化工单元过程及设备设计

1、散堆填料 散堆填料一般以随机的方式堆积在塔内，根据其结构特点的不同，可分为环形填料、 鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。所用的材质有陶瓷、塑料、石墨、玻璃以及金属 等，其结构特征及主要结构参数分别见图7~10和表1~4。
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填料塔的工艺设计
图7 环形填料结构示意图
图8 鞍形填料结构示意图
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1、散堆填料的泛点气速 （1）埃克特泛点气速关联图 对于散堆填料，常采用埃克特泛点气速关联图计算泛 点气速，见图12，其中
qmL G X q mG L u2 f G Y 0.2 g L
图1 吸收过程流程示意图
图2 两步吸收流程
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设计方案
2、单塔吸收流程和多塔吸收流程 单塔吸收流程如图1，是吸收过程中最常用的流程，如过程无特别需要，则一般采用
单塔吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需的塔体过高，或采用两
步吸收流程时，则需要采用多塔流程，图 3是一个典型的双塔吸收流程。
填料塔的塔径与填料直径的比值应保证不低于某一数值，防止产生较大的壁效应，造成塔的分 离效率下降。实际工程中可以参考表6选取填料尺寸。
表6 塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值
填料种类
拉西环 鞍环 鲍尔环
D/d的推荐值
D/d≥20~30 D/d≥15 D/d≥10~15
填料种类
阶梯环 环矩鞍
D/d的推荐值
D/d＞8 D/d＞8
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二、塔径的计算
目前计算塔径普遍使用的方法是计算填料塔的液泛点气体速度（简称泛点气速）， 并取泛点气速的某一倍数作为塔的操作气速（均指空塔气体速度），然后，依据气体
处理量确定塔径。
（一）泛点气速的计算
泛点气速主要和塔的气液相负荷及物性、填料的材质和类型以及规格有关，较为 广泛使用的方法是采用埃克特泛点气速关联图或采用Bain-Hougen泛点气速关联式求取。
154
127 94
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表1 环形填料结构特性参数
填料名称
公称直径 /mm
16
个数 /(1/m3)
143000 55900 13000 6500 9091 9300 2517 97160 31890
堆积密度 /(kg/m3)
216 427 365 395 516 483 420 439 475.5
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填料塔是化工分离过程的主体设备之一，结 构见图6。其工艺设计内容主要包括如下： 1、塔填料的选择； 2、塔径的计算； 3、填料层高度的计算； 4、液体分布器和液体再分布器的设计； 5、气体分布装置的设计；
6、填料支撑装置的设计；
7、塔底空间容积和塔顶空间容积的设计； 8、填料塔的流体动力学参数核算。
设计方案
4、部分溶剂循环吸收流程 由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，当液相喷淋量过小时， 将降低填料塔的分离效率，因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时，可以 采用部分溶剂循环吸收流程，以提高液相喷淋量，改善塔的操作条件，如图5。
图5 部分溶剂循环吸收流程
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（二）塔填料的性能
1、对塔填料的基本要求
塔填料的性能主要指塔填料的流体力学性能和质量传递性能。性能优良的塔填料应
具有良好的流体力学性能和传质性能，一般应具有如下特点： ① 具有较大的比表面积； ② 表面湿润性能好，有效传质面积大； ③ 结构上应有利于气液相的均匀分布； ④ 填料层内的持液量适宜； ⑤ 具有较大的空隙率，气体通过填料层时压降小，不易发生液泛现象。
图1 吸收过程流程示意图
图3 双塔吸收流程
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设计方案
3、逆流吸收与并流吸收
吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，如图4所示，由于逆流操作 具有传质推动力大，分离效率高的显著优点而广泛应用。工程上如无特别需要，一般均采 用逆流吸收流程。
图4 逆流与并流吸收流程
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不易挥发
再生性能好
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设计方案
二、吸收流程选择
1、一步吸收流程和两步吸收流程 一步吸收流程如图1所示，一般用于混合气体溶质浓度较低，过程分离要求不高， 选用一种吸收剂即可完成吸收任务的情况。若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也 高，难以用一步吸收达到规定的吸收要求，或虽能达到分离要求，但过程的操作费用 较高，从经济性的角度分析不够适宜时，考虑采用两步吸收流程，见图2。
127.4
312.8 175.8 143.2 112.3
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表2 矩鞍填料结构参数
填料名称 公称直径 /mm 25 38 陶瓷 50 76 16 8243 2400 365009 97680 3700 470 537.7 167 133 104.4 0.728 0.752 0.806 0.847 0.855 103 76.3 461 283 200 216 179.4 879 473 289 个数 /(1/m3) 58230 19680 堆积密度 /(kg/m3) 544 502 孔隙率 /% 0.722 0.804 比表面积 /(m2/m3) 200 131 填料因子 （干）/m-1 433 252
第一节 概述
第二节 设计方案
第三节 填料塔的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ艺设计
第四节 吸收过程设计实例
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概 述
气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物 的分离操作，其基本原理是利用气体混合物中各组 分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组 分分离的单元操作，如图1为一典型的气体吸收过 程。 吸收过程的工艺设计，要完成以下工作； 1、确定吸收过程设计方案； 2、确定工艺参数； 3、过程设备选型或设备设计；
