化工原理課程設(shè)計填料吸收塔的設(shè)計

1、成績 課 程 設(shè) 計 報 告題 目 填料吸收塔的設(shè)計 課 程 名 稱 化工原理課程設(shè)計 專 業(yè) 制藥工程 目錄第一節(jié) 前言1.1 設(shè)計方案簡介.31.1.1設(shè)計項目.31.1.2 設(shè)計條件.31.1.3 設(shè)計內(nèi)容.31.2 填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點.31.2.1 結(jié)構(gòu).31.2.2 特點.41.3 吸收劑選擇.41.4 填料的選擇. .51.5 工藝流程說明.6第二節(jié) 平衡關(guān)系及物料衡算 2.1 平衡關(guān)系.7 2.2 物料衡算.9第三節(jié) 填料塔工藝尺寸計算 3.1 塔徑的計算.10 3.1.1填料層噴啉密度核算.12 3.2 填料層高度計算12 3.2.1傳質(zhì)單元高度計算.15 3.2.2 傳質(zhì)

2、單元數(shù)計算.16 3.3 填料層壓降的計算16第四節(jié) 填料塔內(nèi)件的選型和計算 4.1 支承裝置17 4.2 分布裝置18 4.3 進出口管的計算18 4.4 泵的選取18 注： 1計算結(jié)果總表.202填料塔設(shè)計主要符號一覽.21 3參考文獻.23 4后記.24 5 附錄25 附件一：塔設(shè)備流程圖.25 附件二：x-y相圖.25 附件三：塔設(shè)備設(shè)計圖.25第一節(jié) 前言1.1 設(shè)計方案簡介1,1,1 設(shè)計項目 回收甲醇的填料吸收塔1.1.2 設(shè)計條件 混合氣體流量3800m3（標(biāo)）.h-1 混合氣體組分含甲醇6%，空氣94%（體積比） 混合氣體溫度40 吸收率96% 吸收劑溫度25 操作壓強1at

3、m 1.1.3 設(shè)計內(nèi)容 確定操作流程,繪制流程圖 選擇吸收劑、填料 確定吸收平衡關(guān)系，繪制x-y圖、進行物料衡算 計算塔徑、填料層高度 填料層壓降核算、噴啉密度核算 附屬設(shè)備選型和計算 繪制設(shè)備圖1.2 填料塔的主體結(jié)構(gòu)和特點1.2.1 結(jié)構(gòu)：1.2.2 特點: 填料塔【1】的塔身是一個直立式圓筒，底部有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴啉到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底流入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料的表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質(zhì)

4、。當(dāng)填料層較高時，需要進行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體在分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體在分布器，經(jīng)重新分布后噴啉到下層填料上。其中填料是填料塔的主要結(jié)構(gòu)，塔的特性主要由他確定。工業(yè)上采用填料形式分為散裝填料，規(guī)整填料和格柵填料。工業(yè)上要求填料的傳質(zhì)分離效率高，壓降小，氣液相通量大。填料流體力學(xué)和傳質(zhì)性能的最基本特性為比表面積和空隙率，以及填料干因子。 為了使填料塔的設(shè)計獲得滿足分離要求的最佳設(shè)計參數(shù)（如理論板數(shù)、熱負(fù)荷等）和最優(yōu)操作工況（如進料位置、回流比等），準(zhǔn)確的計算出全塔各處的組分濃度分布（尤其是腐蝕性組分）、溫度分布、氣液流

5、率分布等，常采用高效填料塔成套分離技術(shù)。而且，20世紀(jì)80年代以來，以高效填料及塔內(nèi)件為主要技術(shù)代表的新型填料塔成套分離技術(shù)在國內(nèi)受到普遍重視。由于其具有高效、低阻、大通量等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于化工、石化、煉油及其它工業(yè)部門的各類物系分離。1.3 吸收劑的選擇 對填料吸收塔，其吸收裝置的流程主要由逆流操作、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，分布效率高，吸收劑利用率高的特點在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)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(guān)鍵之一，選擇吸收劑時應(yīng)著重考慮以下

