填料塔课程设计

目录

1.前言 (4)

2.设计任务 (6)

3.设计方案说明 (6)

4.基础物性数据 (6)

5.物料衡算 (6)

6.填料塔的工艺尺寸计算 (8)

7.附属设备的选型及设备 (14)

8.参考文献 (19)

9.后记及其他 (20)

1.前言

填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，它是化工类企业中最常用的气液传质设备之一。而塔填料塔内件及工艺流程又是填料塔技术发展的关键。聚丙烯材质填料作为塔填料的重要一类，在化工上应用较为广泛，与其他材质的填料相比，聚丙烯填料具有质轻、价廉、耐蚀、不易破碎及加工方便等优点，但其明显的缺点是表面润湿性能。

1.1填料塔技术

填料塔的塔身是一直立式圆筒，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。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。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（小直径塔一般不设气体分布装置）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，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。

填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。

1.2 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。

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。

根据设计的费用和分离要求来考虑，本设计采用散装填料。

1.3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。

1.4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

填料塔的流体力学性能

1.5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。

1.6填料的选择

填料的选择包括填料种类的选择、填料规格的选择（散装填料规格的选择、规整填料规格的选择）、填料材质的选择等，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用最低。在填料的选择中，我选用D N50填料。因为设计任务的年产量比较小，塔径为800mm，不适合用尺寸大的填料。而在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多。而D N50填料正处于两者之间。是理想的填料类型。

1.7填料塔的内件

填料塔的内件主要有填料支承装置、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。

2. 设计任务

? 原料气组成: 丙酮－空气双组分混合气体 丙酮含量 14.0%（体积%）

? 处理量: 1.3×107 ~ 4.1Χ107 Nm 3 /a （标准体积流量）

年吸收能力1.2×107m 3，年开工3600小时

? 操作条件: 连续常压操作 ( t = 20~30 ℃ )

? 尾气要求: 出塔气体中丙酮含量不大于原料气中丙酮含量的0.5%. ? 吸收剂: 清 水

3．设计方案的说明

用水吸收丙酮溶解的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程，因用水作为吸收剂，且丙酮不作为产品，故采用纯溶剂。

对于水吸收的丙酮过程，操作温度及操作压力较低，故此用塑料阶梯环D N 50填料。

4．基础物性数据

4.1液相物性数据

20oC 时水的有关物性数据如下： 密度为 3/2.998m kg =ρ

粘度为 )./(6.3.001.0h m kg s Pa ==μ

表面张力为 2

/940896/6.72h kg cm dyn L ==σ

丙酮在水中的扩散系数为 h m s m D L /1068.4/103.12

629--?=?=

4.2气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为

kmol kg Mi y M i Vm /0712.332986.008.5814.0=?+?=∑=

混合气体的平均密度为

3/3756.1)293314.8/()908.31325.101(/m kg RT PMV m Vm =??==ρ 混合气体的粘度可近似取空气的粘度，查手册的20 ℃空气的粘度为

)./(065.0.1081.15h m kg s Pa V =?=-μ

丙酮在空气中的扩散系数为 h m s m D V /037.0/1003.12

25=?=-

4.3气相中平衡数据 常压下20 ℃ 时, )./(3428.03m kPa kmol EM H s

L

==

ρ 在水中的享利系数为E=161.6KPa; 相平衡常数为m=E/P=1.5949

5．物料衡算

进塔气相摩尔比为

1628.014

.0114

.01111=-=-=

y y Y

出塔气相摩尔比为：

0228.0)1(12=-=A Y Y ?

进塔惰性气相流量为 (1.2×107)/3600=3333.3

该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为

取操作液气比为：

1

24.119)14.01(20

273273

4.223.3333-?=-?+?=

h kmol V 2121min

X m Y Y Y V L --=???? ??0

2=X 3715.105949.1/1628.00228.01628.0min

=--=???? ??V L min

5.1???? ??=???? ??V L V L 0680

.0)

0228.01628.0(24.119)()(由物料衡算式：63.24524.11906.206.23715.15.1121211

=-?=

-=-?=?==?=???

