填料塔设计与计算(正式版)环境工程原理设计

1、环境工程原理大作业填料吸收塔课程设计说明书学院名称：环境科学与工程学院专 业：环境工程班 级：环工0801姓 名：黄浩 段永鹏 魏梦 和祥 任稳刚指导老师：华虹2011.1.2环境工程原理课程设计填料吸收塔课程设计说明书目 录(一)设计任务1(二) 设计简要22.1 填料塔设计的一般原则22.2 设计题目22.3 工作原理2 (三) 设计方案23.1 填料塔简介23.2填料吸收塔的设计方案3.设计方案的思考 3.设计方案的确定 3.设计方案的特点 3.工艺流程 3（四）填料的类型44.1概述44.2填料的性能参数44.3填料的使用范围44.4填料的应用54.5填料的选择5（五）填料吸收塔工艺尺

2、寸的计算65.1液相物性数据65.2气相物性数据75.3气、液相平衡数据85.4塔径计算85.5填料层高度计算8（六）填料层压降的计算10（七）填料吸收塔内件的类型与设计107.1 填料吸收塔内件的类型107.2 液体分布12（八）设计一览表13（九）对设计过程的评述13（十）主要符号说明14参考文献15附录24（一）设计任务设计一填料吸收塔，吸收矿石焙烧炉气中的SO2。（二）设计简要（1）填料塔设计的一般原则填料塔设计一般遵循以下原则: :塔径与填料直径之比一般应大于15：1，至少大于8：1；：填料层的分段高度为：金属:6.0-7.5m，塑料：3.0-4.5；：5-10倍塔径的填料高度需要设

3、置液体在分布装置，但不能高于6m；：填料塔操作气速在70%的液泛速度附近；：由于风载荷和设备基础的原因，填料塔的极限高度约为50米。（2）设计题目矿石焙烧炉送出的气体冷却到25后送入填料塔，用20清水洗涤除去其中的SO2,试设计一填料塔进行上述操作并画出设计方案工艺流程图。设计要求：设计方案确定（流体流向、塔高、塔径）；填料选择；流体基础物性的计算（液体物性、气体物性、气液平衡、物料衡算）；填料塔的工艺尺寸计算。基础数据：入塔炉气流量：2400m3h;SO2的摩尔分率：0.05；SO2的回收率：95%。注意： 低浓度气体的吸收溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据； 气象为混合气体。（3）工作原

4、理气体混合物的分离，总是根据混合物中各组分间某种物理性质和化学性质的差异而进行的。吸收作为其中一种，它根据混合物各组分在某种溶剂中溶解度的不同而达到分离的目的。在物理吸附中，溶质和溶剂的结合力较弱，解析比较方便。填料塔是一种应用很广泛的气液传质设备，它具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，操作时液体与气体经过填料时被填料打散，增大气液接触面积，从而有利于气体与液体之间的传热与传质，使得吸收效率增加。（三）设计方案（1）填料塔简介填料塔是提供气-液、液-液系统相接触的设备。填料塔外壳一般是圆筒形，也可采用方形。材质有木材、轻金属或强化塑料等。填料塔的基本组成单元有： ：壳体（外壳可

5、以是由金属（钢、合金或有色金属）、塑料、木材，或是以橡胶、塑料、砖为内层或衬里的复合材料制成。虽然通入内层的管口、支承和砖的机械安装尺寸并不是决定设备尺寸的主要因素，但仍需要足够重视;）：填料（一节或多节，分布器和填料是填料塔性能的核心部分。为了正确选择合适的填料，要了解填料的操作性能，同时还要研究各种形式填料的形状差异对操作性能的影响）；：填料支承（填料支承可以由留有一定空隙的栅条组成，其作用是防止填料坠落；也可以通过专门的改进设计来引导气体和液体的流动。塔的操作性能的好坏无疑会受填料支承的影响）;：液体分布器（液体分布的好坏是影响填料塔操作效率的重要因素。液体分布不良会降低填料的有效湿润面

