化工原理課程設計任務書化工原理課程設計任務書 設計題目設計題目填料吸收塔設計 15 主要內容主要內容 1 設計方案簡介 對給定或選定的工藝流程 主要設備進行簡要 論述 2 主要設備的工藝設計計算 物料衡算 能量衡算 工藝參數的 選定 填料塔結構設計和工藝尺寸的設計計算 3 輔助設備的選型 4 繪流程圖 以單線圖的形式描繪 標出主體設備和輔助設備的 物料方向 物流量 能流量 5 吸收塔的設備工藝條件圖 6 編寫設計計算說明書 設計參數設計參數 用清水吸收空氣中的 NH3氣體 混合氣體處理量 5000m3 h 其中 NH3含量為 0 14kg m3干空氣 標態 干空氣溫度為 25 相對 濕度為 70 要求凈化氣中 NH3含量不超過 0 07 體積分數 氣 體入口溫度 40 入塔吸收劑中不含 NH3 水入口溫度 30 設計計劃設計計劃 進度進度 布置任務 學習課程設計指導書 其它準備 0 5 天 主要工藝設計計算 2 5 天 輔助設備選型計算 繪制工藝流程圖 1 0 天 繪制主要設備工藝條件圖 1 0 天 編寫設計計算說明書 考核 1 0 天 合計 1 周 6 0 天 主要參考主要參考 文獻文獻 1 化工原理課程設計 賈紹義等編 天津大學出版社 2002 08 2 化工原理 上 下冊 夏清 陳常貴主編 天津大學出版 社 2005 01 3 化工原理課程設計 大連理工大學編 大連理工大學出版 社 1994 07 4 化工工藝設計手冊 第三版 上 下冊 化學工業出版社 2003 08 5 化學工程手冊 第二版 上 下卷 時鈞等主編 化學工 業出版社 1998 11 6 化工設備機械基礎 董大勤編 化學工業出版社 2003 01 7 化工數據導引 王福安主編 化工出版社 1995 10 8 化工工程制圖 魏崇光等主編 化學工業出版社 1994 05 9 現代填料塔技術指南 王樹楹主編 中國石化出版社 1998 08 設計文件設計文件 要求要求 1 設計說明書不得少于 7000 字 A4 幅面 2 工藝流程圖為 A2 幅面 3 設備工藝條件圖為 A3 幅面 備注備注 目目 錄錄 一 前言 3 二 設計任務 4 三 設計條件 4 四 設計方案 5 1 吸收劑的選擇 5 2 流程圖及流程說明 5 3 塔填料的選擇 7 五 工藝計算 11 1 物料衡算 確定塔頂 塔底的氣液流量和組成 11 2 塔徑的計算 12 3 填料層高度計算 14 4 填料層壓降計算 16 5 液體分布裝置 17 6 液體再分布裝置 19 7 填料支撐裝置 20 8 流體進出口裝置 21 9 水泵及風機的選型 22 六 設計一覽表 23 七 對本設計的評述 23 八 參考文獻 24 九 主要符號說明 24 十 致謝 25 一一 前言前言 在石油化工 食品醫藥及環境保護等領域 塔設備屬于使用量大應用面廣的重要 單元設備 塔設備廣泛用于蒸餾 吸收 萃取 洗滌 傳熱等單元操作中 所以塔設 備的研究一直是國內外學者普遍關注的重要課題 在化學工業中 經常需要將氣體混合物中的各個組分加以分離 其主要目的是回 收氣體混合物中的有用物質 以制取產品 或除去工藝氣體中的有害成分 使氣體凈 化 以便進一步加工處理 或除去工業放空尾氣中的有害成分 以免污染空氣 吸收 操作是氣體混合物分離方法之一 它是根據混合物中各組分在某一種溶劑中溶解度不 同而達到分離的目的 塔設備按其結構形式基本上可分為兩類 板式塔和填料塔 以前在工業生產中 當處理量大時多用板式塔 處理量小時采用填料塔 近年來由于填料塔結構的改進 新型的 高負荷填料的開發 