? ??-X X X L Y Y V h kmol L V L

表1 全塔物料衡算总表

进塔

出塔

气相中丙酮的量 h kg /46.1127 惰性气体的量 h kg /96.3457 水中丙酮气的量 h kg /0 水的量 h kg /25.4426 ∑INPUT h kg /67.9011

气相中丙酮气的量 h kg /90.157 惰性气体的量 h kg /96.3457 水中丙酮的量 h kg /10.970 水的量 h kg /25.4426 ∑OUTPUT h kg /21.9012

从上表可知进出塔的物料总量基本相等，结果差异主要是由于用尾气吸收公式算的理论水中丙酮的量比实际吸收丙酮的量要大。

6．填料塔的工艺尺寸的计算

6.1塔径的计算

采用Eckert 通用关联图计算泛点气速。 气相质量流量为

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 Eckert 通用关联图的横坐标为

查Eckert 图得

129.45853756.13.3333-?=?=h kg w v 125.442602.1863.245-?=?=h kg w L 0358

.0)2

.9983756.1(29.458525.44265

.05

.0==

???

? ??L V V

L w w ρρ

查表得陶瓷拉西环矩鞍泛点填料因子平均值为

圆整塔径，取D=0.8m=800mm

泛点率校核：8430.18.0785.036003

.33332=?=

u

%0.658361.28430.1==F u u 在0.5~0.85的允许范围内，合格 填料规格核算

805.2138800>==d D 液体喷淋密度核算 取最小润湿速率为 08

.0)(min

=w L h m m ?3

查表得拉西环矩鞍D N50的比表面积

t α=3

2

93m m

1

177-=m F φ2

.02.02=L L

v F F g u μρρψφ1

2

.02

.08361.21756.111772.99881.920.015.0-?=?????=

=

s

m g u L

v F L

F μψρφρ19853.18361.27.07.0-?=?==s m u u F =

=

4u

V D s

πm

7708.09853

.114.33600

/3.33334=??

44

.79308.0.)(min min

=?==t w L U αh

m m ?23

U=

83.88.0785.02.99825

.44262

=?> U m in

经以上核算可知，选用D=800mm 合理

图1 填料层的泛点和压强降的通用关联图（ECKERT 图）

6.2 填料层高度计算

Y 1* =mX 1 =1085.00680.05949.1=?

Y 2*=mX 2=0

脱吸因数为 S=

7742.063

.24524

.1195949.1=?=L mV 气相总传质单元数为

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算

查常见材质的临界表面张力值表

2179056061--?=?=h kg cm dyn c σ 液体质量通量为

则

=0.5062 得αw =47.0766

3

2

m m

()=??

????+----=*

*S Y Y Y Y S S N OG

22211ln 118540

.37742.000228.00

1628.0)7742.01(7742.011=??

????+----In ??

?????

?

??

???

?

?????

? ?????

? ?????

?

??--=-2

.02

05

.0221

.075

.045.1exp 1t L L L L t L L t L L c t w U g U U ασρραμασσαα122

2

21.88108

.0785.025

.4426785.0--??=?=

=

h m kg D W U L

L ??

???????????? ???????? ????????? ??????? ??--=-2.0205.08221.075.0939409862.99821.88101027.12.9989321.88106.39321.881094089679056045.1exp 1t w αα

气膜吸收系数由下式计算

气体质量通量为

则：

液膜吸收系数由下式计算：

则：

由1

.1ψααw G G k k =

4.0ψααw L L k k =

查常见填料的形状系数表得：1=ψ

1

.1ψααw G G k k = 4.0ψααw L L k k =

???

? ?????

? ?????

? ??=RT D D U k V t V V V V t V

G

αρμμ

α3

/17

.0237.01

22

77.91268.0785.03756.13.3333--??=??=

h

m kg U V 1

123

/17

.00610.0293314.8037.093037.03756.1065

.0065.09377.9126237.0---???=???

?

???????

? ????

??

?

???=kpa h m kmol k G

3

/12

/13

/20095.0???

? ?????

? ?????

? ??=-L L L

L L L w L

L

g D U k ρμρμμ

α1

3

/182

/163

/2.3672.02.9981027.16.31068.42.9986

.36.30766.4721.88100095.0---=???

? ???????

? ?????

???

???=h m k L

1

131.18717.210766.47061.0---???=??=kPa h kmol 1

4

.02865.1710766.473672.0-=??=h