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 4
1、装置流程的确定 4
2、吸收剂选择 4
3、操作温度与压力的确定 5
4、填料的类型与选择 5
四、基础物性参数的确定 7
1、液相物性参数 7
2、气相物性参数 7
3、气液相平衡参数 8
4、物料衡算 9
5、填料物性参数 9
五、填料塔工艺尺寸的确定 10
1、塔径的计算 10
2、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/d>8。
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/d>8)
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/d>8
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）mm
50401.0
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

815

6m
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=400
330
D=750
170
D1200
42
（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，2002
4、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，
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