填料塔的设计HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】目录前言世界卫生组织和联合国环境组织发表的一份报告说：“空气污染已成为全世界城市居民生活中一个无法逃避的现实。

”如果人类生活在污染十分严重的空气里，那就将在几分钟内全部死亡。

工业文明和城市发展，在为人类创造巨大财富的同时，也把数十亿吨计的废气和废物排入大气之中，人类赖以生存的大气圈却成了空中垃圾库和毒气库。

因此，大气中的有害气体和污染物达到一定浓度时，就会对人类和环境带来巨大灾难，对有害气体的控制更必不可少。

一．设计任务书1.设计目的通过对气态污染物净化系统的工艺设计，初步掌握气态污染物净化系统设计的基本方法。

培养学生利用所学理论知识，综合分析问题和解决实际问题的能力、绘图能力、以及正确使用设计手册和相关资料的能力。

2.设计任务试设计一个填料塔，常压，逆流操作，操作温度为25℃，以清水为吸收剂，吸收脱除混合气体中的NH 3，气体处理量为1500m 3/h ，其中含氨%（体积分数），要求吸收率达到99%，相平衡常数m=。

3.设计内容和要求1）研究分析资料。

2）净化设备的计算，包括计算吸收塔的物料衡算、吸收塔的工艺尺寸计算、填料层压降的计算及校核计算。

3）附属设备的设计等。

4）编写设计计算书。

设计计算书的内容应按要求编写，即包括与设计有关的阐述、说明及计算。

要求内容完整，叙述简明，层次清楚，计算过程详细、准确，书写工整，装订成册。

设计计算书应包括目录、前言、正文及参考文献等，格式参照学校要求。

5）设计图纸。

包括填料塔剖面结构图、工艺流程图。

应按比例绘制，标出设备、零部件等编号，并附明细表，即按工程制图要求。

图纸幅面、图线等应符合国家标准；图面布置均匀；符合制图规范要求。

6）对设计过程的评述和有关问题的讨论。

二．设计资料1.工艺流程采用填料塔设计，填料塔是塔设备的一种。

塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。

例如应用于气体吸收时，液体由塔的上部通过分布器进入，沿填料表面下降。

气体则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上，与液体密切接触而相互作用。

结构较简单，检修较方便。

广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。

2.进气参数进气流量: 1500m 3/h 进气主要成分：NH 3空气粘度系数：h m kg s pa V ⋅=⋅⨯=-/065.01081.15μ 298K,下，氨气在空气中的扩散系数D V =s; 298K,下，氨气在水中的扩散系数D L =*10-9m 2/s 25℃时，氨在水中的溶解度为H=m 3kpa3.吸收液参数采用清水为吸收液，吸收塔进口液相吸收质浓度为0。

液相密度：3/1000m kg L =ρ 液相粘度：2/1m s mN L ⋅=μ 液膜传质分系数k L =×10-4m/s4.操作条件操作温度25°C ,气压1atm5.填料性能矩鞍环采用连续挤出的工艺进行加工，与同种材质的拉西环填料相比，矩鞍环具有通量大、压降低、效率高等优点。

矩鞍环填料床层具有较大的空隙率。

矩鞍环的形状介于环形与鞍形之间，因而兼有两者之优点，这种结构有利于液体分布和增加气体通道。

矩鞍环填料分为陶瓷和塑料和金属，现将规格列于下表1，以便于计算需要。

表1.国内矩鞍环填料特性参数三．设计计算书1．填料塔主体的计算图1是稳定操作状态下的逆流接触吸收塔内的物流和组成。

图1 稳定操作状态下的逆流接触吸收塔内的物流和组成V 、L 分别表示流经塔内任一单位截面的气、液通量，kmol/ )；V 1、V 2分别表示流经塔底和塔顶单位截面上的气体，kmol/ )；L 1、L 2分别表示流经塔底和塔顶单位截面上的液体通量，kmol/ )；y1、y2分别表示流经塔底、塔顶气体中溶质A 的摩尔分率，kmol(A)/kmol(气体 )；x1、x2分别表示流经塔底、塔顶液体中溶质A 的摩尔分率，kmol(A)/kmol(溶液 )。

吸收剂用量的计算进入吸收塔气体的摩尔体积为： 进塔气体中氨的浓度为： 出塔气体中氨的浓度： 进塔清水的浓度：假设平衡关系符合亨利定律，则最小气液比为： 则： h kmol L L /825.1018.1min =⨯= 吸收液浓度可依全塔物料衡算求出：塔径的计算吸收过程中，混合气体流量随塔减少（因吸收质不断进入液相），故计算塔径时，一般以塔底气量为依据计算。

计算塔径关键在于适宜的空塔气速。

如何确定适宜的空塔气速，是气液传质设备的流体力学问题。

刚出现液泛时的气速，为泛点气速；泛点气速是填料塔操作的极限气速，达到或超过此气速，填料塔即不能正常运行。

操作气速或空塔气速均低于泛点气速，对不同填料，有不同参考数据。

由资料可知：矩鞍形填料u=（～）uF ，因此需计算泛点气速。

烟气的平均流量： 炉气的质量流量： 烟气的密度： 清水密度： 洗涤水耗用量：由化工手册查得mm mm mm 8.03038⨯⨯矩鞍环（乱堆）的调料因子,02.821-=m φ水的粘度2/1m s mN L ⋅=μ，干填料因子3εa为. 查表2的金属环矩鞍的A 值为.表2. 不同填料的A,K 值故用经验公式算F u 为： 将数值带入得F u =s 。

