【水吸收氨填料塔設(shè)計(jì)6400字（論文）】

水吸收氨填料塔設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u22369水吸收氨填料塔設(shè)計(jì) 1761前言 120578一、填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù)及步驟 22884二、填料塔設(shè)計(jì)條件及操作條件 230264三.設(shè)計(jì)部分 250531.選定塔型 219583塔器是氣體吸收、液體蒸餾、萃取、吸附、加濕、離子交換等重要設(shè)備[2][3]。 210492在做設(shè)計(jì)時(shí)首先要選擇的就是塔型，塔型的種類有：填料塔、板式塔。 238832.填料的選型與設(shè)計(jì) 3311962.1填料的類型 3290572.2填料的種類 4299773.裝置流程的確定： 5137424.吸收劑的選擇： 6125485.操作溫度和壓力的確定 6271846.填料塔的工藝尺寸計(jì)算 7182437.設(shè)計(jì)液體分布器 1228864四、結(jié)論 1511504參考文獻(xiàn) 16前言對(duì)于化工行業(yè)，常常會(huì)需要將填料中的不同成分和氣體進(jìn)行分離后再填充。將混合物進(jìn)行分離，可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)回收出這些氣體混合物中的有用的化學(xué)物質(zhì)，回收后繼續(xù)用于制造產(chǎn)品。并且在氣體被分離后可以去除其中的有害化學(xué)組分，以減輕空氣污染。吸收和分離氣態(tài)混合物的方法有不少，吸收操作就是方法中的一種。它以每種組分在特定溶劑中的溶解度為基礎(chǔ)。為了防止含有氨氣的混合工業(yè)氣體對(duì)大氣造成污染。化工行業(yè)應(yīng)采用一定的方法將工業(yè)高爐煤氣中的氨氣直接吸收到大氣中；該設(shè)計(jì)采用填料塔進(jìn)行吸收并凈化含氨的工業(yè)尾氣，以達(dá)到廢氣的排放標(biāo)準(zhǔn)，從而滿足工程的需要。填料可以提供較大的氣液傳質(zhì)面積，且填料表面具有良好的紊流狀態(tài)，操作過(guò)程容易進(jìn)行，此外，填料塔還具有壓力低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易產(chǎn)生防腐填料的優(yōu)點(diǎn)，從而在吸收分離過(guò)程中節(jié)省了大量的人力、物力和化工材料[1]。根據(jù)該化工廠日排放需求，本次主要試設(shè)計(jì)一座填料吸收塔，混合氣處理容量為10000Nm3/h，氨氮含量為8%(體積分?jǐn)?shù))，塔頂上的氨氮含量小于0.04%(體積分?jǐn)?shù))。一、填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù)及步驟1.任務(wù)：設(shè)計(jì)一座填料塔吸收塔2.步驟：1.依據(jù)設(shè)計(jì)的目的、任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計(jì)方案；2.針對(duì)氣體混合物的分離要求，選擇適宜的填料；3.計(jì)算填料塔的塔徑、填料層的高度和填料塔壓降等；（考慮噴淋密度）4.計(jì)算塔高及填料層的壓降；5.塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)。二、填料塔設(shè)計(jì)條件及操作條件氣體混合物組分：空氣和氨；空氣中氨的含量：8%混合氣體操作流量：10000Nm3/h；操作溫度：298K（常溫）；混合氣體壓力：101.3kPa（常壓）；吸收劑：采用清水吸收；填料類型：DN38聚丙烯階梯環(huán)填料。三.設(shè)計(jì)部分1.選定塔型塔器是氣體吸收、液體蒸餾、萃取、吸附、加濕、離子交換等重要設(shè)備[2][3]。在做設(shè)計(jì)時(shí)首先要選擇的就是塔型，塔型的種類有：填料塔、板式塔。填料塔的結(jié)構(gòu)：塔身是圓筒式的，塔的底部裝載著填料。填料塔的傳質(zhì)方式：把填料作為氣體、液體這兩相相接處的場(chǎng)所，在填料塔內(nèi)，氣相是連續(xù)的，液相是分散的，氣體在塔內(nèi)是自下而上接觸的，液體在塔內(nèi)是相反的，是自上而下接觸的，因此我們需要重視填料的作用并且選擇合適的填料。