规整填料塔设计浅析
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针对填料塔精馏塔(不包括吸收塔和萃取塔),从工艺设计选型上主要包括以下几方面:1.首先考虑采用规整填料还是散堆填料一般来说,对于负压、常压系统优先考虑规整填料,加压系统下规整填料的效率很低(原因据说不明),得考虑使用散堆填料或者板式塔。
对于喷淋密度超过50m3/m2.h的体系,采用规整填料不太合适,效率下降很多对于不清洁的物料体系(或易结焦的),采用散堆填料较好,也可以考虑采用规整填料中的栅格型,不宜采用波纹板、丝网等,简单的说需要考虑填料的抗堵性能2、填料床层高度的影响填料床层过高会导致液体不良分布的加剧,影响填料效率,sulzer公司推荐15-20块理论塔板设置一个液体再分布器,也有人推荐:床层最高不超过6-7m、或不超过10-15块理论塔板、或床层高度小于6-8倍塔径,从3者中选择最低的作为基准。
3、喷淋点密度的影响对于散堆填料,填料直径越小一般要求喷淋点密度越高,一般不超过100个/m2对于规整填料、比表面积越大要求喷淋点密度越高,sulzer公司推荐为100-300g 个/m2以上4、最低喷淋密度的影响一般来说,不同材质的填料对最低喷淋密度的要求不一样,未上秞的陶瓷、氧化的碳钢、铜等材料对液体的亲和性较好、需要的最低喷淋密度可达到1m3/m2.h以下,而玻璃、陶瓷、不锈钢等居中,约为2-3m3/m2.h,塑料、四氟乙烯等最差,为4-5 m3/m2.h。
不同的液体对填料的浸润性也需要考虑,一般来说粘度大、表面张力大的液体需要的最小喷淋密度较大,比如甘油、水等,而正烷烃之类需要的最小喷淋密度则较低。
5、液体分布器的设计对于散堆填料,分布器的设计较为简单,影响相对较小对于规整填料,分布器的设计极为重要,由于国外各原创填料厂家均把分布器的设计参数进行保密,国内的研究起步晚、相对较少,个人认为目前国内分布器的设计水平较国外先进技术落后20-30年。
分布器首先要考虑足够的气相通道、足够的喷淋点密度,喷淋点分布要尽可能均匀,为保持稳定流量,分布器要有一定的液位高度,一般认为正常操作条件下最少为3英寸高(最低操作弹性时不低于20-30mm)同时要考虑防止堵塞,对于孔流型,进料清洁度一般,通常要求孔径为5-8mm,对于进塔物料比较清洁,进塔前有可靠过滤装置的孔径可以设计为2mm左右,由于一般要求最大流量/最小孔流量≤1.5(也有建议为1.25),故孔径越小对加工精度要求越高;对于堰流型,尤其是V型堰流,对加工精度要求很高(个人认为国内生产厂家很难做好,尤其是一些非正规企业,不知道天津大学做得怎样),设计、计算也较为复杂。
浅谈填料塔的结构、性能及安装注意点——南京市金陵石化烷基苯厂烷一平涛210046 关键字:填料塔安装注意点引言烷基苯联合装置400#的主要任务是:在催化剂氟化氢存在的条件下,使苯和来自脱氢装置的C10~C13直链烷烯烃混合物中的烯烃进行烷基化反应,生成直链烷基苯。
并经过脱苯、脱烷烃、烷基苯精馏等过程,制取高质量的洗涤剂用直链烷基苯。
C-405与C-406作为其中最重要的一环,分别肩负着将烷烃(返回300#循环以及部分作为机泵的冲洗液)与烷基化物分离以及将烷基苯(主要产品)与重烷苯分离。
这两个在整个联合装置内都处于比较重要的地位的塔,采用的却同样是填料塔的结构。
1.填料塔的主要内件填料塔的主要内件主要由以下组成1.1 填料填料作为填料塔的重要组成部分,其作用相当于板式塔中的塔盘,是塔中物料进行温度交换和传质的主要场所。
填料主要分为散装填料与规整填料两种。
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。