6、积，并促使液体形成沟流）；：中间支承和再分布器（液体通过填料或沿塔壁流下一定的高度需要重新进行分布）；：气液进出口。塔的结构和装配的各种机械形式会影响到它的设计并反映到塔的操作性能上，应该力求在最低压降的条件下，采用各种办法提高流体之间的接触效率，并设法减少雾沫夹带或壁效应带来的效率损失。与此同时，塔的设计必须符合由生产过程和塔的结构形式所决定的经济性原则。（2）填料吸收塔的设计方案（3）设计方案的思考用水吸收炉气中的SO2是属于低浓度吸收。因为SO2在水中的溶解度为140(V/V)，并且用水吸收SO2属于物理吸收过程，所以在常温常压下操作即可达到较满意的效果。为了确保SO2的回收率。宜采用气

7、-液逆流的吸收过程，使水和混合气充分接触，以达到回收的要求。（4）设计方案的确定装置流程的确定：吸收装置的流程的有多种多样，如逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、多塔串联操作、串联-并联混合操作等。流向对吸收的推动力有一定的影响；整个操作过程为等温等压过程，依据题意可知吸收剂的用量比较大。结合以上分析及各种流程的优缺点，本设计选择逆流操作。操作方式：气相由塔底进入从塔顶排出，液相由塔顶进入从塔底排出。（5）设计方案的特点传质平均推动力大，质速率快，分离效率好，吸收剂利用率高。（6）工艺流程混合气在常温常压下进入吸收塔底后，进过气体分布装置，与塔顶下来的由泵提升的吸收剂逆流接触，将SO2吸

8、收。工艺流程图（四）填料类型的选择4.1概述：填料是填料塔内气-液两相接触的核心元件。填料类型和填料层的高度直接影响传质效果，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素。填料的种类很多，根据填装方式的不同，可分为散装填料盒规整填料两大类。规整填料是将金属丝网或多孔板压制成波纹状并叠成圆筒形整块放入塔内。这种填料不但空隙率大，压降低，而且液体按预分布器设定的途径流下，只要液体的初始分布均匀，全塔填料层内的液体分布良好，克服大塔的放大效应，传质性能高。但其造价较高，易被杂物堵塞并且清洗困难。散装填料常见的有：拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料、弧鞍形填料、矩鞍形填料、环矩鞍填料等等。各 种 填 料

9、 示 意 图4.2填料的性能参数：比表面积a 单位m2m3 填料应具有尽可能多的表面积以提高液体铺张，形成较多的气液接触界面。对同种填料，小尺寸填料具有较大的比表面积，但填料过小不但造价高而且气体流动的阻力大。：孔隙率 流体通过颗粒层的阻力与孔隙率密切相关。为了减少气体的流动阻力，提高填料塔的允许气速（处理能力），填料层应有尽可能大的孔隙率。：填料因子F 其单位1/m 填料因子是比表面积与空隙率三次方之比。它表示填料的流体力学性能，F值越小，表明流动阻力越小。填料性能通常根据效率、通量及压三要素衡量。4.3填料的材质 一般的使用范围 上釉或不上釉的瓷质或耐酸陶质 除氢氟酸以外的中性、酸性介质和

10、溶剂，不宜超过21.1 除要求低吸附表面的特殊情况外，一般用不上上釉的。强碱性介质时使用特种陶瓷。瓷质环比陶质环强度大，同时叫耐酸。碳 质 热强碱，除硝酸外所有的酸类，不适用于氧化介质 可承受温度的波动，质量轻。 塑 料 由树脂的性质决定，用于碱、盐、水溶液和各种酸类 质量较轻。钢或其他小标号金属 钢可用于热强碱，其他用途需根据金属性质而定 可能比陶瓷重，价格也较贵。4.4填 料 应 用 特 性 拉西环填料 填料中最普通的类型，通常比较便宜，但有时效率较低。可用各种材料制造以适应使用要求，常用湿法乱堆或干法乱堆方式装入塔内。较大的填料有时用手工整砌。壁厚和某些尺寸在制造厂之间有所不同；有效面积

