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1、 清水吸收變換氣的填料塔裝置設計 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 目 錄 一、緒論………………………………………………………………....……..2 二、設計

2、任務及操作條件……………………………………………………..3 三、設計方案的確定…………………………………………………………..3 1、裝置流程的確定………………………………………………………4 2、吸收劑選擇……………………………………………………………5 3、操作溫度與壓力的確定………………………………………………5 4、填料的類型與選擇……………………………………………………5 四、基礎物性參數(shù)的確定……………………………………………………..8 1、液相物性參數(shù)…………………………………………………………8 2、氣相物性參數(shù)…………………………………………………………8

3、 3、氣液相平衡參數(shù)………………………………………………………9 4、物料衡算………………………………………………………………9 五、填料塔工藝尺寸的確定………………………………………………….11 1、塔徑的計算…………………………………………………………...11 2、填料層高度計算……………………………………………………...14 六、填料層壓降計算………………………………………………………….16 七、填料塔內(nèi)件的類型與設計……………………………………………….16 八、除沫器的設計選型……………………………………………………….19 九、填料塔各接管設計………………

4、……………………………………….19 1、進料管………………………………………………………………...19 2、氣體入口……………………………………………………………...21 十、人孔或手孔設計及開孔補強…………………………………………….22 十一、支座設計……………………………………………………………….23 十二、塔總高………………………………………………………………….24 十三、總結…………………………………………………………………….24 十四、參考文獻 十五、后記 十六、符號說明 一、緒論 塔設備是煉油、化

5、工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應用的氣液傳質(zhì)設備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的形式，可以分為填料塔和板式塔。板式塔屬于逐級接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。工業(yè)上對塔設備的主要要求：（1）生產(chǎn)能力大（2）分離效率高（3）操作彈性大（4）氣體阻力小、結構簡單、設備取材面廣等。 塔型的合理選擇是做好塔設備設計的首要環(huán)節(jié)，選擇時應考慮物料的性質(zhì)、操作的條件、塔設備的性能以及塔設備的制造、安裝、運轉和維修等方面的因素。板式塔的研究起步早，具有結構簡單、造價較低、適應性強、易于放大等特點。 填料塔由填料、塔內(nèi)件及筒體構成。填料分規(guī)整填料和散裝填料兩大類。塔內(nèi)件有不同形式的液體分布裝置、填料固

6、定裝置或填料壓緊裝置、填料支承裝置、液體收集再分布裝置及氣體分布裝置等。與板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特點：生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓力降下、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點。 填料塔類型很多，其設計的原則大體相同，一般來說，填料塔的步驟如下： 根據(jù)設計任務和工藝要求，確定設計方案； 根據(jù)設計任務和工藝要求，合理地選擇填料； 確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸； 計算填料層的壓降； 進行填料塔塔內(nèi)件的設計和選型。 二、設計任務及操作條件 設計題目：清水吸收變換氣的填料塔裝置設計 設計任務：完成填料塔的工藝設計與計算，有關附屬設備的設計和選型

7、，繪制吸收系數(shù)的工藝流程圖和填料塔設置圖，編寫設計說明說。 設計條件： 1、氣體混合物成分：空氣和氨； 2、氨的含量：4.5% （體積）； 3、混合氣體流量：4000m3/h； 4、操作溫度：293K 5、混合氣體壓力：101.3KPa； 6、回收率：99.8% 。 設計內(nèi)容： （1）流程的確定與論證； （2）吸收塔技術指標與操作指標確定，包括：塔徑、填料層的高度、填料層的壓力降等； （3）工藝計算、結構設計、流體力學條件校核。 三、設計方案的確定 填料塔設計方案的確定包括裝置及流程的確定、吸收劑的選擇、操