1.2 液体分布器液体分布器是保证传质顺利进行的重要塔内件之一。
分散相得到良好的分散和液滴群沿塔截面均匀分布是塔内传质过程得以顺利进行的必要条件。
大中型填料塔塔顶回流分布器在无脏堵情况下应优先选择带管式预分布器的二级槽式液体分布器(见图1),以便于安装、检修,且不易形成液沫夹带。
槽盘式气液分布器(见图2)是一种重力式液体分布器,由于该分布器的喷淋孔开在升气管的中上部,重脏物沉于盘底,小孔以下的空间内可以贮存大量的重脏物;轻脏物浮在液层上面;液层中的小孔难以被堵塞。
管式液体分布器一般都属于压力型分布器,目前应用十分广泛,其优点在于不仅适用于整砌填料,而且适用于乱堆填料。
6 填料塔的结构设计I. 塔径计算计算公式: D =① 塔填料选择须知:相对处理能力:拉西环<矩鞍<鲍尔环<阶梯环<环鞍(填料尺寸相同,压降相同)对于规整填料,分离能力:丝网类填料>板波纹类填料,板波纹填料较丝网类有较大的处理量和较小的压降。
250Y ——250指的是填料的比表面积,Y 指的是波纹倾角为45o ,X Y 指的是波纹倾角为30o填料选择的三步骤:选材质→选类型→选尺寸(径比应保持不低于某一下限值,以防止产生较大的壁效应,造成塔的分离效率下降。
)选尺寸说明:填料尺寸大,成本低,处理量大,但效率低。
一般大塔常使用50mm 的填料。
塔径/mm 填料尺寸/mm D<300 20~25 300<D<900 25~38D>90050~80② 计算方法泛点气速法 ----散堆填料(0.5~0.8) f u u =a. Eckert 关联图法20.50.2f u ()() Y=G G L V L LW X W g ρφϕρμρρ=由X 值和泛点压降线查取Y 值进而求得液泛气速 b. Bain-Hougen 泛点关联式20.20.250.125f 3u log[] 1.75()() G G L LL V LW A g W ρραμερρ=- 填料特性:比表面积、空隙率、泛点压降因子 ---规整填料a. Bain-Hougen 泛点关联式20.20.250.125f 3u log[] 1.75()() G G L L L V LW A g W ρραμερρ=- 250Y 金属板波纹填料:A=0.297,CY 型丝网填料:A=0.30 b. 泛点压降法Kister and Gill 等压降曲线(匡国柱.化工单元过程与设备课程设计.北京:化学工业出版社.2002,264-265)泛点压降与填料因子间的关系:0.7/40.9p Z Fp∆= Pa/m; Fp —填料因子等压降曲线: 0.50.50.50.05p u ()() Y=() F ()0.277G G L V L L G W X W ρρμρρρρ=- 气相负荷因子法——用于规整填料塔的计算0.5[/()]S G L G C u ρρρ=-max 0.8 S S C C =0.5max =f() ( )G L S G LW C W ρψψρ=填料手册中给出Csmax 与ψ(流动参数)的关系图。
根据土木工程原理课程填料塔设计1. 引言填料塔是土木工程中常见的结构,主要用于处理废水或气体等流体的分离和净化。
本文将根据土木工程原理课程所学内容,对填料塔的设计进行探讨。
2. 填料塔设计原理填料塔的设计原理基于质量平衡和动量平衡原则。
填料塔内部填充物的作用是增加内部表面积,以促进物质之间的接触和传质过程。
同时,填料塔的设计也考虑了流体的流动方式和速度分布,以确保有效的分离和净化效果。
3. 填料塔设计步骤3.1 确定填料类型和尺寸根据具体需求和物质特性,在填料塔设计中需要选择合适的填料类型和尺寸。
常见的填料类型包括环形填料、球形填料等,尺寸则需要考虑填充物的堆积密度和流体的流速等因素。
