填料吸收塔的課程設計

成績課程設計報告題目填料吸收塔的設計課程名稱化工原理課程設計專業(yè)班級學生姓名學號設計地點指導教師設計起止時間：2011年8月29日至2011年9月9日目錄一、前言………………………41.1設計方案簡介…………41.2吸收劑的選擇…………41.3填料的選擇……………51.4工藝流程說明…………6二、平衡關系及物料衡算……………………62.1平衡關系的計算………62.2物料衡算………………7三、填料塔工藝尺寸計算……………………93.1塔徑的計算……………93.2填料層高度的計算……………………103.3填料層壓降的計算……………………113.4填料層噴林密度的核算…………………11四、填料塔內(nèi)件的類型和計算………………124.1支撐裝置………………124.2分布裝置………………124.3進出口管的計算………134.4附屬空間………………13五、附屬設備的選型…………145.1風機……………………145.2離心泵…………………145.3換熱器…………………15六、附錄………………………166.1設計結(jié)果一覽表………166.2主要符號說明…………176.3設計總結(jié)………………196.4參考文獻………………21附圖X-Y相圖………………………23流程圖…………24設備圖…………24一、前言1.1設計方案簡介（1）填料塔簡介：填料塔是提供氣-液、液-液系統(tǒng)相接觸的設備。吸收塔設備一般可分為級式接觸和微分接觸兩類。一般級式接觸采用氣相分散，設計采用理論板數(shù)及板效率；而微分接觸設備常采用液相分散，設計采用傳質(zhì)單元高度及傳質(zhì)單元數(shù)，填料塔的特性也正是體現(xiàn)在這幾個方面。①生產(chǎn)能力填料塔的生產(chǎn)能力大于同直徑的篩板塔和浮閥塔。②分離效率填料塔的分離效率可和相同高度的板式塔相比。③操作彈性設計合理的填料塔，其操作彈性一般好于篩板塔，大致和浮閥塔相當。④壓降（阻力）除非在很高的液相流率下操作，填料塔中每一個理論板的壓降通常小于板式塔。⑤成本填料的制造成本較高，但填料塔比板式塔容易安裝，因此可導致總體上較低的安裝成本。填料塔存在的兩個主要缺點是容易堵塞設備及容易造成液體和氣體分布的不良。因此，在填料塔的設計時，必須考慮采取適當?shù)姆雷o措施。（2）填料吸收塔的設計方案設計方案的特點：傳質(zhì)平均推動力，傳質(zhì)速率快，分離效率好，吸收劑利用率高。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。氨極易溶于水，吸收過程的平衡曲線較陡，流向?qū)ξ盏耐苿恿τ幸欢ǖ挠绊?；整個操作過程為等溫等壓過程，依據(jù)題意可知吸收劑的用量比較大。1.2吸收劑的選擇對填料吸收塔，其吸收裝置的流程主要有逆流操作、并流操作、吸收劑部分再循環(huán)操作、多塔串聯(lián)操作和串聯(lián)-并聯(lián)混合操作。逆流操作由于其傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快，分高效率高，吸收劑利用率高的特點在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。吸收過程是依靠氣體溶質(zhì)在吸收劑中的溶解來實現(xiàn)的，因此，吸收劑性能的優(yōu)劣，是決定吸收操作效果的關鍵之一，選擇吸收劑時應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需用量。②選擇性吸收劑對溶質(zhì)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或吸收甚微，否則不能直接實現(xiàn)有效的分離。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粘度吸收劑在操作溫度下的粘度越低，其在塔內(nèi)的流動性越好，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盡可能滿足無毒性、無腐蝕性、不易燃易爆、不發(fā)泡、冰點低、價廉易得以及化學性質(zhì)穩(wěn)定等要求。一般說來，任何一種吸收劑都難以滿足以上所有要求，選用時應針對具體情況和主要矛盾，既考慮工藝要求又兼顧到經(jīng)濟合理性。本設計選用的吸收劑為水，因為甲醇易溶于水，空氣不溶于水，在操作溫度下水不易發(fā)揮，粘度低，且水無毒，無腐蝕性，廉價易得。1.3填料的選擇填料的種類很多，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。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點不同，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。工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。工業(yè)生產(chǎn)對填料的基本要求如下：（1）傳質(zhì)分離效率高①填料的比表面積a大，及單位體積填料具有表面積要大，因為它是汽液兩相接觸傳質(zhì)的基礎。②填料表面的安排合理，以防止填料表面的疊合和出現(xiàn)干區(qū)，同時有利于汽液兩相在填料層中的均勻流動并能促進汽液兩相的湍動和表面更新，從而使填料表面真正用于傳質(zhì)的有效面積增大，總體平均的傳質(zhì)系數(shù)和推動力增高。③填料表面對于液相潤濕性好，潤濕性好易使液體分布成膜，增大有效比表面積。潤濕性取決于填料的材質(zhì)，尤其是表面狀況。塑料的潤濕性比較差，往往需要進行適當?shù)谋砻嫣幚恚饘俦砻嬲持募庸び糜椭杞?jīng)過酸洗或堿洗清除。（2）壓降小，氣液通量大①填料的孔隙率ε大壓降就小，通量大。一般孔隙率大，則填料的比表面積小。分離效率將變差。散裝填料的尺寸大，孔隙率大，比表面積小，規(guī)整填料波紋片的峰高增大，孔隙率大，比表面積也大。如果填料的表面積安排合理，可以緩解a和ε的矛盾，達到最佳性能。②減少流道的截面變化，可減少流體的流動阻力。③具有足夠的機械強度，陶瓷填料容易破碎，只有在強腐蝕性場合才采用。④重量輕，價格低⑤具有適當?shù)哪臀g性能。⑥不被固體雜物堵塞其表面不會結(jié)垢。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，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定，常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于表1。塔徑與填料公稱直徑的比值D/d的推薦值