6、幾個方面。 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要量。 選擇性 吸收劑對溶質(zhì)組分要有良好的吸收能力，而對混合氣體中的 其他組分不吸收或者吸收甚微，否則不能直接實現(xiàn)有效的分離。 揮發(fā)度要低 操作溫度下吸收劑的蒸汽壓要低，以減少吸收和再生過程中吸收劑的揮發(fā)損失。 黏度 吸收劑在操作溫度下黏度越低，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。 其他 所選用的吸收劑應(yīng)盡量滿足無毒性、無腐蝕性、不易爆燃、不發(fā)泡、冰點低、價廉易得以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等要求。 一般來說，任何一種吸收劑都很難滿足以上所有要求，選用時應(yīng)針對具體情況和主要矛盾，既要考慮工藝要求又兼顧經(jīng)濟合理

7、性。 用水吸收甲醇屬易溶解的吸收過程，為提高傳質(zhì)效率，選用逆流吸收過程，因用水作為吸收劑，且甲醇不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?.4 填料的選擇塔填料(簡稱為填料)是填料塔中氣液接觸的基本構(gòu)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(shè)計的重要環(huán)節(jié)。 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

8、基礎(chǔ)。 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。 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(dāng)?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 填料的孔隙率大壓降就小，通量大。一般孔隙率大，則填料 8 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

9、大，比表面積也大。如果填料的表面積安排合理，可以緩解a 和的矛盾，達到最佳性能。 減少流道的截面變化，可減少流體的流動阻力。 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。 重量輕，價格低 具有適當(dāng)?shù)哪臀g性能。 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(yīng)用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低。表1塔徑與填料公稱直徑的比值dd的推薦值填料種類d/d的推薦值拉西環(huán)d/d2030鞍環(huán)

10、d/d15鮑爾環(huán)d/d1015階梯環(huán)d/d8環(huán)矩鞍d/d8 綜上所述：選擇塑料鮑爾環(huán)dn501.5工藝流程說明采用常規(guī)逆流操作流程(圖形見附錄) 流程說明:混合氣體進入吸收塔，與水逆流接觸后，得到凈化氣排放;吸收甲醇后的水若其值符合國家廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，則直接排入地溝，若不符合待處理之后待處理之后再排入地溝第二節(jié) 平衡關(guān)系及物料衡算 2.1 平衡關(guān)系 cl水在塔溫度tm=(塔頂+塔底)/2下的比熱 kj (kmol k)-1f甲醇的微分溶解熱，kjkmol-1。f =6310+rr入塔氣體溫度下甲醇的冷凝潛熱，kjkmol-1查化工工藝算圖第一冊，常用物料物性數(shù)據(jù)，得吸收劑水的平均比熱容cl=75

11、.366 kjkmol取x=0.04，查閱相關(guān)資料得到，t1=25，t2=27.2287，由上式計算得出f=43091 kjkmol.對低組分氣體吸收，吸收液濃度很低時，依惰性組分及比摩爾濃度計算較方便，故上式可寫為： tl=25+(4309175.366)x 由此可依據(jù)再根據(jù)x的值計算出不同的t值。 亨利系數(shù)e的計算 其中t的單位是，e的單位是atm。 一直計算到y(tǒng)*y1為止。 根據(jù)任務(wù)書：即y*0.06依據(jù)上式x取0，x=0.04，求出相應(yīng)x濃度下吸收液的溫度，計算結(jié)果列于下表由表中數(shù)據(jù)可見，濃相濃度x變化0.004時，溫度升高2.287，依此求取平衡線。各液相濃度下的吸收液溫度及相平衡數(shù)

12、據(jù)xt(。c)e（atm）my*(10-3)x(10-3)y*(10-3)0250.2510.2510000.00427.2870.2840.2841.1374.0161.1380.00829.5740.3210.3212.5688.0652.5750.01231.8610.3620.3624.34412.1464.3630.01634.1480.4070.4076.51216.266.5550.0236.4350.4580.4589.1620.4089.2450.02438.7220.5130.51312.31224.5912.4750.02841.0090.5740.57416.07228

