水清吸收变换气的填料塔装置设计--毕业设计.doc

酒 泉 职 业 技 术 学 院

毕业设计（论 文）

2010 级 应用化工技术专业

题 目：清水吸收变换气的填料塔装置设计

二○一二年四月二十日

酒泉职业技术学院 2013 届各专业
毕业论文（设计）成绩评定表
姓名

班级
10级应化（5）班
专业
应用化工生产技术
指导教师第一次指导意见
① 一级标题改为“一”；
② 三级标题后的小圆点改为英文全角；
③ 图表名称格式错误；

2012 年 4 月 10 日
指导教师第二次指导意见
① 重新选择关键词；
② 参考文献格式错误；
③ 四级标题的括号为中文状态下的括号；

2012年 4 月 24 日
指导教师第三次指导意见
①图的命名错误；
②表的命名错误；

2012年 5 月10 日
指导教师评语及评分
该名同学能独立、按时完成毕业设计的全部工作，工作态度认真积极，查阅了大量资料，具备了良好的文献查阅能力，所做设计结构完整，格式正确，计算过程较为详细，但内容稍显匮乏。经多次修改，该毕业设计基本符合高职毕业生毕业设计要求，请答辩小组给予答辩。
成绩：良好 签字（盖章）王钰 2012年 5月 14日
答辩小组评价意见及评分

成绩： 签字（盖章） 年 月 日
教学系毕业实践环节指导小组意见

签字（盖章） 年 月 日
学院毕业实践环节指导委员会审核意见

签字（盖章） 年 月 日
说明：1.以上各栏必须按要求逐项填写。2.此表附于毕业论文 (设计)封面之后。
清水吸收变换气的填料塔装置设计

摘 　要：塔设备有许多种类型，塔设备是化工、石油化工和炼油生产中最重要的设备之一。它可使气液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的作用。本文设计的是清水吸收变换气的填料塔装置的设计。填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小。易于用耐腐蚀性材料制造，所以他特别适用于处理量小，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面成膜状流下，气体从他地的气体口送入，流经填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。本次设计的任务是：完成填料塔的工艺设计与计算、有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系数的工艺流程图和填料塔设计图，编写设计说明。
关键词：填料塔，清水，变换气

一、概述
塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。工业上对塔设备的主要要求：(1）生产能力人；(2）分离效率高；(3）操作弹性人；(4）气体阻力小、结构简单、设备取材面广等。
塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。板式塔的研究起步早，具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点。
填料塔由填料、塔内件及简体构成。填料分规整填料和散装填料两大类0塔内件有不同形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置及气体分布装置等。与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：生产能力大、分离效率高、压力降下、操作弹性大、持液量小等优点。
填料塔类型很多，其设计的原则大体相同，一般来说，填料塔的步骤如下：
（一）根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；
（二）根据设计任务和工艺要求，合理地选择填料
（三）确定塔径、填料层高度等工艺尺寸
（四）计算填料层的压降
（五）进行填料塔塔内件的设计和选型。
二、设计任务及操作条件
设计题目：清水吸收变换气的填料塔装置设计
设计任务：完成填料塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系数的工艺流程图和填料塔设置图，编写设计说明。
（一）设计条件
1．气体泄合物成分：空气和氨；
2．氨的含量：4.5%（体积）；
3．混合气体流量：4000 /h；
4．操作温度：293K
5．混合气体压力：10l.3KPa;
6．回收率：99.8%。
（二）设计内容
1．流程的确定与论证；
2．吸收塔技术指标与操作指标确定，包括：塔径、填料层的高度、填料层的压力降等；
3．工艺计算、结构设计、流体力学条件校核。
三、设计方案的确定
填料塔设计方案的确定包括装置及流程的确定、吸收剂的选择、操作压力的确定、操作温度的确定、进料热状况的选择、填料的选择以及填装方式等。
（一）装置流程的确定
吸收装置的流程主要有逆流操作、并流操作、吸收部分再循环操作、多塔串联操作、串联--并联混合操作。由于本设计任务是水吸收氨气操作设计，同时吸收效率要求较高，故采用逆流式操作，气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，同时，此操作传质平均推动力大，传质效率快，分离效率高，吸收剂利用率高。具体流程如下：
图1 吸收装置流程图
（二）吸收剂选择
吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几个方而：溶解度、选择性、挥发度要低、粘度、其他因素如无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。本实验用水为吸收剂吸收氨气。
（三）操作温度与压力的确定
1．操作温度的确定
由吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。本设计中对填料塔的操作温度设计为20℃。
2．操作压力的确定
由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需结合具体工艺条件综合考虑，以确定操作压力。具体详见后续说明。
（四）填料的类型与选择
塔填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的忧劣是突然感到决定料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。
填料的类型很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料是一个个具有一定几何形状的尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。本设计选用聚丙烯鲍尔环填料。
1．填料种类的选择
填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备和操作费用较低。对于填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：
（1）传质效率
即分离效率，常用两种方法表示：一是以理论级进行计算的表示方法，以每个理论及当量的填料层高度表示，即HETP值；另一是以传质效率进行计算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度表示，即HTU值。
（2）通量
在相同的液体负荷下，填料的泛点气速越高或气相动能因子越大，则通量越大，塔的处理能力亦越大。因此，在选择填料种类时，在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。
（3）填料层的压降
填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降越低，动力消耗越低，操作费用越小。比较填料压降有两种方法，一是比较填料层单位高度的压降△P/Z；另一是比较填料层单位传质效率的比压降△P/。填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图表中查取。
（4）填料的操作性能
填料的操作性能主要指操作弹性、抗污染性及抗热敏性等。所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。同时，还应具有一定的抗污染、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。
2．填料的规格的选择
通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择的方法亦不尽相同。由于本设计选用散装填料，故以下对散装填料规格的选择做一下介绍：散装填料的规格通常是指填料的公称直径。工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量越小，填费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一定的规定，对于本实验采用聚丙烯鲍尔环填料塔径与填料公称直径的比值D/d推荐值为D/d>10～15。
3．填料材质的选择
工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。对于陶瓷材质具有良好的耐腐蚀性和耐热性，同时价格便宜，具有很好的表面润滑性能，工业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等操作过程，但是其质脆、易碎，本次设计不予采用。对于金属材质具有很高的抗冲击性能，但是只能对于无腐蚀性或低腐蚀性物系使用，氨具有腐蚀性，所以本实验不予采用。对于塑料材质耐腐蚀性能较好、耐温
性良好、质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，所以本实验采用塑料材质作为填料材质。
4．本设计方案信息
表1 设计方案信息表

