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填料塔设计
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填料塔设计

2018-06-25      阅读:
一、填料塔结构
    填料塔是以塔内装有大量的填料为相间接触构件的气液传质设备。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。在填料的上方安装填料压板,以限制填料随上升气流的运动。液体从塔顶加入,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(小直径塔一般不设置)分布后,与液体呈逆流接触连续通过填料层空隙,在填料表面气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式的气液传质设备,正常操作状态下,气相为连续相,液相为分散相。
 
二、填料的类型及性能评价
    填料是填料塔的核心构件,它提供了气液两相接触传质的相界面,是决定填料塔性能的主要因素。填料的种类很多,根据装填方式的不同,可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料根据结构特点不同,分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料等;规整填料按其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等,目前工业上使用最为广泛的是波纹填料,分为板波纹填料和网波纹填料;
 
填料的几何特性是评价填料性能的基本参数,主要包括比表面积、空隙率、填料因子等。
1.比表面积:单位体积填料层的填料表面积,其值越大,所提供的气液传质面积越大,性能越优;
2.空隙率:单位体积填料层的空隙体积;空隙率越大,气体通过的能力大且压降低;
3.填料因子:填料的比表面积与空隙率三次方的比值,它表示填料的流体力学性能,其值越小,表面流体阻力越小。

三、填料塔设计基本步骤
1.根据给定的设计条件,合理地选择填料;
2.根据给定的设计任务,计算塔径、填料层高度等工艺尺寸;
3.计算填料层的压降;
4.进行填料塔的结构设计,结构设计包括塔体设计及塔内件设计两部分。 
 
四、填料塔设计 
1.填料的选择
    填料应根据分离工艺要求进行选择,对填料的品种、规格和材质进行综合考虑。应尽量选用技术资料齐备,适用性能成熟的新型填料。对性能相近的填料,应根据它的特点进行技术经济评价,使所选用的填料既能满足生产要求,又能使设备的投资和操作费最低。 
(1)填料种类的选择
填料的传质效率要高:传质效率即分离效率,一般以每个理论级当量填料层高度表示,即HETP值;
填料的通量要大:在同样的液体负荷下,在保证具有较高传质效率的前提下,应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料;
填料层的压降要低:填料层压降越低,塔的动力消耗越低,操作费越小;对热敏性物系尤为重要;
填料抗污堵性能强,拆装、检修方便。
(2)填料规格的选择
填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积;
(a)散堆填料规格的选择:工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等;同类填料,尺寸越小,分离效率越高,但阻力增加,通量减少,填料费用也增加很多;而大尺寸的填料应用于小直径塔中,又会产生液体分布不良及严重的壁流,使塔的分离效率降低。因此,对塔径与填料尺寸的比值要有一定限制,一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。
(b)规整填料规格的选择:国内习惯用比表面积表示规整填料的型号和规格,主要有125、150、250、350、500、700;同种类型的规整填料,其比表面积越大,传质效率越高,但阻力增加,通量减小,填料费用也明显增加。选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑,使所选填料既能满足技术要求,又具有经济合理性。
对于同一座填料塔,可以选用不同类型、不同规格的填料,也可以同时使用散装填料和规整填料。
(3)填料材质的选择
填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类
(a)陶瓷填料  陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性,可在低温、高温下工作,具有一定的抗冲击性但不宜在高冲击强度下使用,质脆、易碎是陶瓷填料的最大缺点。陶瓷填料价格便宜、具有很好的表面润湿性能,在气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程中应用较为普遍。
(b)金属填料 金属填料可用多种材质制成,金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性及金属材质耐腐蚀性来综合考虑。
碳钢填料造价低,且具有良好的表面润湿性能,对于无腐蚀性或低腐蚀性物系有限考虑使用;
不锈钢填料耐腐蚀性强,一般能耐Cl-以外常见物系的腐蚀,但其造价较高,且表面润湿性能较差;有时需要对其表面进行处理,才能取得良好的使用效果。
金属填料通过大、气阻小,具有很高的抗冲击性能,能在高温、高压、高冲击强度下使用,应用范围最为广泛。
(c)塑料填料 主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC),国内一般多采用聚丙烯材质。
塑料填料质轻、价廉,具有良好的韧性,耐冲击、不易碎,耐腐蚀性较好,可长期在100℃以下使用;它的通量大、压降低,多用于吸收、解析、萃取、除尘等装置中;塑料填料的缺点是表面润湿性能差,需对其表面进行处理。
2.填料塔工艺尺寸的计算
(1)塔径的计算:采用下式进行计算,其核心问题是确定空塔气速u。空塔气速建议值为0.2~1m/s。