既提高了塔的通過能力和分離效能又保持了壓降小 性 能穩定等特點 因此 填料塔已經被推廣到大型氣 液操作中 在某些場合還代替了 傳統的板式塔 如今 直徑幾米甚至幾十米的大型填料塔在工業上已非罕見 隨著對 填料塔的研究和開發 性能優良的填料塔必將大量用于工業生產中 氨是化工生產中極為重要的生產原料 但是其強烈的刺激性氣味對于人體健康和 大氣環境都會造成破壞和污染 氨對接觸的皮膚組織都有腐蝕和刺激作用 可以吸 收皮膚組織中的水分 使組織蛋白變性 并使組織脂肪皂化 破壞細胞膜結構 氨 的溶解度極高 所以主要對動物或人體的上呼吸道有刺激和腐蝕作用 常被吸附在 皮膚粘膜和眼結膜上 從而產生刺激和炎癥 可麻痹呼吸道纖毛和損害粘膜上皮組 織 使病原微生物易于侵入 減弱人體對疾病的抵抗力 氨通常以氣體形式吸入人 體 氨被吸入肺后容易通過肺泡進入血液 與血紅蛋白結合 破壞運氧功能 進入 肺泡內的氨 少部分為二氧化碳所中和 余下被吸收至血液 少量的氨可隨汗液 尿液或呼吸排出體外 短期內吸入大量氨氣后會出現流淚 咽痛 咳嗽 胸悶 呼吸困難 頭暈 嘔 吐 乏力等 若吸入的氨氣過多 導致血液中氨濃度過高 就會通過三叉神經末梢 的反射作用而引起心臟的停搏和呼吸停止 危及生命 因此 吸收空氣中的氨 防 止氨超標具有重要意義 本次課程設計的目的是根據設計要求采用填料吸收塔吸收的方法來凈化含有氨氣 的空氣 設計采用填料塔進行吸收操作是因為填料可以提供巨大的氣液傳質面積而且 填料表面具有良好的湍流狀況 從而使吸收過程易于進行 而且 填料塔還具有結構 簡單 壓降低 填料易用耐腐蝕材料制造等優點 從而可以使吸收操作過程節省大量 人力和物力 二二 設計任務設計任務 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 繪制吸收系統的工 藝流程圖和填料塔裝置圖 編寫設計說明書 三三 設計條件設計條件 查表知 25下水的飽和蒸氣壓為 3 169KPa 干空氣的密度為 1 185kg m3 20下C C 氨氣的密度為 0 7601kg m3 水蒸氣的飽和分壓為 KPaPP SV 2183 2 7 0169 3 濕空氣的濕度 絕干氣水汽 kg 01393 0 2183 2 3 101 2183 2 622 0 622 0 kg PP P H V V 濕空氣的比體積 絕干氣濕空氣 kgm tH vH 8621 0 1 273 298 4 22 18 01393 0 29 1 3 101 3 101 273 273 4 22 1829 1 3 干空氣濕空氣 33 9789 0 185 1 8621 0 1 1mm 濕空氣干空氣 33 0216 1 9789 0 1 1mm 標準狀態下 濕空氣干空氣 33 9359 0 298 2730216 1 1mm 氨氣的體積分數 68 19 100 9359 07601 0 14 0 回收率 64 99 100 1968 0 0007 0 1968 0 綜上所述 本課程設計中填料塔的主要設計參數如下 1 氣體混合物成分 空氣和氨氣 2 氨的含量 19 68 體積 3 混合氣體流量 5000m3 h 4 操作溫度 303K 5 混合氣體壓力 101 3KPa 6 回收率 99 64 四四 設計方案設計方案 4 14 1 吸收劑的選擇吸收劑的選擇 吸收過程是依靠氣體溶質在吸收劑中的溶解來實現的 因此 吸收劑性能的優劣 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方面 1 