化工原理课程设计-填料塔的设计说明书.doc

化工原理课程设计 填料塔的设计说明书化学与化工学院 制目 录一、绪论2二、设计任务及操作条件3三、设计方案的确定41、装置流程的确定42、吸收剂选择43、操作温度与压力的确定54、填料的类型与选择5四、基础物性参数的确定71、液相物性参数72、气相物性参数73、气液相平衡参数84、物料衡算95、填料物性参数9五、填料塔工艺尺寸的确定101、塔径的计算102、填料层高度计算13六、填料层压降计算15七、填料塔内件的类型与设计16八、总结17九、参考文献17十、后记18十一、符号说明18一、绪论塔设备是炼油、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）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（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。板式塔的研究起步较早，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、塔内件及筒体构成。填料分规整填料和散装填料两大类。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、压力降小、操作弹性大、持液量小等优点。填料塔的类型很多，其设计的原则大体相同，一般来说，填料塔的步骤如下：根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；根据设计任务和工艺要求，合理地选择填料；确定塔径、填料层高度等工艺尺寸；计算填料层的压降；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：清水吸收氨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，绘制吸收系统的工艺流程图和填料塔装置图，编写设计说明书。设计条件：1、气体混合物成分：空气和氨；2、氨的含量： 4.5（体积）；3、混合气体流量： 4000m3/h；4、操作温度：293K；5、混合气体压力：101.3KPa；6、回收率： 99.8。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。1、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底排出，液相自塔顶进入由塔底排出，同时，此操传质平均推动力大，传质效率快，分离效率高，吸收剂利用率高。具体流程如下：2、吸收剂选择吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂种的溶解来实现的，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面：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。3、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，温度降低可增加爱溶质组分的溶解度，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40。（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。4、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，其性能的优劣是决定填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。散装填料和规整填料。散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，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。本设计选用环矩鞍填料，其兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，是工业应用最为普通的一种金属散装填料。1.1、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/NT。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、抗污堵性及抗热敏性等。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堵、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。1.2、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，故以下对对散装填料规格的选择做以下介绍：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，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔钟，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，对于本设计的环矩鞍填料塔径与填料公称直径的比值D/d推荐值为D/d8。1.3、填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑性三大类。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，具有很好的表面润湿性能，工业上，主用用于气体吸收、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。对塑料填料材质主要采用聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，具有较好的耐腐蚀性能和耐温性，同时具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。但是在低温（低于0）时具有冷脆性，并且其表面润湿性能差，在某些特殊场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能，于此同时，你自身的弹性性能较差，在本设计中不予考虑。对于金属填料，可以根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑，同时其自身具有良好的抗压等性能。本设计采用造价低，且具有良好的表面润湿性能的碳钢填料材质。