填料塔的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造的能力較大，使用和制造較為便利。塔徑越小效果越好。填料可以使用耐腐蝕的材料進(jìn)行制造安裝也較為便利，塔體的高度較低，所使用的費(fèi)用較少。表1：板式塔與填料塔對(duì)比吸收塔的特點(diǎn)有：可以同時(shí)除去氣態(tài)與粒狀污染物，具有較大的操作彈性，去除效率高，可以降低廢棄物溫度。根據(jù)上述填料塔和板式塔特點(diǎn)的研究，在完成本次設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，最佳的方案是選擇填料吸收塔進(jìn)行氨氣的吸收和分離。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，適用于耐腐蝕材料的使用、它的壽命較長(zhǎng)[4]。2.填料的選型與設(shè)計(jì)2.1填料的類型充填材料有很多種，根據(jù)不同的充填程序可分為散裝充填和常規(guī)充填。填料塔是填料塔的核心部分，填料塔是氣液傳質(zhì)和傳熱的混合塔。它的性能是影響填料塔效率的主要因素。填料表面積越大，氣液分布越均勻，傳質(zhì)效果越好。塔荷載的選擇包括確定填料類型、規(guī)格和材料。從傳質(zhì)效率、流動(dòng)壓力和壓降三個(gè)方面分析了填料的類型。填料規(guī)格的選擇通?；谒睆胶吞盍现睆紻/d之間的比率[5]。2.2填料的種類填料的選型：要考慮相關(guān)的要求，包括填料的種類、特點(diǎn)、規(guī)格、質(zhì)地。因此填料的選擇要滿足設(shè)計(jì)的原則和要求，操作時(shí)使用的費(fèi)用也較低。（1）選擇合適的填料種類獨(dú)立型填料的技術(shù)要求：當(dāng)裝液相同時(shí)，溢流點(diǎn)速度或填料動(dòng)能系數(shù)越高，塔的流量越大，處理能力越大。因此，應(yīng)選擇具有更高氣體速度或氣體動(dòng)能系數(shù)的填料，以確保更高的質(zhì)量傳輸性能。填料層的壓降：填料層的動(dòng)力消耗隨著填料層的壓降減小而減小，使用的費(fèi)用隨之減少。因此在分離熱敏性相關(guān)物系的過(guò)程中，采用壓降較低的填料是最合適的。在比較填料層壓降時(shí)，方法有：還有通過(guò)對(duì)比每個(gè)單位傳質(zhì)效率的比壓降；通過(guò)對(duì)比單位高度壓降。（2）確定填料規(guī)格在工業(yè)上，填料的的規(guī)格是不同的，選擇的過(guò)程也因此不同。如今我國(guó)我國(guó)大型化工業(yè)使用的散裝填料產(chǎn)品的規(guī)格有好多。比如DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等等。相同種類的填料，顆粒越小，分離的速度和效果就會(huì)變得更高，但是分離阻力也就越大，通量也就越小，填料成本就越高。但在小直徑塔中采用大幅面積填料時(shí)，由于流體分布不均勻，壁面流動(dòng)嚴(yán)重，導(dǎo)致塔分離效果差，故對(duì)填料塔徑與填料尺寸之作了規(guī)定。表2：填料塔塔徑與公稱直徑的比值在化學(xué)工業(yè)上，填料的規(guī)格有各種表達(dá)方式。比如在我國(guó)，較為常用的就是比表面積。同類的規(guī)整填料，隨著比表面積的增大，傳質(zhì)速率也隨之增高。但隨著阻力的增大，通量就隨之變小，所使用的費(fèi)用會(huì)增高。填料的選擇應(yīng)包括分離要求、助熔劑要求等因素，應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)條件、材料特性、設(shè)備投資和運(yùn)行成本，以確保所選填料是合適的，能滿足工藝的需求，費(fèi)用也較合理。（3）填料材質(zhì)填料的種類有幾種，它們的性能差別也較大。金屬填料：它的優(yōu)點(diǎn)是有較好的抗冷熱性能，阻力較小，分離效果也較好；它的缺點(diǎn)是耐腐蝕性能比其他的填料低，容易被腐蝕，相對(duì)于其他填料，成本較高。陶瓷填料：它的主要優(yōu)點(diǎn)是它能抵抗除氟氧酸以外的任何酸、堿的腐蝕，并且具備良好的耐酸熱特性。除鹽酸外，耐堿神經(jīng)酰胺填料可選用堿性配方，用于強(qiáng)酸堿介質(zhì)。塑料填料：它具有抵抗無(wú)機(jī)酸、堿液、有機(jī)溶劑等液體的腐蝕的特性，它的化學(xué)抗氧化和防水性能比較優(yōu)秀。