填料塔课程设计要点

目录

1.前言 (4)

2.设计任务 (6)

3.设计方案说明 (6)

4.基础物性数据 (6)

5.物料衡算 (6)

6.填料塔的工艺尺寸计算 (8)

7.附属设备的选型及设备 (14)

8.参考文献 (19)

9.后记及其他 (20)

1.前言

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，它是化工类企业中最常用的气液传质设备之一。而塔填料塔内件及工艺流程又是填料塔技术发展的关键。聚丙烯材质填料作为塔填料的重要一类，在化工上应用较为广泛，与其他材质的填料相比，聚丙烯填料具有质轻、价廉、耐蚀、不易破碎及加工方便等优点，但其明显的缺点是表面润湿性能。

1.1填料塔技术

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（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。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。

1.2 填料的类型

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。

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。

规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。

根据设计的费用和分离要求来考虑，本设计采用散装填料。

1.3填料的几何特性

填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。

1.4填料的性能评价

填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低

填料塔的流体力学性能

1.5填料塔的流体力学性能

主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。

1.6填料的选择

填料的选择包括填料种类的选择、填料规格的选择（散装填料规格的选择、规整填料规格的选择）、填料材质的选择等，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。在填料的选择中，我选用D N50填料。因为设计任务的年产量比较小，塔径为800mm，不适合用尺寸大的填料。而在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多。而D N50填料正处于两者之间。是理想的填料类型。

1.7填料塔的内件

填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。

2. 设计任务

• 原料气组成: 丙酮－空气双组分混合气体 丙酮含量 14.0%（体积%）

• 处理量: 1.3×107 ~ 4.1Χ107 Nm 3 /a （标准体积流量）

年吸收能力1.2×107m 3，年开工3600小时

• 操作条件: 连续常压操作 ( t = 20~30 ℃ )

• 尾气要求: 出塔气体中丙酮含量不大于原料气中丙酮含量的0.5%. • 吸收剂: 清 水

3．设计方案的说明

用水吸收丙酮溶解的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程，因用水作为吸收剂，且丙酮不作为产品，故采用纯溶剂。

对于水吸收的丙酮过程，操作温度及操作压力较低，故此用塑料阶梯环D N 50填料。

4．基础物性数据

4.1液相物性数据

20ºC 时水的有关物性数据如下： 密度为 3/2.998m kg =ρ

粘度为 )./(6.3.001.0h m kg s Pa ==μ

表面张力为 2

/940896/6.72h kg cm dyn L ==σ

丙酮在水中的扩散系数为 h m s m D L /1068.4/103.12

629--⨯=⨯=

4.2气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为

kmol kg Mi y M i Vm /0712.332986.008.5814.0=⨯+⨯=∑=

混合气体的平均密度为

3

/3756.1)293314.8/()908.31325.101(/m kg RT PMV m Vm =⨯⨯==ρ

混合气体的粘度可近似取空气的粘度，查手册的20 ℃空气的粘度为

)./(065.0.1081.15h m kg s Pa V =⨯=-μ

丙酮在空气中的扩散系数为 h m s m D V /037.0/1003.12

25=⨯=-

4.3气相中平衡数据 常压下20 ℃ 时, )./(3428.03m kPa kmol EM H s

L

==

ρ 在水中的享利系数为E=161.6KPa; 相平衡常数为m=E/P=1.5949

5．物料衡算

进塔气相摩尔比为

1628.014

.0114

.01111=-=-=

y y Y

出塔气相摩尔比为：

0228.0)1(12=-=A Y Y ϕ

进塔惰性气相流量为 (1.2×107)/3600=3333.3

该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为

取操作液气比为：

1

24.119)14.01(20

273273

4.223.3333-⋅=-⨯+⨯=

h kmol V 2121min

X m Y Y Y V L --=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛0

2=X 3715.105949.1/1628.00228.01628.0min

=--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛V L min

5.1⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛V L V L 63.24524.1190

6.206.23715.15.11

⋅=⨯==⨯=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛-h kmol L V L