藝設(shè)計