8、作壓力的確定、操作溫度的確定、進料熱狀況的選擇、填料的選擇以及填裝方式等。 1、裝置流程的確定 吸收裝置的流程主要有逆流操作、并流操作、吸收部分再循環(huán)操作、多塔串聯(lián)操作、串聯(lián)--并聯(lián)混合操作。由于本設計任務是水吸收氨氣操作設計，同時吸收效率要求較高，故采用逆流式操作，氣相自塔底進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出，同時，此操作傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)效率快，分離效率高，吸收劑利用率高。具體流程如下： 2、吸收劑選擇 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個方面

9、：溶解度、選擇性、揮發(fā)度要低、粘度、其他因素如無毒性、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。本實驗用水為吸收劑吸收氨氣。 3、操作溫度與壓力的確定 （1）、操作溫度的確定 由吸收過程的氣液平衡關系可知，溫度降低可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即低溫有利于吸收，但操作溫度的低限應由吸收系統(tǒng)的具體情況決定。本設計中對填料塔的操作溫度設計為20℃。 （2）、操作壓力的確定 由吸收過程的氣液平衡關系可知，壓力升高可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即加壓有利于吸收。但隨著操作壓力的升高，對設備的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需結合具體工藝條件綜合考慮，以

10、確定操作壓力。具體詳見后續(xù)說明。 4、填料的類型與選擇 塔填料是填料塔中氣液接觸的基本構件，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的選擇是填料塔設計的重要環(huán)節(jié)。 填料的類型很多，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。散裝填料是一個個具有一定幾何形狀的尺寸的顆粒體，一般以隨機的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結構特點不同，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。本設計選用聚丙烯鮑爾環(huán)填料。 1.1、填料種類的選擇 填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設備和操作費用較低。對

11、于填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求，通?？紤]以下幾個方面：1、傳質(zhì)效率即分離效率，常用兩種方法表示：一是以理論級進行計算的表示方法，以每個理論及當量的填料層高度表示，即HETP值；另一是以傳質(zhì)效率進行計算的表示方法，以每個傳質(zhì)單元相當?shù)奶盍蠈痈叨缺硎?，即HTU值。2、通量 在相同的液體負荷下，填料的泛點氣速越高或氣相動能因子越大，則通量越大，塔的處理能力亦越大。因此，在選擇填料種類時，在保證具有較高傳質(zhì)效率的前提下，應選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料。3、填料層的壓降 填料層的壓降是填料的主要應用性能，填料層的壓降越低，動力消耗越低，操作費用越小。比較填料壓降有兩種方法，一

12、是比較填料層單位高度的壓降△P/Z；另一是比較填料層單位傳質(zhì)效率的比壓降△P/NT。填料層的壓降可用經(jīng)驗公式計算，亦可從有關圖表中查取。4、填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作彈性、抗污堵性及抗熱敏性等。所選填料應具有較大的操作彈性，以保證塔內(nèi)氣液負荷發(fā)生波動時維持操作穩(wěn)定。同時，還應具有一定的抗污堵、抗熱敏能力，以適應物料的變化及塔內(nèi)溫度的變化。此外，所選的填料要便于安裝、拆卸和檢修。 1.2、填料的規(guī)格的選擇 通常，散裝填料與規(guī)整填料的規(guī)格表示方法不同，選擇的方法亦不盡相同。由于本設計選用散裝填料，故一下對散裝填料規(guī)格的選擇做一下介紹：散裝填料的規(guī)格通常是指填料的公稱直徑。工

13、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，通量越小，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定的規(guī)定，對于本實驗采用聚丙烯鮑爾環(huán)填料塔徑與填料公稱直徑的比值D/d推薦值為D/d>10~15。 1.3、填料材質(zhì)的選擇 工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。對于陶瓷材質(zhì)具有良好的耐腐蝕性和耐熱性，同時價格便宜，具有很好的表面潤滑性能，工業(yè)上，主要用于氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等操作過程，但是其質(zhì)脆、

