填料塔設(shè)計(jì)與計(jì)算(正式版)-環(huán)境工程原理設(shè)計(jì)

1、環(huán)境工程原理大作業(yè)填料吸收塔課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書學(xué)院名稱：環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè)：環(huán)境工程班 級(jí)：環(huán)工0801姓 名：黃浩 段永鵬 魏夢(mèng) 和祥 任穩(wěn)剛指導(dǎo)老師：華虹2011.1.2環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)填料吸收塔課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書目 錄(一)設(shè)計(jì)任務(wù)1(二) 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要22.1 填料塔設(shè)計(jì)的一般原則22.2 設(shè)計(jì)題目22.3 工作原理2 (三) 設(shè)計(jì)方案23.1 填料塔簡(jiǎn)介23.2填料吸收塔的設(shè)計(jì)方案3.設(shè)計(jì)方案的思考 3.設(shè)計(jì)方案的確定 3.設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn) 3.工藝流程 3（四）填料的類型44.1概述44.2填料的性能參數(shù)44.3填料的使用范圍44.4填料的應(yīng)用54.5填料的選擇5（五）填料吸收塔工藝尺

2、寸的計(jì)算65.1液相物性數(shù)據(jù)65.2氣相物性數(shù)據(jù)75.3氣、液相平衡數(shù)據(jù)85.4塔徑計(jì)算85.5填料層高度計(jì)算8（六）填料層壓降的計(jì)算10（七）填料吸收塔內(nèi)件的類型與設(shè)計(jì)107.1 填料吸收塔內(nèi)件的類型107.2 液體分布12（八）設(shè)計(jì)一覽表13（九）對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述13（十）主要符號(hào)說(shuō)明14參考文獻(xiàn)15附錄24（一）設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一填料吸收塔，吸收礦石焙燒爐氣中的SO2。（二）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要（1）填料塔設(shè)計(jì)的一般原則填料塔設(shè)計(jì)一般遵循以下原則: :塔徑與填料直徑之比一般應(yīng)大于15：1，至少大于8：1；：填料層的分段高度為：金屬:6.0-7.5m，塑料：3.0-4.5；：5-10倍塔徑的填料高度需要設(shè)

3、置液體在分布裝置，但不能高于6m；：填料塔操作氣速在70%的液泛速度附近；：由于風(fēng)載荷和設(shè)備基礎(chǔ)的原因，填料塔的極限高度約為50米。（2）設(shè)計(jì)題目礦石焙燒爐送出的氣體冷卻到25后送入填料塔，用20清水洗滌除去其中的SO2,試設(shè)計(jì)一填料塔進(jìn)行上述操作并畫出設(shè)計(jì)方案工藝流程圖。設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)方案確定（流體流向、塔高、塔徑）；填料選擇；流體基礎(chǔ)物性的計(jì)算（液體物性、氣體物性、氣液平衡、物料衡算）；填料塔的工藝尺寸計(jì)算?；A(chǔ)數(shù)據(jù)：入塔爐氣流量：2400m3h;SO2的摩爾分率：0.05；SO2的回收率：95%。注意： 低濃度氣體的吸收溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)； 氣象為混合氣體。（3）工作原

4、理氣體混合物的分離，總是根據(jù)混合物中各組分間某種物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的差異而進(jìn)行的。吸收作為其中一種，它根據(jù)混合物各組分在某種溶劑中溶解度的不同而達(dá)到分離的目的。在物理吸附中，溶質(zhì)和溶劑的結(jié)合力較弱，解析比較方便。填料塔是一種應(yīng)用很廣泛的氣液傳質(zhì)設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓降低、填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn)，操作時(shí)液體與氣體經(jīng)過(guò)填料時(shí)被填料打散，增大氣液接觸面積，從而有利于氣體與液體之間的傳熱與傳質(zhì)，使得吸收效率增加。（三）設(shè)計(jì)方案（1）填料塔簡(jiǎn)介填料塔是提供氣-液、液-液系統(tǒng)相接觸的設(shè)備。填料塔外殼一般是圓筒形，也可采用方形。材質(zhì)有木材、輕金屬或強(qiáng)化塑料等。填料塔的基本組成單元有： ：殼體（外殼可