3.2 计算填料塔高度和直径在填料塔设计中,需要计算合适的塔高度和直径。
塔高度的确定需要考虑流体的停留时间和传质效果,直径则与流体的流速和塔内气液分布有关。
3.3 确定填料塔内部结构填料塔内部结构的设计是确保流体顺利流动和分离的关键。
常见的结构包括气液分配器、液液分配器、分离器等。
这些结构的选取和设计需要根据具体情况进行综合考虑。
3.4 进行力学和流体力学计算填料塔设计还需要进行力学和流体力学计算,以评估结构的稳定性和流体的运动状态。
例如,可以进行应力和变形分析,以及流体的流速和压降计算等。
3.5 完善设计细节和优化最后,对填料塔的设计进行细化和优化。
这包括确定支撑结构、确定施工方式、考虑维护和清洁等因素,以确保填料塔的长期稳定运行。
4. 总结根据土木工程原理课程所学内容,填料塔的设计是一个复杂而重要的工程任务。
通过质量平衡和动量平衡原理,并结合实际需求和物质特性,可以得出合理的设计方案。
然而,设计过程中也需要进行力学和流体力学计算,并对细节进行优化。
只有在综合考虑各种因素的基础上,填料塔才能达到预期的分离和净化效果。
以上是根据土木工程原理课程进行填料塔设计的简要介绍。
希望对您有所帮助!。
1.1填料塔设计1.1.1概述石化行业是国民经济中能耗较高的产业部门,其能耗占工业能耗接近1/5,占全国总能耗的14%左右。
在目前占有工业能耗接近五分之一的石化行业中,较大的能耗主要来源于化学原料及化学制品制造业能耗、石油天然气开采业能耗、石油加工、炼焦及核燃料加工业能耗、橡胶制品业能耗。
而在化工生产中,分离的能耗占主要部分,其中尤以精馏塔在分离设备中占有最大比例,因此,塔设计的好快与否,对于整个工厂的经济效益有着很重要的作用。
塔设备的投资费用占整个工艺设备费用的四分之一左右,塔设备所耗用的钢材料重量在各类工艺设备中所占的比例也较多,例如在年产250万吨常压减压炼油装置中耗用的钢材重量占62.4%,在年产60-120万吨催化裂化装置中占48.9%。
因此,塔设备的设计和研究,是我们工作的重点。
在本化工厂设计中,塔设备汇总如表所示:表8-1 塔设备汇总表塔设备编号塔设备名称T0101裂解油预分塔T0102隔壁塔T0103抽提塔T0104溶剂回收塔T0201甲苯塔T0202二甲苯塔(续表)T0401歧化反应产物分离隔壁塔T0501抽取液塔T0502抽余液塔1.1.2设计依据《压力容器》GB 150-2011《钢制塔式容器》JB 4710-2005《钢制压力容器用封头标准》JB/T 4746-2002《碳钢、低合金钢制填料塔式压力容器技术要求》QSY-GDJ-JS121-008-2010《碳素钢、低合金钢人孔与手孔类型与技术条件》HG 21514-95《中国地震动参数区划图》GB 18306-2001《建筑结构荷载规范》GB 50009-20121.1.3塔型的选择原则精馏塔主要有板式塔和填料塔两种,它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程,但两者各有优缺点,要根据具体情况选择。
1.1.3.1填料塔与板式塔的比较表8-2 精馏塔的主要类型及特点结构特点每层板上装配有不同型式的气液接触元件或特殊结构,如筛板、泡罩、浮阀等;塔内设置有多层塔板,进行气液接触塔内设置有多层整砌或乱堆的填料,如拉西环、鲍尔环、鞍型填料等散装填料,格栅、波纹板、脉冲等规整填料;填料为气液接触的基本元件操作特点气液逆流逐级接触微分式接触,可采用逆流操作,也可采用并流操作设备性能空塔速度(亦即生产能力)高,效率高且稳定;压降大,液气比的适应范围大,持液量大,操作弹性小大尺寸空塔气速较大,小尺寸空塔气速较小;低压时分离效率高,高压时分离效率低,传统