填料種類D/d的推薦值拉西環(huán)D/d≥20～30鞍環(huán)D/d≥15鮑爾環(huán)D/d≥10～15階梯環(huán)D/d>8環(huán)矩鞍D/d>8所以本設計選擇金屬亂堆拉西環(huán)。1.4工藝流程說明二、平衡關系及物料衡算2.1平衡關系的計算CL—水在塔溫度tm=(塔頂+塔底)/2下的比熱，kJ·(kmol·K)-1。f—甲醇的微分溶解熱，kJ×kmol-1。f=6310+r。r—入塔氣體溫度下甲醇的冷凝潛熱，kJ×kmol-1。取Δx=0.003～0.005亨利系數(shù)E的計算其中，t的單位℃，E的單位是atm。一直計算到y(tǒng)*>y1為止。xt（℃）E（atm）my*（×103）X（×103）Y*（×103）0250.2510.2510000.00427.2870.2840.2841.1374.0161.1410.00829.5740.3210.3212.5688.0652.5750.01231.8610.3620.3624.34412.1464.3630.01634.1480.4070.4076.51216.2606.5550.02036.4350.4580.4589.16020.4089.2450.02438.7220.5130.51312.31224.59012.4650.02841.0090.5740.57416.07228.80716.3350.03243.2960.6400.64020.48033.05820.9080.03645.5830.7140.71425.70437.34426.3820.04047.8700.7940.79431.76041.66732.8020.04450.1570.8820.88238.80846.02540.3750.04852.4440.9780.97846.94450.42049.2560.05254.7311.0821.08256.26454.85259.6180.05657.0181.1961.19666.97659.32271.7840.06059.3051.3191.31979.14063.83085.9410.06461.5921.4531.45392.99268.376102.526X-Y相圖見附圖2.2物料衡算（在X-Y圖上查得）由L用量確定X1，并換算為x1。三、填料塔工藝尺寸計算3.1塔徑的計算1）計算D計u宜—適宜的空塔氣速,m×s-12）圓整D計到D標（選擇一個最接近D計的D標）3)校核4)校核填料規(guī)格5)校核潤濕率：Lw=U/d要求：Lw30.08m3.(m.h)U—噴淋密度，m3×(m2×h)-1；d—填料的比表面積，m2×m-3Lh—以m3/h表示的吸收劑用量。填料塔的液體噴淋密度是指單位時間、單位塔截面上液體的噴淋量塔徑計算如下：D取03.2填料層高度的計算HOG—氣相傳質(zhì)單元總高度m；HG—氣相傳質(zhì)單元高度m；HL—液相傳質(zhì)單元高度m；A：吸收因數(shù)3.3填料層壓降的計算3.4填料層噴淋密度的核算對于d＜75mm的階梯環(huán)及其它填料，可取最小潤濕速率(MWR)為0.08／(m·h)由式：最小噴淋密度＝0.08×114.2＝9.136/(m2·h)因＝/(m2·h)>Umin故滿足最小噴淋密度要求。四、填料塔內(nèi)件的類型和計算4.1支撐裝置填料支撐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。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；也可以通過專門的改進設計來引導氣體和液體的流動。塔的操作性能的好壞無疑會受填料支承的影響。支承裝置的選擇，主要的依據(jù)是塔徑、填料種類及型號、塔體及填料的材質(zhì)、氣液流率等。其中包含主橫梁和氣體噴射式填料支撐梁，通過彎曲應力的計算與校核、彎曲剪應力的計算與校核和撓度的計算與校核來檢測出應該用何種支撐裝置。4.2分布裝置填料塔是氣液兩相的傳質(zhì)設備，其傳質(zhì)效率的高低是由氣液兩相能否充分接觸來決定的，而氣液兩相充分接觸的關鍵之一是氣體分布均勻。隨著大型塔的發(fā)展和填料層床的薄層化，使得氣體分布裝置的設置顯得十分重要。對填料塔近氣結(jié)構(gòu)的具體要求是：氣體能均勻分布，流動阻力小，占用空間比較小，結(jié)構(gòu)簡單。環(huán)流進氣分布裝置結(jié)構(gòu)簡單，金屬耗量少、壓強低，缺點是中心部位氣量較多，而塔壁區(qū)氣量很少。因此有的在其上部增設氣體導流器、環(huán)隙氣體能道及盤式氣體分布板等。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。

