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1、毕业设计说明书GRADUATE THESIS设计题目：2500M3/h二氧化硫填料吸收塔设计学 院：机械工程学院2013年6月6日摘 要吸收是利用混合气体中各组分在液体中的溶解度的差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。在化工生产中主要用于原料气的净化，有用组分的回收等。气液两相的分离是通过它们密切的接触进行的，在正常操作下，气相为连续相而液相为分散相，气相组成呈连续变化，气相中的成分逐渐被分离出来。填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，属微分接触逆流操作过程。塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填
2、料层上。填料层的空隙率超过90%，一般液泛点较高，单位塔截面积上填料塔的生产能力较高，研究表明，在压力小于0.3MPa时，填料塔的分离效率明显优于板式塔。这次课程设计的任务是用水吸收空气中的二氧化硫，。要求设计包括塔径、填料塔高度、塔管的尺寸等，需要通过物料衡算得到所需要的基础数据，然后进行所需尺寸的计算得到各种设计参数，为图的绘制打基础，提供数据参考。关键词 吸收；填料塔；二氧化硫AbstractAbsorption is the use of the components in the mixed gas solubility in the liquid to separate the g
3、aseous homogeneous mixture differences in a unit operation. Mainly used in chemical production raw gas purification,recycling and other useful components. Gas-liquid two-phase separation is carried out through their close contact, and in normal operation,the gas phase is the continuous phase and the
4、 dispersed liquid phase,gas phase composition in a continuous change in the composition of the gas phase is separated out gradually. Continuity was packed column gas-liquid mass transfer contacting device,is a differential contact countercurrent operation. Bottom of the column a support plate for su
5、pporting the packing and allow the liquid through. Packing support plate,a whole puzzle and huddle in two ways. The filler layer above the liquid distribution means,so that the liquid was uniformly sprayed on the filler layer. The void filler layer more than 90%,generally higher flood point,the unit
6、 tower cross-sectional area of the high capacity of the packed column,studies show that the pressure is less than 0.3MPa,the packed column separation efficiency is better than a plate tower. The curriculum design task is to absorb water,sulfur dioxide. Requirements of the design including column dia
7、meter,packed tower height,tower tube size,etc.,need to get through the material balance basic data needed,and then calculate the required size of the various design parameters for mapping foundation,to provide data reference.Keywords absorption; packed tower; sulfur dioxide目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论1 1
