化工原理課程設(shè)計(jì)(氨氣填料吸收塔設(shè)計(jì))

1、化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目填料吸收塔設(shè)計(jì)一15主要內(nèi)容1、設(shè)計(jì)方案簡介：對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備進(jìn)行簡要論述；2、主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算：物料衡算、能量衡算、工藝參數(shù)的選定、填料塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算；3、輔助設(shè)備的選型4、繪流程圖：以單線圖的形式描繪，標(biāo)出主體設(shè)備和輔助設(shè)備的物料方向、物流量、能流量。5、吸收塔的設(shè)備工藝條件圖6、編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書設(shè)計(jì)參數(shù)用清水吸收空氣中的NH氣體，混合氣體處理量5000m3/h，其中NH33含量為0.14kg/m3干空氣（標(biāo)態(tài)），干空氣溫度為25°C,相對濕度為70%,要求凈化氣中NH含量不超過0.07%（體積分?jǐn)?shù)），氣體入口

2、溫3度40C，入塔吸收劑中不含NH，水入口溫度30C。3設(shè)計(jì)計(jì)劃進(jìn)度布置任務(wù)，學(xué)習(xí)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，其它準(zhǔn)備0.5天主要工藝設(shè)計(jì)計(jì)算2.5天輔助設(shè)備選型計(jì)算/繪制工藝流程圖1.0天繪制主要設(shè)備工藝條件圖1.0天編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書（考核）1.0天合計(jì)：（1周）6.0天主要參考文獻(xiàn)1. 化工原理課程設(shè)計(jì)，賈紹義等編，天津大學(xué)出版社，2002.082. 化工原理（上、下冊），夏清，陳常貴主編，天津大學(xué)出版社，2005.013. 化工原理課程設(shè)計(jì)大連理工大學(xué)編，大連理工大學(xué)出版社，1994.074. 化工工藝設(shè)計(jì)手冊（第三版）（上、下冊），化學(xué)工業(yè)出版社，2003.085. 化學(xué)工程手冊（第二版）（上、

3、下卷），時(shí)鈞等主編，化學(xué)工業(yè)出版社，1998.116. 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)，董大勤編，化學(xué)工業(yè)出版社，2003.017.化工數(shù)據(jù)導(dǎo)引，王福安主編，化工出版社，1995.108.化工工程制圖，魏崇光等主編，化學(xué)工業(yè)出版社1994.059.現(xiàn)代填料塔技術(shù)指南，王樹楹主編，中國石化出版社，1998.08設(shè)計(jì)文件要求1設(shè)計(jì)說明書不得少于7000字，A4幅面；2.工藝流程圖為A2幅面；3.設(shè)備工藝條件圖為A3幅面；備注一 前言3二 設(shè)計(jì)任務(wù)4三 設(shè)計(jì)條件4四 設(shè)計(jì)方案51. 吸收劑的選擇52. 流程圖及流程說明53. 塔填料的選擇7五 工藝計(jì)算111. 物料衡算，確定塔頂、塔底的氣液流量和組成112. 塔

4、徑的計(jì)算123. 填料層高度計(jì)算144. 填料層壓降計(jì)算165. 液體分布裝置176. 液體再分布裝置197. 填料支撐裝置208. 流體進(jìn)出口裝置219. 水泵及風(fēng)機(jī)的選型22六 設(shè)計(jì)一覽表23七 對本設(shè)計(jì)的評述23八 參考文獻(xiàn)24九 主要符號(hào)說明24十致謝25>一 前言在石油化工、食品醫(yī)藥及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，塔設(shè)備屬于使用量大應(yīng)用面廣的重要單元設(shè)備。塔設(shè)備廣泛用于蒸餾、吸收、萃取、洗滌、傳熱等單元操作中。所以塔設(shè)備的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的重要課題。在化學(xué)工業(yè)中，經(jīng)常需要將氣體混合物中的各個(gè)組分加以分離，其主要目的是回收氣體混合物中的有用物質(zhì)，以制取產(chǎn)品，或除去工藝氣體中的有害成

5、分，使氣體凈化，以便進(jìn)一步加工處理，或除去工業(yè)放空尾氣中的有害成分，以免污染空氣。吸收操作是氣體混合物分離方法之一，它是根據(jù)混合物中各組分在某一種溶劑中溶解度不同而達(dá)到分離的目的。塔設(shè)備按其結(jié)構(gòu)形式基本上可分為兩類：板式塔和填料塔。以前在工業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)處理量大時(shí)多用板式塔，處理量小時(shí)采用填料塔。近年來由于填料塔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，新型的、高負(fù)荷填料的開發(fā)，既提高了塔的通過能力和分離效能又保持了壓降小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。因此，填料塔已經(jīng)被推廣到大型氣、液操作中，在某些場合還代替了傳統(tǒng)的板式塔。如今，直徑幾米甚至幾十米的大型填料塔在工業(yè)上已非罕見。隨著對填料塔的研究和開發(fā)，性能優(yōu)良的填料塔必將大量用于工業(yè)生