填料效率较低,新型乱堆及规整填料效率较高;大尺寸压力降小,小尺寸压力降大;要求液相喷淋量较大,持液量小,操作弹性大(续表)装困难,安装程序较简单,检修清理容易,金属材料耗量大修清理困难,可采用非金属材料制造,但安装过程较为困难适用场合处理量大,操作弹性大,带有污垢的物料处理强腐蚀性,液气比大,真空操作要求压力降小的物料1.1.3.2板式塔塔型选择一般原则:选择时应考虑的因素有:物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、运转、维修等。
填料塔:填料塔是指流体阻力小,适用于气体处理量大而液体量小的过程。
液体沿填料表面自上向下流动,气体与液体成逆流或并流,视具体反应而定。
填料塔内存液量较小。
无论气相或液相,其在塔内的流动型式均接近于活塞流。
若反应过程中有固相生成,不宜采用填料塔。
填料塔在塔内充填各种形状的填充物(称为填料),使液体沿填料表面流动形成液膜,分散在连续流动的气体之中,气液两相接触面在填料的液膜表面上。
它属膜状接触设备。
基本介绍:填料塔以填料作为气、液接触和传质的基本构件,液体在填料表面呈膜状自上而下流动,气体呈连续相自下而上与液体作递向流动,并进行气、液两相间的传质和传热。
两相的组分浓度和温度沿塔高连续变化。
填料塔属于微分接触型的气、液传质设备。
填料塔又称填充塔。
化工生产中常用的一类传质设备。
主要由圆柱形的塔体和堆放在塔内的填料(各种形状的固体物,用于增加两相流体间的面积,增强两相间的传质)等组成。
用于吸收、蒸馏、萃取等。
结构原理: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。
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。
填料塔的结构和计算摘要:塔设备是化工,石油化工和炼油行业最为常见的过程设备之一,他的作用是使气液在塔内进行充分的接触,达到传热和传质的目的。
塔设备在一定的条件下,将能达到气液共存状态的混合物实现分离,纯化的单元操作设备,广泛用于炼油,精细化工,环境工程,医药工程,食品工程和轻纺工程等行业和部门中。
其投资在工程设备总额中占有很大比重,一般约占20%~50%。
工业上为使气液充分接触以实现传质过程,既可采用板式塔,也可采用填料塔。
吸收塔的工艺计算,首先是在选定吸收剂的基础上确定吸收剂用量,继而计算塔的主要工艺尺寸,包括塔径和塔的有效段高度。
塔的有效段高度,对填料塔是指填料层高度关键词:吸收塔, 矩鞍填料;几何特性;流体力学;传质性能;传质单元高度1.1塔设备简介塔设备是化工,石油化工和炼油行业最为常见的过程设备之一,他的作用是使气液在塔内进行充分的接触,达到传热和传质的目的。
塔设备在一定的条件下,将能达到气液共存状态的混合物实现分离,纯化的单元操作设备,广泛用于炼油,精细化工,环境工程,医药工程,食品工程和轻纺工程等行业和部门中。
其投资在工程设备总额中占有很大比重,一般约占20%~50%。
填充塔的应用始于19世纪中叶,起初在空塔中填充碎石、砖块和焦炭等块状物,以增强气液两相间的传质。
1914年德国人F.拉西首先采用高度与直径相等的陶瓷环填料(现称拉西环)推动了填充塔的发展。
此后,多种新填料相继出现,填充塔的性能不断得到改善,近30年来,填充塔的研究及其应用取得巨大进展,不仅开发了数十种新型高效填料,还较好地解决了设备放大问题。
到60年代中期,直径数米乃至十几米的填充塔已不足为奇。
现在,填充塔已与板式塔并驾齐驱,成为广泛应用的传质设备。