8、.1 填料塔国内外发展状况及现状11.1.1 塔填料的现状和发展趋势11.1.2 塔内件的现状和发展趋势21.1.3 工艺流程的现状和发展趋势31.1.4 塔板一填料复合塔板3 1.2 课题来源4 1.3 吸收在工业生产中的应用4 1.4 塔设备概述41.4.1 塔设备在化工生产中的作用和地位41.4.2 塔设备选型5第2章 吸收塔的设计方案82.1 吸收流程选择8 2.2 吸收塔设备及填料的选择92.2.1 吸收塔设备的选择92.2.2 填料的选择10第3章 吸收塔工艺条件的计算143.1 基础物性数据143.1.1 液相物性数据143.1.2 气相物性数据143.1.3 气、液相平衡数据1
9、43.2 物料衡算153.3 填料塔的工艺尺寸计算153.3.1 塔径的计算153.3.2 液体喷淋密度校核173.4 填料层高度计算173.4.1 传质单元数的计算173.4.2 传质单元高度的计算173.4.3 填料层高度的计算193.5 塔附属高度的计算203.6 填料层压降计算20第4章 塔内件的选型224.1 除沫器224.1.1 操作气速的计算224.1.2 直径DN的计算234.2 液体分布器的选型234.2.1 分布点密度计算244.2.2 布液计算244.3 液体再分布器254.4 填料支承装置264.5 填料压紧装置284.6 气体和液体的进出口装置设计294.6.1 液体
10、进料口管计算294.6.2 液体出口管计算304.6.3 气体进料口管计算304.6.4 气体出口管计算304.7 管道法兰选择314.8 塔体人孔设置及选型324.9 裙座的选择324.10 开孔补强334.10.1 接管补强334.10.2 人孔补强35第5章 填料塔的机械设计395.1 填料塔机械设计简介395.2 塔机械性能设计基本参数395.2.1 塔设计地区状况395.2.2 塔的设计参数405.2.3 塔的危险截面的确定405.3 按设计压力计算塔体和封头的壁厚405.4 设备质量载荷的计算415.4.1 塔壳体和裙座质量415.4.2 塔内填料的质量425.4.3 平台扶梯的质
11、量425.4.4 操作时物料的质量425.4.5 塔附件的质量435.4.6 塔设备各种质量435.5 风载荷与风弯矩的计算435.4.1 塔设备的分段435.4.2 各段的风载荷455.5.3 危险截面风弯矩465.6 危险截面的地震载荷475.7 各项载荷引起的轴向应力485.7.1 设计压力引起的轴向拉应力485.7.2 操作质量引起的轴向压应力485.7.3 最大弯矩引起的轴向应力485.8 塔体和裙座强度与稳定性校核495.9 吊装时应力校核505.10 基础环设计515.11 基础环的厚度计算535.12 地脚螺栓选取53结 论55参考文献56谢 辞57第1章 绪论1.1填料塔国内
12、外发展状况及现状填料塔是化工类企业中最常用的气、液传质设备之一，在塔体内设置填料使气液两相能够达到良好传质所需的接触状况。填料塔具有结构简单、便于用耐腐蚀材料制造、适于小直径塔的场合以及压降小等优点。但用于大直径的塔时则有效率低、重量大、造价高以及清理检修麻烦且填料损耗大等缺点。近年来，人们对填料塔作了大量的实质性研究，并取得了突破性进展，主要表现在一些新型高效塔内件和塔填料的问世，加上人们对传质过程的仿真模拟及放大效应的解决，使填料塔在以前以板式塔应用为主的场合，尤其是大型塔的应用中得到了很好的应用，并取得了很好的经济效果。现从填料塔的塔填料、塔内件、工艺流程，特别是塔填料三方面来说明填料塔
13、技术的现状和发展趋势。1.1.1 塔填料的现状和发展趋势首先从塔填料来看，塔填料是填料塔的核心构件，是气液两相进行热和质交换的场所，它为气液两相间热、质传递提供了有效的相界面。塔填料的性质决定了填料塔的操作，只有性能优良的塔填料再辅以理想的塔内件，才有望构成技术上先进的填料塔。因此，人们对塔填料的研究十分活跃。对塔填料改进与更新的目的在于:改善流体的均匀分布，提高传递效率，减少流动阻力，增大流体的流量以满足降耗、节能、设备放大、高纯产品制备等各种需要。目前，塔填料的开发，除研究各种散装和规整填料结构外，还对填料的材质、加工方法、表面特性等进行研究。规整填料是继散堆填料之后在近20余年来发展的高
14、效新型填料，国外有许多品种。规整填料的应用已成为许多厂分离和净化工序技术改造的热点，成为各厂提高产量、改进分离效果、减少能耗、安全生产和稳定操作的重要技术措施。规整填料的特点为:分离效率高。这种填料可根据需要制造成具有较大的比表面积，因此可提高单位高度的理论板数。如金属丝网填料每米高的理论板数可达10块以上。通量及操作弹性大。规整填料允许的气、液通量较大，所以与相同塔径的板式塔相比，其产量一般可大幅度增加。同时允许通量在较大的范围内变化。规整填料本身的弹性比可高达100，但实际填料塔的弹性比主要受到塔内液体分布器操作弹性的限制。阻力压降小。即使在较大负荷下规整填料的压降也是比较小的，这是其显著