装置流程
逆流操作
吸收剂
水
操作温度
293K
操作压力
1013KPa
填料类型
聚丙烯鲍尔环填料
填料规格
DN50 (D/d>10～15)
填料材质
塑料填料

四、基础物性参数的确定
（一）液相物性参数
对于低浓度吸收过程，溶液的物性参数可近似去纯水的物性参数。由表可知，20℃时水的相关物性参数如下：

表2 20℃时水的相关物性参数表

密度()
998.2 kg/
粘度()
0.001Pa.s=3.6 kg(m.h)
表面张力()
72.6dyn/cm=940896 kg/

（二）气相物性参数
操作压力：101.325KPa，
氨气在水中的扩散系数；
由查表可知，20℃时，氨气在水中的扩散系数；
=1.76x/s=6.336 x/h^
氨气在空气中的扩散系数：
由衷可知，温度为0℃，压强为10l.3KPa时，氨气在空气中的扩散系数为0.17/s
根据关系式：
则
混合气体的平均摩尔质量；

混合气体的平均密度：

由于空气中氨气的含量较低，则混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查表可知20℃空气的粘度：

（三）气液相平衡参数
20℃时，氨气在水中的亨利系数
E= 76.3kPa
相平衡常数:

溶解度系数：

（四）物料衡算
进塔气象摩尔比：

出塔气象摩尔比：

进塔惰性气体流量：

进塔混合气象流量：

该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算：

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成:

取操作液气比：
因为液气比的范围为:
所以：

五、填料塔工艺尺寸的确定
（一）塔径的计算
根据公式 ，要求D，首先要求出u
1．空塔气速的确定
（1）埃克特( Eckert)通用关联图
图2 埃克特( Eckert)通用关联图

散装填料的泛点气速可用埃克特关联图计算，如图。计算时，先由气液相负荷及有关物性数据求出横坐标的值，然后作垂线与相应的泛点线相交，再通过交点作水平线与纵坐标相交，求出纵坐标值。此时所对应的u即为泛点气速。
（2）散装填料的泛点填料因子平均值

表3 散装填料的泛点填料因子平均值表

填料类型
填料因子，1/m

金属鲍尔环
410
__
117
160
__
金属环矩鞍
__
170
150
135
120
金属阶梯环
__
__
160
140
__
塑料鲍尔环
550
280
184
140
92
塑料阶梯环
__
260
170
127
__
瓷矩鞍
1100
550
200
226
__
瓷拉西环
1300
832
600
410
__

