化工机械课程设计填料塔设计

《化工设备机械基础》

填料塔设计

填料塔设计

前言: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。

填料塔的类型很多，其设计的原则大体相同，一般来说，填料塔的设计步骤如下：

①根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；

②根据设计任务和工艺要求，合理地选择填料；

③确定塔径、填料层高度等工艺尺寸；

④计算填料层的压降；

⑤进行填料塔塔内件的设计与选型。

1.1设计方案的确定

填料精馏塔设计方案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、加热方式的选择及回流比的选择。

1.1.1.填料吸收塔设计方案的确定

(1)装置流程的确定

吸收装置的流程主要有以下几种，图4-1～4-4列出了部分流程。

①逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分高效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。

②并流操作气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通常用于以下情况：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，即为部分再循环操作。通常用于以下情况：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。该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应予指出，吸收剂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多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理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。此种操作因塔内需留较大空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。

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(否则易引起塔的液泛)，塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联、气相作并联的混合流程。

总之，在实际应用中，应根据生产任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点选择适宜的流程布置。

图4-1 逆流吸收塔图4-2 串联逆流吸收塔流程

图4-4 吸收剂部分循环的吸收解吸联合流程

图4-3 吸收剂部分循环吸收塔

(2）吸收剂的选择

吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方面。

①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需用量。

②选择性吸收剂对溶质组分要有良好地吸收能力，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。

③挥发度要低操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失。

④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。

⑤其他所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。

一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。。

(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，但操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。例如水吸收CO2的操作中用水量极大，吸收温度主要由水温决定，而水温又取决于大气温度，故应考虑夏季循环水温高时补充一定量地下水以维持适宜温度,此次操作的温度为125。

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条件综合考虑，以确定操作压力,此次操作的压力为4MPa。

1.2 填料的类型

塔填料(简称为填料)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因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。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。现介绍几种较典型的散装填料。