15、特点。放大效应低。与颗粒填料不同，规整填料用于大型塔时，其效率降低较少。在规整填料方面，我国也有不少研究成果。天津大学与英国Aston大学联合开发出了以UnaPak命名的脉冲规整填料。天津市天久新技术开发公司开发了高效廉价的板花规整填料。其80型(比表 线，并自已开发了碳钢渗铝板波纹填料；清华大学和面积80m2/m3)的传质效率与MelaPak350Y型(比 上海化工研究院分别开发了压延板网波纹填料；中表面积350耐/m3)相当；天津大学填料塔新技术公 石化洛阳工程公司开发了LH型规整填料。这些成司1991年引进了苏尔寿公司的Melapak自动生产 果都在工业生产中取得了成功的应用。规整填料不
16、仅在一般情况下能够提高填料塔的分离效率，节约能耗，且还能适宜于一些特殊情况的应用，如难分离物系、热敏物系以及对压力降较为敏感的真空蒸馏等。国内在对原有的板式塔实施规整填料技术改造后，已有许多成功的应用实例。1.1.2塔内件的现状和发展趋势塔内件包括气体分布器、填料支承板、床层限位器、液体分布器、壁流收集分配锥、液体收集器和再分布器等。其设计、制造及安装都极为重要。填料塔的分离性能首先取决于填料，其次取决于塔内件等。所以一座性能良好的大型填料塔，填料本身的高性能固然重要，但与之匹配的塔内件，尤其是液体分布器和气体分布器也是至关重要的。否则填料的高性能就不可能得以充分发挥，特别是对于大直径、多侧线
17、及浅床层塔器，气液分布是非常重要的，往往是成败的关键。在新型填料塔技术中，液体分布十分重要，这是因为：(1)不良液体初始分布会导致分离效率急剧下降，(2)不良的初始分布难以达到填料层的自然流分布，(3)渐型高效填料一般具有较小的径向分布系数。因此，塔内件的设计，特别是液体分布器和进气结构的设计，成为开发大型填料塔的核心问题。而流体均布理论和技术又是发展填料塔内件的先导。目前，对液体的初始分布器和再分布器的研究，相对来说较多，也较为充分和成熟。现在已发展的形式有，盘式、槽式、排管式、槽盘式、喷嘴式及飞溅式等。液体从分布器中流出的形式有小孔型、溢流型及喷洒型等。气体人塔分布装置，对小直径塔来说不太
18、重要，气体容易分布均匀，一般由塔的侧壁直接进人塔内，通常采用直管或倒置喇叭口式。对大直径塔(如大于2m)，特别当填料高度较低时，气体的分布非常重要。气体分布不均会造成填料层内气液相分流，使塔的分离效率明显下降。在大直径填料塔中通常采用的气体分布装置有:支承式气体分布器、轴径向气体分布器。目前，随着大型填料塔(特别是浅填料床层)的开发使用，气体分布问题逐步受到重视，在简单的进气结构不能满足要求时，出现了塔内增设均布格栅或格栅组来达到目的。近年为进一步改善塔内气体的分布，提高传质效率，又开发了许多性能优良的气体分布器。国内在塔内件方面也进行了开发，有些技术还获得了专利。如天津天久新技术公司发明的虹
19、吸式高弹性液体分布器，已获得国家专利。国外制造厂商以及国内一些单位都各有自己的技术秘密。1.1.3 工艺流程的现状和发展趋势高效填料塔技术用于各类工业物系的分离，虽然设计的重点在塔体及塔内件等核心部分，但与之相配套的外部工艺和换热系统应视具体的工程特殊性作相应的改进。例如在DMF回收装置的扩产改造项目中，要求利用原常压塔塔顶蒸汽，工艺上可以在常压塔及新增减压塔之间采用双效蒸馏技术，达到降低能耗、提高产量的双重效果；在硝基氯苯分离项目中；改原“多塔精馏、两端结晶”工艺为“单塔精馏、一端结晶”流程，并对富间硝基氯苯母液进行精馏分离，获得99%以上的间硝基氯苯，既提高产品质量，又取得了降低能耗的技术
20、效果。综合考察各分离过程的优缺点，从工艺流程角度，将高连续、低热效的蒸馏与高选择性、高热效的吸附、膜分离等合为一体，建立复合分离技术是一项全新而有效的节能技术。该技术尤其适合于难分离物系的分离。例如燃料级乙醇的生产。1.1.4 塔板一填料复合塔板为了使填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计参数(如理论板数、热负荷等)和最优操作工况(如进料位置、回流比等)，准确地计算出全塔各处的组分浓度分布(尤其是腐蚀性组分)、温度分布、汽液流率分布等，常采用高效填料塔成套分离技术。而且，20世纪80年代以来，以“高效填料及塔内件”为主要技术代表的新型填料塔成套分离工程技术在国内受到普遍重视。由于其具有高效、低
21、阻、大通量等优点，广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。进人20世纪90年代，高效填料塔成套分离工程技术开始向行业化、复合化、节能化、大型化方向展，如复合塔。所谓复合塔(CompoundTray)是指人们将塔板与填料有机地结合起来而形成的一种新型塔板。其目的在于将塔板的优点和填料的优势加以互补。此种复合塔具有效率高、通量大及压降小的性能。在国内，复合塔板已在溶剂回收、酒精、丙酮和甲醇精馏中成功应用。最近，天津大学化学工程研究所开发了另一种新塔板一填料复合塔(Jet CoflowPaktray)。该塔板吸收了新型垂直筛板帽罩中气液并流高效混合传质的特点，同时又溶人了规整填料的传