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（三）、塔填料的选用
在选择塔填料时，主要考虑如下几个问题。 （1）选择填料材质
选用塔填料材质应根据吸收系统的介质以及操作温度而定。
（2）填料类型的选择 能够满足设计要求的塔填料不止一种，要在众多的塔填料中选择出最适宜的塔填料，以较少 的投资获得最佳的经济技术指标。
（3）填料尺寸的选择
——（1）
0.5
qmL 为液体的质量流量，kg/h； ρL 为液体密度，kg/m3 ； ρG 为气体密度，kg/m3 ； φ为实验填料因子，m-1 ； ψ为水的密度与液体密度之比；
和塑料材质的填料抗堵塞能力优于陶瓷填料。
对于不同类型的散堆填料，同样尺寸、材质的鲍尔环在同样的压降下，处理量比拉西环 大50%以上，分离效率可以提高30%以上；在同样的操作条件下，阶梯环的处理量可以比 鲍尔环大20%左右，效率较鲍尔环高5%到10%；而环鞍、矩鞍型填料则具有更大的处理量
和分离效率。
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孔隙率 /%
0.928 0.934 0.945 0.949 0.787 0.744 0.795 0.93 0.94
比表面积 /(m2/m3)
239 219 129 112.3 108.8 105.6 63.4 220 154.3
填料因子 （干）/m-1
299 269 153 131 223 278 126 273.5 185.5
图6 填料塔结构示意图
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一、填料塔的选择 （一）填料塔的分类及结构
塔填料是填料塔中的气液相间传质元件，其种类繁多，性能各异。按填料的结构及
其使用方式可以分为散堆填料和规整填料两大类。各类有不同的结构系列，同一结构系 列中有不同的尺寸和不同的材质，可供设计时选用。
（a）板波纹填料
（b）网波纹填料
图11 规整填料结构示意
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表5 规整填料结构参数
填料名称 型 号 125X 125Y 250X 250Y 350X 350Y 500X 500Y 轻质陶瓷 125X 250Y 350Y 陶瓷 400 450 470 孔隙率/% 0.98 0.98 0.97 0.97 0.94 0.94 0.92 0.92 0.9 0.85 0.8 0.7 0.75 0.715 比表面积 /(m2/m3) 125 125 250 250 350 350 500 500 125 250 350 400 450 470 波纹倾角/(°) 30 45 30 45 30 45 30 45 30 45 45 4 30 30 9 6.3 6.3 12 峰 高/mm 25 25
瓷拉西环
40 50 80 25
钢拉西环
35 50
76
25 38 塑料鲍尔环
1870
42900 15800
400
150 98
0.95
0.901 0.89
68
175 155
80
239 220
50（#）
50（*） 76
6500
6100 1930
74.8
73.7 70.9
0.901
0.9 0.92
112
92.7 72.2
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2、常用填料的性能 ① 分离能力 同一系列填料中，小尺寸填料比表面积较大，具有较高的分离能力。 ② 处理能力和压力降 同一系列填料中，空隙率大者具有较小的压力降和较大的处理 量，金属和塑料材质的填料与陶瓷填料相比，具有较小的压力降和较大的处理量。 ③ 抗堵塞性能 比表面积小的填料具有较大的空隙率，具有较强的抗堵塞能力；金属
钢鲍尔环
25 38 50 50（*）
瓷质阶梯环
50（#） 76 25
钢质阶梯环
38
50
25 塑料阶梯环 38 50 76
11600
81500 27200 10740 3420
400
97.8 57.5 54.3 68.4
0.95
0.9 0.91 0.927 0.929
109.2
228 132.5 114.2 90
图9 金属环矩鞍填料结构示意图
图10 球形填料结构示意图
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表1 环形填料结构特性参数
填料名称 公称直径 /mm 25 个数 /(1/m3) 49000 127000 6000 1910 55000 19000 7000 堆积密度 /(kg/m3) 505 577 457 714 640 570 430 孔隙率 /% 0.78 0.75 0.81 0.68 0.92 0.93 0.95 比表面积 /(m2/m3) 190 126 93 76 220 150 110 填料因子 （干）/m-1 400 305 177 243 290 190 130
4、绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；
5、编写工艺设计说明书。
图1 吸收过程流程示意图
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设计方案
一、吸收剂的选择
对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义，其对吸收操作过程的 经济性有直接影响。一般情况下，选择吸收剂，要遵循以下原则。 对溶质的溶解度大 对溶质有较高的选择性
76
3320
244.7
0.97
57.6
63.1
表4 环形填料结构参数
填料名称 TRI 公称直径 /mm 45mm×50mm 47 Teller花环 73 95 个数 /(1/m3) 11998 32500 8000 3600 堆积密度 /(kg/m3) 48 111 102 88 孔隙率 /% 0.95 0.88 0.89 0.9 185 127 94 比表面积 /(m2/m3)
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2、规整填料
规整填料是由许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元，以整砌的方式装填
在塔体中。规整填料主要包括板波纹填料、丝网波纹填料、格利希格栅、脉冲填料 等，其中尤以板波纹填料和丝网波纹填料应用居多。板波纹填料所用材料主要有金 属和瓷质，丝网波纹填料所用材料主要有金属网和塑料丝网。目前，国内常用规整 填料的主要结构及结构参数分别见图11表5。
塑料
25 76
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表3 金属环矩鞍填料结构参数
填料名称 公称直径 /mm 25 金属 38 50 个数 /(1/m3) 10116 24680 10400 堆积密度 /(kg/m3) 409 365 291 孔隙率 /% 0.96 0.96 0.96 比表面积 /(m2/m3) 185 112 74.9 填料因子 （干）/m-1 209.1 126.6 84.7