（3）埃克特( Eckert)通用关联图求解

根据关联图对应坐标可知，纵坐标

查表得：
则

根据塔径公式，可知：

圆整为
校核：

(符合条件)
＞10～15

液体喷淋密度：
所以不符合
故取
校核：
(在0.5～0.85之间)
＞10～15

故塔径圆整为
（二）填料层高度计算

脱吸因数：
气相传质单元数：

气相总传质单元高度采用恩田公式修正：

聚丙烯：
求得：

液体质量通量：

气膜吸收系统的计算：
气体质量通量：

解得：
液膜吸收系数的计算：

如下表所示：
表4 填料类型与形状系数对照表

填料类型
球形
棒形
拉西环
弧鞍
开孔环
常见填料的形状系数
0.72
0.75
1
1.19
1.45

查表可知填料形状细说为：
由关系式可知：

校正：

由

.考虑恩田公式的最大误差，为了安全记取设计填料层的高度为：

设计填料层高度为：
查表，对于鲍尔环填料， 5～10，，则需将填料塔进行分段，大致分为两段，每段4.35m,再两段填料间设置一槽式液体分布装置。
六、填料层压降计算
采用Eckert通用关联图计算
横坐标：
根据散装填料压降填料因子平均值，可得
纵坐标：
结合Eckert通用关联图，可以大致得出：

七、填刺塔内件的类型和设计
（一）塔内件的类型
填料塔的内件主要有填科支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。
1．填料支撑装置
填料支撑装置的作用是支撑塔自的填料。常见的填料支承装置有栅板型、孔管型、鸵峰型等。对于本设计选用的散装填料，通常选用孔管型、鸵峰型支撑装置。设计中，为防止在填料支撑装置出现压降过大甚至发生液泛，要求填料支撑装置的自由截而积应大于75%。而鸵蜂型支撑板可以提供100%的塔体横截面的自由截面。更重要的是，由于支撑板的凹凸的几何形状，填料装入后，仅有很少一部分开孔被填科堵塞从而在操作中保存了足够大的自由截面，即使在高气速和高液速下也如此。针对本设计中选用直径为50的填科，所以选用直径为75mm的鸵峄型支承板。
2．填料压紧装置
为防止在上升气流的作用下，填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同的类型。对于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定。在设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至旋生液泛，要求填料压紧装置的自由截而积应大于70%。为了便于安装和检修，本设计中，填料压紧装置塔壁间不采用连续固定方式。
3．液件分布装置
液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等，工业用以管式、槽式、槽盘式为主。因为本设计的较大，槽式分布器不易堵塞，对气体的阻力小，故选用槽式分布器作为液体分布装置。
槽式分布器作为液体分布装置。
（1）由Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值可得，时，由内插法得，喷淋密度为193点，布液点数: 点。
设计为二级槽，共设5道，槽高210mm,槽宽60mm，两槽中心 距l20mm。分布点采用三角形排列，实际设计点数为点。
布液计算：由公式
孔流系数：
本设计选用，，

设计取
故孔径为
八、除沫器的设计选型
除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液墙，由于氨气溶于水中易产生泡沫，为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，本设计中的填料塔选用丝网除沫器。
九、填料塔各接管设计
（一）进料管
由下表可知：
表5 流体的类别与流速范围对照表

流体的类别及情况
流速范围/(m/s)
自来水（左右）

水及低粘度液体（～）

高粘度液体

工业供水（以下）

低压空气

高压空气

一般气体

水及低粘度液体（～）流速1.5～3.0s
取

圆整为：
表6 液体进料管结构尺寸表（mm)

内管
外管

25×3
45×3.5
10
20
10
5
120
150
32×3.5
57×3.5
10
25
10
5
120
150
38×3.5
57×3.5
10
32
15
5
120
150
45×3.5
76×4
10
40
15
5
120
150
57×3.5
76×4
15
50
20
5
120
150
76×4
108×4
15
70
30
5
120
150
89×4
108×4
15
80
35
5
120
150
108×4
133×4
15
100
45
5
120
150
133×4
159×4.5
15
125
55
5
120
150
159×4.5
219×6
25
150
70
5
120
150
219×6
273×8
25
210
95
8
120
150

由上表查得可选用38×3.5的规格，但经校正其流速不在之间。故选用32×3.5的尺寸规格，并经校验符合条件。
接管长度h如下表所示：

表7 接管长度表（mm)