耐溫性能也較好，長(zhǎng)時(shí)間使用填料，其溫度可到達(dá)100℃。聚丙烯低溫特性具有高度冷脆性（溫度低于0℃），當(dāng)溫度控制到0℃以下時(shí)就需要更加慎重。低溫聚氯乙烯填料可選擇塑料材料，它們重量輕、價(jià)格低、受到?jīng)_擊時(shí)強(qiáng)度大、不容易破碎。它主要適用于吸附、萃取、解吸、除塵等設(shè)備的使用。但塑料也有缺點(diǎn)，它的表面潤(rùn)濕性較差。為了大大提高塑料表面的潤(rùn)濕性，有時(shí)需要將上述適用于不同類型和規(guī)格的填料。探索了不同類型和規(guī)格的填料，對(duì)于在溫度為20℃，壓力為101.3KPa下吸收混合氣體處理量為10000Nm3/h，其中含8%的氨的操作過(guò)程，因?yàn)椴僮鳒囟群筒僮鲏毫Χ驾^低，而且基于塑料環(huán)填料的各種特點(diǎn)和性能良好，它又是一種散裝塑料填料，所以依據(jù)上述研究，DN38聚丙烯階梯環(huán)填料的相關(guān)性能比較優(yōu)良，所以選擇它作為本次設(shè)計(jì)使用的填料。3.裝置流程的確定：（1）逆流操作。氣相流從塔底流到塔頂，液相流到塔頂。本實(shí)用新型具有傳質(zhì)快，分離效率高，利用率高等優(yōu)點(diǎn)[6]。（2）并流操作。塔體和塔體系統(tǒng)從上到下的氣液流不受液流限制，提升了氣體流動(dòng)速度和生產(chǎn)制造能力。并流操作適合適用于以下狀況：在進(jìn)行吸收操作時(shí)，如果顯示的平衡曲線是正常的，流體對(duì)驅(qū)動(dòng)力影響較??；當(dāng)吸收量較大時(shí)，逆流操作又容易產(chǎn)生液泛的現(xiàn)象。（3）吸收劑部分循環(huán)操作。它將填料吸收塔排除的一部分冷卻水抽回塔中，并在其中添加新的吸收劑。在一般的情況下，填料塔如果使用較少量的吸收劑，則需要增加塔的噴霧密度，在進(jìn)行非等溫吸收的過(guò)程中，如果想要有效地控制填料塔的溫升，需要釋放出一些熱量，該操作對(duì)相平衡常數(shù)低的情況比較適用。部分循環(huán)操作可以增大填料吸收塔的吸收能力。要注意，循環(huán)操作的費(fèi)用較低，必須調(diào)整循環(huán)泵，以便提高操作成本。因?yàn)榘彼苡谒?，需要較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力和較快的逆流傳質(zhì)速度，此外，要有較高的分離效率和較高的吸收利用率。因此最佳的操作方式為逆流操作。在生產(chǎn)過(guò)程的流程圖完成后，可吸收的水通過(guò)離心泵輸送到填料塔的頂部，利用液體分配器將其均勻分布在填料表面，以便從塔的底部完全濕潤(rùn)整個(gè)填料風(fēng)機(jī)內(nèi)部由填料物供給含有少量氨的空氣，并與填料物上的吸附水接觸。此時(shí)，為了吸收氨氣，在填料表面進(jìn)行批量轉(zhuǎn)移，氨氣通過(guò)填料被吸附后，吸附水從塔底抽出，含少量氨氣的空氣經(jīng)吸附后從塔頂排出，氨氣含量小于0.04%.4.吸收劑的選擇：吸收性工作過(guò)程取決于氣體在溶劑中的溶解。所以吸收劑的性能是決定阻力效果的一個(gè)重要因素。溶解度：吸收劑在溶解的組分中要有較高的溶解；選擇性：吸收劑在溶解組分中要有較好的選擇性，可不含或很少不含其他組分混合氣體中的組分，否則就不能直接分離；低揮發(fā)性：在工作溫度下，可降低吸收蒸汽壓，減少吸收修復(fù)過(guò)程中的揮發(fā)性和損失。粘度：在工作溫度下，吸收器的粘度較低，在塔內(nèi)具有良好的流動(dòng)能力，有利于提升傳質(zhì)和傳熱的速度。因?yàn)榘睔庠谒械娜芙舛认鄬?duì)較高，當(dāng)氨含量較低時(shí)，它能作為理想的溶劑。在洗滌中是洗滌液的揮發(fā)性很很較低，粘度也相對(duì)較低，價(jià)格也相對(duì)較低。5.操作溫度和壓力的確定（1）確定操作溫度增加溶解度可以通過(guò)降低溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，即改善吸收過(guò)程的汽液平衡，促進(jìn)低溫吸收，而較低的工作溫度要根據(jù)吸收系統(tǒng)的情況確定[6]。（2）確定操作壓力根據(jù)吸收過(guò)程的氣液比可以得出，壓力大小可以通過(guò)增大溶解氣體組分的溶解度，也就是說(shuō)增大壓力會(huì)有利于吸收；但是，壓力的增大，隨之就要進(jìn)一步提高對(duì)設(shè)備的生產(chǎn)和制造技術(shù)的要求，能耗也會(huì)隨之增加。