最全的填料塔结构设计

1、课 程 设 计 题 目 填料塔结构设计专业班级 学号 学生姓名 2013 年 3月 8日 目录目录1第一章 设计任务及步骤.2. 设计任务.2. .设计步骤.2第二章填料塔.2. 填料塔简介.2. 填料塔结构.2.填料塔的操作方式.3第三章填料塔结构设计.33.填料. .43.11填料性能. .4 3.12填料选择.43.2基础物性数据.63.2.1液相物性数据.63.2.2气相物性数据.73.2.3物料衡算.73.3 塔尺寸计算.8 3.3.1 塔径的计算.9 3.3.2 塔层高塔高的计算.10第四章 填料塔附属装置.12 4.1 填料支承装置.134.2 填料压紧装置.144.3 液体分布

2、装置.144.4 液体再分布装置.15五、参考文献.15 第一章设计任务及步骤.设计任务填料塔结构设计要求包括液体分布装置、填料支承装置、液体再分布装置、填料压板，其它参数自定. 设计步骤先填料塔的设计：确定填料、塔的结构、计算塔基础物理数据及塔高度，再确定填料塔的附属装置：填料支承装置、填料支承装置；填料压紧装置；液体分布装置；液体再分布装置第二章填料塔.填料塔简介（）填料塔最初出现在十九世纪中叶，在1881年用于蒸馏操作，二十世纪初被引入到炼油工业。（2）填料塔是最常用的气液传质设备之一，它广泛应用于蒸馏、吸收、解吸、汽提、萃取、化学交换、洗涤和热交换等过程。 填料塔的结构及填料性能.填料

3、塔的结构填料塔是以塔内装有大量的填料为相间接触构件的气液一直立式圆筒，底部装有填传质设备。填料塔的塔身是直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。在填料的上方安装填料压板，以限制填料随上升气流的运动。液体从塔顶加入，经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设置）分布后（小直径塔一般不设置）分布后，与液体呈逆流接触连续通过填料层空隙，在填料表面气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式的气液传质设备，正常操CLEANTECH以创新技术服务客户，以高效节能造福人类！传质。填料塔属于连续接触式的气液传质设备，正常操作状

4、态下，气相为连续相，液相为分散相。填料塔的主要构件为包括：填料、液体分布器、填料支承液体再分布器、气体和液体进出口管等。其塔体为一圆形筒体，筒体内分层装有一定高度的填料。液体由塔顶自上而下沿填料的表面成膜状流下。如填料层较高，一般设有液体再分布器，以减弱壁流现象带来的不良影响。气液两相在塔内进行接触传质。其填料塔的结构见图如下： .填料塔的操作方式（）液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下；（）气体从塔底送入，经气体分布装置分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙；（）在填料表面上，气液两相接触进行传质。第三章填料塔结构设计. 填料填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填

5、料和规整填料。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。规整填料是按一定的几何构形排列，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料、波纹填料、脉冲填料等。. .填料性能（）填料塔的流体力学性能：主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。（）填料的几何特性：填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。（）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

6、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，压降亦越低填料塔的流体力学性能. .填料选择（）填料类型的选择工业上填料按形状和结构可分为散装填料和规整填料两类 (1) 散装填料 以随机的方式堆积在塔内，以下是几种典型的散装填料：拉西环填料 最早的工业填料，但因性能较差，目前工业上已经很少使用鲍尔环填料 是在拉西环基础上的改进，利用率有了很大提高阶梯环填料 对鲍尔环的改进，为目前所使用的环形填料最为优良的一种弧鞍 填料 一般采用瓷质材料，易碎，工业中不常用环矩鞍填料 集环型与鞍型优点，是工业应用最广的一种金属散装填料

7、(2) 规整填料 以一定的几何形状，整齐堆砌，工业用多为波纹填料，其优点是结构紧凑、传质效率高、处理量大，但不易处理粘度大或有悬浮物的物料，且造价高。根据分离工艺的要求，考虑以下因素：(1)传质效率 在满足工艺条件的前提下，选用传质效率高，即HETP(或HTU)低的填料。(2)通量 保证较高的传质效率前提下，选用有较高泛点或气相动能因子的填料。(3)填料层压降 压降越小，动力耗费越少，操作费用越小。(4)操作性能 填料具有较大操作弹性，且具有一定的抗污堵、抗热敏能力等。（）填料规格的选择(1)散装填料 常用主要有16、25、38、50、76等几种规格。一般推荐： 300时，选25的填料；时，选