22、质效率高、压降小及通量大的优势，形成了气液混合并流在填料中传质分离的过程。另外还保留了垂直筛板水平对喷雾沫夹带小的优点。实验表明该复合塔板与垂直筛板相比，具有效率高、压降小和操作弹性大的特点，其雾沫夹带与垂直筛板相当。此项技术已经获得国家专利。1.2课题来源塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。根据实际生产的需要，模拟了满足生产需求的设计题目。1.3吸收在工业生产中的应用在化工生产中所处理的原料中间产物粗产品等几乎都是混合物，而且大部分是均相混合物，为进一步加工和使用，常需将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。对于均相物系，要想进行组分间的分离，必须要造成一两个物系，利用原物系中各组分
23、间某种物性的差异，而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。物质在相间的转移过程称为物质传递过程。吸收单元操作是化学工业中常见的传质过程。气体的吸收在化工生产中主要用来达到以下几种目的 ：(1)有用组分的回收。例如用硫酸处理焦炉气以回收其中的二氧化硫，用气油处理焦炉气以回收其中的芳烃，用液态烃处理裂解气以回收其中的乙烯、丙烯等。(2)原料气的净化。例如用水和碱液脱除合成二氧化硫原料气中的二氧化碳，用丙酮脱除裂解气中的乙炔等。(3)某些产品的制取。例如用水吸收二氧化氮以制造硝酸，用水吸收氯化氢以制备盐酸，用水吸收甲醛以制备福尔马林溶液等。(4)废气的治理。例如：电厂的锅
24、炉尾气含二氧化硫。硝酸生产尾气含一氧化氮等有害气体，均须用吸收方法除去。1.4塔设备概述1.4.1 塔设备在化工生产中的作用和地位塔设备是化工、石油化工厂和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。在塔设备中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的回收、气体的湿法净制和干燥以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等1。在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量和量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大
25、比例；它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。因此，塔设备的设计和研究，受到化工、炼油等行业的极大重视。作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（汽）液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求。(1) 生产能力大。在较大的气液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏正常操作的现象。(2)操作稳定、弹性大。当塔设备的气液负荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。并且塔设备应保证能长期连续操作。(3)流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低经常操作费用。(4)结构简单、
26、材料耗用量小、制造和安装容易。(5)耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。事实上，对于现有的任何一种塔型，都不可能完全满足上述的所有要求，仅是在某些方面具有独到之处。人们对于高效率、大生产能力、稳定操作和低压力降的追求，推动着塔设备新结构型式的不断出现和发展。1.4.2塔设备选型填料塔和板式塔均可以用于蒸馏、吸收、解吸等气液传质过程，所以在塔设备选型时必须综合考虑多方面的因素，如与被处理物料性质、操作条件和塔的加工、维修等方面有关的因素等。选型时没有绝对的选择标准，而只能参考各项条件。表1-1 填料塔与板式塔比较项目填 料 塔板 式 塔压降小尺寸填料，压降较大，而大尺寸填料及规整填料，则压降
27、较小较大空塔气速小尺寸填料气速较小，而大尺寸填料及规整填料则气速可较大较大塔效率传统的填料，效率较低，而新型乱堆及规整填料则塔效率较高较稳定，效率较高液-气比对液体量有一定要求较大持液量较小较容易安装、检修较难较大材质金属及非金属材料均可一般用金属材料造价新型填料，投资较大大直径时造价较低在进行填料塔和板式塔选型时，下列情况可考虑优先选用填料塔：（1）在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度；（2）对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先选择真空操作下的填料塔；（3）具有腐蚀性的物料，可选用填料塔，因为填料塔可采用非金
