化工设备-填料塔分析

第一节概述第二节板式塔及其结构设计第三节填料塔及其结构设计第四节其它结构设计第五节塔体和裙座的强度计算21.基本特点:结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等。对于热敏性及容易发泡、易结垢的物料，更显出其优越性。2.科技前沿:(1)开发多种形式、规格和材质的高效，低压降，大流量的填料。(2)与不同填料相匹配的塔内件结构。(3)填料层中液体的流动及分布规律。(4)蒸馏过程的模拟。填料塔31.填料填料—塔的核心内件，提供气-液两相接触的传质和换热表面，与塔的其它内件共同决定塔的性能。填料分类散装填料规整填料1)散装填料—安装时以乱堆为主，也可以整砌。具有一定外形结构的颗粒体，又称颗粒填料。散装填料环形鞍形环鞍形4散装填料的发展金属Intaloxθ环十字环内螺旋环环形填料拉西环隔板环金属环阶梯环短拉西环鞍形填料弧鞍形矩鞍形改进矩鞍形环鞍形半环填料(环-鞍)(鞍-环)5拉西环a采用乱堆方式填充。特点：填料间易产生架桥，相邻填料外表面间形成线接触，填料层内形成积液、液体的偏流、沟流、股流，阻力较大，通量较小。θ环、十字环及内螺旋填料b采用乱堆和整堆方式填充。特点：表面积增加，分离效率有所提高，但总体而言，其传质效率并没有显著提高。6c开孔环形填料特点：既充分利用了环形填料的表面又增加了许多窗孔，大大改善了气液两相物料通过填料层时的流动状况，增加气体通量，减少气相的阻力，增加填料层的湿润表面，提高了填料层的传质效率。金属鲍尔环的结构阶梯环的结构（金属）类似于鲍尔环，但高度减小一半，一端扩为喇叭形翻边，增加填料环的强度，且使填料在堆积时相互接触由线接触为主变成为以点接触为主，增加填料颗粒的空隙，减少气体通过填料层阻力，改善液体的分布，促进液膜的更新，提高传质效率。7d鞍形填料结构类似马鞍形。特点：弧形的液体通道，空隙率较环形填料连续，气体向上主要沿弧形通道流动，改善气-液流动状况。流体通量大、压降低、滞留量小，利于液体在填料表面分布及更新，从而提高传质性能。弧鞍形填料矩鞍形填料金属环矩鞍填料82）规整填料散装填料——填料乱堆在塔内，气液两相的流动路线是随机，装填时各处不均，易产生沟流等不良分布，降低塔的效率。规整填料——填料在塔内按均匀的几何图形规则、整齐地堆砌，人为地规定填料层中气、液的流路，改善沟流和壁流的现象，大大降低压降，提高传热、传质的效果。种类主要有丝网波纹填料及板波纹填料。丝网波纹填料因上下两盘填料的板片方向交错90°，故每通过一层填料后，气液两相进行一次再分布，有时还在波纹填料片上按一定的规则开孔（孔径Ф5mm，孔间距约为10mm），这样相邻丝网片间气、液分布更加均匀，几乎无放大效应。小塔径——填料整盘装填，1.5米以上大塔或无法兰连接的不可拆塔体——用分块形式从人孔吊入塔内再拼装。9金属板波纹填料金属、塑料及陶瓷板波纹填料三大类。保留了金属丝网波纹填料几何规则的结构特点相同，不同的是用表面具有沟纹及小孔的金属板波纹片代替金属网波纹片，即每个填料盘由若干金属板波纹片相互叠合而成。相邻两波纹片间形成通道且波纹流道成90°交错，上、下两盘填料中波纹片的叠合方向旋转90°。金属板波纹填料保留了金属丝网波纹填料压降低、通量高、持液量小，气液分布均匀，几乎无放大效应等优点，传质效率也比较高。3）填料的选用依据—主要是效率、通量和压降。它们决定塔能力的大小及操作费用。实际应用中—一般选用具有中等比表面积（单位体积填料中填料的表积,m2/m3）的填料比较经济。还应考虑系统的腐蚀性、成膜性和是否含有固体颗粒等因素来选择不同材料，不同种类的填料。比表面积较小的填料—空隙率大，用于流体高通量，大液量及物料较脏的场合。