6、產(chǎn)中。氨是化工生產(chǎn)中極為重要的生產(chǎn)原料，但是其強(qiáng)烈的刺激性氣味對于人體健康和大氣環(huán)境都會(huì)造成破壞和污染，氨對接觸的皮膚組織都有腐蝕和刺激作用，可以吸收皮膚組織中的水分，使組織蛋白變性，并使組織脂肪皂化，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。氨的溶解度極高，所以主要對動(dòng)物或人體的上呼吸道有刺激和腐蝕作用，常被吸附在皮膚粘膜和眼結(jié)膜上，從而產(chǎn)生刺激和炎癥?？陕楸院粑览w毛和損害粘膜上皮組織，使病原微生物易于侵入，減弱人體對疾病的抵抗力。氨通常以氣體形式吸入人體，氨被吸入肺后容易通過肺泡進(jìn)入血液，與血紅蛋白結(jié)合，破壞運(yùn)氧功能。進(jìn)入肺泡內(nèi)的氨，少部分為二氧化碳所中和，余下被吸收至血液，少量的氨可隨汗液、尿液或呼吸排出體外。

7、短期內(nèi)吸入大量氨氣后會(huì)出現(xiàn)流淚、咽痛、咳嗽、胸悶、呼吸困難、頭暈、嘔吐、乏力等。若吸入的氨氣過多，導(dǎo)致血液中氨濃度過高，就會(huì)通過三叉神經(jīng)末梢的反射作用而引起心臟的停搏和呼吸停止，危及生命。因此，吸收空氣中的氨，防止氨超標(biāo)具有重要意義。本次課程設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用填料吸收塔吸收的方法來凈化含有氨氣的空氣。設(shè)計(jì)采用填料塔進(jìn)行吸收操作是因?yàn)樘盍峡梢蕴峁┚薮蟮臍庖簜髻|(zhì)面積而且填料表面具有良好的湍流狀況，從而使吸收過程易于進(jìn)行，而且，填料塔還具有結(jié)構(gòu)簡單、壓降低、填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn)，從而可以使吸收操作過程節(jié)省大量人力和物力。二 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

8、型，繪制吸收系統(tǒng)的工藝流程圖和填料塔裝置圖，編寫設(shè)計(jì)說明書。三 設(shè)計(jì)條件查表知，25。C下水的飽和蒸氣壓為3.169KPa，干空氣的密度為1.185kg/m3,20。C下氨氣的密度為0.7601kg/m3。水蒸氣的飽和分壓為：P二Px申二3.169x0.7二2.2183KPaVS0.622P0.622x2.2183濕空氣的濕度：H=v=0.01393kg水汽/kg絕干氣P-P101.3-2.2183V濕空氣的比體積：(1H)v=I+h(2918丿(10.01393)L2918丿x22.4x27土x1013273101.3x22.4x298xl273=0.8621m3濕空氣/kg絕干氣1=0.9

9、789m3干空氣1m3濕空氣=0.8621x1.1851m3干空氣=1=1.0216m3濕空氣0.9789標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1m3干空氣=崔瀘=09359m3濕空氣0.14氨氣的體積分?jǐn)?shù)二x100%=19.68%0.7601x0.93590.1968-0.0007回收率二x100%=99.64%0.1968綜上所述，本課程設(shè)計(jì)中填料塔的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：1、氣體混合物成分：空氣和氨氣；2、氨的含量：19.68(體積)3、混合氣體流量：5000m3/h；4、操作溫度：303K；5、混合氣體壓力：101.3KPa；6、回收率：99.64。設(shè)計(jì)方案4.1吸收劑的選擇吸收過程是依靠氣體溶質(zhì)在吸收劑中的溶解來

10、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)著重考慮以下幾方面。(1) 溶解度吸收劑對溶質(zhì)組分的溶解度要大，以提高吸收速率并減少吸收劑的用量。(2) 選擇性吸收劑對溶質(zhì)組分要有良好的吸收能力，而對混合氣體中其他組分不吸收或吸收甚微，否則不能直接實(shí)現(xiàn)有效分離。(3) 揮發(fā)度要低操作溫度下吸收劑的蒸氣壓要低，以減少吸收和再生過程中吸收劑的揮發(fā)損失。(4) 黏度吸收劑在操作溫度下的黏度越低，其在塔內(nèi)的流動(dòng)性越好，有助于傳質(zhì)速率和傳熱速率的提高。(5) 其他所選用的吸收劑應(yīng)盡可能滿足無毒性、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。吸收劑對溶

11、質(zhì)的組分要有良好地吸收能力，而對混合氣體中的其他組分不吸收，且揮發(fā)度要低。所以本課程設(shè)計(jì)選擇用清水作吸收劑，氨氣為吸收質(zhì)。水廉價(jià)易得，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，選擇性好，符合吸收過程對吸收劑的基本要求。且氨氣不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?.2流程選擇及流程說明吸收裝置的流程主要有以下幾種：(1) 逆流操作氣相自塔底進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特點(diǎn)是傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多用逆流操作。（2）并流操作氣、液兩相均從塔頂流向，此即并流操作。并流操作的特點(diǎn)是，系統(tǒng)不受液流限制，可提高操作氣速，以提高生產(chǎn)能力。并流操作通常用于以下