公称直径DN
不保温设备接管长
保温设备接管长
使用公称压力
≤15
80
130
≤4.0
20~50
100
150
≤1.6
70~350
150
200
≤1.6
70~500
≤1.0

因本设计无需保温，故选设备接管长
综上，本设计采用的无缝钢管。接管长。
（二）气体入口
一般地说，气体则为，故本次设计选取作为气速。
校正：
经校正知选取的气速合理。
故本次设计选用,的热轧无缝钢管，接管长度。
· 接管外径大于且采用无缝钢管
· 选用的补强圈。
十、人孔或手孔设计及开孔补强
设备内径在，一般不考虑开人孔。由于上述设计，所以开设手孔。
（一）部分表

表8 部分表

密封面型式
公称压力

公称
压力

螺栓螺母数量
螺栓
直径×长度

总量

A
10
150
159×4.5
280
240
160
82
24
16
18
8

18.8
250
237×8
390
350
190
84
26
18
20
12

40.9
16
150
159×6
280
240
170
84
28
18
20
8

22.9
250
237×8
405
350
200
90
32
24
26
12

54.7

由上表可查：选手孔A:
综合考虑需设计4个手孔，
螺栓选用规格，数量为8。
补强：采用 的补强圈。
十一、支座设计
选型：圆筒形裙座
（一）塔体质量
裙体： 每米质量
填料层为8.7m，查表可得其余空白间距共为4.5m，即

（二）封头质量

（三）塔内物料质量

由表差得：

（四）附件的质量
手孔约为：
其他接口管和积液管的总和按计算，故：
总质量为：
裙座内径：
塔座采用裙座支撑，选为材料
由于裙座内径，故厚度取，高取
基础环的设计：

将圆整为，圆整为
因为基础厚度不得小于，切考虑到腐蚀裕量，则应取。
十二、塔总高
封头+直边高：
塔总高：
圆整后：
十三、总结
毕业设计是理论知识和实践相结合的重要课程，对我们掌握全面、系统知识起到串引的作用，同时对培养自主学习、自我动手能力有着重要作用。
通过本设计，确定了填料塔的主耍尺寸塔径700mm，填料塔的填料段高度为8700mm，总体塔高为l6000mm，完成了设计任务，达到了设计要求。

参考文献
[1] 赵汝薄,管国锋编.化工原理[M].北京: 化学工业出版社,1995.
[2] 姚玉英编著.化工原理[M].上册,天津:天津科学技术出版社,1992.
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[4] 聂清德.化工设备设计[M].北京:化学工业出版社,1991.
[5] 秦叔经,叶文邦.化工设备设计全书(换热器)[M].北京:化学工业出版社,2003.
[6] 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计（二）[M].化学工业出版社,2008.
[7] 路秀林，王者相等编.塔设备[M].北京：化学工业出版社,2004.
[8] 柴诚敬编.化工（上、下册）[M].北京：高等教育出版社,2006.
[9] 夏青、陈常贵等编.化工原料（下册）修订版[M].天津大学出版社,2005.
[10] 谭蔚、陈旭、许丽等编.化工设备设计基础[M].天津大学出版社,2007.
致　　谢
本设计是在王钰老师的悉心指导下完成的，他在设计过程中给予了我很大的帮助，帮助我解决了许多实际问题，在此首先对李王老师致以诚挚的谢意。
设计过程中遇到了许多难题，王老师都一一给予解释并耐心指导，使我能够顺利的完成本次设计。设计过程中，老师又在百忙之中为我修改毕业设计，帮我找出设计中的缺点和不足，力求精益求精。可以说本次设计是老师和我共同完成的，老师经验丰富，给我很多指导，使我在设计过程中少走了很多弯路。
设计的过程就是一个知识不断积累的过程。在设计过程中，我感到指导老师的知识是那么的丰富，而我与之比较真是相差甚远。这更加激励我要不断的学习。只有不断学习才能不断的进步。本次设计中，我得到了老师的指导和帮助，学到了很多课本中学习不到的知识，提高了自己的动手能力，得到了巨大的收获。今后，我将继续努力，争取把在本次设计中学到的知识运用到工作和学习当中，努力发扬吃苦耐劳的精神，取得更大的进步。
由于时间仓促和自己水平有限，本次设计中难免存在很多不足之处，恳请王老师批评指正。
最后，对王老师的耐心指导再次表示感谢！并祝王老师在今后的工作里工作愉快!合家欢乐!

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