28、属材料，如陶瓷、塑料等；（4）容易发泡的物料，宜选用填料塔，因为填料塔内，气相主要不以气泡形式通过液相，可减少发泡的危险，此外，填料还可使泡沫破碎。下列情况下，可考虑优先选用板式塔：（1）塔内液体滞液量较大，要求塔德操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，要求操作易于稳定；（2）液相负荷较小，因为这种情况下填料塔会由于填料表面湿润不充分而降低其分离效率；（3）含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大，堵塞的危险较小；（4）在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要在塔内设置内部换热组件，如加热盘管，需要多个进料口或多个侧线出料口，这是因为一方面板式塔的结构上容
29、易实现，此外，塔板上有较多的滞液量，以便与加热管或冷却管进行有效地传热。综合考虑以上情况及设计要求，本设计选择填料塔。填料塔的特点是结构简单、压力降小，可用各种材料的填料，特别是处理易产生泡沫的物料以及用于真空操作，具有独特的优越性。因此它是石油、化工、轻工生产中广泛使用的传质设备。近年来由于填料结构的改进，新型高效高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离能力，又保持了压力降小及性能稳定的特点，因此填料塔已被推广应用到大型气液操作中，而且，在某些场合，还代替了传统的板式塔。第2章 吸收塔的设计方案2.1 吸收流程选择在填料吸收塔中，气、液两相可作逆流也可作并流流动，甚至是以其他组合流动方式
30、，以下为几种常见流程2。(1)并流流程气液两相均从塔顶流向塔底，此即为并流操作。特点是不用担心液泛事故发生，故可提高操作气速以增大生产能力，适用于吸收平衡线较平坦、流向对吸收推动力的影响不大时，以及易溶气体吸收过程或吸收率要求不高的场合。缺点是吸收剂用量特别大，出塔液相中溶质的浓度很低，不利于溶剂的再生循环，操作成本高。(2)逆流流程气相由塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入塔底排出，此即逆流操作。逆流操作时，下降至塔底的液体与入塔混合气体接触，有利于提高出塔液体的浓度，减少吸收剂的用量，有利于溶剂再生过程的进行；上升至塔顶的气体与刚刚进塔的新鲜吸收剂接触，有利于降低出塔气体的浓度，提高溶质的吸
31、收率。因此，工业吸收流程多采用逆流吸收流程。缺点是向下流动的液体会受到上升气体的阻碍，严重时会导致液泛，限制了填料塔所允许的气、液流量。(3)完成液部分再循环流程在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，及完成液部分再循环过程。通常用于以下情况：在吸收剂用量较小时，为提高塔的液体喷淋密度；提高吸收剂的使用效率；为控制塔内的升温，借此取出部分热量。应该指出，该流程较逆流操作的平均推动力要低，且需要设置循环泵。(4)多塔串联逆流流程当填料塔的填料层高度或溶质的溶解热较大时，以及填料需要经常清理时，为降低吸收系统的温度、便于维修，还可以将单塔逆流流程拆分为多
32、塔串联逆流流程。(5)平流流程当吸收过程的溶剂用量较大时，若采用前述的流程容易发生液泛事故，为了防止液泛，操作气速是必要很小，因此设备的生产能力很低，此时可采用多塔以气相作串联、液相做并联。反之，对气相流量很大而液相流量不大的场合可采用液相作串联、气相作并联来提高生产能力。用水吸收二氧化硫属于溶质属于具有中等溶解能力的物理吸收过程。为提高传质效率，一般采用逆流吸收流程。因二氧化硫不需回收，故采用清水作吸收剂。流程如图2.1.。图2.1 流程图2.2吸收塔设备及填料的选择2.2.1吸收塔设备的选择对于吸收过程，能够完成其分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备中选择合适的类型是进行工艺设计得首
33、要工作。而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后，并经多方案对比方能得到较满意的结果。一般而言，吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，即用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，易于制造、安装、操作和维修等。在液体流率很低难以充分润湿填料，或塔径过大，使用填料塔不很经济的情况下，以采用板式塔为宜。但作为吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能，所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。本次吸收塔设计选择填料吸收塔。2.2.2填料的选择填料的
34、种类3：1.散堆填料 目前散堆填料主要有环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料。所用的材质有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金属等。(1)拉西环填料 拉西环为外径与高度相等的圆环，如图片拉西环所示，是使用最早的填料。由于流体不易进入横卧的圆环内部空间，拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。(2) 鲍尔环填料 如图片鲍耳环所示，鲍尔环是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与