12、情況：當(dāng)吸收過程的平衡曲線較平坦時(shí)，流向?qū)ν苿?dòng)力影響不大；易溶氣體的吸收或處理的氣體不需吸收很完全；吸收劑用量特別大，逆流操作易引起液泛。（3）吸收劑部分再循環(huán)操作在逆流操作系統(tǒng)中，用泵將吸收塔排除液體的一部分冷卻后與補(bǔ)充的新鮮吸收劑一同送回塔內(nèi)，即為部分再循環(huán)操作。通常用于以下操作：當(dāng)吸收劑用量較小，為提高塔的液體噴淋密度；對于非等溫吸收過程，為控制塔內(nèi)的溫升，需取出一部分熱量。該流程特別適宜于相平衡常數(shù)m值很小的情況，通過吸收液的部分再循環(huán)，提高吸收劑的使用效率。應(yīng)當(dāng)指出，吸收劑部分再循環(huán)操作較逆流操作的平均推動(dòng)力要低，且需設(shè)置循環(huán)泵，操作費(fèi)用增加。（4）多塔串聯(lián)操作若設(shè)計(jì)的填料層高度過大

13、，或由于所處理物料等原因需經(jīng)常清理填料，為便于維修，可把填料層分裝在幾個(gè)串聯(lián)的塔內(nèi)，每個(gè)吸收塔通過的吸收劑和氣體量都相等，即為多塔串聯(lián)操作。此種操作因塔內(nèi)需留較大空間，輸液、噴淋、支撐板等輔助裝置增加，使設(shè)備投資加大。（5）串聯(lián)-并聯(lián)混合操作若吸收過程處理的液量很大，如果用通常的流程，則液體在塔內(nèi)的噴淋密度過大，操作氣速勢必很小（否則易引起塔的液泛），塔的生產(chǎn)能力很低。實(shí)際生產(chǎn)中可采用氣相作串聯(lián)、液相作并聯(lián)的混合流程；若吸收過程處理的液量不大而氣相流量很大時(shí)，可采用液相作串聯(lián)、氣相作并聯(lián)的混合流程。列出幾種常見的吸收過程如圖1。氣體液體氣體11液體氣體液體氣體1液體(b)（a）并流（b）逆流圖

14、1吸收流程用水吸收nh3屬高溶解度的吸收過程，為提高傳質(zhì)效率和分離效率，所以本設(shè)計(jì)選用逆流吸收流程。該填料塔中，氨氣和空氣混合氣體，經(jīng)由填料塔的下側(cè)進(jìn)入填料塔中，與從填料塔頂流下的水逆流接觸，在填料的作用下進(jìn)行吸收。經(jīng)吸收后的混合氣體由塔頂排除，吸收了氨氣的水由填料塔的下端流出。4.3塔填料選擇塔填料(簡稱為填料)是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣、液兩相相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面，其性能優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面積越大，氣液分布也就越均勻，傳質(zhì)效率也越高，它與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。因此，填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。塔填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材料。填料的

15、種類主要從傳質(zhì)效率、通量、填料層的壓降來考慮，填料規(guī)格的選擇常要符合填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d。4.3.1填料性能評價(jià)填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求，通?？紤]一下幾個(gè)方面：(1) 傳質(zhì)效率傳質(zhì)效率即分離效率，它有兩種表的方法：一是以理論級(jí)進(jìn)行計(jì)算的表示方法，以每個(gè)理論級(jí)當(dāng)量的填料層高度表示，即HETP值；另一方面是以傳質(zhì)速率進(jìn)行計(jì)算的表示方法，以每個(gè)傳質(zhì)單元相當(dāng)高度表示，即HTU值。在滿足工藝要求的前提下，應(yīng)選用傳質(zhì)效率高，即HEYP(或HTU值)低的填料。對于常用的工業(yè)填料，其HEYP(或HTU值)可由有關(guān)手冊或文獻(xiàn)中查到，也可以通過一些經(jīng)驗(yàn)公式來估算。(2) 通量在相同的液體負(fù)

16、荷下，填料的泛點(diǎn)氣速愈高或氣相動(dòng)能因子愈大，則通量愈大，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。對于大多數(shù)常用填料其泛點(diǎn)氣速或氣相動(dòng)能因子可由有關(guān)手冊或文獻(xiàn)中查到，也可以通過一些經(jīng)驗(yàn)公式來估算。(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。選擇低壓降的填料對熱敏性物系的分離尤為重要。比較填料的壓降有兩種方法，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)效率的比壓降厶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)圖表中查出。(4) 填料的操作性能

17、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)具有一定的抗污堵、抗熱敏能力，以適應(yīng)物料的變化及塔內(nèi)溫度變化。此外，所選的填料要便于安裝、拆卸和檢修。4.3.2裝填類型選擇填料種類很多，根據(jù)填料方式不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。1、散裝填料散裝填料是一個(gè)個(gè)具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，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，可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等?，F(xiàn)介紹幾種典型的散裝填料。(1) 拉西環(huán)填料其結(jié)構(gòu)為外徑與高度相等的圓環(huán)，可用陶瓷、塑

18、料、金屬等材質(zhì)制造。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質(zhì)速率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已很少用了。(2) 鮑爾環(huán)填料鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得。其結(jié)構(gòu)為在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉，諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭，可用陶瓷、塑料、金屬等材質(zhì)制造。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率，氣體阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，其通量可增加50%左右。鮑爾環(huán)是目前應(yīng)用較廣的填料之一。(3) 階梯環(huán)填料階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進(jìn)，與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半，并在一端增加了一個(gè)錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣

19、體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點(diǎn)接觸為主，這樣不但增加了填料間的間隙，同時(shí)成為液體沿填料表面流動(dòng)的匯集分散點(diǎn)，可以促進(jìn)液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。(4) 弧鞍填料弧鞍填料屬鞍形填料的一種，其形狀如同馬鞍，一般采用瓷質(zhì)材料制成?；“疤盍系奶攸c(diǎn)是表面全部敞開，不分內(nèi)外，液體在表面來那個(gè)側(cè)均勻的流動(dòng)，表面利用率高，流道呈弧形，流動(dòng)阻力小。其缺點(diǎn)是易發(fā)生套疊，致使一部分填料表面被重合，使傳質(zhì)效率降低?；“疤盍蠌?qiáng)度較差，容易破碎，工

20、業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用不多。(5) 矩鞍填料將弧鞍填料兩端的弧形面改成矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時(shí)不會(huì)套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質(zhì)材料制成，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。目前國內(nèi)絕大多數(shù)應(yīng)用瓷拉西環(huán)的場合，均已被矩鞍填料所取代。(6) 環(huán)矩鞍填料環(huán)矩鞍填料是兼顧環(huán)形和鞍形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)出的一種新型填料，該填料一般以金屬材質(zhì)制成，故又稱為金屬環(huán)矩鞍填料。環(huán)矩鞍填料將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點(diǎn)集于一體，其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán)，是工業(yè)應(yīng)用最為普遍的一種金屬散裝填料。下圖為幾種實(shí)體填料:拉西環(huán)鮑爾環(huán)階梯環(huán)弧鞍形填料矩鞍形填料圖2幾種實(shí)體填料2、規(guī)整填料規(guī)整填料是按一定的幾何圖形

21、排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。工業(yè)上應(yīng)用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填料。波紋填料按結(jié)構(gòu)分為網(wǎng)波紋填料和板波紋填料兩大類，可用陶瓷、塑料、金屬等材質(zhì)制造。金屬絲網(wǎng)波紋填料是網(wǎng)波紋填料的主要形式，是由金屬絲網(wǎng)制成的。其特點(diǎn)是壓降低、分離效率高，特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。盡管其造價(jià)高，但因性能優(yōu)良仍得到廣泛使用。金屬板波紋填料是板波紋填料的主要形式。該填料的波紋板片上沖壓有許多4mm©6mm的小孔，可起到粗分配板片上的液體，加強(qiáng)橫向混和作用。波紋板片上軋成細(xì)小溝紋，可起到細(xì)分配

22、板片上的液體、增強(qiáng)表面潤濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，特別適用于大氣直徑塔及氣、液負(fù)荷較大的場合。波紋填料的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，阻力小，傳質(zhì)效率高，處理能力大，比表面積大。其缺點(diǎn)是不適用于處理黏度大、易聚合或有懸浮物的材料，且裝卸、清理困難，造價(jià)高。綜上所述，經(jīng)分析各填料特點(diǎn)、性能，本課程設(shè)計(jì)選擇散裝階梯環(huán)填料。4.3.3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。(1) 陶瓷填料陶瓷填料具有良好的耐腐蝕性及耐熱性，一般能耐除氫氟酸以外的常見的各種無機(jī)酸、有機(jī)酸的腐蝕，對強(qiáng)堿介質(zhì)，可以選用耐堿配方制造的耐堿陶瓷填料。陶瓷填料因其質(zhì)脆、易碎，不易在高沖擊強(qiáng)度下使用

23、。陶瓷填料價(jià)格便宜，具有很好的表面潤濕性，工業(yè)上，主要用于氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程。(2) 金屬填料金屬填料可用多種材質(zhì)制成，金屬材料的選擇主要根據(jù)物系的腐蝕性和金屬材質(zhì)的耐腐蝕性來綜合考慮。碳鋼填料造價(jià)低，且具有良好的表面濕潤性能，對于無腐蝕或低腐蝕性物系應(yīng)優(yōu)先考慮使用；不銹鋼填料耐腐蝕性強(qiáng)，一般能耐cl以外常見物系的腐蝕，但其造價(jià)較高；鈦材、特種合金鋼等材質(zhì)制成的填料造價(jià)級(jí)高，一般只在某些腐蝕性極強(qiáng)的物系下使用。金屬填料可制成薄壁結(jié)構(gòu)(0.20.1mm)，與同種類型、同種規(guī)格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強(qiáng)度下使用，工

24、業(yè)應(yīng)用主要以金屬填料為主。(3) 塑料填料塑料填料的材質(zhì)主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，國內(nèi)一般多采用聚丙烯材質(zhì)。塑料填料的耐腐蝕性能較好，可耐一般的無機(jī)酸、堿和有機(jī)溶劑的腐蝕。其耐溫性良好，可長期在100°C以下使用。聚丙烯填料在低溫(低于0°C)時(shí)具有冷脆性，在低于0°C的條件下使用要謹(jǐn)慎，可選用耐低溫性能好的聚氯乙烯填料。塑料填料具有輕質(zhì)、廉價(jià)、耐沖擊、不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。塑料填料的缺點(diǎn)是表面潤濕性能較差，在某些特殊應(yīng)用場合，需要對其表面進(jìn)行處理，以提高表面潤濕性能。所以本次課程設(shè)計(jì)選用聚丙烯填料。4.3.4填料規(guī)格的選