求u ： 塔径为： 进行圆整，D=核算液体喷淋密度：因填料尺寸小于75mm ，取)/(08.0)(3min h m m L W ⋅=，又由表二查出该填料的比表面积32/112m m =σ。

则： )/(96.811208.023min h m m U ⋅=⨯= 操作条件下的喷淋密度U:计算可知：U>U min ，所用填料符合要求。

圆整塔径后操作气速为： 校核：65.024.312.2==F u u ，符合u=（～）uF 要求。

816.13038.05.0>==d D ，所以符合要求。

填料层高度的计算由于填料层高度=传质单元高度*传质单元数，即OG OG N H h ⨯=。

用脱吸因素法，可得：因为S<~之间为宜，所以S 符合要求。

传质单元数为：气体总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 由化工手册查得，金属填料的临界表面张力2223/972000/36001075/75h kg h kg m mN c =⨯⨯==-σ25℃时水的临界表面张力为h kg h kg m N L /933120/3600102.7/102.72222=⨯⨯=⨯=--σ液体质量通量： 气体质量通量：空气粘度系数：h m kg s pa V ⋅=⋅⨯=-/065.01081.15μ 298K,下，氨气在空气中的扩散系数D V =s; 298K,下，氨气在水中的扩散系数D L =*10-9m 2/s 气膜吸收系数： 液膜吸收系数：3938.0)10001027.16.3()36001001.210006.3()6.35572.011212.9340(0095.0)()()(0095.031821932312132=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==---LL L L L L w L L g D a U k ρμρμμ由表查得填料的形状系数：19.1=ψ 因为65.024.312.2==F u u > 所以要使用下式进行修正：25℃时，下，根据氨在水中的溶解度曲线查得H=m 3kpa 则气膜总传质系数：=+='+'=9930.2616590.1211111aHk a k a K L G G采用上述方法计算出填料高度后，还应留出一定的安全系数，根据设计经验，填料层的设计高度一般为：安全系数选用，所以m Z 6.332.1=⨯='。

圆整后填料层高度为4m 。

液体沿填料层下流时，有逐渐向塔壁方向集中的趋势，形成壁流效应。

成填料层气液分布不均匀，使传质效率降低。

因此，设计中，每隔一定高度，需要设置液体收集再分布装置，即将填料层分段。

由表可知，矩鞍环m h Dhh m D h o o o 48,6,8~5max ==≤=，则假定，与计算值相符，所以不需要分段。

表3. 散装填料分段高度推荐值填料塔的总塔高主要取决于填料层h ，此外还需要考虑塔顶空间，塔底空间及再分布器的布置等。

填料塔的总塔高H 可由下式进行计算： 式中：h '为安全系数调整后的填料层高度，m; f H 为装配液体再分布器的空间高度，m ；d H 为塔顶空间高（不包括封头部分），m ，一般取~；b H 为塔底空间高（不包括封头部分），m ，一般取~。

取b H =，d H =，则H=+4+=。

.填料塔压降的计算通用关联图的横坐标为5.0)(L V V L ρρωω，纵坐标为2.02)(L L V g u μρρφϕ。

横坐标：纵坐标：通过查图二得: 所以图2 埃克特通用关联图2.填料塔附属结构的类型与设计塔的辅助构件包括填料支承板、填料压紧装置、液体分布器、液体再分布器、除雾装置及排液装置等。

填料塔操作性能的好坏与塔内辅助构件的选型和设计紧密相关。

合理的选型与设计可保证塔的分离效率、生产能力及压降要求。

支承板填料的支承结构应该满足三个基本条件：①使气液能顺利通过，设计时应取尽可能大的自由截面。

②要有足够的强度承受填料的重量，并考虑填料空隙中的持液重量。

③要有一定的耐腐蚀性能。

填料支承装置的作用是支承塔内的填料，常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。

支承装置的选择主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔内及填料的材质、气液流率等。

本设计根据需要，选择用扁钢做成栅板形式。

填料压紧装置填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生送动和跳动。

填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类。

填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。

它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。

床层限制板用于金属、塑料等不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。

床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续式的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。

由于本设计的填料是金属矩鞍环，故填料塔在填料装填后于其上方安装了床层限制板。

液体分布器装置填料塔设计中一般考虑每平方米塔板上有30个以上的喷淋密度点。

常见的结构型式有：（1） 管式喷淋器（2） 莲蓬式喷淋器：一般用于直径600mm 以下的塔。

（3） 盘式分布器：适用于800mm 以上的塔。

（4） 槽式分布器：适用于大塔径的分布器 本次填料塔设计直径为，选择莲蓬式喷洒器。

分布点密度计算:按Eckert 建议: D=500时,取喷淋点密度为270点/2m ，布液点数为： 532705.042=⨯⨯=πn按分布点几何均匀与流量均匀的原则,进行布点设计 多孔型布液器布液能力的计算公式：取φ=,∆H=140mm,s m L S /00051.01000360018825.1013=⨯⨯=0d =75.01018.41408.9256.05300051.0424-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆πφπH g n L s m 在计算时0d =71018.4-⨯m.液体分布器的高度计算一般液体分布器离塔顶的距离通常大于一倍塔径，液体分布器离填料层的距离要使液体刚好全部润湿填料，可取，即400mm 。