化工原理課程設(shè)計(jì)---- 清水吸收變換氣的填料塔裝置設(shè)計(jì)

1、 目 錄一、緒論.2二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件.3三、設(shè)計(jì)方案的確定.31、裝置流程的確定42、吸收劑選擇53、操作溫度與壓力的確定54、填料的類型與選擇5四、基礎(chǔ)物性參數(shù)的確定.81、液相物性參數(shù)82、氣相物性參數(shù)83、氣液相平衡參數(shù)94、物料衡算9五、填料塔工藝尺寸的確定.111、塔徑的計(jì)算.112、填料層高度計(jì)算.14六、填料層壓降計(jì)算.16七、填料塔內(nèi)件的類型與設(shè)計(jì).16八、除沫器的設(shè)計(jì)選型.19九、填料塔各接管設(shè)計(jì).191、進(jìn)料管.192、氣體入口.21十、人孔或手孔設(shè)計(jì)及開孔補(bǔ)強(qiáng).22十一、支座設(shè)計(jì).23十二、塔總高.24十三、總結(jié).24十四、參考文獻(xiàn)十五、后記十六、符號(hào)說明一、緒論

2、塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的形式，可以分為填料塔和板式塔。板式塔屬于逐級(jí)接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。工業(yè)上對(duì)塔設(shè)備的主要要求：（1）生產(chǎn)能力大（2）分離效率高（3）操作彈性大（4）氣體阻力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備取材面廣等。 塔型的合理選擇是做好塔設(shè)備設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，選擇時(shí)應(yīng)考慮物料的性質(zhì)、操作的條件、塔設(shè)備的性能以及塔設(shè)備的制造、安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)和維修等方面的因素。板式塔的研究起步早，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、適應(yīng)性強(qiáng)、易于放大等特點(diǎn)。 填料塔由填料、塔內(nèi)件及筒體構(gòu)成。填料分規(guī)整填料和散裝填料兩大類。塔內(nèi)件有不同形式的液體分布裝置、填料固定裝

3、置或填料壓緊裝置、填料支承裝置、液體收集再分布裝置及氣體分布裝置等。與板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特點(diǎn)：生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓力降下、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點(diǎn)。 填料塔類型很多，其設(shè)計(jì)的原則大體相同，一般來說，填料塔的步驟如下： 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計(jì)方案； 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，合理地選擇填料； 確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸； 計(jì)算填料層的壓降； 進(jìn)行填料塔塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)和選型。二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 設(shè)計(jì)題目：清水吸收變換氣的填料塔裝置設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)：完成填料塔的工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算，有關(guān)附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型，繪制吸收系數(shù)的工藝流程圖和填料塔設(shè)置圖，編寫設(shè)計(jì)說明說。設(shè)計(jì)條

4、件：1、氣體混合物成分：空氣和氨；2、氨的含量：4.5% （體積）；3、混合氣體流量：4000m3/h；4、操作溫度：293K5、混合氣體壓力：101.3KPa；6、回收率：99.8% 。設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1）流程的確定與論證；（2）吸收塔技術(shù)指標(biāo)與操作指標(biāo)確定，包括：塔徑、填料層的高度、填料層的壓力降等； （3）工藝計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流體力學(xué)條件校核。 三、設(shè)計(jì)方案的確定填料塔設(shè)計(jì)方案的確定包括裝置及流程的確定、吸收劑的選擇、操作壓力的確定、操作溫度的確定、進(jìn)料熱狀況的選擇、填料的選擇以及填裝方式等。 1、裝置流程的確定吸收裝置的流程主要有逆流操作、并流操作、吸收部分再循環(huán)操作、多塔串聯(lián)操作、串聯(lián)-

5、并聯(lián)混合操作。由于本設(shè)計(jì)任務(wù)是水吸收氨氣操作設(shè)計(jì)，同時(shí)吸收效率要求較高，故采用逆流式操作，氣相自塔底進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出，同時(shí)，此操作傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)效率快，分離效率高，吸收劑利用率高。具體流程如下：2、吸收劑選擇吸收過程是依靠氣體溶質(zhì)在吸收劑中的溶解來實(shí)現(xiàn)的，因此，吸收劑性能的優(yōu)劣，是決定吸收操作效果的關(guān)鍵之一，選擇吸收劑時(shí)應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)方面：溶解度、選擇性、揮發(fā)度要低、粘度、其他因素如無毒性、無腐蝕性、不易燃易爆、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、價(jià)廉易得以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等要求。本實(shí)驗(yàn)用水為吸收劑吸收氨氣。3、操作溫度與壓力的確定（1）、操作溫度的確定 由吸收過程的氣液平衡關(guān)系