25、擇通常，散裝填料與規(guī)整填料的規(guī)格標(biāo)示方法不同，選擇地方法亦不盡相同。 散裝填料規(guī)格的選擇散裝填料的規(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，通量減小，填料費(fèi)用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小塔徑中，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。本課程設(shè)計(jì)處理量不大，所用的塔直徑不會(huì)太大，故選用38mm。 規(guī)整填料規(guī)格的選擇工業(yè)上常用規(guī)整填料的型號(hào)和規(guī)格的表示方法很多，國內(nèi)習(xí)慣用比表面積表示，主要有125、150、250、350、500、700等幾種規(guī)格。同種類型的規(guī)整

26、填料，其比表面積越大，傳質(zhì)效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費(fèi)用也明顯增加。選用時(shí)應(yīng)從分類要求、通量要求、場地要求、物料性質(zhì)及設(shè)備投資、操作費(fèi)用等方面綜合考慮，使所選填料既能滿足工藝要求，又具有經(jīng)濟(jì)合理性。應(yīng)當(dāng)指出，一座填料塔可以選用同種類型、同一規(guī)格的填料，也可以使用同種類型、不同規(guī)格的填料；可以選用同種類型的填料，也可以選用不同類型的填料；有的塔段可選用規(guī)整填料，而有的塔段可選用散裝填料。綜上所述選用38mm聚丙烯階梯環(huán)塔填料，其主要性能參數(shù)查表1得：比表面積a：132.5m2/m3空隙率e:0.91干填料因子：175.6m-i表1國內(nèi)階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)材外徑外徑X高X厚比表面積空隙率個(gè)數(shù)堆

27、積密度干填料因子填料因子質(zhì)d,mmdXHX5a,m2/m3t£,m3/m3n,個(gè)/m3P,kg/m3a/£3,m-1，m-1塑2525X17.5X2280.908150097.8313240381.4132.50.912720057.5175.6120料5038X19X1114.20.927998076.8143.1807650X30X1.589.950.929342068.41127276X37X3五 工藝計(jì)算查表知，30。C下空氣和水的物理性質(zhì)常數(shù)如下：空氣密度：p=1.165kg/m3粘度：卩=1.86x10-5Pa-s=0.067kg/(m-h)密度：p=995.7

28、kg/m3L水：粘度：卩=80.07x10-5Pa-sL表面張力：c=72.6dyn/cm=940896kg/h2L5.1物料衡算，確定塔頂、塔底的氣液流量和組成查表知，30。C下氨在水中的溶解度系數(shù)H=0.4146kmol/(m3-kpa)亨利系數(shù)E=丄HMSS相平衡常數(shù)Em=Pp=LHMP995.70.4146x18.02x101.3=1.3156進(jìn)塔氣相摩爾比為：Y=0.1968=0.24501 1-0.1968出塔氣相摩爾比為：Y=0.1968x(1-0.9964)=0.00088212 1-0.1968對于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為：X2二0(清水)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為：M二

29、0.1968x17.031+(1-0.1968)x29二26.64(kg/kmol)混合氣體的密度為：Pv=PM=1013x103x沁x10-3=1.037kg/m3RT8.314x3132731混合氣體流量：5000x-x224=194.688(kmol/h)惰性氣體流量：V=194.688x(1-0.1968)=156.373(kmol/h)最小液氣比：Y -Y=1minX*X12Y -Y0.2450-0.0008821=1=13109Y v0.2450“.91X0m21.3156取實(shí)際液氣比為最小液氣比的1.5倍，則可得吸收劑用量為：L=1.3109x156.373x1.5=307.48

30、4(kmol/h)V(Y-Y)121L0.2450-0.0008821_00.12411.3109x1.5液氣比w307.484x18.02l=1.069w5000x1.037V經(jīng)計(jì)算該吸收過程為低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)?；旌蠚怏w的黏度可近似取為空氣的黏度。5.2塔徑計(jì)算采用貝恩(Bain)-霍根(Hougen)泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算泛點(diǎn)速度:氣體質(zhì)量流量：叫=5000x1.037=5185kg/h液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算，即：W二307.484X18.02二5540.862kg/hL填料總比表面積：a二132.5m2/m3t水的黏度：卩=0.8007mPa-sL

31、u2aplg_F亠匕屮0.2=A-Kg£3PLL=0.204-1.75x(空0竺、一1/4w'LIW丿V1叮冃丿181/85185丿(1.037、一X<995.7丿=-0.5501u2aPftv卩o.2=0.2818g£3PLL'0.2818x9.81x0.913x995.7o卄/u=3.973m/sF132.5X1.037X0.80070.2A、K取值可由表2查得。表2不同類型填料的A、K值散裝填料類型AK規(guī)整填料類型AK塑料鮑爾環(huán)0.09421.75金屬階梯環(huán)0.1061.75金屬鮑爾環(huán)0.11.75瓷矩鞍0.1761.75塑料階梯環(huán)0.2041.