泛点气速法:泛点气速是填料塔操作气速的上限,填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速,操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。
对于散装填料:u/uF=0.5-0.85
对于规整填料:u/uF=0.6-0.95
泛点率的选择主要考虑两方面因素:
第一,物系的发泡情况,对于易起泡沫的物系,泛点率应取低限值,而无泡沫的物系,可取较高的泛点率;
第二,填料塔的操作压力,对于加压操作的塔,应取较低的泛点率,对于减压操作的塔,应取较高的泛点率。
泛点气速一般通过经验方程式进行计算
贝恩—霍根关联式:

式中      uF2为泛点气速,m/s
          g为重力加速度,9.81m/s2
          a为填料比表面积,m2/m3
          ε为填料层空隙率,m3/m3
          ρv、ρL为气相、液相密度,Kg/m3
          μL为液体粘度,mPa•s
          WL、WV为液相、气相的质量流量,Kg/h
          A、K为关联常数
 
气体动能因子法:气相动能因子简称F因子,其定义式为

计算时,先从手册或图表中查出填料在操作条件下的F因子,然后依据上式即可计算出操作空塔气速u。
 
气相负荷因子法:气相负荷因子简称Cs因子,其定义式为:

采用气相负荷因子计算操作空塔气速,先计算出最大气相负荷因子Cs,max,然后依据Cs=0.8Cs,max计算出Cs。
Cs,max的数值见有关填料手册。
气相动能因子法和气相负荷因子法一般只适用于规整填料,且液体粘度不大于2×10-3Pa•s,操作压力不大于0.2MPa的场合。
(2)填料层高度计算
填料层高度的计算可分为传质单元法和等板高度法。在工程上,传质单元法多用于吸收、解吸、萃取等填料塔的设计计算,而对于精馏填料塔,则习惯用等板高度法计算填料层高度。
等板高度法计算填料层的基本公式为: 

 
由上式可看出,当工艺计算出完成规定分离任务所需的理论板层数NT后,关键是确定填料层的等板高度HETP。
等板高度不仅取决于填料的类型和尺寸,而且受系统物性、操作条件和设备尺寸的影响。一般是通过实验测定,或从工业应用的实际经验中选取HETP值。
采用上述方法计算出填料层高度后,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  Zˊ=(1.3-1.5)Z
 
(3)填料层压降的计算
填料层压力降是填料塔压力降的主要组成部分。通常,根据设计(或操作)参数,由通用关联图(或压降曲线)先求得每米填料层的压降值,然后再乘以填料层高度,即得出填料层的压力降。
散装填料的压降计算
散装填料的压降值可从有关填料手册中查得,也可由埃克特通用关联图计算。计算时先根据气液负荷及有关物性数据,求出横坐标;再根据操作空塔气速、压降填料因子及有关物性参数,求出纵坐标;通过作图得出交点,读出过交点的等压线数值,即可得出每米填料层压降值。
Φp为压降填料因子,ψ为液体密度校正系数,ρ水/ ρL 

 
规整填料的压降计算
通过填料的压降关联式计算,规整填料的压降通常关联成以下形式: 

式中  p/Z为每米填料层高度的压力降,Pa/m
      u为空塔气速,m/s
      ρv为气体密度,Kg/m3
      α、β为关联式常数,可从填料手册中查出
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