11、随壁厚而改变，对塔壁形成很大的侧压力。常有较多的内部沟流并导致较多的液体流向塔壁。 弧鞍形填料 在大部分应用中比拉西环效率要高，但价格较贵。填料可叠在一起，在床层中造成“紧密”点，促进了沟流的形成，但不如拉西环那样多，产生的侧压力比拉西环的低，由较低的传质单元高度和单元压力降，液泛点比拉西环高。在填料床中比拉西环易破碎。 鲍尔环填料 压力降比拉西环低一半还多，传质单元高度也较低（在某些物系中比弧鞍填料还要低），而液泛点较高。液体分布情况好，容量大。对塔壁有相当大的侧压力。可用金属、陶瓷或塑料制造。 矩鞍形填料 效率最高的填料之一，但价格较贵。叠在一起阻塞床层截面的可能性非常小床层较均匀。液泛点

12、比拉西环或弧鞍形填料得高，而压力降则较低；对于大多数常见的物系来说，有较低的传质单元高度值。在填料床中比拉西环易破碎。 Teller花环填料 可用塑料制造，与拉西环和弧鞍形填料相比有较低的压降和传质单元高度，液泛点较高。单位质量较小，侧压力也不大。Flexipac填料 高效，通常压降低，适用于清洁操作的蒸馏系统，塔板高度较低等。 Lessing填料 没有很多的操作数据可供参考，但一般来说比拉西环要好些，压降稍高些。侧压力也较高。4.5填料的选择 填料规格：是指填料的公称尺寸或比表面积。 工艺塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同种填料，尺寸越小，分

13、离效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也增加很多。而尺寸大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。 结合填料塔设计的一般要求，综合分析各种填料的规格、材质以及本次设计的具体情况，本设计选用DN38聚丙烯阶梯环填料。附录七 塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值填料种类 D/d的推荐值 填料种类 D/d的推荐值：拉 西 环 20-30 阶 梯 环 8鞍 形 环 15 环 矩 鞍 8鲍 尔 环 10-15结合后面塔径的计算，本设计选DN38聚丙烯阶梯环填料（五）填料吸收塔工

14、艺尺寸的计算（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。查附录二（水的重要物理性质）得，20时水的有关物性数据如下：密度为黏度为表面张力为查 得在水中的扩散系数为（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 混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查附录一（空气的重要物理性质）得20空气的黏度： 查 得在空气中的扩散系数（3）气、液相平衡数据查附录八（若干气体水溶液的亨利系数）得常压下20时 在水中的亨利系数为 相平衡常数 溶解系数 物料衡算进塔气相摩尔比为： 出塔气相摩尔比为： 进塔惰性气体流量为： 上式中为入塔炉气流量；为25；为的摩尔分率0.0

15、5。吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算： 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为： 取安全系数1.4。 操作线、平衡线和气液比关系曲线：（4）塔径计算采用Eckert通用关联图（附录十）计算泛点气速气相质量流量为：液相质量流量可近似按纯水的流量计算： Eckert通用关联图的横坐标为： 查Eckert压降关联图 查附录六（散装填料泛点填料因子平均值）F=170m-1uF=0.023gLFVmuL0.2=0.0239.81998.217011.25710.2=1.027(ms)取u=0.7uF=0.71.027=0.719ms由D=4Vsu=4.140.719=1.087m

16、圆整塔径取D=1.2m泛点率校核 u=qV36004D2=0.59(ms)uuF=0.591.027100%=57.45%(在允许范围内)填料规格校核：Dd=8（附录七）液体喷淋密度校核，取最小润湿速率为：(Lw)min=0.08m3mh查 附录三(国内阶梯环数据)得：at=132.5m2m3umin=(Lw)minat=0.08132.5=106m3m2hu=WLL4D2=78321.77998.20.7851.22=61.42umin经以上校核可知，填料塔直径选用D=1200mm合理（5）填料层高度计算 Y1*=mX1=35.040.0011=0.0385Y2*=mX2=0脱吸因数为S=m