14、易碎，本次設計不予采用。對于金屬材質(zhì)具有很高的抗沖擊性能，但是只能對于無腐蝕性或低腐蝕性物系使用，氨具有腐蝕性，所以本實驗不予采用。對于塑料材質(zhì)耐腐蝕性能較好、耐溫性良好、質(zhì)輕、價廉、耐沖擊、不易破碎等優(yōu)點，所以本實驗采用塑料材質(zhì)作為填料材質(zhì)。 1.4、本設計方案信息 裝置流程 逆流操作 吸收劑 水 操作溫度 293K 操作壓力 101.3KPa 填料類型 聚丙烯鮑爾環(huán)填料 填料規(guī)格 DN50 （D/d>10~15） 填料材質(zhì) 塑料填料 四、基礎物性參數(shù)的確定 1、 液相物性參數(shù) 對于低濃度吸收過程，溶液的物性參數(shù)可近

15、似去純水的物性參數(shù)。由表可知，20℃時水的相關物性參數(shù)如下： 密度（） 998.2 粘度（） 0.001Pa.s=3.6kg/(m. h) 表面張力（） 72.6dyn/cm=940896kg/ 2、氣相物性參數(shù) 操作壓力：101.325KPa; 氨氣在水中的擴散系數(shù)： 由查表可知，20℃時，氨氣在水中的擴散系數(shù)： 氨氣在空氣中的擴散系數(shù)： 由表可知，溫度為0℃，壓強為101.3KPa時，氨氣在空氣中的擴

16、散系數(shù)為0.17 根據(jù)關系式： 則 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量： 混合氣體的平均密度： 由于空氣中氨氣的含量較低，則混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查表可知20℃空氣的粘度： 3、氣液相平衡參數(shù) 20℃時，氨氣在水中的亨利系數(shù)： 相平衡常數(shù)： 溶解度系數(shù)： 4、物料衡算 進塔氣相摩爾比： 出塔氣相摩爾比： 進塔惰性氣相流量： 進塔混合氣相流量：

17、 該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算： 對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成： 取操作液氣比: 因為液氣比的范圍為： 所以： 五、填料塔工藝尺寸的確定 1、塔徑的計算 根據(jù)公式，要求D，首先要求出u （1） 空塔氣速的確定 ①埃克特（Eckert）通用關聯(lián)圖 散裝填料的泛點氣速可用?？颂仃P聯(lián)圖計算，如圖。計算時，先由氣液相負荷及有關物性數(shù)據(jù)

18、求出橫坐標的值，然后作垂線與相應的泛點線相交，再通過交點作水平線與縱坐標相交，求出縱坐標值。此時所對應的u即為泛點氣速。 ②散裝填料泛點填料因子平均值 填料類型 填料因子，1/m 金屬鮑爾環(huán) 410 — 117 160 — 金屬環(huán)矩鞍 — 170 150 135 120 金屬階梯環(huán) —

19、 — 160 140 — 塑料鮑爾環(huán) 550 280 184 140 92 塑料階梯環(huán) — 260 170 127 — 瓷矩鞍 1100 550 200 226 — 瓷拉西環(huán) 1300 832 600 410

20、 — ③通過埃克特（Eckert）通用關聯(lián)圖求 根據(jù)關聯(lián)圖對應坐標可知，縱坐標 查表得： 則 根據(jù)塔徑公式 ，可知 m 圓整為D=800mm 校核： （符合條件） 液體噴淋密度： 所以不符合 故取D=700mm 校核： （在0.5~0.85之間） 故：塔徑圓整為D=700mm 2、填料層高度計算 脫吸因數(shù)： 氣相傳質(zhì)單元數(shù)： 氣相總傳質(zhì)單元高度采用恩田公式修正： 聚丙烯 液體質(zhì)量通量：

