化工原理课程设计 清水吸收变换气的填料塔装置设计

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1、 清水吸收变换气的填料塔装置设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 目 录 一、绪论………………………………………………………………....……..2 二、设计

2、任务及操作条件……………………………………………………..3 三、设计方案的确定…………………………………………………………..3 1、装置流程的确定………………………………………………………4 2、吸收剂选择……………………………………………………………5 3、操作温度与压力的确定………………………………………………5 4、填料的类型与选择……………………………………………………5 四、基础物性参数的确定……………………………………………………..8 1、液相物性参数…………………………………………………………8 2、气相物性参数…………………………………………………………8

3、 3、气液相平衡参数………………………………………………………9 4、物料衡算………………………………………………………………9 五、填料塔工艺尺寸的确定………………………………………………….11 1、塔径的计算…………………………………………………………...11 2、填料层高度计算……………………………………………………...14 六、填料层压降计算………………………………………………………….16 七、填料塔内件的类型与设计……………………………………………….16 八、除沫器的设计选型……………………………………………………….19 九、填料塔各接管设计………………

4、……………………………………….19 1、进料管………………………………………………………………...19 2、气体入口……………………………………………………………...21 十、人孔或手孔设计及开孔补强…………………………………………….22 十一、支座设计……………………………………………………………….23 十二、塔总高………………………………………………………………….24 十三、总结…………………………………………………………………….24 十四、参考文献 十五、后记 十六、符号说明 一、绪论 塔设备是炼油、化

5、工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小、结构简单、设备取材面广等。 塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。板式塔的研究起步早，具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点。 填料塔由填料、塔内件及筒体构成。填料分规整填料和散装填料两大类。塔内件有不同形式的液体分布装置、填料固

6、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及气体分布装置等。与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：生产能力大、分离效率高、压力降下、操作弹性大、持液量小等优点。 填料塔类型很多，其设计的原则大体相同，一般来说，填料塔的步骤如下： 根据设计任务和工艺要求，确定设计方案； 根据设计任务和工艺要求，合理地选择填料； 确定塔径、填料层高度等工艺尺寸； 计算填料层的压降； 进行填料塔塔内件的设计和选型。 二、设计任务及操作条件 设计题目：清水吸收变换气的填料塔装置设计 设计任务：完成填料塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型

7、，绘制吸收系数的工艺流程图和填料塔设置图，编写设计说明说。 设计条件： 1、气体混合物成分：空气和氨； 2、氨的含量：4.5% （体积）； 3、混合气体流量：4000m3/h； 4、操作温度：293K 5、混合气体压力：101.3KPa； 6、回收率：99.8% 。 设计内容： （1）流程的确定与论证； （2）吸收塔技术指标与操作指标确定，包括：塔径、填料层的高度、填料层的压力降等； （3）工艺计算、结构设计、流体力学条件校核。 三、设计方案的确定 填料塔设计方案的确定包括装置及流程的确定、吸收剂的选择、操

8、作压力的确定、操作温度的确定、进料热状况的选择、填料的选择以及填装方式等。 1、装置流程的确定 吸收装置的流程主要有逆流操作、并流操作、吸收部分再循环操作、多塔串联操作、串联--并联混合操作。由于本设计任务是水吸收氨气操作设计，同时吸收效率要求较高，故采用逆流式操作，气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，同时，此操作传质平均推动力大，传质效率快，分离效率高，吸收剂利用率高。具体流程如下： 2、吸收剂选择 吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几个方面

9、：溶解度、选择性、挥发度要低、粘度、其他因素如无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。本实验用水为吸收剂吸收氨气。 3、操作温度与压力的确定 （1）、操作温度的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。本设计中对填料塔的操作温度设计为20℃。 （2）、操作压力的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需结合具体工艺条件综合考虑，以

10、确定操作压力。具体详见后续说明。 4、填料的类型与选择 塔填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。 填料的类型很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料是一个个具有一定几何形状的尺寸的颗粒体，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。本设计选用聚丙烯鲍尔环填料。 1.1、填料种类的选择 填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备和操作费用较低。对

11、于填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：1、传质效率即分离效率，常用两种方法表示：一是以理论级进行计算的表示方法，以每个理论及当量的填料层高度表示，即HETP值；另一是以传质效率进行计算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度表示，即HTU值。2、通量 在相同的液体负荷下，填料的泛点气速越高或气相动能因子越大，则通量越大，塔的处理能力亦越大。因此，在选择填料种类时，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。3、填料层的压降 填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降越低，动力消耗越低，操作费用越小。比较填料压降有两种方法，一

12、是比较填料层单位高度的压降△P/Z；另一是比较填料层单位传质效率的比压降△P/NT。填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图表中查取。4、填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作弹性、抗污堵性及抗热敏性等。所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。同时，还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。 1.2、填料的规格的选择 通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择的方法亦不尽相同。由于本设计选用散装填料，故一下对散装填料规格的选择做一下介绍：散装填料的规格通常是指填料的公称直径。工