32、75金屬環(huán)矩鞍0.062251.75取泛點(diǎn)率為0.7，即u=0.7u=F0.7X3.973=2.781m/s則D絲5零需=0.7976m圓整后取D=0.8m（常用的標(biāo)準(zhǔn)塔徑為400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200)泛點(diǎn)率校核：5000/3600u=2.765m/s0.785x0.82u/u=2.765/3.973=0.6959（對于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值為u/u=0.50.85）FF填料規(guī)格校核：d=罟=21.05>8液體噴淋密度校核：取最小潤濕速率為：（L）=0.08m3/（m-h）Wmina=132.5m2/m3t所以U

33、二(L)a二0.08X132.5二10.6m3/(m2h)minWmintLh0.785D2=1.098x107m3/(m2h)Umin307.484x18.02x995.70.785x0.82經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=0.8m合理。5.3填料層高度計(jì)算查表知，0OC，101.3kpa下，NH在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)D3o0.17cm2/s.PT3由D=D(f)()2，GoPTo則303k,101.3kpa下，NH在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為：3(101.3Y.101.3丄30327T丿32=0.1988cm2/s液相擴(kuò)散系數(shù)D=2.105x10-9m2/sL液體質(zhì)量通量為UL氣體質(zhì)量通量為UV30

34、7.484x18.02=11028.785kg/(m2h)0.785x0.825000x1.037=10320.462kg/(m2h)0.785x0.82、=mX=1.3156x0.1241=0.163311'*=mX=022脫吸因數(shù)為s=竽=1310黑=0.6691氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為：1Y-Y*=ln(1-S)-!+S1-SY-Y*22xln(1-0.6691)x0.2450-0+0.6691=13.681-0.66910.0008821-0NOG氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算：aa/U、Q2aU/、】w=1-exp1.45(-)0.75(L)0.1(L4)-0.05(L

35、)0.2aaa卩p2gpaatLtLLLLt不同材質(zhì)的6值見表3。C表3不同材質(zhì)的6值材質(zhì)鋼陶瓷聚乙烯聚氯乙烯碳玻璃涂石蠟的表面表面張力，N/mX10375613340567320查表知，b=33dyn/cm=427680kg/h2ca(427680/11028.785、11028.7852x132.5、w=1-exp1.45x()0.75x()0.1x()-0.05所以，a940896132.5x2.883995.72x1.27x10st)0.2=0.356011028.7852995.7x940896x132.5氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：k二0.237(-)0.7(巴/(atDv)ga卩pD

36、RTtvvv10320.462二0.237x()0.7x(132.5x0.0671.037x0.1988x10-4x36000.067、丄132.5x0.1988x3600x10-4)3x(8.314x303二0.1206kmol/(m2-h-kpa)液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：U2IX丄LXg1k=0.0095()3(L)-2()3LaXpDpwLLLLccccu/11028.785、2/2.883、丄=0.0095x()3x()2x0.3560x132.5x2.883995.7x2.105x10-9x3600=0.65242.883,2.883x1.27x108、丄()3995.7表4各類填料

37、的形狀系數(shù)填料類型球棒拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)叫直0.720.7511.191.45查表4得：屮=1.45ka=ka屮1.1=0.1206x0.3560x132.5x1.451=8.561kmol/(m3hkpa)GGwka=kLL屮0.4=0.6524x0.3560x132.5x1.450.4=35.701hU/UF=2-765/3-973=°6959°5k'a=1+9.5(-0.5)1.4ka得，GuG由Fk'a=1+2.6(-0.5)2.2kaLuLFka=1+9.5x(0.69590.5)1.4x8.561=16.86kmol/(m3-h-kpa)Gka=1

38、+2.6x(0.69590.5)2.2x35.70=L38-26>h11+k'aHk'aGL111+16.860.4146x38.26=8.173kmol/(m3-h-kpa)OGKa-QYV=156.373kaP-Q=8.173x101.3x0.785x0.82G=0.3759m由Z=H-N=0.3759x13.68=5.142mOGOGZ'=1.30x5.142沁6.68設(shè)計(jì)取填料層高度為：Z=7mh對于階梯環(huán)填料，一=815,h<6mDmax將填料層分為2段設(shè)置，每段3.5m，兩段間設(shè)置一個(gè)液體再分布器。h取一=12，則填料塔總咼度為：h=12D=12

39、x0.8=9.6mD5.4填料層壓降計(jì)算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降:橫坐標(biāo)為：.（狂）0.5PVL=307.484小02x(竺)0.5=0.034495000x1.037995.7查表知：=116m-1Pu2屮p2.7652x116x11.037縱坐標(biāo)為：p-v-u0.2=xx0.80070-2=0.09006gpl9.81995.7L9.81AP查圖3得，牙=735.8pa/m填料層壓降為：AP=735.8x7pa=5.151kpa54?？偳?43J46B|0LP2U圖3通用壓降關(guān)聯(lián)圖5.5液體分布裝置液體分布器的作用：液體分布裝置設(shè)于填料層頂部，用于將塔頂液體均勻分布在填料表