塔设备的分类方法有多种,例如:按操作压力可分为:加压塔,常压塔,减压塔;按塔所能完成的单元过程分为:精馏塔,吸收塔,解压塔,萃取塔,反应塔和干燥塔等等,但是长期以来,最为常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔。
填料塔课程设计总结一、教学目标本课程的教学目标是让学生掌握填料塔的基本原理、结构和设计方法。
通过本课程的学习,学生将能够:1.描述填料塔的定义、分类和应用范围;2.解释填料塔的工作原理和传质过程;3.分析填料塔的设计参数和计算方法;4.运用填料塔原理解决实际工程问题。
二、教学内容教学内容将围绕填料塔的基本概念、结构、设计和应用展开,具体包括以下几个方面:1.填料塔的定义、分类和应用范围;2.填料塔的工作原理和传质过程;3.填料塔的设计参数和计算方法;4.填料塔在化工、环保等领域的应用案例。
三、教学方法为了提高学生的学习兴趣和主动性,将采用多种教学方法进行授课,包括:1.讲授法:讲解填料塔的基本概念、原理和设计方法;2.案例分析法:分析填料塔在实际工程中的应用案例;3.实验法:学生进行填料塔的实验操作,加深对理论知识的理解;4.讨论法:鼓励学生积极参与课堂讨论,提高解决问题的能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施,将准备以下教学资源:1.教材:选用权威、实用的教材,为学生提供系统的学习资料;2.参考书:推荐学生阅读相关参考书籍,丰富知识体系;3.多媒体资料:制作课件、视频等多媒体资料,提高课堂教学效果;4.实验设备:准备填料塔实验所需的设备,为学生提供实践操作机会。
通过以上教学设计,相信学生能够系统地掌握填料塔的知识,为今后的工程实践打下坚实基础。
五、教学评估本课程的评估方式将包括平时表现、作业、考试等多个方面,以全面客观地评价学生的学习成果。
具体评估方式如下:1.平时表现:通过课堂参与、提问、讨论等环节,评估学生的学习态度和积极性;2.作业:布置适量作业,评估学生对知识点的理解和运用能力;3.考试:设置期中、期末考试,全面测试学生的知识掌握和应用能力。
六、教学安排教学进度将根据课程内容和教学目标合理安排,确保在有限的时间内完成教学任务。
具体教学安排如下:1.教学时间:根据学生的作息时间,合理安排上课时间,确保学生有充足的精力参与学习;2.教学地点:选择适合的教学场所,如教室、实验室等,为学生提供良好的学习环境;3.教学进度:按照教学大纲,有序进行教学,确保每个知识点得到充分讲解和实践。
规整填料塔有什么特点?规整填料在空分设备中的上塔,粗氩塔和精氩塔获得广泛应用,使空分设备的能耗、氧和氩的提取率,装置的启动时间及变工况技术都有明显提高。
规整填料塔一般具有以下几方面的特点:(1)规整填料压降显著低。
由于规整填料中气一液两相呈膜式接触,不同于筛板塔中两相的鼓泡接触,因此填料塔的压降只有筛板塔的1/4~1/6。
如规整填料上塔的操作阻力为3.5~4.2kPa,底部的操作压力仅为35~45kPa,下塔一般仍采用筛板塔,操作阻力亦未改变,因此下塔的操作压力相应下降了0.05~0.06MPa,一般为0.44~0.48MPa,这样空压机的轴功率可降低5%~7%。
(2)规整填料分离效率高。
上塔的操作压力越低,就大大有利于氧、氮、氩的分离,尤其是氧和氩的分离,一般氧的提取率可以提高1%~3%、氩的提取率可以提高5%~10%,实践证明,空分设备氧的提取率已达到99%以上,氩的提取率已达到80%以上。
经实测,上塔含氮污的含氧量均可少于0. 1%,甚至可达到150~200×10-4%,就是说明上塔已达到完整的精馏工况。
由于氧的提取率高、加工空气量少,空分设备的能耗已下降至0.4~0.45kwh/m3O2。
(3)规整填料持液量少。
