填料塔计算部分

填料汲取塔设计任务书

一、设计题目

填料汲取塔设计

二、设计任务及操作条件

１、原料气办理量： 5000m3/h。

２、原料气构成： 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、汲取剂：清水。

７、填料选择：拉西环。

三、设计内容

1. 设计方案确实定及流程说明。

2. 填料汲取塔的塔径，填料层的高度，填料层的压降的计算。

3. 填料汲取塔的隶属机构及协助设施的选型与设计计算。

4. 汲取塔的工艺流程图。

5. 填料汲取塔的工艺条件图。

目录

第一章设计方案的简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（4）第一节塔设施的选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（4）第二节填料汲取塔方案确实定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（6）第三节汲取剂的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（6）第四节操作温度与压力确实定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（7）第二章填料的种类与选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（7）第一节填料的种类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（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）第四章协助设施的设计与计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（ 16）第一节液体散布器的简要设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（16）第二节支承板的采纳⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（17）第三节管子、泵及风机的采纳⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（18）第五章塔体附件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（20）第一节塔的支座⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（20）第二节其余附件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（20）

2

第一章设计方案的简介

第一节塔设施的选型

塔设施是化工、石油化工、生物化工制药等生产过程中宽泛采纳的气液传质

设施。依据塔内气液接触构件的构造形式，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施，是最常用的气液传质设施之一。传质

机理以下所述：塔内液体依赖重力作用，由上层塔板的降液管流到基层塔板的受

液盘，而后横向流过塔板，从另一侧的降液管流至下一层塔板。溢流堰的作用是

使塔板上保持必定厚度的液层。气体则在压力差的推进下，自下而上穿过各层塔

板的气体通道（泡罩、筛孔或浮阀等），分别成小股气流，鼓泡经过各层塔板的

液层。在塔板上，气液两相亲密接触，进行热量和质量的互换。在板式塔中，气

液两相逐级接触，两相的构成沿塔高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相为连续相，

气相为分别相。

一般而论，板式塔的空塔速度较高，因此生产能力较大，塔板效率稳固，操

作弹性大，且造价低，检修、冲洗方便，故工业上应用较为宽泛。

２、填料塔

填料塔是最常用的气液传质设施之一，它宽泛应用于蒸馏、汲取、解吸、汽

提、萃取、化学互换、清洗和热互换等过程。几年来，因为填料塔研究工作已日

益深入，填料构造的形式不停更新，填料性能也获得了快速的提升。金属鞍环，

改型鲍尔环及涟漪填料等大通量、低压力降、高效率填料的开发，使大型填料塔

不停地出现，并已推行到大型汽—液系统操作中，特别是孔板涟漪填料，因为具有较好的综合性能，使其不单在大规模生产中被采纳，且因为其在很多方面优于

各样塔盘而愈来愈获得人们的重视，在某些领域中，有代替板式塔的趋向。最近几年来，在蒸馏和汲取领域中，最突出的变化是新式填料，特别是规整填料在大直径

塔中的采纳，它标记作塔填料、塔内件及塔设施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施。填料塔的塔身

是向来立式圆筒（如右图所示），底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方

式搁置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上涨气流吹动。液体从塔

3

顶经液体散布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体散布装置（小直径塔一般不设气体散布装置）散布后，与液体呈逆流连续经过填料层的

缝隙，在填料表面上，气液两相亲密接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设施，两相构成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相

为分别相。

当液体沿填料层向下贱动时，有渐渐向塔壁集中的趋向，使得塔壁邻近的液流量渐渐增大，这类现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中散布不均，从而使传质效率降落。所以，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再散布

装置。液体再散布装置包含液体采集器和液体再散布器两部分，上层填料流下的

液体经液体采集器采集后，送到液体再散布器，经从头散布后喷淋到基层填料上。填料塔拥有生产能力大，分别效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等长处。