21、 氣膜吸收系數(shù)的計算： 氣體質(zhì)量通量： 液膜吸收系數(shù)的計算： 如圖所示： 填料類型 球 形 棒 形 拉西環(huán) 弧 鞍 開孔環(huán) 常見填料的形狀系數(shù) 0.72 0.75 1 1.19 1.45 查表可知填料形狀細說為: 由關系式可知： ，則需選用下面的關系式對氣膜和液膜系數(shù)進行校正： 則 由 考慮恩田公式的最大誤差，為了安全計取設計填料層高度為 設計填料層高度： 查表，對于鮑爾環(huán)填料， ，則需將

22、填料塔進行分段，大致分為兩段，每段4.35m，在兩段填料間設置一槽式液體分布裝置。 六、填料層壓降計算 采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降 橫坐標： 根據(jù)散裝填料壓降填料因子平均值，可得 縱坐標： 結合Eckert通用關聯(lián)圖，可以大致得出： Z=8.7m 七、填料塔內(nèi)件的類型和設計 1、塔內(nèi)件的類型 填料塔的內(nèi)件主要有填料支撐裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理地選擇和設計塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。 1.1、

23、填料支撐裝置 填料支撐裝置的作用是支撐塔內(nèi)的填料。常見的填料支承裝置有柵板型、孔管型、駝峰型等。對于本設計選用的散裝填料，通常選用孔管型、駝峰型支撐裝置。設計中，為防止在填料支撐裝置出現(xiàn)壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料支撐裝置的自由截面積應大于75%。而駝峰型支撐板可以提供100%的塔體橫截面的自由截面，更重要的是，由于支撐板的凹凸的幾何形狀，填料裝入后，僅有很少一部分開孔被填料堵塞，從而在操作中保存了足夠大的自由截面，即使在高氣速和高液速下也如此。針對本設計中選用直徑為50的填料，所以選用直徑為75mm的駝峰型支承板。 1.2、填料壓緊裝置 為防止在上升氣流的作

24、用下填料床層發(fā)生松動或跳動，需在填料層上方設置填料壓緊裝置。填料壓緊裝置有壓緊柵板、壓緊網(wǎng)板、金屬壓緊器等不同的類型。對于散裝填料，可選用壓緊網(wǎng)板，也可以選用壓緊柵板，在其下方，根據(jù)填料的規(guī)格敷設一層金屬網(wǎng)，并將其與壓緊柵板固定、在設計中，為防止在填料壓緊裝置處壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料壓緊裝置的自由截面積應大于70%。為了便于安裝和檢修，本設計中，填料壓緊裝置與塔壁間不采用連續(xù)固定方式。 1.3、液體分布裝置 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，工業(yè)用以管式、槽式及槽盤式為主。因為本設計的較大，槽式分布器不易堵塞，對氣體的阻力小，故選用槽式分

25、布器作為液體分布裝置。 （1）由Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值可得，時，由內(nèi)插法得，噴淋密度為193點，布液點數(shù)： 點 設計為二級槽，共設5道，槽高210mm，槽寬60mm，兩槽中心距120mm。分布點采用三角形排列，實際設計點數(shù)為n=70點。如圖所示： （2）布液計算：由公式 孔流系數(shù) 本設計選用，， 設計取 故孔徑為4mm 八、除沫器的設計選型 除沫裝置安裝在液體再分布器上方，用以除去出氣口氣流中的液墻，由于氨氣溶于水中易產(chǎn)生泡沫，為了防止泡沫隨出氣管排出，影響

26、吸收效率，采用除沫裝置，根據(jù)除沫裝置類型的使用范圍，本設計中的填料塔選用絲網(wǎng)除沫器。 九、填料塔各接管設計 1、進料管 由下表可知： 流體的類別及情況 流速范圍/（m/s） 自來水（左右） 1~1.5 水及低粘度液體 1.5~3.0 高粘度液體 0.5~1.0 工業(yè)供水（以下） 1.5~3.0 低壓空氣 12~15 高壓空氣 15~25 一般氣體 10~30 水及低粘度液體流速1.5~3.0s 取u=1.5m/s 圓整為d=28mm