17、VL=mqnGqnL=35.0493.38=0.752气相总传质单元数NoG=11-S=ln1-SY1-Y2*Y2-Y2*+S =11-0.752ln1-0.7520.0526-00.00263+0.752 =7.026气相总传质单元高度采用修正的思田关联设计算：awat=1-exp-1.45(CL)0.75(uLat2)0.1(uL2atL2g)-0.05(uL2LLat)0.2查表填料泛点和压降的通用关联图C=33dyn/cm=(kg/h2)液体质量通量为uL=wL4D2=7832.770.7851.22=69286.77kg/(m2h)awat=t-exp-1.45(6)0.75(692

18、86.77132.53.6)0.1(69286.22132.5)-0.05 =0.592气膜吸收系数KG=0.237(Uvatv)0.7(vvmDv)1/3(atDvRT)气体质量通量为Uv=qvvmatv=24001.2570.7851.22=2668.79kg/(m2h)KG=0.79132.50.0650.70.0651.2570.50.0398.314293=0.0336Kmol/(m2hKPa)液膜吸收系数由下式计算KL=0.0095(ULawL)2/3(LLDL)-1/3(LgL)1/3KL=0.77132.50.5923.62/33.6998.25.2910-6-1/23.61.

19、27.21/3=1.099m/h由KGa=KGaw1.1查附录四（常见填料形状系数） =1.45则KGa=KGaw1.1=0.03360.51.451.1 =3.966Kmol/(m2hKPa)KLa=KGaw0.4=1.0990.51.450.4 =100.2L/hF=57.45%50%在此处键入公式。由 KG，a=1+9.5uuF-1.4KGaKL，a=1+2.6uuF-0.52.2KLa得KG，a=1+9.50.5745-0.51.43.966 =4.959kmol(m3hkPa) KL，a=1+2.60.5745-0.52.2100.02=100.88(Lh)则KGa=11KG，a+1

20、HKL，a=114.959+10.0156100.88=1.195kmolm3hkPa由HOG=qnGKYa=qnGKGap=93.251.195101.30.7851.22=0.681(m)由Z=HOGNOG=0.6817.062=4.785m得Z，=1.254.785=5.981(m)设计取填料层高低Z，=6m查附录五HETP关联式中的常数值，对阶梯环填料：hD=815,hmax6mm取 hD=8,则h=81200=9600mm计算得填料层高度为6000mm，故不需分段六 填料层压降计算采用Eckert通用压降关联图计算填料层压降横坐标为LV=(VmL)0.5=0.921查附录九（散装填料

21、压降填料因子平均值）可得p=116m-1纵坐标为u2pgVmLL0.2=0.59211619.811.210.2=0.0052查附录十填料塔泛点和压降的通用关联图pZ=107.91Pa/m填料层压降p=107.916=647.46Pa七 填料吸收塔内件的类型与设计（1） 塔内件的类型 塔内件是填料塔的组成部分，它与填料及塔体共同构成一个完整的填料塔。所有塔内件的作用都是为了使气液在塔内更好地接触，以便发挥填料塔的最大效率和最大生产能力，所以塔内件设计的好坏直接影响到填料性能的发挥和整个填料塔的操作运行。另外，填料塔的“放大效应”除了填料本身固有因素外，塔内件对它的影响也很大。 塔内件主要包括以

22、下几个部分：填料支承装置，填料压紧装置，液体分布装置，液体收集再分布装置等。 合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。料支承装置 填料支承装置的作用是支承塔内的填料，常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。支承装置的选择，主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流率等。填料压紧装置 填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。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。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。床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支