液體由半球形噴頭的小孔噴出，小孔直徑為3～10mm，作同心圈排列，噴灑角≤80°，直徑為(1/3~1/5)D。這種分布器結(jié)構(gòu)簡單，只適用于直徑小于600mm的塔中。因小孔容易堵塞，一般應用較少。

盤式分布器有盤式篩孔型分布器、盤式溢流管式分布器等形式。液體加至分布盤上，經(jīng)篩孔或溢流管流下。分布盤直徑為塔徑的0.6～0.8倍，此種分布器用于D<800mm的塔中。

管式分布器由不同結(jié)構(gòu)形式的開孔管制成。其突出的特點是結(jié)構(gòu)簡單，供氣體流過的自由截面大，阻力小。但小孔易堵塞，彈性一般較小。管式液體分布器使用十分廣泛，多用于中等以下液體負荷的填料塔中。在減壓精餾及絲網(wǎng)波紋填料塔中，由于液體負荷較小故常用之。管式分布器有排管式、環(huán)管式等不同形狀。根據(jù)液體負荷情況，可做成單排或雙排。

槽式液體分布器通常是由分流槽（又稱主槽或一級槽）、分布槽（又稱副槽或二級槽）構(gòu)成的。一級槽通過槽底開孔將液體初分成若干流股，分別加入其下方的液體分布槽。分布槽的槽底（或槽壁）上設有孔道（或?qū)Ч埽瑢⒁后w均勻分布于填料層上。

槽式液體分布器具有較大的操作彈性和極好的抗污堵性，特別適合于大氣液負荷及含有固體懸浮物、粘度大的液體的分離場合。由于槽式分布器具有優(yōu)良的分布性能和抗污堵性能，應用范圍非常廣泛。

