【正文】 《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》 填料 塔設(shè)計 學(xué)院： 化學(xué)化工學(xué)院 班級： 化工 09（ 2）班 學(xué)號： 姓名： 填料塔設(shè)計 前言 : 填料吸收塔簡介 在化學(xué)工業(yè)中，吸收操作廣泛應(yīng)用于石油煉制，石油化工中分離氣體混合物，原料氣的精制及從廢氣回收有用組分或去除有害組分等。吸收操作中以填料吸收塔生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓力降小，操作彈性大和持液量小等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)對填料吸收塔設(shè)計大部分是經(jīng)驗設(shè)計方法，該方法是在給定生產(chǎn)任務(wù)的條件下，由經(jīng)驗確定出一個液氣 比的值，然后手算出吸收塔的有關(guān)設(shè)計參數(shù)。該設(shè)計手段落后，沒有考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，不符合工廠實際生產(chǎn)中成本最低要求，故提出了填料吸收塔的優(yōu)化設(shè)計方法。 下面簡要介紹一下填料塔的有關(guān)內(nèi)容。 填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。填料塔以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填 料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。 與板式塔相比，在填料塔中進(jìn)行的傳質(zhì)過程，其特點是氣液連續(xù)接觸，而傳質(zhì)的好壞與填料密切相關(guān)。填料提供了塔內(nèi)的氣液兩相接觸面積。填料塔的流體力學(xué)性能，傳質(zhì)速率等與填料的材質(zhì)，幾何形狀密切相關(guān)，所以長期以來人們十分注中填料的性能和新型填料的開發(fā)，使得填料塔在化工生產(chǎn)中應(yīng)用更加廣泛。 填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點。填料塔還有以下特點： 大時，填料塔因為結(jié)構(gòu)簡單而造價便宜。 ，填料塔更適合，因填料對氣泡有限制和破碎作用。 ，填料塔更適合，因為可以采用瓷質(zhì)填料。 ，因為填料塔的持液量比板式塔少，物料在塔內(nèi)的停留時間短。填料塔的壓強(qiáng)降比板式塔小，因而對真空操作更有利。 填料塔也有一些不足之處，如填料造價高；當(dāng)液體負(fù)荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等。 填料塔的類型很多，其設(shè)計的原則大體相同，一 般來說，填料塔的設(shè)計步驟如下： ①根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計方案； ②根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝要求，合理地選擇填料； ③確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸； ④計算填料層的壓降； ⑤進(jìn)行填料塔塔內(nèi)件的設(shè)計與選型。 設(shè)計方案的確定 填料精餾塔設(shè)計方案的確定包括裝置流程的確定、操作壓力的確定、進(jìn)料熱狀況的選擇、加熱方式的選擇及回流比的選 擇。 (1) 裝置流程的確定 吸收裝置的流程主要有以下幾種，圖 41～ 44列出了部分流程。 ①逆流操作 氣相自塔底進(jìn)入 由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特點是，傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快，分高效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。 ②并流操作 氣液兩相均從塔頂流向塔底，此即并流操作。并流操作的特點是，系統(tǒng)不受液流限制，可提高操作氣速，以提高生產(chǎn)能力。并流操作通常用于以下情況：當(dāng)吸收過程的平衡曲線較平坦時，流向?qū)ν苿恿τ绊懖淮螅灰兹軞怏w的吸收或處理的氣體不需吸收很完全；吸收劑用量特別大，逆流操作易引起液泛。 ③吸收劑部分再循環(huán)操作 在逆流操作系統(tǒng)中，用泵將吸收塔排出液體的一部分冷 卻后與補(bǔ)充的新鮮吸收劑一同送回塔內(nèi)，即為部分再循環(huán)操作。通常用于以下情況：當(dāng)吸收劑用量較小，為提高塔的液體噴淋密度；對于非等溫吸收過程，為控制塔內(nèi)的溫升，需取出一部分熱量。該流程特別適宜于相平衡常數(shù) m 值很小的情況，通過吸收液的部分再循環(huán)，提高吸收劑的使用效率。應(yīng)予指出，吸收劑部分再循環(huán)操作較逆流操作的平均推動力要低，且需設(shè)置循環(huán)泵，操作費(fèi)用增加。 ④多塔串聯(lián)操作 若設(shè)計的填料層高度過大，或由于所處理物料等原因需經(jīng)常清理填料，為便于維修，可把填料層分裝在幾個串聯(lián)的塔內(nèi)，每個吸收塔通過的吸收劑和氣體量都相等，即 為多塔串聯(lián)操作。此種操作因塔內(nèi)需留較大空間，輸液、噴淋、支承板等輔助裝置增加，使設(shè)備投資加大。 ⑤串聯(lián) 并聯(lián)混合操作 若吸收過程處理的液量很大，如果用通常的流程，則液體在塔內(nèi)的噴淋密度過大，操作氣速勢必很小 (否則易引起塔的液泛 )，塔的生產(chǎn)能力很低。實際生產(chǎn)中可采用氣相作串聯(lián)、液相作并聯(lián)的混合流程；若吸收過程處理的液量不大而氣相流量很大時，可采用液相作串聯(lián)、氣相作并聯(lián)的混合流程。 總之，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)、工藝特點，結(jié)合各種流程的優(yōu)缺點選擇適宜的流程布置。 圖 41 逆流吸收塔 圖 42 串聯(lián)逆流吸收塔流程 圖 44 吸收劑部分循環(huán)的吸收解吸聯(lián)合流程 圖 43 吸收劑部分循環(huán)吸收塔 (2）吸收劑的選擇 吸收過程是依靠氣體溶質(zhì)在吸收劑中的溶解來實現(xiàn)的，因此，吸收劑性能的優(yōu)劣，是決定吸收操作效果的關(guān)鍵之一，選擇吸收劑時應(yīng)著重考慮以下幾方面。 ①溶解度 吸收劑對溶質(zhì)組分的溶解度要大，以提高吸收速率并減少吸收劑的需用量。 ②選擇性 吸收劑對溶質(zhì)組分要有良好地吸收能力，而對混 合氣體中的其他組分不吸收或吸收甚微，否則不能直接實現(xiàn)有效的分離。 ③揮發(fā)度要低 操作溫度下吸收劑的蒸氣壓要低，以減少吸收和再生過程中吸收劑的揮發(fā)損失。 ④粘度 吸收劑在操作溫度下的粘度越低，其在塔內(nèi)的流動性越好，有助于傳質(zhì)速率和傳熱速率的提高。 ⑤其他 所選用的吸收劑應(yīng)盡可能滿足無毒性、無腐蝕性、不易燃易爆、不發(fā)泡、冰點低、價廉易得以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等要求。 一般說來，任何一種吸收劑都難以滿足以上所有要求，選用時應(yīng)針對具體情況和主要矛盾，既考慮工藝要求又兼顧到經(jīng)濟(jì)合理性。 (3)操作溫度與壓力 的確定 ①操作溫度的確定 由吸收過程的氣液平衡關(guān)系可知，溫度降低可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即低溫有利于吸收，但操作溫度的低限應(yīng)由吸收系統(tǒng)的具體情況決定。例如水吸收 CO2 的操作中用水量極大，吸收溫度主要由水溫決定，而水溫又取決于大氣溫度，故應(yīng)考慮夏季循環(huán)水溫高時補(bǔ)充一定量地下水以維持適宜溫度 ,此次操作的溫度為 125。 ②操作壓力的確定 由吸收過程的氣液平衡關(guān)系可知，壓力升高可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即加壓有利于吸收。但隨著操作壓力的升高，對設(shè)備的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需結(jié)合具體工藝條件綜合考慮，以 確定操作壓力 ,此次操作的壓力為 4MPa。 填料的類型 塔填料 (簡稱為填料 )是填料塔中氣液接觸的基本構(gòu)件，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的選擇是填料塔設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。 填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。 (1) 散裝填料 散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料。環(huán)鞍形填料及球形填料等?，F(xiàn)介紹幾種較典型的散裝填料。 ①拉西環(huán)填料 拉西環(huán)填料是最早提出的工業(yè)填料，其結(jié)構(gòu)為外徑與高度相等的圓環(huán)，可用陶瓷、塑料、金屬等材質(zhì)制造。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質(zhì)效率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已很少應(yīng)用。 ②鮑爾環(huán)填料 鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得。其結(jié)構(gòu)為在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉，諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭，可用陶瓷、塑料、金屬等材質(zhì)制造。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，其通量可 增加 50%以上，傳質(zhì)效率提高 30%左右。鮑爾環(huán)是目前應(yīng)用較廣的填料之一。 ③階梯環(huán)填料 階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進(jìn)。與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半，并在一端增加了一個錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，可以促進(jìn)液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu) 良的一種。 ④弧鞍填料 弧鞍填料屬鞍形填料的一種，其形狀如同馬鞍，一般采用瓷質(zhì)材料制成?；“疤盍系奶攸c是表面全部敞開，不分內(nèi)外，液體在表面兩側(cè)均勻流動，表面利用率