8、2538的填料; 时，选用的填料，但一般大塔中常用的填料。(2)规整填料 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，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。（）填料材质的选择(1)陶瓷 具有耐腐性及耐热性，但质脆、易碎，不宜高冲击强度下使用。(2)金属 碳钢对低腐蚀无腐蚀物系优先考虑，不锈钢耐以外物系腐蚀，特种合金钢价格高，只在特殊条件下使用(3)塑料 主要包括PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、 PVC(聚氯乙烯)等，一般采用PP(聚丙烯)材质。塑料耐腐蚀性、耐低热性好，但具有冷脆性，表面润湿性较差。 一般讲，操作温度较高但无显著腐蚀性时，选用金属填料；温度较低选用塑

9、料填料；物系具有腐蚀性、操作温度高，宜采用陶瓷填料 综上所述考虑到本设计是利用清水吸收SO，吸收液显弱酸性，有一定的腐蚀性，同时考虑到经济的合理性及吸收的效率，故先选用聚乙烯阶梯环，是否合理在下面的计算中进行核算校验。.基础物理数据.1液相物性数据 对低浓度吸收过程， 溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。 由手册查得，20水的有关物性 密度 L = 9 9 8 . 2 k g / 粘度 L = 0 . 0 0 1 P a ·S = 3 . 6 k g / （m ·h ） 表面张力 L=72.6 dyn/cm=940896 kg/h N H3在水中的扩散系数为 DL =2.

10、04×10（- 9 ）m2/s=2.04×10（- 9）×3600 m2/h=7.344 ×10（- 6）m2/ h .气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 M 混气= yiMi=0 . 0 5 5 ×17.03+0.945×29=28.34 混合气体的平均密度为 混气= P M 混气/ R T = 1 0 1 . 3 2 5 ×28.34/(8.314×2 9 3 . 1 5 ) = 1 . 1 78k g / m3 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得 20空气的粘度为: 空气=1.81×1

11、0（- 5） Pa·S=0.065 kg/(m·h) 查手册得 N H 3 在空气中的扩散系数为 D 空气= 1 . 8 9 ×1 0 - 5 m 2 / s = 0 . 0 6 8 m2/ h .物料衡算 进塔气相摩尔比：Yb =yb /(1- yb )=0.055/(1- 0 . 0 5 5 ) = 0 . 0 5 8 2 N H 3 吸收率（体积分数）：9 3 % （已知）=(yb - ya )/yb N H 3 排放含量（体积分数）：ya =yb - yb = 0 . 0 5 5 - 0 . 0 5 5 ×0 . 9 3 = 0 . 0 0 3

12、8 5 出塔气相摩尔比：Ya =ya /(1- ya )=0.00385/(1- 0 . 0 0 3 8 5 ) = 0 . 0 0 3 8 6 5 进塔惰性气体流量： GB = 2 9 0 0 ×273.15×(1- 0 . 0 5 5 ) ÷2 9 3 . 1 5 ÷22.4=114.0kmol/h, 由于该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系可按下式计算： 对于清水作吸收剂，Xa = 0 (LS / GB )min=(Yb - Ya )/(Xb*- Xa )=(Yb - Ya )/(Yb / m- Xa ) =(0.0582- 0.003865)/(0.

13、0582/0.7541 - 0 ) =0.7040 取操作液气比为 1 . 6 ，则 (LS / GB ) = 1 . 6 (LS / GB )min=1.6×0.7040=1.1264 L=1.1264×114.0=128.4kmol/h 对全塔进行物料衡算，GB (Yb - Ya )=L(Xb - Xa ) Xb = GB / LS (Yb - Ya )+Xa =114.0×(0.0582- 0.003865)/128.4+0=0.04824 操作线方程：Y=(LS / GB )X+(Ya - (LS / GB ) Xa )=1.1264X+0.003865

14、3.3塔尺寸的计算3.3.1塔径吸收塔的吸收为等温吸收，其温度为20。设计压力取为它的操作压力101.325kPa。塔径的计算公式为 D= ， 式中 Vs气体体积流量，m3/h； 适宜的空塔气速。m/s。泛点气速的计算采用Bain-Hougen（贝恩-霍根）关联式来计算，即 =A-1.75式中 干填料因子，m-1； 气、液相的密度，kg/m3； 液相粘度，mPas； 气、液相流体的质量流量，; A常数，与填料形状和材质有关。标准状况下，查（化工原理P334附录九）得SO2的密度为=2.927kg/h，则有 =(29/22.4) 查得（化工原理P328附录三）水温在20时，·s。选用塑

15、料鲍尔环（乱堆）Dg25mm，查表（化工原理P224表5-4）得以下其参数：各项参数比表面积m2·m-3空隙率·m-3干填料因子/m-1参数值2090.90287查常用化工单元设备设计P114表3-9得，当填料为塑料鲍尔环时，A=0.0942。经计算得出的Bain-hougen关联式的各项参数为A数值2871.261998.21.0043467.7584347.300.0942将所得数据代入Bain-hougen关联式，得 =解之得 取安全系数为0.8，得 塔径的计算 D=取塔径圆整 D=900mmD/d=900/25=3610，故符合要求3.3.3塔层高度及塔高的计算填料