隨之，需要結(jié)合操作壓力和特定工藝條件來(lái)確定壓力的大小。本項(xiàng)目在常溫常壓下運(yùn)行，氨的溶解度高，受溫度和壓力的影響較小，因此對(duì)這一問(wèn)題考慮不多。6.填料塔的工藝尺寸計(jì)算（1）相關(guān)液相物性數(shù)據(jù)[7]查找相關(guān)物性數(shù)據(jù)水在20℃時(shí)：查找氨氣的擴(kuò)散系數(shù)：在水中：（2）有關(guān)的氣相物性數(shù)據(jù)查找到氨氣在水中的溶解度系數(shù)：混合氣體的相關(guān)計(jì)算：氨氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)：（3）20℃時(shí)相關(guān)氣液相平衡數(shù)據(jù)亨利系數(shù)氨氣在水中：溶解度系數(shù)氨氣在水中：。（4）物料衡算進(jìn)塔：出塔：計(jì)算進(jìn)塔氣體流量：計(jì)算最小液氣比：采用清水吸收，進(jìn)塔液相組成操作液氣比采用最小液氣比的1.9倍，所以計(jì)算得到吸收劑用量為：下面是計(jì)算塔徑計(jì)算氣相質(zhì)量流量：計(jì)算液相質(zhì)量流量：查得Eckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為：查得： 查得填料因子平均值:所以得到塔徑為校核：（在合理范圍內(nèi)）矯正填料的規(guī)格：最小潤(rùn)濕速率：計(jì)算結(jié)果表明，塔徑是適用的計(jì)算填料層高度查到氨氣的擴(kuò)散系數(shù)在空氣中:在水中:計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元數(shù)：計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度：計(jì)算液體質(zhì)量通量：計(jì)算氣體質(zhì)量通量：計(jì)算得：計(jì)算氣膜吸收系數(shù)：計(jì)算液膜吸收系數(shù):查得修正計(jì)算：=22.989得到的結(jié)果：根據(jù)所以填料層高度選用8m。根據(jù)散裝填料分段高度推薦值查得塑料階梯環(huán)，計(jì)算填料塔的壓降根據(jù)Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算橫坐標(biāo)：查得：縱坐標(biāo)：查圖得到：計(jì)算壓降：7.設(shè)計(jì)液體分布器7.1液體分布器填料塔中有個(gè)重要的內(nèi)件，它就是液體分布器，我們可以分為：第一分布器和再分布器。把原分布器安裝于填料塔中，使填料表面均勻地分布上液體。然而，填料塔的性能優(yōu)良，第一分配器的質(zhì)量對(duì)填料塔的效率也會(huì)產(chǎn)生很大影響。但是分離效果不盡如人意，所以分布器的選擇就顯得尤為重要了[8]。液體分布器的相關(guān)特性主要取決于液體分配點(diǎn)的密度（即每個(gè)表面上液體分配點(diǎn)的數(shù)量）、每個(gè)液體分布點(diǎn)的均勻性和每個(gè)流體分布點(diǎn)的液相組成的均勻性；流體分布器的選擇和結(jié)構(gòu)的一般要求是：流體分布均勻，自由程速度高。操作靈活性大，不易堵塞，不易造成積聚、起泡等現(xiàn)象；它可以由多種材料制成，使用安裝方便，且易于調(diào)平適應(yīng)。根據(jù)吸收要求和系統(tǒng)的特點(diǎn)，可選用重燃料液體分布器。請(qǐng)注意，在確定配液孔數(shù)目時(shí)，確定配液孔的數(shù)量時(shí)，要基于選取的填料的質(zhì)量分布特點(diǎn)和相關(guān)特性，在確定噴淋點(diǎn)的密度時(shí)，要依據(jù)填料容量越大，噴點(diǎn)密度越高的原則[9]。液體分布器的設(shè)計(jì)要求：液體分布均勻；操作彈性大；自由截面大。計(jì)算分布點(diǎn)的密度：表3Eckert的散裝填料塔噴淋點(diǎn)密度相關(guān)數(shù)值根據(jù)表格可得，隨著塔徑的逐漸增大，噴淋點(diǎn)密度會(huì)隨之減小，取塔徑為70毫米，噴淋點(diǎn)密度就是每平方米246點(diǎn)，受到相對(duì)較小的液相負(fù)荷，所以，取噴淋密度為246點(diǎn)/m2的比較適合[10]。