13、业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量越小，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的规定，对于本实验采用聚丙烯鲍尔环填料塔径与填料公称直径的比值D/d推荐值为D/d>10~15。 1.3、填料材质的选择 工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。对于陶瓷材质具有良好的耐腐蚀性和耐热性，同时价格便宜，具有很好的表面润滑性能，工业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等操作过程，但是其质脆、

14、易碎，本次设计不予采用。对于金属材质具有很高的抗冲击性能，但是只能对于无腐蚀性或低腐蚀性物系使用，氨具有腐蚀性，所以本实验不予采用。对于塑料材质耐腐蚀性能较好、耐温性良好、质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，所以本实验采用塑料材质作为填料材质。 1.4、本设计方案信息 装置流程 逆流操作 吸收剂 水 操作温度 293K 操作压力 101.3KPa 填料类型 聚丙烯鲍尔环填料 填料规格 DN50 （D/d>10~15） 填料材质 塑料填料 四、基础物性参数的确定 1、 液相物性参数 对于低浓度吸收过程，溶液的物性参数可近

15、似去纯水的物性参数。由表可知，20℃时水的相关物性参数如下： 密度（） 998.2 粘度（） 0.001Pa.s=3.6kg/(m. h) 表面张力（） 72.6dyn/cm=940896kg/ 2、气相物性参数 操作压力：101.325KPa; 氨气在水中的扩散系数： 由查表可知，20℃时，氨气在水中的扩散系数： 氨气在空气中的扩散系数： 由表可知，温度为0℃，压强为101.3KPa时，氨气在空气中的扩

16、散系数为0.17 根据关系式： 则 混合气体的平均摩尔质量： 混合气体的平均密度： 由于空气中氨气的含量较低，则混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查表可知20℃空气的粘度： 3、气液相平衡参数 20℃时，氨气在水中的亨利系数： 相平衡常数： 溶解度系数： 4、物料衡算 进塔气相摩尔比： 出塔气相摩尔比： 进塔惰性气相流量： 进塔混合气相流量：

17、 该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算： 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成： 取操作液气比: 因为液气比的范围为： 所以： 五、填料塔工艺尺寸的确定 1、塔径的计算 根据公式，要求D，首先要求出u （1） 空塔气速的确定 ①埃克特（Eckert）通用关联图 散装填料的泛点气速可用埃克特关联图计算，如图。计算时，先由气液相负荷及有关物性数据

18、求出横坐标的值，然后作垂线与相应的泛点线相交，再通过交点作水平线与纵坐标相交，求出纵坐标值。此时所对应的u即为泛点气速。 ②散装填料泛点填料因子平均值 填料类型 填料因子，1/m 金属鲍尔环 410 — 117 160 — 金属环矩鞍 — 170 150 135 120 金属阶梯环 —

19、 — 160 140 — 塑料鲍尔环 550 280 184 140 92 塑料阶梯环 — 260 170 127 — 瓷矩鞍 1100 550 200 226 — 瓷拉西环 1300 832 600 410

20、 — ③通过埃克特（Eckert）通用关联图求 根据关联图对应坐标可知，纵坐标 查表得： 则 根据塔径公式 ，可知 m 圆整为D=800mm 校核： （符合条件） 液体喷淋密度： 所以不符合 故取D=700mm 校核： （在0.5~0.85之间） 故：塔径圆整为D=700mm 2、填料层高度计算 脱吸因数： 气相传质单元数： 气相总传质单元高度采用恩田公式修正： 聚丙烯 液体质量通量：

21、 气膜吸收系数的计算： 气体质量通量： 液膜吸收系数的计算： 如图所示： 填料类型 球 形 棒 形 拉西环 弧 鞍 开孔环 常见填料的形状系数 0.72 0.75 1 1.19 1.45 查表可知填料形状细说为: 由关系式可知： ，则需选用下面的关系式对气膜和液膜系数进行校正： 则 由 考虑恩田公式的最大误差，为了安全计取设计填料层高度为 设计填料层高度： 查表，对于鲍尔环填料， ，则需将

22、填料塔进行分段，大致分为两段，每段4.35m，在两段填料间设置一槽式液体分布装置。 六、填料层压降计算 采用Eckert通用关联图计算填料层压降 横坐标： 根据散装填料压降填料因子平均值，可得 纵坐标： 结合Eckert通用关联图，可以大致得出： Z=8.7m 七、填料塔内件的类型和设计 1、塔内件的类型 填料塔的内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。 1.1、

23、填料支撑装置 填料支撑装置的作用是支撑塔内的填料。常见的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。对于本设计选用的散装填料，通常选用孔管型、驼峰型支撑装置。设计中，为防止在填料支撑装置出现压降过大甚至发生液泛，要求填料支撑装置的自由截面积应大于75%。而驼峰型支撑板可以提供100%的塔体横截面的自由截面，更重要的是，由于支撑板的凹凸的几何形状，填料装入后，仅有很少一部分开孔被填料堵塞，从而在操作中保存了足够大的自由截面，即使在高气速和高液速下也如此。针对本设计中选用直径为50的填料，所以选用直径为75mm的驼峰型支承板。 1.2、填料压紧装置 为防止在上升气流的作

