填料塔设计案例

．填料吸收塔简介

在化学工业中，吸收操作广泛应用于石油炼制，石油化工中分离气体混合物，原料气的精制及从废气回收有用组分或去除有害组分等。吸收操作中以填料吸收塔生产能力大，分离效率高，压力降小，操作弹性大和持液量小等优点而被广泛应用。目前国内对填料吸收塔设计大部分是经验设计方法，该方法是在给定生产任务的条件下，由经验确定出一个液气比的值，然后手算出吸收塔的有关设计参数。该设计手段落后，没有考虑经济技术指标，不符合工厂实际生产中成本最低要求，故提出了填料吸收塔的优化设计方法。

下面简要介绍一下填料塔的有关内容。

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。填料塔以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。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。

与板式塔相比，在填料塔中进行的传质过程，其特点是气液连续接触，而传质的好坏与填料密切相关。填料提供了塔内的气液两相接触面积。填料塔的流体力学性能，传质速率等与填料的材质，几何形状密切相关，所以长期以来人们十分注中填料的性能和新型填料的开发，使得填料塔在化工生产中应用更加广泛。

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。填料塔还有以下特点：

1.当塔径不是很大时，填料塔因为结构简单而造价便宜。

2.对于易起泡物系，填料塔更适合，因填料对气泡有限制和破碎作用。

3.对于腐蚀性物系，填料塔更适合，因为可以采用瓷质填料。

4.对于热敏性物系宜采用填料塔，因为填料塔的持液量比板式塔少，物料在塔内的停留时间短。填料塔的压强降比板式塔小，因而对真空操作更有利。

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。

二．设计方案简介

2.1 方案的确定

填料精馏吸收塔的确定包括装置流程的确定,操作压力的确定,进料热状况的选择,加热方式的选择以及回流比的选择等

2.1.1 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：

定义：气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出的操作。

特点：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。

适用情况：工业生产中多采用逆流操作。

(2) 并流操作：

定义：气液两相均从塔顶流向塔底的操作。

特点：系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。

适用情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大; 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，逆流操作易引起液泛。

(3) 吸收剂部分再循环操作：

定义：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的操作。

适用情况：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。该过程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应予以指出，吸收及部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。

(4) 多塔串联操作：

如设计的填料层高度过大，或由于所处理的物料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。

(5) 串联——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，塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相做串联，液相做并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相做串联，气相做并联的混合流程。装置流程的确定：本填料吸收塔的设计任务是用水吸收SO2，属于中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。

2.1.2 吸收剂的确定：

吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，吸收剂性能的优劣适决定吸收效果的关键因素。选择吸收剂应着重考虑溶解度，选择性，挥发度粘度以及无毒，无腐蚀，

不易燃易爆，冰点低，廉价易得等方面。吸收剂选择时应针对具体情况与主要矛盾，剂考虑到工艺要求又兼顾经济合理性。此次设计中选择水作为吸收剂。因SO2不作为产品，故采用纯溶剂。

2.1.

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，温度降低可增加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收。但操作温度的底限应由吸收系统的具体情况而定。此次操作的温度为20℃。

（2）操作压力的确定：由吸收过程的气液平衡关系可知，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。此次设计的操作压力选择常压。

2.2填料的类型与选择

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元素，因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。

填料类型：填料种类很多，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的不同，又可分为环形填料，鞍形填料，环鞍形填料及球形填料等。

拉西环填料(Rasching ring)：拉西环为外径与高度相等的圆环，通常由陶瓷或金属材料制成。其结构简单，制造容易，但堆积时相邻环间易形成线接触，填料层的均匀性差，致使传质效率低。而且流动阻力大，操作范围小。

鲍尔环(pall ring)：鲍尔环是在拉西环的壁上开一层或两层长方形窗口，窗孔的母材两层交错地弯向环中心对接。这种结构使填料层内气、液分布性能大为改善，尤其是环的内表面得到充分利用。气液通量得到提高而压降仅为拉西环的一半，分离效果也得到提高。

阶梯环：鲍尔环基础上改造得出的。其高径比较小，气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了阻力。喇叭口一边，不仅增加机械强度，而且使填料之间为点接触，有利于液膜