3、板式塔和填料塔的比较

以下表格所示

表1-1 板式塔与填料塔的比较

序号填料塔板式塔

１Φ800mm以下，造价低，直径大则价高

Φ600mm以下时，安装困

难

２

用小填料时，小塔的效率高，塔径增大，效率降落，

所需高度急增效率较稳固。大塔板效率比小塔板有所提升

３空塔速度（生产能力）低空塔速度高

４大塔检修花费高，劳动量大检修清理比填料塔简单

５压降小。对阻力要求小的场合较合用（如：真空操作）压降比填料塔大６对液相喷淋量有必定要求气液比的适应范围大

７

内部构造简单，便于非金属资料制作，可用于腐化较

严重的场合多半不便于非金属资料

的制作

８持液量小持液量大

表 1-2 塔型采纳次序

4

而本次设计用到的物料是氢氟酸，氢氟酸是拥有腐化性的物料，所以选择填料塔。

4、选塔的基来源则：

1、生产能力大，有足够的弹性。

2、知足工艺要求，分别效率高。

3、运转靠谱性高，操作、维修方便，少出故障。

4、构造简单，加工方便，造价较低。

5、塔压降小。

综上考虑，汲取 5000m3/h 含 2.5%的生产任务不是很大，因为它构造简单，造价较低，便于采纳耐蚀资料使得寿命较长，并且本次设计用到的物料是氢氟酸，氢氟酸是拥有腐化性的物料，所以我们采纳填料汲取塔达成该项生产任务。

第二节填料汲取塔方案确实定

1、装置流程确实定

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，分别效率高，汲取剂利用率高。工业生产中多采纳此操作。

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，可提升

操作气速，以提升生产能力。往常用于以下状况：当汲取过程的均衡曲线较平展时，液流对推进力影响不大；易溶气体的汲取或汲取的气体不需汲取很完整；吸收剂用量很大，逆流操作易惹起液泛。

c. 汲取剂部分循环操作在逆流操作过程中，用泵将汲取塔清除的一部

分冷却后与增补的新鲜汲取剂一起送回塔内，往常以下状况使用：当汲取剂用量较少，为提升塔的喷淋密度；关于非等温汲取过程，为控制塔内的温度高升，需

拿出一部分热量。该流程特别合用于相均衡常数 m较小的状况，经过汲取液的部分再循环，提升汲取剂的利用率。需注意汲取剂的部分再循环较逆流操作花费的均匀推进力较小，且需设置循环泵，操作花费提升。

因为氢氟酸在水中的溶解度很大。逆流操作时均匀推进力大，传质速率快，

分别效率高，汲取剂利用率高。逆流操作是达成该项任务的最正确选择。

5

第三节汲取剂的选择

汲取过程是依赖气体溶质在溶剂中的溶解来实现的，所以，汲取剂的性能的

和好坏，是决定汲取操作成效的重点之一，选择时有以下考虑方面：

a. 溶解度汲取剂对溶质组分的溶解度要大，以提升汲取速率并减少汲取剂

的用量。

b. 选择性汲取剂对溶质组分要有优秀的选择汲取能力，而对混淆气体中的

其余组分不汲取或汲取甚微，不然不可以直接实现有效的分别。

c. 挥发度要低操作温度下汲取剂的蒸汽压要低，要减少汲取和重生过程中

汲取剂的挥发和损失。

d. 粘度汲取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升。

e. 其余所选的汲取剂尽量的知足无毒性、无腐化性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、低价易得以及化学性质稳固等要求。

在汲取空气中少许的氢氟酸时，水是最理想的溶剂，因为氢氟酸在水中的溶

解度很大；常温常压下，水的挥发度很小；粘度较小；价钱便宜等。

第四节操作温度与压力确实定

1、操作温度确实定

因为汲取过程的气液均衡关系可知，温度降低可增添溶质组分的溶解度。即

低温有益于汲取，当操作温度的低限应由汲取系统的详细状况决定。

2、操作压力确实定

由汲取过程的气液均衡关系可知，压力高升可增添溶质组分的溶解度，即加

压有益于汲取。但跟着操作压力的高升，对设施的加工制造要求提升，且能耗增

加所以需联合详细工艺的条件综合考虑，以确立操作压力。

在该任务中，因为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。

第二章填料的种类与选择

第一节填料的种类

6

填料的选择包含确立填料的种类、规格及材质等。所选填料既要知足生产工

艺的要求，又要使设施投资和操作花费最低。

填料的种类好多，依据装填的方式的不一样，可分为散装填料和规整填料两大类。

1、散装填料

散装填料是一个个拥有必定会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。散装填料依据构造特色不一样，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，其构造为外径与高度相