槽盤式分布器是近年來開發(fā)的新型液體分布器，它將槽式及盤式分布器的優(yōu)點有機地結(jié)合一體，兼有集液、分液及分氣三種作用，結(jié)構(gòu)緊湊，操作彈性高達10:1。氣液分布均勻，阻力較小，特別適用于易發(fā)生夾帶、易堵塞的場合。4.3進出口管的計算進口管：出口管：4.4附屬空間填料塔上部高度可取1.2m，塔底液相停留時間按1.5min考慮，則塔釜所占空間高度為五、附屬設備的選型連接管徑的確定（吸收塔氣體和液體進出口接管）Vs—流體的體積流量m3×s-1；u宜—液體取1～3m×s-1，氣體取10～30m×s-1d計圓整為d標。5.1風機取風壓HT=2Dpf風機是依靠輸入的機械能，提高氣體體壓力并排送氣體的機械，它是一種從動的流體機械。風機在不同頻率下的節(jié)能率。易得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240Pa)Pt=ΔP+ρΔu2+Δpf=+150+0+240=2380.7433Pa空氣流量26查引風機型號參數(shù)表，得Y6-41-11No.5.4A型引風機較合適轉(zhuǎn)速：1420rpm流量：44358~2130m3/h全風壓：994~1254Pa電機功率：3kW5.2離心泵mL—液體管長，取30m；SLe—管件與閥門的當量長度，根據(jù)流程中的管件和閥門到教材中查?。籰—摩擦系數(shù)，根據(jù)管中液體的雷諾數(shù)和相對粗糙度查莫狄圖。(1)吸收劑入塔輸送管管徑計算常壓下，液體流速為0.5-1.5m/s查國家標準規(guī)格，選擇60.3×2.77內(nèi)徑為54.76mm，（2）管路總長度估計根據(jù)初步設計1垂直＝4m，1水平及彎＝1m，1總＝5m（3）摩擦系數(shù)λ的確定新的無縫鋼管絕對粗糙度約值為0.02~0.1mm，相對粗糙度為查莫狄圖得摩擦系數(shù)λ約為0.015（4）輸送吸收劑管路所需壓頭的計算列出液體進口和液體出口的兩截面的機械能守恒方程，即可求得壓頭取ΔZ=5m，Δu2≈操作壓力為常壓，所以Δp即填料層壓降=Pa（5）泵功率計算（6）由于所需的功率比較小，所以只需選擇小功率的離心泵就夠了（7）查離心泵的規(guī)格，IS50-32-125中n=1450r/minQ=6.3m3/hH=5mη=54%,N=0.16kW的離心機最適合。5.3換熱器六、附錄6.1設計結(jié)果一覽表設計名稱回收甲醇的填料吸收塔操作壓強101.3kpa填料數(shù)據(jù)種類填料尺寸泛點填料因子壓降填料因子空隙率比表面積拉西環(huán)Φ50×50×1141m-1141m-192%110物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度998.2kg/m混合氣體的平均密度1.186kg/m液體粘度0.08973mPa/s混合氣體的粘度液體表面張力71900N/m混合氣體平均摩爾質(zhì)量29.24g/mol擴散系數(shù)0擴散系數(shù)1.255×填充系數(shù)0.67填充系數(shù)3.3物料衡算數(shù)據(jù)Y1Y2X1X2氣相流量G液相流量L最小液氣比操作液氣比0.08705.217×10-30.064903598kg3133.664kg46.23760.108工藝數(shù)據(jù)填料類型塔速塔徑氣相總傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元高度填料層高度填料層壓降金屬亂堆拉西環(huán)2.11m/s700mm5.110.66m4.38m1633填料塔附件氣體進口管徑0.223m氣體出口管徑0.0255m風機轉(zhuǎn)速1420rpm流量44358～2130m3/h全風壓994～1254Pa電機功率3kW離心泵吸收劑入塔輸送管管徑計算0.698m管路總長度估計根據(jù)初步設計5m摩擦系數(shù)λ的確定0.015壓頭7.496m泵功率計算67.618m6.2主要符號說明符號物理意義單位E亨利系數(shù)atmx液相摩爾分數(shù)/y氣相摩爾分數(shù)/X液相摩爾比/Y氣相摩爾比/m相平衡常數(shù)/r入塔氣體溫度下甲醇的冷凝潛熱Vs流體的體積流量m3/s氣相總傳質(zhì)單元數(shù)/S脫吸因素/Lw潤濕率U噴淋密度Lh吸收劑用量氣相總傳質(zhì)單元高度mA吸收因素/氣相傳質(zhì)單元高度m液相傳質(zhì)單元高度m符號物理意義單位液體質(zhì)量流量kg/h氣體質(zhì)量流量kg/h揚程M風壓pa比熱D塔徑M泛點氣速m/s適宜的空塔氣速m/sL液體管長mt溫度℃Z填料層高度mΔP壓力降PaH塔高m液體管中的壓頭損失m摩擦系數(shù)