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填料塔設計
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填料塔設計

2018-06-25      閱讀:
一、填料塔結構
    填料塔是以塔內裝有大量的填料為相間接觸構件的氣液傳質設備。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。在填料的上方安裝填料壓板,以限制填料隨上升氣流的運動。液體從塔頂加入,經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,經氣體分布裝置(小直徑塔一般不設置)分布后,與液體呈逆流接觸連續通過填料層空隙,在填料表面氣液兩相密切接觸進行傳質。填料塔屬于連續接觸式的氣液傳質設備,正常操作狀態下,氣相為連續相,液相為分散相。
 
二、填料的類型及性能評價
    填料是填料塔的核心構件,它提供了氣液兩相接觸傳質的相界面,是決定填料塔性能的主要因素。填料的種類很多,根據裝填方式的不同,可分為散裝填料和規整填料兩大類。散裝填料根據結構特點不同,分為環形填料、鞍形填料、環鞍形填料等;規整填料按其幾何結構可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等,目前工業上使用為廣泛的是波紋填料,分為板波紋填料和網波紋填料;
 
填料的幾何特性是評價填料性能的基本參數,主要包括比表面積、空隙率、填料等。
1.比表面積:單位體積填料層的填料表面積,其值越大,所提供的氣液傳質面積越大,性能越;
2.空隙率:單位體積填料層的空隙體積;空隙率越大,氣體通過的能力大且壓降低;
3.填料:填料的比表面積與空隙率三次方的比值,它表示填料的流體力學性能,其值越小,表面流體阻力越小。

三、填料塔設計基本步驟
1.根據給定的設計條件,合理地選擇填料;
2.根據給定的設計任務,計算塔徑、填料層高度等工藝尺寸;
3.計算填料層的壓降;
4.進行填料塔的結構設計,結構設計包括塔體設計及塔內件設計兩部分。 
 
四、填料塔設計 
1.填料的選擇
    填料應根據分離工藝要求進行選擇,對填料的品種、規格和材質進行綜合考慮。應盡量選用技術資料齊備,適用性能成熟的新型填料。對性能相近的填料,應根據它的特點進行技術經濟評價,使所選用的填料既能滿足生產要求,又能使設備的投資和操作費低。 
(1)填料種類的選擇
填料的傳質效率要高:傳質效率即分離效率,一般以每個理論級當量填料層高度表示,即HETP值;
填料的通量要大:在同樣的液體負荷下,在保證具有較高傳質效率的前提下,應選擇具有較高泛點氣速或氣相動能的填料;
填料層的壓降要低:填料層壓降越低,塔的動力消耗越低,操作費越小;對熱敏性物系尤為重要;
填料抗污堵性能強,拆裝、檢修方便。
(2)填料規格的選擇
填料規格是指填料的公稱尺寸或比表面積;
(a)散堆填料規格的選擇:工業塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等;同類填料,尺寸越小,分離效率越高,但阻力增加,通量減少,填料費用也增加很多;而大尺寸的填料應用于小直徑塔中,又會產生液體分布不良及嚴重的壁流,使塔的分離效率降低。因此,對塔徑與填料尺寸的比值要有一定限制,一般塔徑與填料公稱直徑的比值D/d應大于8。
(b)規整填料規格的選擇:國內習慣用比表面積表示規整填料的型號和規格,主要有125、150、250、350、500、700;同種類型的規整填料,其比表面積越大,傳質效率越高,但阻力增加,通量減小,填料費用也明顯增加。選用時應從分離要求、通量要求、場地條件、物料性質及設備投資、操作費用等方面綜合考慮,使所選填料既能滿足技術要求,又具有經濟合理性。
對于同一座填料塔,可以選用不同類型、不同規格的填料,也可以同時使用散裝填料和規整填料。
(3)填料材質的選擇
填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類
(a)陶瓷填料  陶瓷填料具有很好的耐腐蝕性,可在低溫、高溫下工作,具有一定的抗沖擊性但不宜在高沖擊強度下使用,質脆、易碎是陶瓷填料的大缺點。陶瓷填料價格便宜、具有很好的表面潤濕性能,在氣體吸收、氣體洗滌、液體等過程中應用較為普遍。
(b)金屬填料 金屬填料可用多種材質制成,金屬材質的選擇主要根據物系的腐蝕性及金屬材質耐腐蝕性來綜合考慮。
碳鋼填料造價低,且具有良好的表面潤濕性能,對于無腐蝕性或低腐蝕性物系有限考慮使用;
不銹鋼填料耐腐蝕性強,一般能耐Cl-以外常見物系的腐蝕,但其造價較高,且表面潤濕性能較差;有時需要對其表面進行處理,才能取得良好的使用效果。
金屬填料通過大、氣阻小,具有很高的抗沖擊性能,能在高溫、高壓、高沖擊強度下使用,應用范圍為廣泛。
(c)塑料填料 主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC),國內一般多采用聚丙烯材質。
塑料填料質輕、價廉,具有良好的韌性,耐沖擊、不易碎,耐腐蝕性較好,可長期在100℃以下使用;它的通量大、壓降低,多用于吸收、解析、、除塵等裝置中;塑料填料的缺點是表面潤濕性能差,需對其表面進行處理。
2.填料塔工藝尺寸的計算
(1)塔徑的計算:采用下式進行計算,其核心問題是確定空塔氣速u。空塔氣速建議值為0.2~1m/s。