6、可知，溫度降低可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即低溫有利于吸收，但操作溫度的低限應(yīng)由吸收系統(tǒng)的具體情況決定。本設(shè)計(jì)中對(duì)填料塔的操作溫度設(shè)計(jì)為20。 （2）、操作壓力的確定 由吸收過程的氣液平衡關(guān)系可知，壓力升高可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即加壓有利于吸收。但隨著操作壓力的升高，對(duì)設(shè)備的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需結(jié)合具體工藝條件綜合考慮，以確定操作壓力。具體詳見后續(xù)說明。4、填料的類型與選擇塔填料是填料塔中氣液接觸的基本構(gòu)件，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。填料的類型很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。散裝填料是一個(gè)個(gè)具有

7、一定幾何形狀的尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。本設(shè)計(jì)選用聚丙烯鮑爾環(huán)填料。1.1、填料種類的選擇填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備和操作費(fèi)用較低。對(duì)于填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求，通?？紤]以下幾個(gè)方面：1、傳質(zhì)效率即分離效率，常用兩種方法表示：一是以理論級(jí)進(jìn)行計(jì)算的表示方法，以每個(gè)理論及當(dāng)量的填料層高度表示，即HETP值；另一是以傳質(zhì)效率進(jìn)行計(jì)算的表示方法，以每個(gè)傳質(zhì)單元相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨缺硎荆碒TU值。2、通量 在相同的液

8、體負(fù)荷下，填料的泛點(diǎn)氣速越高或氣相動(dòng)能因子越大，則通量越大，塔的處理能力亦越大。因此，在選擇填料種類時(shí)，在保證具有較高傳質(zhì)效率的前提下，應(yīng)選擇具有較高泛點(diǎn)氣速或氣相動(dòng)能因子的填料。3、填料層的壓降 填料層的壓降是填料的主要應(yīng)用性能，填料層的壓降越低，動(dòng)力消耗越低，操作費(fèi)用越小。比較填料壓降有兩種方法，一是比較填料層單位高度的壓降P/Z；另一是比較填料層單位傳質(zhì)效率的比壓降P/NT。填料層的壓降可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，亦可從有關(guān)圖表中查取。4、填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作彈性、抗污堵性及抗熱敏性等。所選填料應(yīng)具有較大的操作彈性，以保證塔內(nèi)氣液負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)維持操作穩(wěn)定。同時(shí)，還應(yīng)具有一定的

9、抗污堵、抗熱敏能力，以適應(yīng)物料的變化及塔內(nèi)溫度的變化。此外，所選的填料要便于安裝、拆卸和檢修。1.2、填料的規(guī)格的選擇通常，散裝填料與規(guī)整填料的規(guī)格表示方法不同，選擇的方法亦不盡相同。由于本設(shè)計(jì)選用散裝填料，故一下對(duì)散裝填料規(guī)格的選擇做一下介紹：散裝填料的規(guī)格通常是指填料的公稱直徑。工業(yè)塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量越小，填料費(fèi)用也增加很多。而大尺寸的填料應(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定的規(guī)定，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)采用聚丙烯鮑爾

10、環(huán)填料塔徑與填料公稱直徑的比值D/d推薦值為D/d>1015。1.3、填料材質(zhì)的選擇工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。對(duì)于陶瓷材質(zhì)具有良好的耐腐蝕性和耐熱性，同時(shí)價(jià)格便宜，具有很好的表面潤(rùn)滑性能，工業(yè)上，主要用于氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等操作過程，但是其質(zhì)脆、易碎，本次設(shè)計(jì)不予采用。對(duì)于金屬材質(zhì)具有很高的抗沖擊性能，但是只能對(duì)于無腐蝕性或低腐蝕性物系使用，氨具有腐蝕性，所以本實(shí)驗(yàn)不予采用。對(duì)于塑料材質(zhì)耐腐蝕性能較好、耐溫性良好、質(zhì)輕、價(jià)廉、耐沖擊、不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，所以本實(shí)驗(yàn)采用塑料材質(zhì)作為填料材質(zhì)。1.4、本設(shè)計(jì)方案信息裝置流程逆流操作吸收劑水操作溫度293K操作壓力填料