16、层高度计算公式式中 Z填料层高度，m； HOG气相的总传质单元高度，m； NOG气相的总传质单元数；V惰性气体流量，kmol/h;KYa气相的体积吸收总系数，kmol/(m3·s)；Y*气相平衡浓度，摩尔比；塔截面积，m2。传质单元高度计算由恩田等人的准数关联式有式中 单位体积填料层的湿润表面积 液体的表明张力及填料材质的临界表面张力，N/m； LG液体通过空塔截面的质量流速，kg/(m·s)； 液体的粘度，Pa·s； 液体的密度，kg/m3; g重力加速度，m/s。查常用化工单元设备设计P109表3-3，得=33×10-3N/m，查P110表3-5，有

17、=1.45，查P114表3-8，得塑料鲍尔环的压降填料因子为，查化工原理P328附录三，当水温为20时，水的表面张力L=726.9×10-4N/m。将数据代入恩田等人的准数关联式，有 =0.629 查化学工程手册有，20时SO2在水中的分子扩散系数为DL=1.47×10-9m/s,在空气中的分子扩散系数为DG=1.08×10-5m/s，由恩田修正式，有=0.0095=3.862 =0.237=2.409×10-5kmol/(m3·s·kPa)则有 kLa=kLaW=3.862×10-4×131.46=0.0508s

18、-1 kGa=kGaW=2.409×10-5×131.46=3.167×10-3kmol/(m2·s·kPa)计算KYa KYa=pKGa而 则 KYa=pKGa=101.325×6.50×10-4=0.0659 kmol/(m3·s)又 传质单元数的计算 则 设计填料层高及塔高的计算 6.195m取21%的余量，则有 由填料塔的分段高度推荐值，对于塑料鲍尔环，有 取显然，该填料塔需要分层，对于塑料环，其填料分段高度不宜超过34.5m，则可将填料分两层安装，其分段高度分别为4.0+3.5=7.5m。塔顶应该有足够的

19、高度以使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来，减少塔顶出口气体中液体的夹带，这段高度一般取1.21.5m，在这里取=1.2m；塔底空间高度，取液体停留时间为1min，所需的液封高度为 此外，塔底液面到填料层底部之间还应留有空间以满足安进气管的要求，进气管的位置应该在填料层以下约一个塔径的距离，且高于塔底液面300mm以上，则塔底空间高度可取=900mm+300mm+2300mm=3.5m，留有足够的空间以满足安装进气管的要求。 故实际塔高为:第四章 填料塔的附属装置4.1填料支撑装置填料支承结构是用于支承塔内填料及其所持有的气体与液体的重量的装置。对填料的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重

20、量；提供足够的自由截面以使气、液两相流体顺利通过防止在此产生液泛；有利于液体的再分布，耐腐蚀，易制造易装卸等。 分为两类：气液逆流通过平板型支承板，板上有筛孔或栅板式;气体喷射型，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷射型支承板。 支承面是平面的支撑装置，存存两个缺点： (1)气休和液体必须逆向通过同一开孔，常导致板上积累一定高度的液层，甚至在液流量很小时，也会发生这种现象，因此导致气液流动阻力很大； (2)通道易被第一层卧置的填料所堵塞，因而降低了实际流通面积。 优良的支承板结构，必须是工作时的实际自由截面大于填料层中的白由截面，气体喷射式支承板作为较好的结构，现已被普遍采用。 分块

21、式气体喷射式支承板系用 34mm 厚的不锈钢板按规定尺寸冲出许多长圆孔，压制成型后，焊接固定在扁钢圈内而成。波数和波距按塔径具体确定。 长圆孔的尺寸选择原则：塔径 D400mm 时，最小填料为10 mm；塔径 D4001200mm 时，最小填料为15mm。 这种支承板可提供 100的自由截面，波形结构承载能力好，空隙率又大。宜用于1200mm 以下的塔。为装卸方便，宜制成分块式结构，在波形内增设加强板，可提高支承板的刚度。 分块式支承板的设计参考数据，列于表 5-37。它的最大液体负荷为 145m3(m2·h)，最大承载能力为 40000Pa。 【作用】填料支承安装在填料层底部，主要有以下几个作用：（1）阻止填料穿过气体分布装置而掉下来； （2）支承操作状况下填料床层的重量。 【分类】常用的填料支承装置有：（1）栅板型；（2）梁型；（3）升气管型等。 4.2填料压紧装置【作用】防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动而引起的填料破碎或带走。【分类】填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的型式。4.2.1填料压板填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。 4.3液体分布装置【作用】使加入到塔内的吸收剂分布均匀。液体淋洒不良就不能在填料表面散布均匀，甚至出现