规整填料塔持液量一般仅为塔容积的1%~6%,而筛板塔的持液量为塔容积的8%~10%。
持液量少,意味着液体在塔内停留时间短,操作压降小,有利于变工况操作。
规整填料塔设计范围可达40%~120%。
(4)规整填料空隙大。
规整填料的空隙率达95%以上。
在筛板塔中孔板面积占塔截面的80%,而开孔率均为8%~12%,均远远少于填料层的空隙率。
对同一负荷而言,填料塔的塔经比筛板塔小;一般情况下其截面积只有筛板塔的70%左右,这对于大型空分设备来说,塔经缩小有利于运输。
(5)装置启动时间大幅度缩短。
上塔采用规整填料后,其正常精馏时所持有的液体量大幅度下降后,使空分设备的启动时间大幅度缩短,一般启动时间仅需26~30小时。
填料塔的结构和计算摘要:塔设备是化工,石油化工和炼油行业最为常见的过程设备之一,他的作用是使气液在塔内进行充分的接触,达到传热和传质的目的。
塔设备在一定的条件下,将能达到气液共存状态的混合物实现分离,纯化的单元操作设备,广泛用于炼油,精细化工,环境工程,医药工程,食品工程和轻纺工程等行业和部门中。
其投资在工程设备总额中占有很大比重,一般约占20%~50%。
工业上为使气液充分接触以实现传质过程,既可采用板式塔,也可采用填料塔。
吸收塔的工艺计算,首先是在选定吸收剂的基础上确定吸收剂用量,继而计算塔的主要工艺尺寸,包括塔径和塔的有效段高度。
塔的有效段高度,对填料塔是指填料层高度关键词:吸收塔, 矩鞍填料;几何特性;流体力学;传质性能;传质单元高度1.1塔设备简介塔设备是化工,石油化工和炼油行业最为常见的过程设备之一,他的作用是使气液在塔内进行充分的接触,达到传热和传质的目的。
塔设备在一定的条件下,将能达到气液共存状态的混合物实现分离,纯化的单元操作设备,广泛用于炼油,精细化工,环境工程,医药工程,食品工程和轻纺工程等行业和部门中。
其投资在工程设备总额中占有很大比重,一般约占20%~50%。
填充塔的应用始于19世纪中叶,起初在空塔中填充碎石、砖块和焦炭等块状物,以增强气液两相间的传质。
1914年德国人F.拉西首先采用高度与直径相等的陶瓷环填料(现称拉西环)推动了填充塔的发展。
此后,多种新填料相继出现,填充塔的性能不断得到改善,近30年来,填充塔的研究及其应用取得巨大进展,不仅开发了数十种新型高效填料,还较好地解决了设备放大问题。
到60年代中期,直径数米乃至十几米的填充塔已不足为奇。
现在,填充塔已与板式塔并驾齐驱,成为广泛应用的传质设备。
塔设备的分类方法有多种,例如:按操作压力可分为:加压塔,常压塔,减压塔;按塔所能完成的单元过程分为:精馏塔,吸收塔,解压塔,萃取塔,反应塔和干燥塔等等,但是长期以来,最为常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔。
摘要: 对填料塔设计的内部结构合理设置进行分析, 并通过实际操作进行对比观察, 结果发现, 填料塔的结构设置合理, 能明显提高气液传质效果, 增强分离能力。
填料塔是化工类型工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的传质接触状况。
填料塔具有结构简单, 便于用耐腐蚀材料制造, 造价低以及压降小等优点。
此外填料塔还具有很多适用性, 被广泛应用在小直径塔上。
如填料塔设计合理, 可以取得很好的分离效果, 从而得到很好的经济效果。
1 现有设计缺陷和原因分析目前, 许多在用的填料分离塔存在一些问题, 影响了塔的分离效果。
尽管这些塔的塔径、填料高度均计算合理, 塔内构件齐全, 但往往忽略了各塔件的合理布置, 有些则图结构简单, 省略了一些不能省略的部件, 从而使气液两相的传质状况大受影响, 降低了塔的分离能力。