24、用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同的类型。对于散装填料，可选用压紧网板，也可以选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定、在设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应大于70%。为了便于安装和检修，本设计中，填料压紧装置与塔壁间不采用连续固定方式。 1.3、液体分布装置 液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等，工业用以管式、槽式及槽盘式为主。因为本设计的较大，槽式分布器不易堵塞，对气体的阻力小，故选用槽式分

25、布器作为液体分布装置。 （1）由Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值可得，时，由内插法得，喷淋密度为193点，布液点数： 点 设计为二级槽，共设5道，槽高210mm，槽宽60mm，两槽中心距120mm。分布点采用三角形排列，实际设计点数为n=70点。如图所示： （2）布液计算：由公式 孔流系数 本设计选用，， 设计取 故孔径为4mm 八、除沫器的设计选型 除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液墙，由于氨气溶于水中易产生泡沫，为了防止泡沫随出气管排出，影响

26、吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，本设计中的填料塔选用丝网除沫器。 九、填料塔各接管设计 1、进料管 由下表可知： 流体的类别及情况 流速范围/（m/s） 自来水（左右） 1~1.5 水及低粘度液体 1.5~3.0 高粘度液体 0.5~1.0 工业供水（以下） 1.5~3.0 低压空气 12~15 高压空气 15~25 一般气体 10~30 水及低粘度液体流速1.5~3.0s 取u=1.5m/s 圆整为d=28mm

27、 液体进料管结构尺寸 （mm） 内管 外管 a b c 253 453.5 10 20 10 5 120 150 323.5 573.5 10 25 10 5 120 150 383.5 573.5 10 32 15 5 120 150 453,5 764 10 40 15 5 120 150 573.5 764 15 50 20 5 120 150 764 1084 15 70 30 5 120 150 894 1084 15 80

28、35 5 120 150 1084 1334 15 100 45 5 120 150 1334 1594.5 15 125 55 5 120 150 1594.5 2196 25 150 70 5 120 150 2196 2738 25 210 95 8 120 150 由上表查得可选用383.5的规格，但经校正其流速不在1.5~3m/s之间。故选用323.5的尺寸规格，并经校验符合条件。 接管长度h如下表所示： 接管长度h

29、 (mm) 公称直径DN 不保温设备接管长 保温设备接管长 使用公称压力PN() 15 80 130 4.0 20~50 100 150 1.6 70~350 150 200 1.6 70~500 1.0 因本设计无需保温，故选设备接管长h=100mm 综上，本设计采用的无缝钢管。接管长h=100mm。 2、气体入口 一般地说，气体则为10~30m/s，故本次设计选取30m/s作为气速。 校正：mm 经校正知选取的气速合理。 故本次设计选用DN=250mm，的热轧无缝钢管，接管长度h=150mm。 接管外径大于89mm且采用无缝钢管 选用

30、 JB/T 4736的补强圈。 十、人孔或手孔设计及开孔补强 设备内径在，一般不考虑开人孔。由于上述设计，所以开设手孔。 JB589-79部分表 密 封 面 型 式 公称压力 ) 公称压力 h 螺栓螺母 螺栓 总 量 （Kg） 数量 直径长度 A 10 150 1594.5 280 240 160 82 24 16 18 8

31、 18.8 250 2378 390 350 190 84 26 18 20 12 40.9 16 150 1596 280 240 170 84 28 18 20 8 22.9 250 2378 405 355 200 90 32 24 26 12 54.7 由上表可查：选手孔A： JB589-79 综合考虑需设计4个手孔， 螺栓选用规格M16，数量为8。 补强：采用 JB/T 4736的补强圈。 十一、支座设计 选型：圆筒型裙座 （一）塔体质量

32、裙体： 每米质量 填料层为8.7m，查表可得其余空白间距共为4.5m 即L=13.2m （二）封头质量 （三）塔内物料质量 由表查得： （四）附件的质量 手孔约为： 其他接口管和积液量的总和按400kg计算，故： 总质量为： 裙座内径： 塔座采用裙座支撑，选16MnR为材料 由于裙座内径>700mm，故厚度取6mm 高取2m 基础环的设计： 将圆整为1000mm 圆整为500mm 因为基础厚度均不得小于16mm，且考虑到腐蚀裕量，则应取18mm。 十二、塔总高 封头+直边高：h=2(175+25)=400mm 塔总高H=13.2+0.35+2+0.018=15.568m 圆整后。 十三、总结 化工原理课程设计是理论知识和实际设计相结合的重要课程，对学生掌握全面、系统的知识起到串引的作用，同时在培养学生自主学习、自我动手能力有着重要作用。 通过本设计，确定了填料塔的主要尺寸塔径700mm，填料塔的填料段高度为8700mm，总体塔高为16000mm，同时完成了设计任务，达到了设计要求。 25