計(jì)算總布液孔數(shù)所以布液點(diǎn)數(shù)可以取：90計(jì)算布液：根據(jù)得到取所以根據(jù)計(jì)算我們?nèi)〔家狐c(diǎn)為90，直徑為2mm。7.2液體再分布器液體流動(dòng)的形式是從上往下無(wú)序地流動(dòng)的，液體會(huì)逐漸流向塔壁，即出現(xiàn)塔壁流動(dòng)現(xiàn)象。如果包層的高徑比大于一定值，則包層是否應(yīng)該分段才能提高。為了改善液體在壁流中的不一致性，應(yīng)在每層填料之間放置一個(gè)液體再分配器，以便在填料頂部收集液體，并確保液體在下一層填料中的均勻分布。液體分配器應(yīng)安裝在填料層的一定高度[11]。通常，液體收集器和液體分配器是兩種不同的液體收集器。液體收集器的任務(wù)是收集上部填料的彈性工作流體，然后將其分配給流體分配器。液相集合分布器有多種類型，可分為兩種類型：一種是液體收集器與液體再分布器，承擔(dān)液相抽出分布器的任務(wù)；另一種是液相輸入分布器與再分布裝置分布器。流體分布器包括與窗口式液體收集器、多孔板分布器和錐形分布器結(jié)合使用的管式或槽式液體分布器。流體分布器的最簡(jiǎn)單形式是一個(gè)縮短的球形分布器，它是一個(gè)填料塔，用于克服壁流對(duì)傳質(zhì)的影響，通常在直徑小于0.6m的填料塔中使用。在本設(shè)計(jì)中，填料層的高度為8米，必須分段。通常在這樣的情況下，會(huì)選擇多孔圓盤式液體分配器。就如上面說(shuō)的，為了避免液體流入填料上層梯子，采用的方法可以是將蓋帽設(shè)置于升氣管上方。液體分配器好幾種，它們的安裝方式和結(jié)構(gòu)都是不同的。(1)截錐式再分布器。它的分布類型有兩種，第一種類型的連接的方法是將切錐連接到塔壁上，這樣就可以上下填充，切錐就沒(méi)有位置了，它是最簡(jiǎn)單的。另一種方法是將承載板放置在圓錐形上方，然后將填料放置在圓錐形下方一定距離處，這種方法可在填料分段卸料時(shí)使用。(2)邊圈槽形再分布器。所述壁流液集中在所述橫向槽內(nèi)，壁流液通過(guò)溢流槽逐步流到填料層。邊槽的寬度可根據(jù)塔徑大小進(jìn)行選擇，大約在50～100mm。溢流管有3～4根，管徑的范圍是16～32mm，。該類型的塔體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，橫截面積相對(duì)較大，適合用于直徑在300～1000mm之間的塔，但它存在噴灑不均勻的缺點(diǎn)。(3)截錐形再分布器優(yōu)化。不僅改善了流體分布，而且增加了自由截面，適用于直徑小于600mm的管道。在本設(shè)計(jì)中，需要對(duì)填料層展開涂層，所以，我們可以選用截錐式的再分布器作為液體分布器。在重力流體分布器中，每個(gè)參數(shù)都取決于液體的最大值。通常為最大液體含量的1.12～1.15倍。四、結(jié)論本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)一座填料吸收塔，是利用吸收塔填充法對(duì)含氨工業(yè)氣體進(jìn)行凈化，以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)使用填料塔吸收混合氣體，其混合氣處理量為10000Nm3/h，其中氨含量為8%。我們選擇填料吸收塔進(jìn)行該項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)。填料優(yōu)點(diǎn)有：填料表面具有良好的湍流狀態(tài)，而且可以提供較大的氣液傳質(zhì)面積，填料過(guò)程容易進(jìn)行。此外，填料塔還具有壓力低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易產(chǎn)生防腐填料的優(yōu)點(diǎn)，可以節(jié)約大量的人力物力。對(duì)于本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，溫度采用20℃，大氣壓采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，用填料塔吸收10000Nm3/h的氣態(tài)混合物，氨氣的含量為8%。溫度和壓力都較低，基于塑料環(huán)填料的化學(xué)和物力性能較好的特點(diǎn)，它又是一種散裝式的塑料填料，所以把DN38聚丙烯階梯環(huán)填料作為本次設(shè)計(jì)使用的填料是最佳的。塔徑為0.7m，塔高為8m。選用重燃料液體分布器，填料層的高度為8米，需要分段，選