5、以是由金屬（鋼、合金或有色金屬）、塑料、木材，或是以橡膠、塑料、磚為內(nèi)層或襯里的復(fù)合材料制成。雖然通入內(nèi)層的管口、支承和磚的機(jī)械安裝尺寸并不是決定設(shè)備尺寸的主要因素，但仍需要足夠重視;）：填料（一節(jié)或多節(jié)，分布器和填料是填料塔性能的核心部分。為了正確選擇合適的填料，要了解填料的操作性能，同時(shí)還要研究各種形式填料的形狀差異對(duì)操作性能的影響）；：填料支承（填料支承可以由留有一定空隙的柵條組成，其作用是防止填料墜落；也可以通過(guò)專門的改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)引導(dǎo)氣體和液體的流動(dòng)。塔的操作性能的好壞無(wú)疑會(huì)受填料支承的影響）;：液體分布器（液體分布的好壞是影響填料塔操作效率的重要因素。液體分布不良會(huì)降低填料的有效濕潤(rùn)面

6、積，并促使液體形成溝流）；：中間支承和再分布器（液體通過(guò)填料或沿塔壁流下一定的高度需要重新進(jìn)行分布）；：氣液進(jìn)出口。塔的結(jié)構(gòu)和裝配的各種機(jī)械形式會(huì)影響到它的設(shè)計(jì)并反映到塔的操作性能上，應(yīng)該力求在最低壓降的條件下，采用各種辦法提高流體之間的接觸效率，并設(shè)法減少霧沫夾帶或壁效應(yīng)帶來(lái)的效率損失。與此同時(shí)，塔的設(shè)計(jì)必須符合由生產(chǎn)過(guò)程和塔的結(jié)構(gòu)形式所決定的經(jīng)濟(jì)性原則。（2）填料吸收塔的設(shè)計(jì)方案（3）設(shè)計(jì)方案的思考用水吸收爐氣中的SO2是屬于低濃度吸收。因?yàn)镾O2在水中的溶解度為140(V/V)，并且用水吸收SO2屬于物理吸收過(guò)程，所以在常溫常壓下操作即可達(dá)到較滿意的效果。為了確保SO2的回收率。宜采用氣

7、-液逆流的吸收過(guò)程，使水和混合氣充分接觸，以達(dá)到回收的要求。（4）設(shè)計(jì)方案的確定裝置流程的確定：吸收裝置的流程的有多種多樣，如逆流操作、并流操作、吸收劑部分再循環(huán)操作、多塔串聯(lián)操作、串聯(lián)-并聯(lián)混合操作等。流向?qū)ξ盏耐苿?dòng)力有一定的影響；整個(gè)操作過(guò)程為等溫等壓過(guò)程，依據(jù)題意可知吸收劑的用量比較大。結(jié)合以上分析及各種流程的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇逆流操作。操作方式：氣相由塔底進(jìn)入從塔頂排出，液相由塔頂進(jìn)入從塔底排出。（5）設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，質(zhì)速率快，分離效率好，吸收劑利用率高。（6）工藝流程混合氣在常溫常壓下進(jìn)入吸收塔底后，進(jìn)過(guò)氣體分布裝置，與塔頂下來(lái)的由泵提升的吸收劑逆流接觸，將SO2吸

8、收。工藝流程圖（四）填料類型的選擇4.1概述：填料是填料塔內(nèi)氣-液兩相接觸的核心元件。填料類型和填料層的高度直接影響傳質(zhì)效果，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素。填料的種類很多，根據(jù)填裝方式的不同，可分為散裝填料盒規(guī)整填料兩大類。規(guī)整填料是將金屬絲網(wǎng)或多孔板壓制成波紋狀并疊成圓筒形整塊放入塔內(nèi)。這種填料不但空隙率大，壓降低，而且液體按預(yù)分布器設(shè)定的途徑流下，只要液體的初始分布均勻，全塔填料層內(nèi)的液體分布良好，克服大塔的放大效應(yīng)，傳質(zhì)性能高。但其造價(jià)較高，易被雜物堵塞并且清洗困難。散裝填料常見的有：拉西環(huán)填料、鮑爾環(huán)填料、階梯環(huán)填料、弧鞍形填料、矩鞍形填料、環(huán)矩鞍填料等等。各 種 填 料