11、類型聚丙烯鮑爾環(huán)填料填料規(guī)格DN50 （D/d>1015）填料材質(zhì)塑料填料 四、基礎(chǔ)物性參數(shù)的確定1、 液相物性參數(shù)對(duì)于低濃度吸收過程，溶液的物性參數(shù)可近似去純水的物性參數(shù)。由表可知，20時(shí)水的相關(guān)物性參數(shù)如下： 密度（）998.2 粘度（） 0.001Pa.s=3.6kg/(m. h) 表面張力（） 2、氣相物性參數(shù)操作壓力：101.325KPa; 氨氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)： 由查表可知，20時(shí)，氨氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)： 氨氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)： 由表可知，溫度為0 根據(jù)關(guān)系式： 則 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量： 混合氣體的平均密度： 由于空氣中氨氣的含量較低，則混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘

12、度，查表可知20空氣的粘度： 3、氣液相平衡參數(shù)20時(shí)，氨氣在水中的亨利系數(shù)： 相平衡常數(shù)： 溶解度系數(shù)： 4、物料衡算進(jìn)塔氣相摩爾比： 出塔氣相摩爾比： 進(jìn)塔惰性氣相流量： 進(jìn)塔混合氣相流量： 該吸收過程屬低濃度吸收，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^程，進(jìn)塔液相組成： 取操作液氣比: 因?yàn)橐簹獗鹊姆秶鸀椋?所以： 五、填料塔工藝尺寸的確定1、塔徑的計(jì)算根據(jù)公式，要求D，首先要求出u（1） 空塔氣速的確定?？颂兀‥ckert）通用關(guān)聯(lián)圖 散裝填料的泛點(diǎn)氣速可用埃克特關(guān)聯(lián)圖計(jì)算，如圖。計(jì)算時(shí)，先由氣液相負(fù)荷及有關(guān)物性數(shù)據(jù)求出橫坐標(biāo)的值，然后作垂線與相應(yīng)的泛點(diǎn)線相交，再通

13、過交點(diǎn)作水平線與縱坐標(biāo)相交，求出縱坐標(biāo)值。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的u即為泛點(diǎn)氣速。散裝填料泛點(diǎn)填料因子平均值填料類型 填料因子，1/m 金屬鮑爾環(huán)410 117 160 金屬環(huán)矩鞍 170 150 135 120金屬階梯環(huán) 160 140 塑料鮑爾環(huán)550 280 184 140 92塑料階梯環(huán) 260 170 127 瓷矩鞍1100 550 200 226 瓷拉西環(huán)1300 832 600 410 通過?？颂兀‥ckert）通用關(guān)聯(lián)圖求根據(jù)關(guān)聯(lián)圖對(duì)應(yīng)坐標(biāo)可知，縱坐標(biāo)查表得：則根據(jù)塔徑公式 ，可知m圓整為D=800mm校核：（符合條件） 液體噴淋密度： 所以不符合故取D=700mm校核： （在0.50.8

14、5之間） 故：塔徑圓整為D=700mm2、填料層高度計(jì)算 脫吸因數(shù)：氣相傳質(zhì)單元數(shù)：氣相總傳質(zhì)單元高度采用恩田公式修正： 聚丙烯 液體質(zhì)量通量： 氣膜吸收系數(shù)的計(jì)算：氣體質(zhì)量通量： 液膜吸收系數(shù)的計(jì)算： 如圖所示：填料類型球 形棒 形拉西環(huán)弧 鞍開孔環(huán)常見填料的形狀系數(shù)51查表可知填料形狀細(xì)說為: 由關(guān)系式可知： ，則需選用下面的關(guān)系式對(duì)氣膜和液膜系數(shù)進(jìn)行校正： 則 由 考慮恩田公式的最大誤差，為了安全計(jì)取設(shè)計(jì)填料層高度為設(shè)計(jì)填料層高度：查表，對(duì)于鮑爾環(huán)填料， ，則需將填料塔進(jìn)行分段，大致分為兩段，每段4.35m，在兩段填料間設(shè)置一槽式液體分布裝置。 六、填料層壓降計(jì)算 采用Eckert通用關(guān)

15、聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降 橫坐標(biāo)：根據(jù)散裝填料壓降填料因子平均值，可得縱坐標(biāo)：結(jié)合Eckert通用關(guān)聯(lián)圖，可以大致得出： Z=m 七、填料塔內(nèi)件的類型和設(shè)計(jì)1、塔內(nèi)件的類型 填料塔的內(nèi)件主要有填料支撐裝置、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。 1.1、填料支撐裝置 填料支撐裝置的作用是支撐塔內(nèi)的填料。常見的填料支承裝置有柵板型、孔管型、駝峰型等。對(duì)于本設(shè)計(jì)選用的散裝填料，通常選用孔管型、駝峰型支撐裝置。設(shè)計(jì)中，為防止在填料支撐裝置出現(xiàn)壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料支撐裝置的自由截面積應(yīng)大于75%。而駝峰型支撐板可以

