60填料塔的设计

《大气污染控制工程》课程设计某填料吸收塔工艺设计《大气污染控制工程》课程设计课程设计是课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体会工程实际问题复杂性、学习环境工程设计基本知识的初次尝试。课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备计算，并对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。通过课程设计，主要提高学生以下能力：熟悉查阅文献资料、收集有关数据、正确选用公式。当缺乏必要数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场进行实际查定。在兼顾技术上先进性、可行性，经济上合理性的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全运行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。准确而迅速地进行过程计算及主要设备的工艺设计计算。用精练的语言、简洁的文字、清晰的图表来表达自己的设计思想和计算结果。完整的课程设计报告书应包括：封面设计任务书目录设计任务介绍设计说明书(方案选择）设计过程及计算总结参考文献附录致谢主要符号说明填料塔的设计填料塔的类型很多，其设计的原则大体相同，一般来说，填料塔的设计步骤如下：①根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；②根据设计任务和工艺要求，合理地选择填料；③确定塔径、填料层高度等工艺尺寸；④计算填料层的压降；⑤进行填料塔塔内件的设计与选型填料塔总体结构简图1-气体出口2-液体入口3-液体分布装置4-塔壳5-填料6-液体再分布器7-填料8-支承栅板9气体入口10-液体出口一、设计方案的确定（一）填料吸收塔设计方案的确定1．装置流程的确定吸收装置的流程主要有以下几种：（1）逆流操作气相自塔底进人由塔顶排出，液相自塔顶进人由塔底排出。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。（2）并流操作气液两相均从塔顶流向塔底。并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通常用于以下情况：易溶气体的吸收或处理的气体不需吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起泛液。（3）吸收剂部分再循环操作在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于以下情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升．需取出一部分热量。该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应予指出，吸报剂部分再循环操作较逆流操作平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。(4）多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理物理等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。(5）串联一并联混合操作若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起塔的液泛），塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联、气相作并联的混合流程总之，在实际应用中，应根据生产任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点选择适宜的流程布置。2．吸收剂的选择吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方面。1、溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的需用量。2、选择性吸收剂对溶质组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。3、挥发度要低操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失。4、粘度吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高5、其他所选用的吸收剂宜尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求：一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。表5－8工业常用吸收剂3．操作温度与压力的确定(1）操作温度的确定由吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低可增加组分的溶解度，即低温有利于吸牧，但操作温度的低限应由吸收系统的具体情况而定。例如水吸收CO2的操作中用水量极大，吸收温度主要由水温决定，而水温又取决于大气温度，故应考虑夏季循环水温高时补充一定量地下水以维持适宜温度。(2）操作压力的确定由吸收过程的汽液平衡关系可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需结合具体工艺条件综合考虑，以确定操作压力。二、填料的类型与选择塔填料（简称为填料）是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填科塔设计的重要环节。（一）填料的类型填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。1．散装填料散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较典型的散装填料。拉西环填料拉西环填料是最早提出的工业填料，其结构为外径与高度相等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已很少应用。几种实体填料的形状几种网体填料的形状勒辛环鲍尔环拉西环金属环矩鞍阶梯环弧鞍环混堆填料(2）鲍尔环填料鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率．气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，其通量可增加50%以上．传质效率提高30%左右。鲍尔环是目前应用较广的填料之一。(3）阶梯环填料阶梯环是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。(4）弧鞍填料弧鞍填料属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成。弧鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表面被重合，使传质效率降低。弧鞍填料强度较差，容易破碎，工业生产中应用不多。（5）矩鞍填料将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填称若鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（6）环矩鞍填料是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能能优于鲍尔环和阶梯环，是工业应用最为普遍的一种金属散装填料。2．规整填料规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填科、波纹填料、脉冲填料等，工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料两大类．可用淘瓷、塑料、金属等材质制造。加工中，波纹与塔轴的倾角有300和450两种，倾角为300以代号Bx（或x）表示，倾角为450以代号CY（或Y）表示。金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，是由金属丝网制成的。其特点是压降低、分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因性能优良仍得到了广泛的应用。金属板波纹填料是板波纹填料的主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多Φ4mm-Φ6mm的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大。其缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。规整填料规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。优点：空隙大，故生产能力大，压降小，且因流道规则，所以只要液体初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。缺点：造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。规整填料CorrugatedMetalPlatesPackings6400金属板波纹规整填料300脉冲规整填料各种陶瓷规整填料（二）填料的选择填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费月较低.1．填料种类的选怪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）传质效率传质效率即分离效率，它有两种表示方法：一是以理论级进行计算的表示方法，以每个理论级当量填料层高度表示，即HETP值；另一是以传质速率进行计算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度表示，即HTU值。（2）通量在相同的液体负荷下，填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大，则通量愈大，塔的处理能力亦越大。因此，在选择填料种类时，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。对于大多数常用填料，其泛点气速或气相动能因子可由有关手册或文献中查到，也可通过一些经验公式来估算。（3）填料层的压降填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降愈低，动力消耗越低，操作费用愈小。选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。比较填料的压降有两种方法，一是比较填料层单位高度的压降△P/Z；另一是比较填料层单位传质效率的比压降△P／NT.填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图表中查出（4）填料的操作性能填料的操作性能主要指操作弹性、抗污堵性及抗热敏性等。所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。同时，还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。2．填料规格的选择通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择的方法亦不尽相同，现分别加以介绍。(l）散装填料规格的选择散装填料的规格通常是指填料的公称直径。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，通量减小，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，常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于表5-9。表5-9塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值(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，通量减小，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工艺要求，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