的汇集与更新，提高了传质效率。目前所使用的环型填料中最为优良的一种。

弧鞍型(berl saddle) ：表面全部敞口，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流动呈弧形，气体阻力小。但容易产生沟流，强度差，易破碎，故应用较少。

矩鞍型(intolox saddle)：矩鞍形填料结构不对称堆积时不重叠均匀性更高。该填料气流阻力小，处理能力大，构造简单，是一种性能优良的填料。

环矩鞍(Intalox)：兼具环型、鞍型填料的优点。敞开的侧壁有利于气体和液体通过，减少了填料层内滞液死区。填料层内流体孔道增多，使气液分布更加均匀，传质效率高。

一般采用金属材质，机械强度高。

填料的选择：填料的选择包括填料的种类，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用较低。

2.2.1.填料种类的选择

填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常要考虑以下几个方面。

（1）传质效率传质效率即分离效率。在满足工艺要求的前提下，应选用传质效率高，即HETP值低的填料。

（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，操作费用愈小。

（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，动力消耗愈低，此操作费用愈小。

（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。此外，所选的填料要便于安装，拆卸和间修。

2.2.2. 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。工业塔常用大散装填料主要是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内，又会产生液体分离不良及严重的壁流，使塔的分离效率变低。

2.2.

3. 填料材质的选择：工业上，填料的材质分为陶瓷，金属和塑料三大类。

（1）陶瓷材料陶瓷材料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷材料。陶瓷材料因其质脆，易碎，不宜在高冲击强度下使用。在工业上，主要用于气体吸收，气体洗涤和液体萃取等过程。

(2)金属填料金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。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。

(3)塑料填料塑料填料的材质主要包括聚丙烯，聚乙烯及聚氯乙烯等。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且耐温性良好。塑料填料具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。

综合考虑以上因素在本次设计中采用散装填料，因为鲍尔环填料的分离效果不错，综合性能较好所以选择Dn50聚氯乙烯鲍尔环填料。

2.3设计步骤

设计条件

混合气（空气+二氧化硫）处理量：2000m3/h

进塔混合气中含二氧化硫（体积分数）：16%

进塔吸收剂（清水），温度20℃

二氧化硫的排放含量（体积分数）：0.16%;

操作压力：常压

平衡线方程：y= 66.76676 x1.15237

填料类型：塑料鲍尔环（50mm）

三. 工艺计算

3.1．物性数据的确定

1.液相

密度：ρL=998.2kg/m3

粘度：μL=0.001Pa*S=3.6kg/(m*h)

表面张力：σ=72.6dyn/cm=940896kg/h2

SO2在水中扩散系数：DL=1.47*10-5cm2/s=5.29*10-6m2/h

2.气相物性数据

混合气平均摩尔质量：= =34.295

混合气平均密度：ρG= =1.425 kg/m3

混合气的粘度：μG=0.0619 kg/(m*h)

SO2在空气中扩散系数：DG=0.122 cm2/s=0.0439 m2/h

3.2．物料衡算

平衡线方程：y=66.76676 x1.15237(20℃)

进塔气相摩尔比：=

出塔气相摩尔比：

进塔液相摩尔比：

出塔液相摩尔比：

出塔液相平衡组成：

最小液气比：

取

进塔惰性气体流量：

吸收剂用量：

3.3．填料塔工艺尺寸的计算

3.3.1.塔径计算

（1）泛点气速

ф50mm塑料鲍尔环有关系数

=1.162

（2）空塔气速

μ=

取μ=0.7 =0.8134m/s

(3)塔径计算

圆整塔径取D=1m 当D>900mm时，填料尺寸应选50-80mm 由此可知，选50mm塑料鲍尔环合适

泛点率核算：（在允许范围之内）

填料规格核算：

液体喷淋密度核算：

取最小润湿率为=0.08 =103

8.24 =67.88>8.24

经上述校核，可知，填料塔直径选用D=1000mm合理

3.3.2.填料层高度计算

惰性气体流率0.025

1.045

(1) 传质系数的计算

在常压20℃下，用清水吸收二氧化硫，即使二氧化硫气体进口浓度高，但用水吸收

后其在水中的浓度还很低。下面按低浓度计算传质系数：

气相分传质系数：=0.0560

液相分传质系数：

=67760.83

=0.675

气相体积传质系数:

由于高浓度气体吸收过程中每点气液流率都不相同，故个点y对应的, 都发生改变，斜率也变，因此都要重新计算, 的值，同时重新计算出气相体积传质系数的值，查有关资料得到与本设计条件相近的传质系数与G 、L的变化关系

逆流吸收二氧化硫，吸收剂为清水，水温为20℃，压力为标准大气压，入塔二氧化硫摩尔分数为0.2，出塔摩尔分数为0.01此时传质系数的关联式为：

本设计采用此关联式计算传质系数，并用excel逐段计算填料高度

操作线方程：

平衡线方程：66.76676 x1.15237

n x y yi y-yi 1-y (1-y)m 1-x

1 0.0000 0.011

2 0.0000 0.0112 0.9888 0.9944 1.0000

2 0.0005 0.031

3 0.0106 0.0207 0.9687 0.9791 0.9995

3 0.0010 0.0507 0.0235 0.0272 0.9493 0.9629 0.9990

4 0.001

5 0.0693 0.0374 0.0318 0.9307 0.946

6 0.9985

5 0.0020 0.0872 0.0522 0.0350 0.9128 0.9303 0.9980

6 0.0025 0.1045 0.0675 0.0370 0.8955 0.9140 0.9975

7 0.0030 0.1211 0.0832 0.0379 0.8789 0.8978 0.9970

8 0.0035 0.1371 0.0994 0.0377 0.8629 0.8817 0.9965

9 0.0040 0.1526 0.1159 0.0367 0.8474 0.8657 0.9960

10 0.0045 0.1676 0.1328 0.0348 0.8324 0.8498 0.9955

11 0.0050 0.1820 0.1499 0.0321 0.8180 0.8340 0.9950

G L kya y/(1-y) (y/(1-y))n-(y/(1-y))n-1 hn

0.0253 1.0450 0.1210 0.0113 0.0113 0.3078

0.0258 1.0455 0.1227 0.0323 0.0210 0.3022

0.0263 1.0461 0.1245 0.0534 0.0211 0.2497

0.0269 1.0466 0.1262 0.0744 0.0211 0.2241

0.0274 1.0471 0.1280 0.0955 0.0211 0.1094

0.0279 1.0476 0.1297 0.1166 0.0211 0.2005

0.0284 1.0482 0.1315 0.1378 0.0211 0.1953

0.0290 1.0487 0.1332 0.1589 0.0212 0.1928

0.0295 1.0492 0.1349 0.1801 0.0212 0.1926

0.0300 1.0498 0.1366 0.2013 0.0212 0.1948

0.0306 1.0503 0.1383 0.2226 0.0212 0.1997

∑△hn=2.4689m

用此关联式算得n=1时=0.121与前面计算的=0.119相近，故近似采用此关联式计算逐级计算填料层高度。

3.4．填料层压降计算

空塔气速：μ=0.708

在实际空塔气速下每米填料压降

0.0148 =0.719

从压降图查纵坐标为0.0148，横坐标为0.719

确定交点，对应压降为

四．辅助设备的选用

填料塔的附属设备有填料支承板、液体分布装置、液体再分布装置、气体和液体进出口装置以及除雾器等。填料塔附属装置的选型和设计对于保证塔的正常操作及性能的发挥至关重要。以下简要介绍几种常用的附属结构。

（一）填料支承装置

填料支撑结构是用于支承塔内填料及其所特有的气体和液体的重量之装置。对填料支承结构的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；提供足够的自由截面以使气、液两相流体顺利通过，防止产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。

常用的填料支承板主要有栅板式和气体喷射式等结构。

1、栅板式支承板

栅板式的支承结构较为常见，由竖立的扁钢制成。栅板可以制成整块式或分块式的。一般直径小于500mm的塔可以采用整块式栅板；直径为大于600mm的塔，可以根据情况将栅板分成若干块，每块宽度在300~400mm之间，以便于装卸。栅条间距为填料外径的0.6~0.8倍。在直径较大的塔中，当填料环尺寸较小时，也可采用间距较大的栅板、