16、提供100%的塔體橫截面的自由截面，更重要的是，由于支撐板的凹凸的幾何形狀，填料裝入后，僅有很少一部分開孔被填料堵塞，從而在操作中保存了足夠大的自由截面，即使在高氣速和高液速下也如此。針對(duì)本設(shè)計(jì)中選用直徑為50的填料，所以選用直徑為75mm的駝峰型支承板。 1.2、填料壓緊裝置 為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動(dòng)或跳動(dòng)，需在填料層上方設(shè)置填料壓緊裝置。填料壓緊裝置有壓緊柵板、壓緊網(wǎng)板、金屬壓緊器等不同的類型。對(duì)于散裝填料，可選用壓緊網(wǎng)板，也可以選用壓緊柵板，在其下方，根據(jù)填料的規(guī)格敷設(shè)一層金屬網(wǎng)，并將其與壓緊柵板固定、在設(shè)計(jì)中，為防止在填料壓緊裝置處壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料壓緊裝置

17、的自由截面積應(yīng)大于70%。為了便于安裝和檢修，本設(shè)計(jì)中，填料壓緊裝置與塔壁間不采用連續(xù)固定方式。 1.3、液體分布裝置 液體分布裝置的種類多樣，有噴頭式、盤式、管式、槽式及槽盤式等，工業(yè)用以管式、槽式及槽盤式為主。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的較大，槽式分布器不易堵塞，對(duì)氣體的阻力小，故選用槽式分布器作為液體分布裝置。 （1）由Eckert的散裝填料塔分布點(diǎn)密度推薦值可得，時(shí)，由內(nèi)插法得，噴淋密度為193點(diǎn)，布液點(diǎn)數(shù)：點(diǎn)設(shè)計(jì)為二級(jí)槽，共設(shè)5道，槽高210mm，槽寬60mm，兩槽中心距120mm。分布點(diǎn)采用三角形排列，實(shí)際設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)為n=70點(diǎn)。如圖所示： （2）布液計(jì)算：由公式 孔流系數(shù) 本設(shè)計(jì)選用，設(shè)計(jì)取故孔徑

18、為4mm 八、除沫器的設(shè)計(jì)選型 除沫裝置安裝在液體再分布器上方，用以除去出氣口氣流中的液墻，由于氨氣溶于水中易產(chǎn)生泡沫，為了防止泡沫隨出氣管排出，影響吸收效率，采用除沫裝置，根據(jù)除沫裝置類型的使用范圍，本設(shè)計(jì)中的填料塔選用絲網(wǎng)除沫器。 九、填料塔各接管設(shè)計(jì)1、進(jìn)料管 由下表可知：流體的類別及情況 流速范圍/（m/s）自來水（左右）水及低粘度液體高粘度液體工業(yè)供水（以下）低壓空氣1215高壓空氣1525一般氣體1030水及低粘度液體流速s圓整為d=28mm 液體進(jìn)料管結(jié)構(gòu)尺寸 （mm）內(nèi)管外管abc2534510201051201503257102510512015038571032155120

19、150453,57641040155120150577641550205120150764108415703051201508941084158035512015010841334151004551201501334159151255551201501592196251507051201502196273825210958120150由上表查得可選用38的規(guī)格，但經(jīng)校正其流速不在1.53m/s之間。故選用32的尺寸規(guī)格，并經(jīng)校驗(yàn)符合條件。接管長(zhǎng)度h如下表所示： 接管長(zhǎng)度h (mm)公稱直徑DN不保溫設(shè)備接管長(zhǎng)保溫設(shè)備接管長(zhǎng)使用公稱壓力PN()158013020501001507035015020070500因本設(shè)計(jì)無需保溫，故選設(shè)備接管長(zhǎng)h=100mm綜上，本設(shè)計(jì)采用的無縫鋼管。接管長(zhǎng)h=100mm。 2、氣體入口一般地說，氣體則為1030m/s，故本次設(shè)計(jì)選取30m/s作為氣速。校正：mm經(jīng)校正知選取的氣速合理。故本次設(shè)計(jì)選用DN=250mm，的熱軋無縫鋼管，接管長(zhǎng)度h=150mm。接管外徑大于89mm且采用無縫鋼管選用 JB/T 4736的補(bǔ)強(qiáng)圈。 十、人孔或手孔設(shè)計(jì)及開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)備內(nèi)徑在，一般不考慮