等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制成。拉西环填料的气液散布较差、传

质效率低、阻力大、通量小，当前工业上用得较少。

b. 鲍尔环填料鲍尔环是在拉西环的基础上改良而得。其构造为在拉西环的

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

内曲折，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

造鲍耳饰因为环内开孔，大大提升了环内空间及环内表面的利用率气流阻力小，，液体散布均匀。与拉西环对比通量可提升 50%以上，传质效率提升 30%左右。鲍

尔环是当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良。鲍尔环对比阶梯环高度减少了一半，并在一端增添了一个锥形的翻边因为高径比减少，使得气体绕填料外外壁的

均匀路径大为缩短，减少了气体经过填料层的阻力。锥形翻边不单提升了填料的

机械强度，并且使填料之间由线接触为主变为点接触为主，这样不只增添了填料

层之间的缝隙，同时成为液体沿填料表面流动的聚集分别点，能够促使液膜的表

面更新。有益于传质效率的提升。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为当前环形填猜中最为优秀的一种。

2、规整填料

规整填料是按必定的的几何图形摆列，齐整堆砌的填料。规整填料种类好多，依据其几何构造分为格栅填料、涟漪填料、脉冲填料。工业上使用的绝大部分规整填料为涟漪填料。涟漪填料按构造分为网涟漪填料和板涟漪填料可用陶瓷、塑料、金属制造。

7

金属丝涟漪填料是网涟漪填料的主要形式，是由金属丝制成。其特色是压降低、分别效率高，特别合用于精细精馏及真空精馏装置，犯难分别物系、热敏性

的精馏供给了有效的手段。只管造价高，但因性能优胜仍获得了宽泛的应用。

金属板涟漪填料是板填料的主要形式。该填料的涟漪板片上冲压有很多

Φ4mm~Φ6mm 的小孔，可起到粗分派板片上的液体、增强悍向混淆的作用。波

纹板片上扎成渺小沟纹，可起到细分派板片上的液体、增强表面湿润性能的作用。金属孔板涟漪填料强度高，耐腐化性强，特别合用于大直径塔及气液负荷较大的场合。

涟漪填料的长处是构造紧凑，阻力小，传质效率高，办理能力大，比表面积大。其弊端是不合用于办理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、冲洗困难、造价高。

第二节填料的选择

1、填料种类的选择：填料种类的选摘要考虑分别工艺的要求，往常考虑以

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. 通量要大在保证拥有较高传质效率的前提下，应选择拥有较高泛点气速

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，分别效率越高，但阻力

增添，通量减少，填料花费也增添好多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又

会产生液体散布不良及严重的壁流，使塔的分别效率降低。所以，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

好多，国内习习用比表面积表示，主要有 125、150、250、350、500、700 等几

8

种规格，同种种类的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增添，

通量减少，填料花费也显然增添。采纳时应从分别要求、通量要求、场所条件、

物料性质及设施投资、操作花费等方面综合考虑，使所选填料既能知足技术要求，又拥有经济合理性。

应予指出，一座填料塔能够采纳同种种类，同一规格的填料，也可采纳同种种类不一样规格的填料；能够采纳同种种类的填料，也能够采纳不一样种类的填料；有的塔段可采纳规整填料，而有的塔段可采纳散装填料。设计时应灵巧掌握，根据技术经济一致的原则来选择填料的规格。

3. 填料材质的选择

填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。

(1) 陶瓷填料陶瓷填料拥有很好的耐腐化性及耐热性，陶瓷填料价钱廉价，拥有很好的表面湿润性能，质脆、易碎是其最大弊端。在气体汲取、气体清洗、

液体萃取等过程中应用较为广泛。

(2) 金属填料金属填料可用多种材质制成，选择时主要考虑腐化问题。碳

钢填料造价低，且拥有优秀的表面湿润性能，关于无腐化或低腐化性物系应优先

–

考虑使用；不锈钢填料耐腐化性强，一般能耐除 Cl 之外常有物系的腐化，但其造价较高，且表面湿润性能较差，在某些特别场合（如极低喷淋密度下的减压精馏过程），需对其表面进行办理，才能获得优秀的使用成效；钛材、特种合金钢

