填料吸收塔课程设计PPT课件

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。第1页/共82页吸收的分类吸收溶质与溶剂是否发生显著的化学反应化学吸收物理吸收混合气体进入液相的组分单组分吸收多组分吸收过程进行中温度的变化情况等温吸收非等温吸收我们的设计任务均为单组分、等温的物理吸收过程第2页/共82

2、页第3页/共82页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；第4页/共82页第二节 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第5页/共82页参考资料 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 （向高年级同学借阅） 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，20

3、01第6页/共82页 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

4、主编.化工设备机械基础（二版）.北京：化学工业出版社，1994：324-325第7页/共82页 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，邢志有主编.化工物性算图手册.北京：化学工业出版社，2002：694-695，712 8.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

5、：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.第8页/共82页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。第9页/共82页一、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

6、，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。第10页/共82页洗油脱除煤气中粗苯流程简图第11页/共82页吸收塔过程的原则流程1-吸收塔；2-富液泵；3-贫液泵；4-解吸塔第12页/共82页小结 根据题目条件，采用清水做吸收剂 为提高传质效率，选用逆流吸收 采用单塔吸收、部分溶剂循环的吸收流程第13页/共82页二、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。拉西环鲍尔环弧鞍形填料矩鞍形填料网环波纹填料结构阶梯环金属鞍环第14页/共82页第15页/共82页 按填料结构及其使用方式可以分为散

7、堆填料和规整填料。规规整整填填料料格栅填料格栅填料格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等栅填料等 波纹填料波纹填料金属丝网波纹填料、金属孔板波纹填料、金属丝网波纹填料、金属孔板波纹填料、金属压延孔板波纹填料金属压延孔板波纹填料脉冲填料脉冲填料脉冲填料脉冲填料散散堆堆填填料料拉西环拉西环拉西环填料拉西环填料鲍尔环鲍尔环金属鲍尔环填料、塑料鲍尔环填料、改型金属鲍尔环填料、塑料鲍尔环填料、改型鲍尔环填料鲍尔环填料 阶梯环阶梯环金属填料、塑料阶梯环金属填料、塑料阶梯环弧鞍填料弧鞍填料弧鞍填料弧鞍填料 矩鞍填料矩鞍填料瓷质、聚丙烯矩鞍填料瓷质、聚丙烯矩鞍填料环矩

8、鞍填料环矩鞍填料金属环矩鞍填料金属环矩鞍填料球形填料球形填料聚丙烯浮球填料、多面空心填料聚丙烯浮球填料、多面空心填料第16页/共82页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要指标。第17页/共82页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/

9、 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。第18页/共82页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

10、的结论。填料名称填料名称评估值评估值语言值语言值排序排序丝网波纹填料丝网波纹填料0.86很好很好1孔板波纹填料孔板波纹填料0.61相当好相当好2金属金属Intalox0.59相当好相当好3金属鞍形环金属鞍形环0.57相当好相当好4金属阶梯环金属阶梯环0.53一般好一般好5金属鲍尔环金属鲍尔环0.51 一般好一般好6瓷瓷Intalox0.41 较好较好 7瓷鞍形环瓷鞍形环0.38略好略好8瓷拉西环瓷拉西环0.36略好略好9第19页/共82页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

11、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、检修方便第20页/共82页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。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。第21页/共82页4.填

12、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，

13、根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。第22页/共82页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

14、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。第23页/共82页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，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

15、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。第24页/共82页小结 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聚丙烯阶梯环填料第25页/共82页三、基础物性数据整理 1. 液相物性数据 2. 气相物性数据 3. 气液相平衡数据第26页/共82页1.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如下： 密度： 粘度： 表面张力： SO2在水中的扩散系数：3/2 .998mkgL)/

16、(6 . 301. 0hmkgsPaL2/940896/6 .72hkgcmdynLhmscmDL/1029. 5/1047. 12625第27页/共82页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：75.302995. 006.6405. 0iiVmMyM3/257. 1298314. 875.303 .101mkgRTPMVmVm)/(065. 01081. 15hmkgsPavhmscmDV/039. 0/108. 022第28页/共82页3. 气液相平衡数据 由手册

17、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：kPaE31055. 304.353 .1011055. 33PEm)/(0156. 002.181055. 32 .98833mkPakmolEMHsL第29页/共82页四、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.最小液气比第30页/共82页 Y1Y2Y2X1XBT)(*XfY XOYXA2,YV2,XL1,YV1,XLYV,XL,11XVLYXVLY22XVLYXVLY或操作线方程：第31页/共82页Y1Y2Y2X1X*1XBDCT)(*XfY XOY1Y2Y2X1