13、.80716.3350.03243.2960.640.6420.4833.05820.9080.03645.5830.7140.71425.70437.34426.3820.0447.770.7490.74931.7641.66732.8120.04450.1670.8820.88238.80846.02540.3750.04852.4440.9780.97846.94450.4249.2550.05254.8321.0811.08156.21254.85259.560.05657.0281.1961.19766.96759.23271.874注：（1）平衡關(guān)系符合亨利定律，與液相平衡的氣相濃

14、度可用y*mx表示； （2）吸收劑為清水，x0，x0；（3）近似計算中也可視為等溫吸收。 由前設(shè)x值求出液溫，依上式計算相應(yīng)e值，且m，分別將相應(yīng)e值及相平衡常數(shù)m值列于表1中第3、4列。由y*mx求取對應(yīng)m及x時的氣相平衡濃度y*，結(jié)果列于表1第7列。根據(jù)xy*數(shù)據(jù)，繪制xy平衡曲線見附錄。 2.2 物料衡算 進塔混合氣中各組分的量近似取塔平均操作壓強為101.3kpa，故：混合氣量3800（）=147.5 kmolh混合氣中甲醇量=147.50.06=8.84 kmolh = 8.8432= 282.88 kgh 混合氣中空氣量=147.5-8.84=138.16 kmolh = 138.

15、1629=4006.64 kgh 進塔氣相摩爾比為： 出塔氣相摩爾比為：y2=y1（1-fa）=0.06383（1-0.96）=0.00256進塔惰性氣相流量為：v=（380022.4）（273273+40）（1-0.06） =139.1 kmolh. 為該吸收過程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比按下式計算。即： 因為是純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成，由上表得到x2*=0.052,所以 lmin=139.1=164.4 kmolh. 由于操作的液氣比的范圍為： 選擇操作液氣比為：l=1.6lmin=1.6164.4=263 kmolh. =26318=4734 kg/h v（y1-y2）

16、=l(x1-x2) x1= vl(y1-y2) 且 x2 =0 x1= x1= 0.032 x1= 0.032 x1=0.031 第三節(jié) 填料塔工藝尺寸計算【2】【4】3.1 塔徑的計算 u =（0.60.8）（化工單元操作及設(shè)備p206 16-45） 采用eckert通用關(guān)聯(lián)圖法計算泛點氣速 相關(guān)計算 塔底混合氣流量vs4006.64+ 282.88 =4289.52kgh 液相流量可近似按純水的流量計算：l=26318=4734 kg/h 埃克特通用關(guān)聯(lián)圖進塔混合氣密度=1.13 kg(混合氣濃度低，可近似視為空氣的密度)吸收液密度996.95kg/吸收液黏度0.8973 mpas經(jīng)比較，

17、選dg50mm塑料鮑爾環(huán)(米字筋)。查化工原理教材附錄可得，其填料因子=124，比表面積a109 關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)值 ()1/2=0.5=0.037 由圖查得縱坐標(biāo)值為0.18即0.2=2=0.0112uf2=0.18 故液泛氣速=4 m/s 操作氣速 u0.70.74=2.8 m/s (3).塔徑=0.579m=579mm 取塔徑為0.6m(4)核算操作氣速u=3.73 m/s (5)核算徑比d/d600/5012，滿足鮑爾環(huán)的徑比要求。 3.1.1 填料層噴淋密度的校核：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。 最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體

18、積流量。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率。最小噴淋密度0.08106.48.512 /(m2h)因 =16.8/(mh) 滿足最小噴淋密度要求。3.2 填料層高度計算 算填料層高度，即z(1)傳質(zhì)單元高度計算=，其中=|（化工單元操作及設(shè)備 p209 16-7本設(shè)計采用（恩田式）計算填料潤濕面積aw作為傳質(zhì)面積a，依改進的恩田式分別計算及，再合并為和。列出備關(guān)聯(lián)式中的物性數(shù)據(jù)氣體性質(zhì)(以塔底40，101.325kpa空氣計)：1.13 kg/ (前已算出)；0.01885 (查附錄)；109液體性質(zhì)(以塔底25水為準(zhǔn))：996.95 kg/；0.8973pas；=1.344