9、 示 意 圖4.2填料的性能參數(shù)：比表面積a 單位m2m3 填料應(yīng)具有盡可能多的表面積以提高液體鋪張，形成較多的氣液接觸界面。對(duì)同種填料，小尺寸填料具有較大的比表面積，但填料過(guò)小不但造價(jià)高而且氣體流動(dòng)的阻力大。：孔隙率 流體通過(guò)顆粒層的阻力與孔隙率密切相關(guān)。為了減少氣體的流動(dòng)阻力，提高填料塔的允許氣速（處理能力），填料層應(yīng)有盡可能大的孔隙率。：填料因子F 其單位1/m 填料因子是比表面積與空隙率三次方之比。它表示填料的流體力學(xué)性能，F(xiàn)值越小，表明流動(dòng)阻力越小。填料性能通常根據(jù)效率、通量及壓三要素衡量。4.3填料的材質(zhì) 一般的使用范圍 上釉或不上釉的瓷質(zhì)或耐酸陶質(zhì) 除氫氟酸以外的中性、酸性介質(zhì)和

10、溶劑，不宜超過(guò)21.1 除要求低吸附表面的特殊情況外，一般用不上上釉的。強(qiáng)堿性介質(zhì)時(shí)使用特種陶瓷。瓷質(zhì)環(huán)比陶質(zhì)環(huán)強(qiáng)度大，同時(shí)叫耐酸。碳 質(zhì) 熱強(qiáng)堿，除硝酸外所有的酸類，不適用于氧化介質(zhì) 可承受溫度的波動(dòng)，質(zhì)量輕。 塑 料 由樹脂的性質(zhì)決定，用于堿、鹽、水溶液和各種酸類 質(zhì)量較輕。鋼或其他小標(biāo)號(hào)金屬 鋼可用于熱強(qiáng)堿，其他用途需根據(jù)金屬性質(zhì)而定 可能比陶瓷重，價(jià)格也較貴。4.4填 料 應(yīng) 用 特 性 拉西環(huán)填料 填料中最普通的類型，通常比較便宜，但有時(shí)效率較低?？捎酶鞣N材料制造以適應(yīng)使用要求，常用濕法亂堆或干法亂堆方式裝入塔內(nèi)。較大的填料有時(shí)用手工整砌。壁厚和某些尺寸在制造廠之間有所不同；有效面積

11、隨壁厚而改變，對(duì)塔壁形成很大的側(cè)壓力。常有較多的內(nèi)部溝流并導(dǎo)致較多的液體流向塔壁。 弧鞍形填料 在大部分應(yīng)用中比拉西環(huán)效率要高，但價(jià)格較貴。填料可疊在一起，在床層中造成“緊密”點(diǎn)，促進(jìn)了溝流的形成，但不如拉西環(huán)那樣多，產(chǎn)生的側(cè)壓力比拉西環(huán)的低，由較低的傳質(zhì)單元高度和單元壓力降，液泛點(diǎn)比拉西環(huán)高。在填料床中比拉西環(huán)易破碎。 鮑爾環(huán)填料 壓力降比拉西環(huán)低一半還多，傳質(zhì)單元高度也較低（在某些物系中比弧鞍填料還要低），而液泛點(diǎn)較高。液體分布情況好，容量大。對(duì)塔壁有相當(dāng)大的側(cè)壓力?？捎媒饘?、陶瓷或塑料制造。 矩鞍形填料 效率最高的填料之一，但價(jià)格較貴。疊在一起阻塞床層截面的可能性非常小床層較均勻。液泛點(diǎn)

12、比拉西環(huán)或弧鞍形填料得高，而壓力降則較低；對(duì)于大多數(shù)常見的物系來(lái)說(shuō)，有較低的傳質(zhì)單元高度值。在填料床中比拉西環(huán)易破碎。 Teller花環(huán)填料 可用塑料制造，與拉西環(huán)和弧鞍形填料相比有較低的壓降和傳質(zhì)單元高度，液泛點(diǎn)較高。單位質(zhì)量較小，側(cè)壓力也不大。Flexipac填料 高效，通常壓降低，適用于清潔操作的蒸餾系統(tǒng)，塔板高度較低等。 Lessing填料 沒(méi)有很多的操作數(shù)據(jù)可供參考，但一般來(lái)說(shuō)比拉西環(huán)要好些，壓降稍高些。側(cè)壓力也較高。4.5填料的選擇 填料規(guī)格：是指填料的公稱尺寸或比表面積。 工藝塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格。同種填料，尺寸越小，分