2.填料塔内件的结构设计1）填料的支承装置安装在填料层的底部。防止填料穿过支承装置而落下；支承操作时填料层的重量；保证足够的开孔率，使气液两相能自由通过。具备足够强度及刚度，结构简单，便于安装，耐腐蚀。整体式应用于小直径塔分块式应用于大直径塔栅板支承11波纹式支撑装置驼峰式支撑装置孔管式填料支承装置高通量低压降；为气体及液体提供了不同的通道，避免了栅板式支承中气液从同一孔槽中逆流通过；避免了液体在板上的积聚，利于液体的均匀再分配。122）填料塔的液体分布器作用—液相加料及回流液均匀地分布到填料的表面上，形成液体的初始分布。设计—液体分布点密度，分布点布液方式，布液的均匀性等因素。包括分布器结构形式、几何尺寸确定、液位高度或压头大小、阻力等。液体分布点密度1）散堆填料D≤400mm时，每30cm2的塔截面设一个喷淋点；D≤750mm时，每60cm2的塔截面设一个喷淋点；D≤1200mm时，每240cm2的塔截面设一个喷淋点；2）规整填料：对液体分布均匀要求高，按每20～50cm2塔截面设置一个喷淋点。位置—高于填料层表面150～300mm。13重力型排管式液体分布器进液口液位管液体分配管布液管14压力型管式分布器槽式孔流分布器槽式溢流型液体分布器15喷洒式液体分布器主管支管接管喷嘴1放大喷嘴喷出的液体呈锥形，为了达到均匀分布，锥底需有部分重叠，重叠率为30～40%，喷嘴安装于填料上方约300～800mm处，喷射角度约120°。雾沫夹带较严重，需安装除沫器，且压头损失大，要避免液体直接喷到塔壁上，产生过大的壁流。进料中不能含有气相及固相。16小直径塔用盘式孔流分布器两个分液槽安装在矩形升气管上，并将液体加入到盘上。大直径塔—采用支承梁将分布器分为2～3个部分，设计时注意支承梁在载荷作用下每米的最大挠度应小于1.5mm。盘式溢流型分布器：将盘式孔流型分布器的布液孔改成溢流管。冲击型液体分布器选用：对金属丝网填料及非金属丝网填料，应选用管式分布器；对于比较脏的物料，应优先选用槽式分布器；对于分批精馏的情况，应选用高弹性分布器。18液体分布器的性能比较管式喷洒式槽式孔流槽式溢流盘式孔流盘式溢流重力压力压力重力重力重力重力液体分布质量高中低-中高低-中高低-中处理能力(m3/m2·h)0.25～100.25～2.5范围较宽范围宽范围宽范围宽范围宽塔径(m)任意0.4任意任意，通常0.6任意，通常0.61.21.2留堵程度高高中-高中低中低气体阻力低低低低低-高高高对水平度的要求低无无低载荷时高高低载荷时高高腐蚀的影响中大大大小大小液相夹带重量低高高低低低低低低低中中高高193）液体收集再分布器在各段填料之间加液体收集再分布器。其作用是消除“壁流”，避免“干锥”；消除气、液的径向浓度差。斜板式液体收集再分布器升气管液体收集再分布器20将沿塔壁流下的液体用再分配锥导出至塔的中心。圆锥小端直径D1＝0.7～0.8Di。分配锥安装在填料层分段之间，以防气体流动面积减少、气体扰动、气体死角，安装困难。214）填料的压紧和限位装置避免气速较高或压力波动较大时，填料层松动所引起的气、液相的不良分布，及散装填料的流化。填料压紧器（又称填料压板)用于陶瓷、石墨等脆性散装填料。，自由放置于填料层上部，靠自身重量压紧填料。填料层限位器(床层定位器)用于金属、塑料制散装填料及各种规整填料。填料限位器需要固定在塔壁上。小塔用螺钉将网板限位器的外圈固定于塔壁；大塔，用支耳固定。规整填料—使用栅条间距为100～500mm的栅板。网板式填料压板与的栅板型支承板类似，只是空隙率大于70%。栅条间距约为填料直径的0.6～0.8倍，或是底面垫金属丝网以防止填料通过栅条间隙。225）气体分散装置