19、(以式計算)(化學(xué)工程手冊 10-89)，式中為溶質(zhì)在常壓沸點下的摩爾體積，為溶劑的分子量，為溶劑的締合因子。716nm(查化工原理附錄)氣體與液體的質(zhì)量流速： lg=4.65vg=4.21 塑料鮑爾環(huán)(亂堆)特性：50mm0.05m;a106.4;=40dy/cm=4010-3 n/m;查化學(xué)工程手冊，第12篇，氣體吸收，有關(guān)形狀系數(shù)，=1.45（鮑爾環(huán)為開孔環(huán)）依式液體表面張力，n/m； 填料上液體鋪展開的最大表面張力，n/m。要求c。c的值見表。液體空塔質(zhì)量通率，kg/(sm2)； ，液體的粘度，ns/m2和密度，kg/m3。不同填料材質(zhì)的c值材質(zhì)c/（mn/m）材 質(zhì)c/（mn/m）碳

20、56聚乙烯33陶瓷61鋼75玻璃73涂石蠟的表面20聚氯乙烯40 =-1.45(0.228)(1.47)(1.52)(0.33)=(-0.243)=1-e-0.243=0.22故=106.40.22=23.41根據(jù)kl=0.0051()2/3()1/3()1/3(atdp)0.4式中 液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2 s kmol/m3）； 溶液在液相中的擴散系數(shù)，m2/s；填料的名義尺寸，m。= =0.005137.268.560.021.06 =0.034 m/s 依式kg= 5.23()0.7()13()(atdp)= =5.23(211.6)(1.15)(4.4610-7)(1.17)

21、=6.6410-4 kmol/(m2skpa)故=1.6123,41=3.310-3 (m/s)=6.6410-323.41=0.155(2)計算 ，而，h=（化工單元操作及設(shè)備 p189 16-21a）。由于在操作范圍內(nèi)，隨液相組成和溫度的增加。254kpa , =0.218 =414.34=2.4110-3=p=2.4110-3101.3=0.2443.2.1傳質(zhì)單元數(shù)計算nog=（化工單元操作及設(shè)備 p209 16-54a）（化工單元操作及設(shè)備 p212 16-26）yi-y1*= yi-mx1=0.064-0.0310.251=0.056y2-y2*= y2-mx2=0.00256-0

22、.0350.0284=0.00157=0.0151m3.2.2傳質(zhì)單元高度計算計算=0.54m填料層高度z計算zhog nog0.542.541.37m則完成本設(shè)計任務(wù)需dg50mm塑料鮑爾環(huán)的填料層高度z137， 此時選擇填料層高度為2m6m 故不需要分段3.3 填料層壓降的計算取 eckert (通用壓降關(guān)聯(lián)圖)；將操作氣速(3.73 m/s) 代替縱坐標(biāo)中的查表，dg50mm塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子125代替縱坐標(biāo)中的則縱標(biāo)值為：= 0.18 橫坐標(biāo)為： 0.037 根據(jù)以上二數(shù)值在?？颂貓D中的點確定塔的操作點， 查圖得，此點位于p/z=150pa/m與p/z=200pa/m兩條等壓線之

23、間。用內(nèi)插法估算可求得每米填料層的壓強降約為190pa/m 190pa/m 全塔填料層壓降 =1902=380 pa第四節(jié) 填料塔內(nèi)件的選型和計算 4.1 支承裝置 分為兩類：氣液逆流通過平板型支承板，板上有篩孔或柵板式;氣體噴射型，分為圓柱升氣管式的氣體噴射型支承板和梁式氣體噴射型支承板。 填料壓板和床層限制板在填料頂部設(shè)置壓板和床層限制板。有柵條式和絲網(wǎng)式。 氣體進出口裝置和排液裝置填料塔的氣體進口既要防止液體倒灌，更要有利于氣體的均勻分布。對500mm直徑以下的小塔，可使進氣管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使氣流折轉(zhuǎn)向上。對1.5m以下直徑的塔，管的末端可制 成下