经了解, 广西许多制药厂中使用的酒精回收塔就普遍存在以下一些问题, 这些问题产生的主要原因是, 设计时没有意识到这些问题的重要性, 以及在实际操作中所产生的后果, 现就存在的问题分析如下:111没有设置液相再分配装置在用的许多小直径填料分离塔中, 为了充分利用高度, 简化结构, 未设置液相再分配器。
塔内液体沿填料层下流时往往有逐渐靠塔壁方向集中的趋势, 液体沿塔壁走短路至塔底, 降低了传质效果。
实际上, 在小塔中, 由于单位截面的周边率大, 此效应大为显著, 减少填料的表面有效利用率达30 %以上,影响设备效率。
112各液相再分配装置分配不合理尽管有些在用的填料塔也设置了液相再分配装置, 但在设计中忽视了再分配器的分布, 只图设计安装方便, 不重视设置位置, 也起不到克服液相走短路的状况。
113液相喷淋装置与填料的距离不合理液相喷淋装置与填料的高度也没有引起足够的注意。
液相喷淋装置与填料的距离控制不合理, 会引起液相分布不均, 影响传质效果。
114液相再分配装置与填料的距离不合理液相再分配器与填料的空间距离, 在实际操作中很重要, 合理地安排一定的空间距离, 使气液有一个再平衡空间, 对提高传质效率大有好处。
规整填料塔设计浅析
引言:规整填料,是一种在塔内按均匀几何图形排列、整齐堆砌的填料,具有较高的传质性能和生产能力。
因此,规整填料塔的应用范围是越来越广泛,其设计的要求也越来越高。
1 规整填料塔的结构
填料塔由筒体、塔内件及填料构成。
填料分为散装和规整填料两大类。
塔内件有各种形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置与进料装置及气体分布装置等。
筒体有整体式结构及法兰连接分段式结构。
对于直径800mm 以上的大塔一般采用整体式结构,填料及所有塔内件从人孔送入塔内组装,如图1所示:
图1规整填料塔填料塔结构示意图
2 规整填料塔的特点
规整填料塔不仅结构简单,而且具有生产能力大(通量大)、分离效率高、持液量小、操作弹性大、压强降低等特点。
通过填料材质的选择,可处理腐蚀性的物料。
尤其对于压强降较低的真空精馏操作,更显示出其优越性。
但是,规整填料塔的造价通常高于板式塔,对于含有悬浮物的料液、易聚合的物系则不适用,而且对于有侧线出料的场合等也不大适宜。
图2 规整填料
3 填料塔的设计
3.1
液泛气速计算
液泛是指逆流填料塔中气液两相交互作用达到一种特定流体力学现象。
发生液泛时,持液量增加,气液鼓泡传质,气流脉动,液体被大量带出塔顶部,塔操作不稳定甚至被破坏。
因此,填料塔只有在泛点气速以下才可能稳定地操作,但如果气速太低又会造成设备的浪费以及气、液体分布的不均匀。
通常认为,液泛气速是填料塔逆流操作的极限气速,一般取操作气速为液泛气速的50%~80%[1]。
规整填料塔设计的首要任务是根据填料类型,将其在操作条件下的泛点气速算出,再确定适宜的塔径和塔内实际操作气速下的填料层压降。
利用Bain-Haugen公式计算液泛气速在工业中使用非常广泛,而且参数少,易查找,计算精度较高,对规整填料非常适用。
该公式是Bain-Haugen[2]修正Sherwood等提出的,修正后的公式为:
式中,L、G为液相、气相流率,kg/s;为液泛气速,m/s;为气相密度,kg/m3 ;为干填料因子,m-1;为液相、气相密度,kg/m3;为液相粘度,Pa?s。
根据各种填料的实验数据回归出的A、B 值,即可将该公式应用到不同的规整填料计算中3.2
塔径计算
塔径主要根据工艺条件的要求、生产的稳定性、生产的状态(连续、间歇)、以及塔的操作条件等参数确定,其设计是一个综合性的问题。
塔内气速低,塔径就大,塔内的压降低;塔内气速高,塔径就小,塔内的压降就大,所以需要统筹考虑。