18、X1XBDCT)(*XfY XO11XVLYXVLY操作费设备费接触面积推动力操作费设备费接触面积推动力,DBVLLCBVLL第32页/共82页2*121min)(XXYYVLmXY *2121min)(XmYYYVLmin)(0 . 21 . 1 (VLVL2121min)(XXYYVL第33页/共82页 进塔气相摩尔比： 出塔气相摩尔比： 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: 0526. 005. 0105. 01111yyY00263. 0)095. 01 (0526. 0)1 (11YYhkmolV/25

19、.93)05. 01 (252732734 .2224002121min/)(XmYYYVL02X29.33004.35/00526. 000263. 00526. 0)(minVL第34页/共82页 取操作液气比为：min)(4 . 1VLVL61.4629.334 . 1VLhkmolL/38.434625.9361.46)()(2121XXLYYV0011. 038.4346)00263. 00526. 0(25.931X第35页/共82页五、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

20、的计算 2.2气相总传质单元数的计算第36页/共82页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/suVDs4第37页/共82页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气速的50%80%，即泛点率（操作气速与液泛气速的比值）约为0.50.8。 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

21、，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0.60.8之间。第38页/共82页（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：05. 0)(LVVLWWX02. 02LVfgY ).(;/,;/;/;/;/,133smPasmmmkgmkghkgWhkgWfLVL液体的粘度泛点气速之比水的密度与液体密度的实验填料因子，气体的密度，液体的密度，气体的质量流速，液体的质量流速V式中：提示：实验填料因子的选取见设计教材p140141第39页/共82页Ecke

22、t泛点关联图第40页/共82页（2）规整填料泛点气速的计算 参考文献： 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.2002.1:263265 图书馆有第41页/共82页本例中： 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hkgwV/8 .3016257. 12400smuuF/719. 0027. 17 . 07 . 0921. 0)2 .998257. 1(8 .301677.78321)(5 . 05 . 0LVVLWW023. 02 . 02LLVFFg1170mF第42

23、页/共82页1.2 塔径的计算及校核mVsD087. 1719. 014. 33600/240044塔径的计算：塔径的圆整：单位：mm圆整后D=1200mm第43页/共82页（1）泛点率校核sm/59. 02 . 1785. 03600/24002)%(45.57%100027. 159. 0在允许范围内Fuu第44页/共82页（2）填料规格校核858.31381200dD第45页/共82页（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：2785. 0DLUh式中：U液体喷淋密度，m3/(m2h); Lh液体喷淋量，m3/h; D填料塔直径，m为

24、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tWaLUminmin)(式中：Umin最小喷淋密度，m3/(m2h); (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第46页/共82页 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)min为0.08m3/(mh);对于直径大于75mm的散装填料，可取 (LW)min为0.12m3/(mh)。 对于规整填料，其最小喷淋密度可

25、从有关填料手册中查得，设计中，通常取Umin=0.2第47页/共82页2. 填料层高度的计算 采用传质单元数法计算，其基本公式为：无因次气相总传质单元数气相总传质单元高度,OGOGOGOGNmHNHZ第48页/共82页2.1 气相总传质单元数的计算 计算气相总传质单元数有三种方法： 对数平均推动力法 此方法适用于平衡线为直线时的情况，其解析式为：212121lnYYYYYYYYNmmOGY1=Y1-Y1*，为塔底气相传质推动力，Y1*为与X1相平衡的气相摩尔比， Y1*= mX1Y2=Y2-Y2*，为塔顶气相传质推动力，Y2*为与X2相平衡的气相摩尔比， Y2*= mX2第49页/共82页 （

26、2） 脱吸因素法 此方法适用于平衡线为直线时的情况，其解析式为：SYYYYSSNOG*)1 (ln112211式中 为脱吸因数。为方便计算，以S为参数，为横坐标，为纵坐标，在半对数坐标上标绘上式的函数关系，得到右图所示的曲线。此图可方便地查出值。LmVS 第50页/共82页 （3）图解法 此方法适用于平衡线为曲线时的情况。第51页/共82页此例采用“脱吸因素法”求解0385. 00011. 004.35*11 mXY0*22mXY0*22mXY752. 038.434625.9304.35LmVS026. 70752. 0000263. 000526. 0)752. 01 (ln752. 01

27、1*)1 (ln112221SYYYYSSNOG脱吸因素为：气相总传质单元数为：第52页/共82页2.1 气相总传质单元高度的计算23,);/(,:/1/11:mkPamkmolHaHkakaKaPKVaKVHLGGGY塔截面积溶解度系数式中其中OG普遍采用修正的恩田（Onde）公式求取第53页/共82页)()()()(45. 1exp1:)()()(095. 0)()()(237. 02 . 0205. 021 . 075. 04 . 01 . 13/12/13/23/17 . 0tLLLtLLtLLtLLctWWLLWGGLLLLLLWLVVVVtVGaUaaUaUaaakakakakgDkaUkRTatDVDaUk其中L修正的恩田公式只适用于u0.5uF的情况，当