24、彎的錐形擴大器。氣體出口既要保證氣流暢通，又要盡量除去夾帶的液 沫。最簡單的裝置是除沫擋板（折板），或填料式、絲網(wǎng)式除霧器。液體出口裝置既要使塔底液體順利排出，又能防止塔內(nèi)與塔外氣體串通，常壓吸收塔可采用液封裝置。注：(1)本設(shè)計任務(wù)液相負(fù)荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器。 (2)塔徑及液體負(fù)荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計算與選擇此處從略。4.2 分布裝置 1、液體分布器設(shè)計的基本要求： （1）液體分布均勻 （2）操作彈性大 （3）自由截面積大（4）其他2、 液體分布器布液能力的計算 （1）重力型液體分布器布液能力計算 （2

25、）壓力型液體分布器布液能力計算注：(1)本設(shè)計任務(wù)液相負(fù)荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器。 (2)塔徑及液體負(fù)荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計算與選擇此處從略。(3) 由于填料高度較小，都不到6m，可不用液體再分布器4.3 進出口管的計算填料塔接管尺寸計算 為防止流速過大引起管道沖蝕，磨損，震動和噪音，液體流速一般為0.53m/s ，氣體流速一般為10-30m/s。由于該填料塔吸收在低濃度下進行，故氣液體進出口的管徑相同。 甲醇與空氣混合氣體，由于進口氣體流量為3800m/h，取u=20m/s， 由公式因此進出管的規(guī)格為f26

26、010mm4.4 泵的選取查閱相關(guān)書籍及數(shù)據(jù)，選定得：封頭：540mm 塔釜：1330mm噴頭高：42mm 噴頭彎曲半徑：90mm塔釜法蘭高：200mm 噴頭上方空隙：200mm噴淋高度：72mm 塔頂空隙：1000mm支撐裙座：2000mm支持板：駝形支撐板：300mm2填料壓板：絲網(wǎng)壓板：100mm2整個塔高：2+0.54+1.33+2+0.2+1+0.6+0.2=7.87m1從進液口至底高： 2選取管道的相關(guān)數(shù)據(jù)，選定：260mm10mm ， 則內(nèi)徑d=0.24m3 25水進口下： 4取管道粗糙度： ， 則相對粗糙度：得：5 總6據(jù)化工原理書相關(guān)圖及數(shù)據(jù)：選得： 泵型號：is200-15

27、0-25注： 1.計算結(jié)果總表設(shè)計名稱回收甲醇的填料吸收塔操作壓強1atm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塑料鮑爾環(huán)50500.612494m-10.96109物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度996.95kg/混合氣體的平均密度1.13 kg液體粘度0.8973 mpas混合氣體的粘度1.9010-5 pas液體表面張力892731kg/h2混合氣體平均摩爾質(zhì)量29.3g/mol擴散系數(shù)1擴散系數(shù)1.2510-9m2/s填充系數(shù)0.68填充系數(shù)3.1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0.0640.002560.03204289.52kgh47

28、34 kg/h1.11.6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塑料鮑爾環(huán)2.8m/s0.6m2.540.542m380 pa填料塔附件氣體進口管徑260mm10mm氣體出口管徑260mm10mm風(fēng)機is100-80-160離心泵is200-150-2502.填料塔設(shè)計主要符號一覽 符號 說明 單位塔截面積 m2 氣相總傳質(zhì)單元高度 氣相總傳質(zhì)單元數(shù) - 以分壓差表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù) 單位體積填料的潤濕面積 m2 填料總比表面積 以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù) 溶解度系數(shù) 以摩爾濃度差表示推動力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù) 氣體常數(shù) dv 、dl氨氣在空氣中中的擴散系數(shù)及氨氣在水中的擴散系數(shù) fl 液體的表面張力 fc填料材質(zhì)的臨界表面張力 液體質(zhì)量通量 kg/(h) 氣體質(zhì)量通量 kg/(h) e 亨利系數(shù) atm 氣體的粘度 平衡常數(shù) - 填料形狀系數(shù) - 重力加速度 u 操作氣速 分別為氣體和液體的質(zhì)量流量 /h 氣相總體積傳質(zhì)系數(shù) 填料層