1.4、本设计方案信息装置流程逆流操作吸收剂水操作温度293K操作压力101.3KPa填料类型环矩鞍填料填料规格DN50 (D/d8)填料材质金属填料四、基础物性参数的确定1、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：密度（）粘度（）0.001Pa.s=3.6kg/(m.h)表面张力()72.6dyn/cm=940896kg/2、气相物性参数设计压力：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氨气在空气中的扩散系数由表可知，温度为0，压强为101.3kPa时，氨气在空气中的扩散系数为根据关系式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3、气液相平衡参数20时，氨气在水中的亨利系数相平衡常数溶解度系数4、物料衡算进塔气相摩尔比出塔气相摩尔比进塔惰性气相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5、填料物性参数金属环矩鞍50散装填料物性参数塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值D/d8散装填料压降填料因子平均值（1/m）71散装填料泛点填料因子平均值（1/m）135填料材质的临界表面张力值（dyn/cm）33外径高厚（dh）mm50401.0比表面积a()74.9个数n()10400堆积密度291干填料因子84空隙率（）96填料的形状系数1.19散装填料分段高度推荐值8156m五、填料塔工艺尺寸的确定1、塔径的计算气相质量流量液相质量流量本设计采用Eckert通用关联图计算泛点气速（1） Eckert通用关联图（2） Eckert特性相关参数塔径(mm)分布点密度，点/塔截面D=400330D=750170D120042（3） 通过Eckert通用关联图计算横坐标根据关联图对应坐标可知纵坐标则因,则取根据塔径计算公式 ，可知将塔径元整为常见的塔径规格D=。、根据泛点率计算校核：、根据填料规格校核：、根据喷淋密度校核：去最小润湿速率根据填料物性参数可知: 则，则，说明塔径的选择不恰当，需要重新确定塔径规格，重新确定选择塔径D=800mm，进行再次校核。1.1.2、泛点率校核：1.2.2填料规格校核：1.3.2喷淋密度校核：去最小润湿速率根据填料物性参数可知: 则，经过以上校核可知，填料塔直径选用D=800mm合理。2、填料层高度计算脱吸因数气相总传质单元数 =17.4531气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：查表可知，液体质量通量：气膜吸收系数的计算：气体质量通量：液膜吸收系数的计算：由关系式，且填料形状参数为=1.19，则由关系式可知因前面计算所得的，则需选用下面的关系式对气膜和液膜系数进行校核修正。修正结果如下：则，由关系式可知则，考虑恩田公式的最大误差，为了安全计取设计填料层高度为设计填料层高度: 因在填料塔的设计过程中，对于阶梯环填料，。则需将填料塔进行分段，大致分为两段，每段5.25m，在两段填料间设置一槽盘式液体分布装置。六、填料层压降计算采用采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标：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、填料塔内件的类型与设计1、塔内件的类型填料塔的内件主要有填料支撑装置、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。1.1、填料支撑装置填料支撑装置的作用是支撑塔内的填料。常见的填料支撑装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。对于本设计选用的散装填料，通常选用孔管型、驼峰型支撑装置。设计中，为防止在填料支撑装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支撑装置的自由截面积应大于75.针对于本设计中选用直径为50的填料，所以选用较为直径为75mm的十字环。1.2、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，也可以选用压紧栅板，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发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应大于70。为了便于安装和检修，本设计中，填料压紧装置与塔壁间不采用连续固定方式。1.3、液体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、槽式及槽盘式为主。对于本设计，选用兼有集液、分液及分气三种作用的槽盘式分布器，其结构紧凑，气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高达10:1，适用于各种液体喷淋量。为了使液体初始分布均匀，原则上应增加单位面积上的喷淋点数。但是，由于结构的限制，不可能将喷淋点设计得很多。根据Eckert建议，当时，每塔截面设一个喷淋点。则总布液孔数为：按分布点几何均匀与流量均匀的原则。设计结果为：二级槽共设五道，在槽侧面开孔，槽宽度80mm，槽高度210mm，两槽中心矩为160mm。分布点采用三角形排列，实际设计布点数为n=78点，布液点示意图如图所示： 布液计算由取，则 设计取do=3mm八、总结化工原理课程设计是理论知识和实际设计想结合的重要课程，对学生掌握全面、系统的知识起着串引的作用，同时在培养学生自主学习、自我动手能力有着重要的作用。通过本设计，确定了填料塔的主体尺寸为塔径800mm，填料塔的填料段高度为10500mm，总体塔高为16000mm，同时完成了设计任务，达到了设计要求。九、参考文献1、夏青、陈常贵等，化工原理（下册）修订版，天津：天津出版社,2005；2、柴成敬.化工原理（上、下册），北京：高等教育出版社，2006；3、贾绍义、柴诚敬 化工原理课程设计，天津：天津大学出版社，20024、钱自强、林大钧、蔡祥兴，大学工程制图，上海：华东理工大学出版社，2005；十一、符号说明E亨利系数， 氨在水中的扩散系数，气体的粘度， 氨在空气中的扩散系数， 平衡常数 重力加速度， 混合气体的平均摩尔质量， 分别为气体和液体的密度，、分别为气体和液体的质量流量，气相总体积传质系数， 填料层高度， H溶解度系数 ， 塔截面积， 最小润湿速率，气相总传质单元高度， 气相总传质单元数以分压差表示推动力的总传质系数，单位体积填料的润湿面积，以分压差表示推动力的气膜传质系数，以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，气体常数， 第 19页 共 19页