40、面上，液體的分布裝置性能對填料塔效率影響很大，特別是大直徑、低填料層的填料塔，尤其需要性能良好的液體分布裝置。由于液體在填料塔內(nèi)分布均勻，可以增大填料的潤濕表面積，以提高分離效果。因此，液體在塔頂?shù)某跏季鶆驀娏埽潜ＷC填料塔達(dá)到預(yù)期分離效果的重要條件。從噴淋密度考慮，應(yīng)保證每60m2的塔截面上約有一個(gè)噴淋點(diǎn)，這樣，可以防止塔內(nèi)壁流和溝流現(xiàn)象。常用的液體分布裝置有蓮蓬式、盤式、齒槽式及多孔管式分布器等。蓮蓬式噴淋器：液體經(jīng)半球形噴頭的小孔噴出。小孔直徑為310m，做同心圓排列,噴灑角不超過80。這種噴淋器結(jié)構(gòu)簡單，但只適用于直徑小于600mm的塔中，且小孔易堵塞。盤式分布器：盤低開有篩孔的稱為塞

41、孔式，盤底裝有垂直短管的稱為溢流管式。液體加至分布盤上，經(jīng)篩孔或溢流短管流下。篩孔式的液體分布效果好，而溢流管式自由截面積較大，且不易堵塞。盤式分布器常用于直徑較大的塔中，基本可保證液體分布均勻，但其制造較麻煩。齒槽式分布器：液體先經(jīng)過主干齒槽向其下個(gè)條形做第一級(jí)分布，然后再向填料層上面分布。這種分布自由截面積大，不易堵塞，多用于直徑較大的填料塔。多孔環(huán)管式分布器：由多孔圓形盤管、聯(lián)接管及中央進(jìn)料管組成。這種分布器氣體阻力小，特別使用于液量小而氣量大的填料吸收塔。液體分布裝置的安裝位置，須高于填料層表面200mm，以提供足夠的自由空間，讓上升氣流不受約束地穿過分布器。根據(jù)氨氣易溶解的性質(zhì)，可選

42、用目前應(yīng)用較為廣泛的多孔型布液裝置中的排管式噴淋器。多孔型布液裝置能提供足夠均勻的液體分布和空出足夠大的氣體通道（自由截面一般在70%以上），也便于制成分段可拆結(jié)構(gòu)。液體引入排管噴淋器的方式采用液體由水平主管一側(cè)引入，通過支管上的小孔向填料層噴淋。排管式噴淋器采用塑料制造。分布點(diǎn)密度計(jì)算：為了使液體初始分布均勻，原則上應(yīng)增加單位面積上的噴淋點(diǎn)數(shù)。但是，由于結(jié)構(gòu)的限制，不可能將噴淋點(diǎn)設(shè)計(jì)得很多。根據(jù)Eckert建議，當(dāng)D沁750mm時(shí)，每60cm2塔截面設(shè)一個(gè)噴淋點(diǎn)。則總布液孔數(shù)為：60x10-4布液計(jì)算：由L-兀d2n不gAHS3600x995.7L=m3/s=0.001546m3/s取二0.

43、60，AH=160mm4L=Sdon飛2gAH4x0.001546則=3.14x84x0.6x.2x9.81x0.16=0.004696m=4.70mm5.6液體再分布裝置實(shí)踐表明，當(dāng)噴淋液體沿填料層向下流動(dòng)時(shí)，不能保持噴淋裝置所提供的原始均勻分布狀態(tài)，液體有向塔壁流動(dòng)的趨勢。因而導(dǎo)致壁流增加、填料主體的流量減小、塔中心的填料不被潤濕，影響了流體沿塔橫截面分布的均勻性，降低傳質(zhì)效率。所以，設(shè)置再分布裝置是十分重要的。液體分布器分為截錐形再分布器、邊圈槽型再分布器、改進(jìn)截錐形再分布器。圖4（a）、（b）為兩種截錐式再分布器。其中（a）型是將截錐體固定在塔壁上，其上下均可裝滿填料，錐體不占空間，是

44、最簡單的一種。（b）型是在截錐上方設(shè)支承板，截錐以下隔一段距離再放填料，需分段卸出填料時(shí)可用此型。截錐體與塔壁的夾角一般取為35-400，截錐下口直徑D=（0.70.8）D。截錐型再分布器適于直徑800mm以下的1塔應(yīng)用。（a）、（b）截錐式（c）邊圈槽形（d）改進(jìn)截錐式圖4常用液體再分布器圖4（c）為邊圈槽形再分布器。壁流液匯集于邊圈槽中，再由溢流管引入填料層。邊槽寬度為50100mm，可依塔徑大小選取，溢流管直徑為1632mm,般取34根溢流管。此型結(jié)構(gòu)簡單，氣體通過截面較大，可用于3001000mm直徑的塔中，其缺點(diǎn)是噴灑不夠均勻。圖4(d)為改進(jìn)形分配錐，此型既改善了液體分布情況，又有

45、較大的自由截面積,適用于600mm以下塔徑。綜上所述，本課程設(shè)計(jì)選用邊圈槽形再分布器，邊槽寬度為70mm，溢流管直徑為25mm。5.7填料支撐裝置填料支承裝置用于支承塔填料及其所持有的氣體、液體的質(zhì)量，同時(shí)起著氣液流道及氣體均布作用。故在設(shè)計(jì)支承板是應(yīng)滿足下列三個(gè)基本條件：(1)自由截面與塔截面之比不小于填料的空隙率；(2)要有足夠的強(qiáng)度承受填料重量及填料空隙的液體；(3)要有一定的耐腐蝕性。用豎扁鋼制成的柵板作為支承板最為常用，如圖5中的(a)柵板可以制成整塊或分塊的。一般當(dāng)直徑小于500mm時(shí)可制成整塊；直徑為600800mm時(shí)，可以分成兩塊；直徑在9001200mm時(shí)，分成三塊；直徑大于