13、離效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費(fèi)用也增加很多。而尺寸大的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會(huì)產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對(duì)塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定，一般塔徑與填料公稱直徑的比值D/d應(yīng)大于8。 結(jié)合填料塔設(shè)計(jì)的一般要求，綜合分析各種填料的規(guī)格、材質(zhì)以及本次設(shè)計(jì)的具體情況，本設(shè)計(jì)選用DN38聚丙烯階梯環(huán)填料。附錄七 塔徑與填料公稱直徑的比值D/d的推薦值填料種類 D/d的推薦值 填料種類 D/d的推薦值：拉 西 環(huán) 20-30 階 梯 環(huán) 8鞍 形 環(huán) 15 環(huán) 矩 鞍 8鮑 爾 環(huán) 10-15結(jié)合后面塔徑的計(jì)算，本設(shè)計(jì)選DN38聚丙烯階梯環(huán)填料（五）填料吸收塔工

14、藝尺寸的計(jì)算（1）液相物性數(shù)據(jù)對(duì)低濃度吸收過(guò)程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。查附錄二（水的重要物理性質(zhì)）得，20時(shí)水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度為黏度為表面張力為查 得在水中的擴(kuò)散系數(shù)為（2）氣相物性數(shù)據(jù)?；旌蠚怏w的平均摩爾質(zhì)量 混合氣體的平均密度 混合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度，查附錄一（空氣的重要物理性質(zhì)）得20空氣的黏度： 查 得在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)（3）氣、液相平衡數(shù)據(jù)查附錄八（若干氣體水溶液的亨利系數(shù)）得常壓下20時(shí) 在水中的亨利系數(shù)為 相平衡常數(shù) 溶解系數(shù) 物料衡算進(jìn)塔氣相摩爾比為： 出塔氣相摩爾比為： 進(jìn)塔惰性氣體流量為： 上式中為入塔爐氣流量；為25；為的摩爾分率0.0

15、5。吸收過(guò)程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計(jì)算： 對(duì)于純?nèi)軇┪者^(guò)程，進(jìn)塔液相組成為： 取安全系數(shù)1.4。 操作線、平衡線和氣液比關(guān)系曲線：（4）塔徑計(jì)算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖（附錄十）計(jì)算泛點(diǎn)氣速氣相質(zhì)量流量為：液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算： Eckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為： 查Eckert壓降關(guān)聯(lián)圖 查附錄六（散裝填料泛點(diǎn)填料因子平均值）F=170m-1uF=0.023gLFVmuL0.2=0.0239.81998.217011.25710.2=1.027(ms)取u=0.7uF=0.71.027=0.719ms由D=4Vsu=4.140.719=1.087m

16、圓整塔徑取D=1.2m泛點(diǎn)率校核 u=qV36004D2=0.59(ms)uuF=0.591.027100%=57.45%(在允許范圍內(nèi))填料規(guī)格校核：Dd=8（附錄七）液體噴淋密度校核，取最小潤(rùn)濕速率為：(Lw)min=0.08m3mh查 附錄三(國(guó)內(nèi)階梯環(huán)數(shù)據(jù))得：at=132.5m2m3umin=(Lw)minat=0.08132.5=106m3m2hu=WLL4D2=78321.77998.20.7851.22=61.42umin經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=1200mm合理（5）填料層高度計(jì)算 Y1*=mX1=35.040.0011=0.0385Y2*=mX2=0脫吸因數(shù)為S=m

17、VL=mqnGqnL=35.0493.38=0.752氣相總傳質(zhì)單元數(shù)NoG=11-S=ln1-SY1-Y2*Y2-Y2*+S =11-0.752ln1-0.7520.0526-00.00263+0.752 =7.026氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的思田關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)算：awat=1-exp-1.45(CL)0.75(uLat2)0.1(uL2atL2g)-0.05(uL2LLat)0.2查表填料泛點(diǎn)和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖C=33dyn/cm=(kg/h2)液體質(zhì)量通量為uL=wL4D2=7832.770.7851.22=69286.77kg/(m2h)awat=t-exp-1.45(6)0.75(692

18、86.77132.53.6)0.1(69286.22132.5)-0.05 =0.592氣膜吸收系數(shù)KG=0.237(Uvatv)0.7(vvmDv)1/3(atDvRT)氣體質(zhì)量通量為Uv=qvvmatv=24001.2570.7851.22=2668.79kg/(m2h)KG=0.79132.50.0650.70.0651.2570.50.0398.314293=0.0336Kmol/(m2hKPa)液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算KL=0.0095(ULawL)2/3(LLDL)-1/3(LgL)1/3KL=0.77132.50.5923.62/33.6998.25.2910-6-1/23.61.