塔径计算方法主要有泛点算法、载点算法和FP-Cmax图法。
FP-Cmax 图法是工业上普遍使用的用来计算规整填料塔塔径的方法,一般由填料生产厂家提供,所以计算结果准确性较高。
利用该方法计算塔径时,首先计算出流动参数FP 值:
再根据FP-Cmax 图求出极限气体负荷因子Cmax 值,考虑液体表面张力和粘度的影响对
Cmax 的影响进行修正得CS:
填料设计气体负荷因子CG一般为:CG = (0.75 –0.8)CS
填料的塔截面积AC由下式求得:
填料塔的塔径:DT = 1.13
3.3
填料塔压降计算
填料床层的压降是一个重要特性,它直接涉及精馏的能耗,在减压精馏时更为重要,往往是设计的一个重要指标。
计算填料塔压降的模型方法分为两类,一类是专门适用于某特定类型的,这种模型算法往往由填料开发者提出,有些没有公开发表,需向填料制造商咨询;另一类是通用的。
对于应用通用的模型算法计算压降时,应留意实验数据正确性问题。
Kister与Gill 在大量实验实测数据的基础上,修正了Eckert 通用关联图,得到Kister 通用关联图[3](图3)。
与Eckert 通用关联图相比,其优越之处在于它能清楚地表明关联图的正确情况,即对关联图的限制明确,因此对实际问题所做的压降估计的可靠性大大提高。
图3 规整填料压降通用关联图
图3中横坐标为流动参数FP,FP = ;
纵坐标为通量参数Y,Y = ;
C 为气相负荷因子,C=ug,m/s ;
v为液相运动粘度,v =,m2/s;
为与填料结构形状和尺寸特性有关的实验填料因子,m-1。
3.4
填料塔持液量计算
持液量是指正在操作的填料塔内单位体积填料层中积存的液体体积量,常以m3液体/m3填料表示。
一般分为静持液量HS和动(操作)持液量Ho ,前者是指塔在停止操作相当长时间后塔中残余的液体,这部分液体量在塔操作中几乎不会改变,故对塔中传质几乎不起作用。
除去静持液量外,其余持液量为动持液量。
静、动持液量两者之和为总持液量Ht。
为得到塔中良好的传质和高的分离效率,塔中保持适当的持液量是必需的。
但持液量不宜过多,否则将造成压降增大,液体在塔中停留时间过长,对危险物品和热敏性物料是不希望的。
由于
持液量占有了塔中自由流动空间,故影响塔中实际气速从而影响压降。
文献[4]认为Billet 模型的预测值与实验值误差较小,尤其在恒持液量区,因此可以采用Billet 模型计算规整填料的持液量。
Billet 模型的3741
正常操作时的持液量:hL = hLS [ 1+ 1.2]
hLS为载点持液量
3.5
填料高度计算
为使填料塔完成分离任务,足够的填料层高度至关重要,所以确定填料层高度是填料塔设计的关键。
填料层高度的计算方法有传质单元高度法、传质系数法和等板高度法。
由于现在塔设计过程中常使用模拟软件模拟出塔的理论板数,所以采用等板高度法计算填料层高度更为方便。
等板高度又称理论板当量高度,是表达填料塔效率的一种方法,用HETP(Height Equivalent to a TheoreticalPlate)表示。
由于填料塔内气、液组成是微分连续变化的,与板式塔的阶跃变化不同,所以引用传质单元概念,以平衡级为基础,把整个填料层分为若干个平衡级,因此填料层高度Z 的计算式为:Z = NT * HT
式中,NT为理论板数,无因次;HT为等板高度,m。
等板高度即表示与一块理论版所相当的填料层高度。
由于Lockett 模型涉及的参数仅为流体物性和填料比表面积,计算误差在工程允许范围内,通用性较好。
所以选择Lockett 模型可以作为预测规整填料的模型。
式中,g为9.81m/s2;为液相、气相密度,kg/m3;为粘度,kg/(m/s);a为填料比面积,m2/m3。