35、拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。(3) 阶梯环 填料如图片阶梯环所示，填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。(4) 矩鞍填料 如图矩鞍填料所示，将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不
36、等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。(5) 金属环矩鞍填料 如图金属换环聚鞍填料所示，环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。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
37、、脉冲填料等，其中尤以板波纹填料和丝网波纹填料所用材料主要有金属丝网和塑料丝网。(1)格栅填料 格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为如图片2.2（a）所示的木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中以图片2.2（b）所示的格里奇格栅填料最具代表性。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。(2)波纹填料 目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有30和45两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间
38、交错90排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，它是由金属丝网制成的。金属丝网波纹填料的压降低，分离效率很高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因其性能优良仍得到了广泛的应用。（d）所示，金属板波纹填料是板波纹填料的一种主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多f5mm左右的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大
39、直径塔及气液负荷较大的场合。(3)金属压延孔板波纹填料 金属压延孔板波纹填料是另一种有代表性的板波纹填料。它与金属孔板波纹填料的主要区别在于板片表面不是冲压孔，而是刺孔，用辗轧方式在板片上辗出很密的孔径为0.40.5mm小刺孔。其分离能力类似于网波纹填料，但抗堵能力比网波纹填料强，并且价格便宜，应用较为广泛。波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大（常用的有125、150、250、350、500、700等几种）。波纹填料的缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。(4)脉冲填料 脉冲填料是由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成的
40、一种规整填料，如图片2.2（e）所示。脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动。在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。工业上常用规整填料的特性参可参阅有关手册 。图2.2 几种实体填料填料的选择与填装方式的确定：填料塔操作性能的好坏，与所选用的填料有直接关系，填料性能的优劣是影响填料塔能否正常操作的主要因素。总体上，选择的填
41、料既要满足生产要求，又要尽可能使设备的投资和操作费最低，需要结合具体的生产任务从填料的类型、材质、规格、填装方式四个方面综合考虑。一般选择原则如下。1.填料的比表面积要尽可能大。填料的比表面积越大，则气、液两相间的有效接触面积越大，分离性能越好。2.填料的孔隙率要尽可能大。填料的孔隙率大，则气、液两相的流动阻力小、压降小，气、液两相均布性能好，填料的表面利用率高，分离效率高，液泛的可能性小，操作弹性高，设备的处理能力大。3.气、液两相在填料层中的均部性能要好。上述两个选择原则实际上是相互矛盾的，填料的比表面积越大，则填料的尺寸越小，孔隙率越小，压降越大。反之，填料的尺寸越大，则比表面积越小而空