19、27.21/3=1.099m/h由KGa=KGaw1.1查附錄四（常見填料形狀系數(shù)） =1.45則KGa=KGaw1.1=0.03360.51.451.1 =3.966Kmol/(m2hKPa)KLa=KGaw0.4=1.0990.51.450.4 =100.2L/hF=57.45%50%在此處鍵入公式。由 KG，a=1+9.5uuF-1.4KGaKL，a=1+2.6uuF-0.52.2KLa得KG，a=1+9.50.5745-0.51.43.966 =4.959kmol(m3hkPa) KL，a=1+2.60.5745-0.52.2100.02=100.88(Lh)則KGa=11KG，a+1

20、HKL，a=114.959+10.0156100.88=1.195kmolm3hkPa由HOG=qnGKYa=qnGKGap=93.251.195101.30.7851.22=0.681(m)由Z=HOGNOG=0.6817.062=4.785m得Z，=1.254.785=5.981(m)設(shè)計(jì)取填料層高低Z，=6m查附錄五HETP關(guān)聯(lián)式中的常數(shù)值，對(duì)階梯環(huán)填料：hD=815,hmax6mm取 hD=8,則h=81200=9600mm計(jì)算得填料層高度為6000mm，故不需分段六 填料層壓降計(jì)算采用Eckert通用壓降關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降橫坐標(biāo)為L(zhǎng)V=(VmL)0.5=0.921查附錄九（散裝填料

21、壓降填料因子平均值）可得p=116m-1縱坐標(biāo)為u2pgVmLL0.2=0.59211619.811.210.2=0.0052查附錄十填料塔泛點(diǎn)和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖pZ=107.91Pa/m填料層壓降p=107.916=647.46Pa七 填料吸收塔內(nèi)件的類型與設(shè)計(jì)（1） 塔內(nèi)件的類型 塔內(nèi)件是填料塔的組成部分，它與填料及塔體共同構(gòu)成一個(gè)完整的填料塔。所有塔內(nèi)件的作用都是為了使氣液在塔內(nèi)更好地接觸，以便發(fā)揮填料塔的最大效率和最大生產(chǎn)能力，所以塔內(nèi)件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到填料性能的發(fā)揮和整個(gè)填料塔的操作運(yùn)行。另外，填料塔的“放大效應(yīng)”除了填料本身固有因素外，塔內(nèi)件對(duì)它的影響也很大。 塔內(nèi)件主要包括以

22、下幾個(gè)部分：填料支承裝置，填料壓緊裝置，液體分布裝置，液體收集再分布裝置等。 合理地選擇和設(shè)計(jì)塔內(nèi)件，對(duì)保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。料支承裝置 填料支承裝置的作用是支承塔內(nèi)的填料，常用的填料支承裝置有柵板型、孔管型、駝峰型等。支承裝置的選擇，主要的依據(jù)是塔徑、填料種類及型號(hào)、塔體及填料的材質(zhì)、氣液流率等。填料壓緊裝置 填料上方安裝壓緊裝置可防止在氣流的作用下填料床層發(fā)生松動(dòng)和跳動(dòng)。填料壓緊裝置分為填料壓板和床層限制板兩大類，每類又有不同的型式。填料壓板自由放置于填料層上端，靠自身重量將填料壓緊。它適用于陶瓷、石墨等制成的易發(fā)生破碎的散裝填料。床層限制板用于金屬、塑料等制成的不易發(fā)生破碎的散裝填料及所有規(guī)整填料。床層限制板要固定在塔壁上，為不影響液體分布器的安裝和使用，不能采用連續(xù)的塔圈固定，對(duì)于小塔可用螺釘固定于塔壁，而大塔則用支