填料塔计算部分

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. 填料吸收塔设计任务书

一、设计题目

填料吸收塔设计

二、设计任务及操作条件

１、原料气处理量：5000m3/h。

２、原料气组成：98％空气＋2.5％的氨气。

３、操作温度：20℃。

４、氢氟酸回收率：98％。

５、操作压强：常压。

６、吸收剂：清水。

７、填料选择：拉西环。

三、设计内容

1.设计方案的确定及流程说明。

2.填料吸收塔的塔径，填料层的高度，填料层的压降的计算。

3.填料吸收塔的附属机构及辅助设备的选型与设计计算。

4.吸收塔的工艺流程图。

5.填料吸收塔的工艺条件图。

目录

第一章设计方案的简介 (4)

第一节塔设备的选型 (4)

第二节填料吸收塔方案的确定 (6)

第三节吸收剂的选择 (6)

第四节操作温度与压力的确定 (7)

第二章填料的类型与选择 (7)

第一节填料的类型 (7)

第二节填料的选择 (9)

第三章填料塔工艺尺寸 (10)

第一节基础物性数据 (10)

第二节物料衡算 (11)

第三节填料塔的工艺尺寸的计算 (12)

第四节填料层压降的计算 (16)

第四章辅助设备的设计与计算 (16)

第一节液体分布器的简要设计 (16)

第二节支承板的选用 (17)

第三节管子、泵及风机的选用 (18)

第五章塔体附件设计 (20)

第一节塔的支座 (20)

第二节其他附件 (20)

第一章设计方案的简介

第一节塔设备的选型

塔设备是化工、石油化工、生物化工制药等生产过程中广泛采用的气液传质设备。根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。

1、板式塔

板式塔为逐级接触式气液传质设备，是最常用的气液传质设备之一。传质机理如下所述：塔内液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下层塔板的受液盘，然后横向流过塔板，从另一侧的降液管流至下一层塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的液层。气体则在压力差的推动下，自下而上穿过各层塔板的气体通道（泡罩、筛孔或浮阀等），分散成小股气流，鼓泡通过各层塔板的液层。在塔板上，气液两相密切接触，进行热量和质量的交换。在板式塔中，气液两相逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相为连续相，气相为分散相。

一般而论，板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，操作弹性大，且造价低，检修、清洗方便，故工业上应用较为广泛。

２、填料塔

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。几年来，由于填料塔研究工作已日益深入，填料结构的形式不断更新，填料性能也得到了迅速的提高。金属鞍环，改型鲍尔环及波纹填料等大通量、低压力降、高效率填料的开发，使大型填料塔不断地出现，并已推广到大型汽—液系统操作中，尤其是孔板波纹填料，由于具有较好的综合性能，使其不仅在大规模生产中被采用，且由于其在许多方面优于各种塔盘而越来越得到人们的重视，在某些领域中，有取代板式塔的趋势。近年来，在蒸馏和吸收领域中，最突出的变化是新型填料，特别是规整填料在大直径塔中的采用，它标志作塔填料、塔内件及塔设备的综合设计技术已进入到一个新的阶段。

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。填料塔的塔身是一直立式圆筒（如右图所示），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。

3、板式塔和填料塔的比较

如下表格所示

表1-1板式塔与填料塔的比较

表1-2 塔型选用顺序

而本次设计用到的物料是氢氟酸，氢氟酸是具有腐蚀性的物料，因此选择填料塔。

4、选塔的基本原则：

1、生产能力大，有足够的弹性。

2、满足工艺要求，分离效率高。

3、运行可靠性高，操作、维修方便，少出故障。

4、结构简单，加工方便，造价较低。

5、塔压降小。

综上考虑，吸收5000m3/h含2.5%的生产任务不是很大，由于它结构简单，造价较低，便于采用耐蚀材料使得寿命较长，而且本次设计用到的物料是氢氟酸，氢氟酸是具有腐蚀性的物料，因此我们采用填料吸收塔完成该项生产任务。

第二节填料吸收塔方案的确定

1、装置流程的确定

装置流程的主要有以下几种：

a.逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相由塔顶流入由塔底流出，其传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用此操作。

b.并流操作气液两相均由塔顶流向塔底，其系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，液流对推动力影响不大；易溶气体的吸收或吸收的气体不需吸收很完全；吸收剂用量很大，逆流操作易引起液泛。

c.吸收剂部分循环操作在逆流操作过程中，用泵将吸收塔排除的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，通常以下情况使用：当吸收剂用量较少，为提高塔的喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温度升高，需取出一部分热量。该流程特别适用于相平衡常数m较小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的利用率。需注意吸收剂的部分再循环较逆流操作费用的平均推动力较小，且需设置循环泵，操作费用提高。

由于氢氟酸在水中的溶解度很大。逆流操作时平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。逆流操作是完成该项任务的最佳选择。

第三节吸收剂的选择

吸收过程是依靠气体溶质在溶剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂的性能的和优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择时有以下考虑方面：

a.溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。

b.选择性吸收剂对溶质组分要有良好的选择吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。

c.挥发度要低操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，要减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发和损失。

d.粘度吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。

e.其他所选的吸收剂尽量的满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、廉价易得以及化学性质稳定等要求。

在吸收空气中少量的氢氟酸时，水是最理想的溶剂，由于氢氟酸在水中的溶解度很大；常温常压下，水的挥发度很小；粘度较小；价格低廉等。

第四节操作温度与压力的确定

1、操作温度的确定

由于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，当操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。

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。但随着操作压力的升高，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的条件综合考虑，以确定操作压力。

在该任务中，由于在常温常压下操作且在此条件下氨的溶解度很大，且受温度与压力的影响不大，在此不做过多的考虑。

第二章填料的类型与选择

第一节填料的类型

填料的选择包括确定填料的种类、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最低。

填料的种类很多，根据装填的方式的不同，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集合形状和尺寸的颗粒体一般以随机的方式堆积在塔内的，又称为乱堆填料和颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、和环鞍的填料等。以下是典型的散装填料：

a.拉西环填料拉西环填料是最早提出的工业填料，其结构为外径与高度相等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制成。拉西环填料的气液分布较差、传质效率低、阻力大、通量小，目前工业上用得较少。

b.鲍尔环填料鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。其结构为在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗口，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶诸舌叶的侧边与环中间相搭，可用陶瓷、塑料、金属制造鲍耳环由于环内开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率气流阻力小，，液体分布均匀。与拉西环相比通量可提高50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是目前应用较广的填料之一。

c.阶梯环填料阶梯环是对鲍尔环的改进。鲍尔环相比阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形的翻边由于高径比减少，使得气体绕填料外外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅提高了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变为点接触为主，这样不但增加了填料层之间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新。有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前环形填料中最为优良的一种。

2、规整填料

规整填料是按一定的的几何图形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料。工业上使用的绝大多数规整填料为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料可用陶瓷、塑料、金属制造。

金属丝波纹填料是网波纹填料的主要形式，是由金属丝制成。其特点是压降低、分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性的精馏提供了有效的手段。尽管造价高，但因性能优越仍得到了广泛的应用。

金属板波纹填料是板填料的主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多Φ4mm~Φ6mm的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上扎成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。

波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大。其缺点是不适用于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清洗困难、造价高。

第二节填料的选择

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，通常考虑以

下几个方面：

a.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

b.通量要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

c.填料层的压降要低

d.填料抗污堵性能强，拆装、检修方便

2、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。

（1）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。

（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