42、隙率越大。当填料的尺寸增大到一定程度时，易引起偏流现象，严重降低分离效率。因此，上述两个原则在应用是必须综合考虑。塔径与填料公称直径的比值D/dp通常应大于820。4.填料的稳定性好并有足够的机械强度。所选填料的材质不能与吸收系统的气、液相起化学反应，要有足够的机械强度，防止填料受压或受热变形、破碎。5.要价廉易得，制造简单。为降低设备投资，在同等传值性能下应尽可能选用价格便宜的。为便于更换，应选市面上常见的。对特种填料，为便于加工，应尽可能简化结构，以降低制造费用。填料材质的选择：工业上，材料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类：1.陶瓷填料 陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能和良好的耐腐
43、蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的常见的各种酸、碱的腐蚀。工业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程。缺点是质脆、易碎，不宜在高冲击强度下使用。2.金属材料 可用多种金属材料制成，壁厚可降低至0.21.0mm，与同类型、同规格的陶瓷、塑料填料相比通量大、气体阻力小，有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，故工业填料多为金属填料。3.塑料填料 塑料填料具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，材质主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC)等，国内一般采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。耐温性能良好，可长期在100一
44、下使用。缺点是便面润湿性能差，必要时可借助表面处理得以提高。此外，聚丙烯填料在低温状态下具有冷脆性，在低于0的条件下，可选用聚氯乙烯填料。对于水吸收 S02的过程、操作、温度及操作压力较低，工业上通常选用所了散装填料。在所了散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用DN38聚丙稀阶梯环填料。其主要性能参数 ：表2-1 DN38聚丙稀阶梯环填料性能参数 材料公称直径mm外径高mm厚度mm堆积个数个/m3塑料383819127200堆积密度Kg/m3比表面积m2/m3空隙率m3/m3干填料因子1/m湿填料因子1/m575132.50.91175.6130第3章 吸收塔工艺条件的计算3.1基
45、础物性数据3.1.1液相物性数据因进气中的含量y1仅为10%且过程液相用量相对SO2的溶解量很大，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，25时水的有关物性数据为：密度=997.08kg/m3；黏度ul=0.0008937pas；表面张力为 =0.07197N/m。计算得SO2在水中的扩散系数：Dl=1.5110-9m2/s。3.1.2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为0.164.06+0.929=32.5kg/kmol混合气体的平均密度为混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查手册得20时空气的黏度为计算得SO2在空气中的扩散系数为3.1.3气、液相平衡数据由手册查得，常压下20时
46、SO2在水中的亨利系数故相平衡常数为：3.2物料衡算1.进塔惰性组分摩尔流量V的确定2.进出口浓度换算进塔气相摩尔比为：出塔气相摩尔比为：对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为由设计任务书知，该吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，故最小液气比可按下式计算，代入数值得：取操作液气比为最小液气比的1.3倍，故，有得L=51.4092.02=4729.36塔底吸收液出塔浓度为3.3填料塔的工艺尺寸计算3.3.1塔径的计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速4。气相质量流量为：液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即Eckert通用关联图的横坐标值为查Eckert通用关联图中乱堆填料泛点线得纵坐标值为
47、式中：泛点气速 m/sG重力加速度 9.81m/s2，气相，液相密度 kg/m3液体粘度 mPas填料因子，水密度与液体密度之比代入DN38聚丙烯阶梯环填料的填料因子、干比表面积。对水溶液，=1.0。故 取操作空塔气速，故操作空塔气速圆整塔径，取D=1.2m3.3.2泛点率校核和填料规格泛点率校核：实际空填气速故（在允许范围内，不会发生液泛）填料规格校核：（在允许范围内）3.3.3液体喷淋密度校核取最小润湿速率为 本次设计选用聚丙烯阶梯环填料，其=132.5，代入数值，得最小喷淋密度为：求得液体喷淋密度为：故可保障填料的湿润。经以上校核可知，选用DN38聚丙烯阶梯环填料、吸收塔直径取1200mm合理。3.4填料层高度计算3.4.1传质