27、 液體進料管結構尺寸 （mm） 內(nèi)管 外管 a b c 253 453.5 10 20 10 5 120 150 323.5 573.5 10 25 10 5 120 150 383.5 573.5 10 32 15 5 120 150 453,5 764 10 40 15 5 120 150 573.5 764 15 50 20 5 120 150 764 1084 15 70 30 5 120 150 894 1084 15 80

28、35 5 120 150 1084 1334 15 100 45 5 120 150 1334 1594.5 15 125 55 5 120 150 1594.5 2196 25 150 70 5 120 150 2196 2738 25 210 95 8 120 150 由上表查得可選用383.5的規(guī)格，但經(jīng)校正其流速不在1.5~3m/s之間。故選用323.5的尺寸規(guī)格，并經(jīng)校驗符合條件。 接管長度h如下表所示： 接管長度h

29、 (mm) 公稱直徑DN 不保溫設備接管長 保溫設備接管長 使用公稱壓力PN() 15 80 130 4.0 20~50 100 150 1.6 70~350 150 200 1.6 70~500 1.0 因本設計無需保溫，故選設備接管長h=100mm 綜上，本設計采用的無縫鋼管。接管長h=100mm。 2、氣體入口 一般地說，氣體則為10~30m/s，故本次設計選取30m/s作為氣速。 校正：mm 經(jīng)校正知選取的氣速合理。 故本次設計選用DN=250mm，的熱軋無縫鋼管，接管長度h=150mm。 接管外徑大于89mm且采用無縫鋼管 選用

30、 JB/T 4736的補強圈。 十、人孔或手孔設計及開孔補強 設備內(nèi)徑在，一般不考慮開人孔。由于上述設計，所以開設手孔。 JB589-79部分表 密 封 面 型 式 公稱壓力 ) 公稱壓力 h 螺栓螺母 螺栓 總 量 （Kg） 數(shù)量 直徑長度 A 10 150 1594.5 280 240 160 82 24 16 18 8

31、 18.8 250 2378 390 350 190 84 26 18 20 12 40.9 16 150 1596 280 240 170 84 28 18 20 8 22.9 250 2378 405 355 200 90 32 24 26 12 54.7 由上表可查：選手孔A： JB589-79 綜合考慮需設計4個手孔， 螺栓選用規(guī)格M16，數(shù)量為8。 補強：采用 JB/T 4736的補強圈。 十一、支座設計 選型：圓筒型裙座 （一）塔體質(zhì)量

32、裙體： 每米質(zhì)量 填料層為8.7m，查表可得其余空白間距共為4.5m 即L=13.2m （二）封頭質(zhì)量 （三）塔內(nèi)物料質(zhì)量 由表查得： （四）附件的質(zhì)量 手孔約為： 其他接口管和積液量的總和按400kg計算，故： 總質(zhì)量為： 裙座內(nèi)徑： 塔座采用裙座支撐，選16MnR為材料 由于裙座內(nèi)徑>700mm，故厚度取6mm 高取2m 基礎環(huán)的設計： 將圓整為1000mm 圓整為500mm 因為基礎厚度均不得小于16mm，且考慮到腐蝕裕量，則應取18mm。 十二、塔總高 封頭+直邊高：h=2(175+25)=400mm 塔總高H=13.2+0.35+2+0.018=15.568m 圓整后。 十三、總結 化工原理課程設計是理論知識和實際設計相結合的重要課程，對學生掌握全面、系統(tǒng)的知識起到串引的作用，同時在培養(yǎng)學生自主學習、自我動手能力有著重要作用。 通過本設計，確定了填料塔的主要尺寸塔徑700mm，填料塔的填料段高度為8700mm，總體塔高為16000mm，同時完成了設計任務，達到了設計要求。 25