等材质制成的填料造价很高，一般只在某些腐化性极强的物系下使用。

一般来说，金属填料可制成薄壁构造，它的通量大、气体阻力小，且拥有很

高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，应用范围最为宽泛。

(3) 塑料填料塑料填料的材质主要包含聚丙烯（ PP）、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC）等，国内一般多采纳聚丙烯材质。塑料填料的耐腐化性能较好，可

耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐化。其耐温性优秀，可长久在 100 C以下使用。

塑料填料质轻、价廉，拥有优秀的韧性，耐冲击、不易碎，能够制成薄壁结构。它的通量大、压降低，多用于汲取、解吸、萃取、除尘等装置中。塑料填料

的弊端是表面湿润性能差，但可经过适合的表面办理来改良其表面湿润性能。

综上对各样种类、各样规格填料的剖析，关于在 20℃，101.3KPa 下汲取

9

5000m3/h空气含 2.5%的氢氟酸，因为操作温度及操作压力较低，工业上常用散

装填料。应采纳 DN38瓷质拉西环填料。

2、净化塔强度设计和稳固校核

2.1 筒体和封头的壁厚计算

资料选择

依据设计温度 T=320 ℃，设计压力 P=0.6MPa ,塔壳表面面保温层厚度为

0.8mm,保温层资料的密度为 1.117g/cm 3，塔壳厚度附带量 C=3等要素, 资料能够采纳一般碳素钢 Q235系列或低合金 Q345R等. 但因为介质为有毒气体 , 且其拥有腐化性，故不可以采纳 Q235 系列钢板 . 而低合金钢中 Q345 R 为折服点σs = 340MPa的压力容器专用钢板, 拥有优秀的综协力学性能和制造工艺性能 , 且价

格廉价, 使用宽泛, 应采纳 Q345 R .

按设计压力计算筒体壁厚

= 2 P D

i t

筒体壁厚

P

式中

—塔体焊接接头系数，采纳双面接焊，所有无损探伤，取 =1 Di—塔内径 Di 为 2400mm

则

PD 0.6

i

= = =5.4

t

2 134 1-0.6 2 P

因为 Q345 R 钢板厚度为 7.5~25mm 时的钢板负误差 C1 = 0.8mm , 腐化裕度 C2 = 3mm,则设计厚度δ d = δ+ C 2 = 5.4+3=8.4 mm

考虑刚度, 稳固性及各样载荷的影响取名义厚度δ n = 1 2mm ,

有效厚度δ e = δn–(C1 + C2 )=12-(0.8+ 3) = 8.2mm

封头壁厚计算

1) 封头选择

10

2) 壁厚计算

标准椭圆封头壁厚

P D 0.6

i

c

= = =5.4mm

t

2 134 1-0.5 0.6

2 P

c

此中, Di = 2400mm , H i = 640mm . 计算压力 Pc = 0.77 MPa ;

所以,

P D 0.77

i

c

= = =6.9mm

c t

2 134 1-0.5 0.77

2 P

c

设计厚度δ d = δ+C2 = 5.4+3=8.3mm ;

考虑制造安装方便且由文件 [14] 查得取名义厚度δ n = 1 2mm ,有效厚度δe =δn-(C1 + C2 )= 12 -(0.8+3) = 8.2mm

图 2-2 椭圆形封头

第三章填料塔工艺尺寸

第一节基础物性数据

1、液相物性数据

关于低浓度汲取过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，20℃水的物性数据：

3

密度为L =998.2kg/m

粘度为L =0.001Pa· s=3.6kg/(m · h)

表面张力 L=72.6dyn/cm=940896kg/h 2

HF在水中的扩散系数为D L =2.07 × 10

-5 cm2/s=7.45 × 10-6m2/h

2、气相物性数据