泛點氣速法:泛點氣速是填料塔操作氣速的上限,填料塔的操作空塔氣速必須小于泛點氣速,操作空塔氣速與泛點氣速之比稱為泛點率。
對于散裝填料:u/uF=0.5-0.85
對于規整填料:u/uF=0.6-0.95
泛點率的選擇主要考慮兩方面因素:
一,物系的發泡情況,對于易起泡沫的物系,泛點率應取低限值,而無泡沫的物系,可取較高的泛點率;
二,填料塔的操作壓力,對于加壓操作的塔,應取較低的泛點率,對于減壓操作的塔,應取較高的泛點率。
泛點氣速一般通過經程式進行計算
貝恩—霍根關聯式:

式中      uF2為泛點氣速,m/s
          g為重力加速度,9.81m/s2
          a為填料比表面積,m2/m3
          ε為填料層空隙率,m3/m3
          ρv、ρL為氣相、液相密度,Kg/m3
          μL為液體粘度,mPa•s
          WL、WV為液相、氣相的質量流量,Kg/h
          A、K為關聯常數
 
氣體動能法:氣相動能簡稱F,其定義式為

計算時,先從手冊或圖表中查出填料在操作條件下的F,然后依據上式即可計算出操作空塔氣速u。
 
氣相負荷法:氣相負荷簡稱Cs,其定義式為:

采用氣相負荷計算操作空塔氣速,先計算出大氣相負荷Cs,max,然后依據Cs=0.8Cs,max計算出Cs。
Cs,max的數值見有關填料手冊。
氣相動能法和氣相負荷法一般只適用于規整填料,且液體粘度不大于2×10-3Pa•s,操作壓力不大于0.2MPa的場合。
(2)填料層高度計算
填料層高度的計算可分為傳質單元法和等板高度法。在工程上,傳質單元法多用于吸收、解吸、等填料塔的設計計算,而對于精餾填料塔,則習慣用等板高度法計算填料層高度。
等板高度法計算填料層的基本公式為: 

 
由上式可看出,當工藝計算出完成規定分離任務所需的理論板層數NT后,關鍵是確定填料層的等板高度HETP。
等板高度不取決于填料的類型和尺寸,而且受系統物性、操作條件和設備尺寸的影響。一般是通過實驗測定,或從工業應用的實際經驗中選取HETP值。
采用上述方法計算出填料層高度后,還應留出一定的系數。根據設計經驗,填料層的設計高度一般為  Zˊ=(1.3-1.5)Z
 
(3)填料層壓降的計算
填料層壓力降是填料塔壓力降的主要組成部分。通常,根據設計(或操作)參數,由通用關聯圖(或壓降曲線)先求得每米填料層的壓降值,然后再乘以填料層高度,即得出填料層的壓力降。
散裝填料的壓降計算
散裝填料的壓降值可從有關填料手冊中查得,也可由埃克特通用關聯圖計算。計算時先根據氣液負荷及有關物性數據,求出橫坐標;再根據操作空塔氣速、壓降填料及有關物性參數,求出縱坐標;通過作圖得出交點,讀出過交點的等壓線數值,即可得出每米填料層壓降值。
Φp為壓降填料,ψ為液體密度校正系數,ρ水/ ρL 

 
規整填料的壓降計算
通過填料的壓降關聯式計算,規整填料的壓降通常關聯成以下形式: 

式中  p/Z為每米填料層高度的壓力降,Pa/m
      u為空塔氣速,m/s
      ρv為氣體密度,Kg/m3
      α、β為關聯式常數,可從填料手冊中查出
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