46、1400mm時(shí)，分成四塊；使每塊寬度約在300400mm之間，以便拆裝。4<(a)柵板(b) 升氣管式圖5填料支承板(c) 十字隔板環(huán)層?xùn)虐鍡l之間的距離應(yīng)約為填料環(huán)外徑的0.60.7。在直徑較大的塔中，當(dāng)填料環(huán)尺寸較小的，也可采用間距較大的柵板，先在其上布滿尺寸較大的十字分隔瓷環(huán)，再放置尺寸較小的瓷環(huán)。這樣，柵板自由截面較大，如圖5(c)所示。當(dāng)柵板結(jié)構(gòu)不能滿足自由截面要求時(shí)，可采用如圖5(b)所示的升氣管式支承板。氣相走升氣管齒縫，液相由小孔及縫底部溢流而下。這類支承板，有足夠齒縫時(shí)，氣相的自由截面積可以超過整個(gè)塔德橫截面積，所以絕不會(huì)在此造成液泛。填料支撐裝置對于保證填料塔的操作性能

47、具有重大作用。采用結(jié)構(gòu)簡單、自由截面較大、金屬耗用量較小的柵板作為支撐板。為了改善邊界狀況，可采用大間距的柵條，然后整砌一、二層按正方形排列的瓷質(zhì)十字環(huán)，作為過渡支撐，以取得較大的孔隙率。由于采用的是038mm的填料，所以可用Q75mm的十字環(huán)。塔徑D=800mm，設(shè)計(jì)柵板由2塊組成。且需要將其擱置在焊接于塔壁的支持圈或支持塊上。分塊式柵板，每塊寬度為400mm，每塊重量不超過700N，以便從人孔進(jìn)行裝卸。5.8流體進(jìn)出口裝置填料塔的氣體進(jìn)口既要防止液體倒灌，更要有利于氣體的均勻分布，對500mm直徑以下的小塔，可使進(jìn)氣管伸到塔中心位置，管端切成450向下斜口或切成向下切口，使氣流折轉(zhuǎn)向上。對

48、1.5m以下直徑的塔，管的末端可制成下彎的錐形擴(kuò)大器，或采用其它均布?xì)饬鞯难b置。氣體出口裝置既要保證氣流暢通，又要盡量除去被夾帶的液沫。最簡單的裝置是在氣體出口處裝一除沫擋板，或填料式、絲網(wǎng)式除霧器，對除沫要求高時(shí)可采用旋流板除霧器。常壓塔氣體進(jìn)出口管氣速可取1020m/s(高壓塔氣速低于此值)；液體進(jìn)出口管氣速可取0.81.5m/s(必要時(shí)可加大些)。管徑依所選氣速?zèng)Q定后，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)管規(guī)格進(jìn)行圓整，并規(guī)定其厚度。氣體進(jìn)氣口氣速取16m/s，液體進(jìn)液口流速取1.2m/s。氣體進(jìn)出口管直徑：D-|l4VS-J445000-0.3325m-333mmz3.1441643600液體流量：397.484

49、418.02L-174.866kmol/h-5.565m3/h995.7I4x5565液體進(jìn)出口管直徑：D=.=0.04051m=40.5mm2斗3.14x1.2x3600按標(biāo)準(zhǔn)管規(guī)格(GB8163-87)進(jìn)行圓整后得，氣體進(jìn)口出管直徑D=351mm，厚度為110mm；液體進(jìn)出管直徑D=42mm，厚度為8mm。2設(shè)計(jì)位于塔底的進(jìn)氣管時(shí)，主要考慮兩個(gè)要求：壓力降要小和氣體分布要均勻。由于填料層壓力降較大，減弱了壓力波動(dòng)的影響，從而建立了較好的氣體分布；同時(shí)，本裝置由于直徑較小，可采用簡單的進(jìn)氣分布裝置。5.9水泵及風(fēng)機(jī)的選型4Vs吸收劑實(shí)際流速：u=1.116m/s實(shí)兀D22根據(jù)初步設(shè)計(jì)，l垂直

50、=10m，l水平及彎=2m，l總=12m。dupRe二0.042x1.116x995.70.0008007二5.829x104新的無縫鋼管絕對粗糙度約值為0.020.1mm，相對粗糙度為-=0.1/1000=0.002381,d0.042查莫狄圖得摩擦系數(shù)入約為0.026。列出液體進(jìn)口和液體出口的兩截面的機(jī)械能守恒方程，即可求得壓頭H：H=AZ+如+坐+EH2gpg取AZ=10,Au2沁0EHf=0.026x蘭x1.1162=4.716m0.00422x9.81操作壓力為常壓，所以Ap即填料層壓降=5151PaH=10+5151995.7x3600+4.716=14.72m泵功率Ne=HQpg=14.72x5565x995.7x9.81=222.3W3600查離心泵的規(guī)格,IS50-32-200中n=1450r/min,Q=6.3m3/h,H=12.5m，n=54%，N=0.75W,該離心機(jī)最為適合。空氣入口和出口間的壓差即為填料層壓降、除霧沫器壓降及阻力損失(大約取600Pa):Pt=5151+60