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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 1 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 2 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 3 4 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
2、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 5 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 6 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 7 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
3、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 8 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
4、有主编 化工物性算图手册 北京 化学工业出版社 2002 694 695 7128 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 9 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
5、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 10 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 11 洗油脱除煤气中粗苯流程简图 12 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 13 小结 根据题目条件 采用清水做吸收剂 为提
6、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 14 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 15 拉西环 鲍尔环 阶梯环 环 16 按填料结构及其使用方式可以分为散堆填料和规整填料 17 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
7、要指标 18 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 19 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
8、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 20 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 21 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
9、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 22 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
10、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 23 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
11、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 24 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
12、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 25 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 26 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 27 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
13、如下 密度 粘度 表面张力 SO2在水中的扩散系数 28 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 29 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 30 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 31 1 物料衡算与吸收操作线方程 或 操作线方程 32 2 吸收剂用量对操作线的影响 33 3 最小液气比 由图解得若则或所以操作液气比 34 进塔气相摩尔比 出塔气相摩
14、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 35 取操作液气比为 36 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 37 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 操作空塔气速 m s 38 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
15、气速的50 80 即泛点率 操作气速与液泛气速的比值 约为0 5 0 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 6 0 8之间 39 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参考教材 40 Ecket泛点关联图 41 2 规整填料泛点气速的计算 参
16、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 1 263 265图书馆找 42 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 43 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 44 1 泛点率校核 45 2 填料规格校核 46 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 m3 m2 h 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 m2 h 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 47 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