2、气体喷射式支承板

气体喷射式支承板的结构特点是：为气体和液体提供了不同的通道，气体易于进入填料层，液体也可自由排出，避免了因液体积聚而发生液泛的可能性，并有利于液体的均匀再分配。气体喷射式支承板有圆柱升气管式和梁式，而以梁式较为优越，梁式支承板用于小塔可制成整体式，用于大塔则分块制作或塔内组装。它可提供超过90%的自由截面（有时甚至达到100%），保证气体通量大，阻力小。因此，在新型填料塔中广泛采用了这种结构。

（二）液体喷淋装置

液体喷淋装置的作用是为了能有效的分布液体，提高填料的有效利用率。选择液体喷淋装置的原则是能使液体均匀的分散开来，使整个塔截面的填料表面很好的润湿，结构简单，制造和检修方便。

液体喷淋装置的机构形式很多，常见的喷淋器结构有如下几种：管式喷淋器、莲蓬头式喷淋器、盘式分布器、冲击式喷淋器等。对于各种类型的塔，应根据塔径的不同，选择不同的喷

淋结构。

（三）液体再分布装置

填料塔内当液体沿填料层下流时，往往会产生壁流现象，使塔中心填料得不到良好的润湿，减少了气液接触的有效面积。为了克服这种现象，当填料层过高时，应将填料层分段装填，并在塔内每两段填料之间安装液体再分布装置，使液体重新分布。液体再分布器的形式有多种，常用的结构有截锥式在分布器和槽型在分布器等。

（四）塔顶除雾沫器

穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此有时需在塔顶气体排出口前设置除雾沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，常用的型式有填料除雾器、折流板式除雾器、丝网除雾器这几类

五．工艺流程图

设计任务书→物料衡算→确定吸收剂最小用量→吸收剂用量为最小量的1.2倍→操作气速（u=uf）→计算填料塔直径→操作气速的校核→填料规格的校核→液体喷淋密度的校核→传质系数的计算→填料层高度的计算→填料层压降的计算→设计辅助设备。

六．设计结果汇总

项目符号单位数值

混合气体平均摩尔质量MG g/mol 34.259

混合气体的平均密度ρG Kg/m^3 1.425

混合气体的平均粘度μG kg/(m*h) 0.0619

进塔气相摩尔比Y1 0.1765

出塔气相摩尔比Y2 0.000282

进塔惰性气相流量V Kmol/ h 70.712

液体流量L Kmol/ h 2950.003

泛点气速

m/s 1.162

空塔气速u m/s 0.813

填料塔塔径 D m 0.933

圆整填料塔塔径 D m 1

最小喷淋密度LV(min)

8.24

喷淋密度LV

67.88

气相分传质系数kGa kmol/(m2.h.kpa) 4.43

单位体积填料层的有效表面积 a m3/m2 79.56

液相分传质系数KL l/h 121.85

以分压差为推动力的气相总传质系数KG*a Kmol/(m3.h.kpa) 1.33

填料层高度Z m 2.4689

填料层压降△P KPa 1.5696

七．设计心得：

课程设计需要我们把平时所学的理论知识运用到实践中，使我们对书本上所学理论知识有了进一步的理解，更让我们体会到了理论知识对实践工作的重要的指导意义。课程设计要求我们完全依靠自己的能力去学习和设计，而不是像以往课程那样一切都由教材和老师安排。因此，课程设计给我们提供了更大的发挥空间，让我们发挥主观能动性独立地去通过书籍、网络等各种途径查阅资料、查找数据，确定设计方案。通过这次课程设计提高了我们的认识问

题、分析问题、解决问题的能力。更加重要的是还学会了一种认真做事的态度。这以后无疑会对自己的工作和生活产生影响。

八.主要符号说明

MG------------混合气体平均摩尔质量, g/mol ρG----------混合气体的平均密度, Kg/m3

μG----------混合气体的平均粘度,Pa.s Y a, Yb------进,出塔气相摩尔比

V, L----进塔惰性气体,液体流量,Kmol/ h uf----------泛点气速m/s

u-------空塔气速,m/s D-------填料塔塔径m

LV------喷淋密度,m3/m2.h a---单位体积填料层的有效表面积,m3/m2

kGa ,KLa----气相,液相分传质系数,kmol/(m2.h.kpa)

△H----填料层高度m

△P----压降kpa