溶解度 吸收劑對溶質組分的溶解度要大 以提高吸收速率并減少吸收劑的用 量 2 選擇性 吸收劑對溶質組分要有良好的吸收能力 而對混合氣體中其他組分不 吸收或吸收甚微 否則不能直接實現有效分離 3 揮發度要低 操作溫度下吸收劑的蒸氣壓要低 以減少吸收和再生過程中吸收 劑的揮發損失 4 黏度 吸收劑在操作溫度下的黏度越低 其在塔內的流動性越好 有助于傳質 速率和傳熱速率的提高 5 其他 所選用的吸收劑應盡可能滿足無毒性 無腐蝕性 不易燃易爆 不發泡 冰點低 價廉易得以及化學性質穩定等要求 吸收劑對溶質的組分要有良好地吸收能力 而對混合氣體中的其他組分不吸收 且揮發度要低 所以本課程設計選擇用清水作吸收劑 氨氣為吸收質 水廉價易得 物理化學性能穩定 選擇性好 符合吸收過程對吸收劑的基本要求 且氨氣不作為產 品 故采用純溶劑 4 24 2 流程選擇及流程說明流程選擇及流程說明 吸收裝置的流程主要有以下幾種 1 逆流操作 氣相自塔底進入由塔頂排出 液相自塔頂進入由塔底排出 此即逆 流操作 逆流操作的特點是傳質平均推動力大 傳質速率快 分離效率高 吸收劑利 用率高 工業生產中多用逆流操作 2 并流操作 氣 液兩相均從塔頂流向 此即并流操作 并流操作的特點是 系 統不受液流限制 可提高操作氣速 以提高生產能力 并流操作通常用于以下情況 當吸收過程的平衡曲線較平坦時 流向對推動力影響不大 易溶氣體的吸收或處理的 氣體不需吸收很完全 吸收劑用量特別大 逆流操作易引起液泛 3 吸收劑部分再循環操作 在逆流操作系統中 用泵將吸收塔排除液體的一部分 冷卻后與補充的新鮮吸收劑一同送回塔內 即為部分再循環操作 通常用于以下操作 當吸收劑用量較小 為提高塔的液體噴淋密度 對于非等溫吸收過程 為控制塔內的 溫升 需取出一部分熱量 該流程特別適宜于相平衡常數 m 值很小的情況 通過吸收 液的部分再循環 提高吸收劑的使用效率 應當指出 吸收劑部分再循環操作較逆流 操作的平均推動力要低 且需設置循環泵 操作費用增加 4 多塔串聯操作 若設計的填料層高度過大 或由于所處理物料等原因需經常清 理填料 為便于維修 可把填料層分裝在幾個串聯的塔內 每個吸收塔通過的吸收劑 和氣體量都相等 即為多塔串聯操作 此種操作因塔內需留較大空間 輸液 噴淋 支撐板等輔助裝置增加 使設備投資加大 5 串聯 并聯混合操作 若吸收過程處理的液量很大 如果用通常的流程 則液體 在塔內的噴淋密度過大 操作氣速勢必很小 否則易引起塔的液泛 塔的生產能力 很低 實際生產中可采用氣相作串聯 液相作并聯的混合流程 若吸收過程處理的液 量不大而氣相流量很大時 可采用液相作串聯 氣相作并聯的混合流程 列出幾種常見的吸收過程如圖 1 a 并流 b 逆流 圖 1 吸收流程 用水吸收 NH3屬高溶解度的吸收過程 為提高傳質效率和分離效率 所以本設計選 用逆流吸收流程 該填料塔中 氨氣和空氣混合氣體 經由填料塔的下側進入填料塔中 與從填料 塔頂流下的水逆流接觸 在填料的作用下進行吸收 經吸收后的混合氣體由塔頂排除 吸收了氨氣的水由填料塔的下端流出 4 34 3 塔填料選擇塔填料選擇 塔填料 簡稱為填料 是填料塔的核心構件 它提供了氣 液兩相相接觸傳質與 傳熱的表面 其性能優劣是決定填料塔操作性能的主要因素 填料的比表面積越大 氣液分布也就越均勻 傳質效率也越高 它與塔內件一起決定了填料塔的性質 因此 填料的選擇是填料塔設計的重要環節 塔填料的選擇包括確定填料的種類 規格及材料 填料的種類主要從傳質效率 通量 填料層的壓降來考慮 填料規格的選擇常要符合填料的塔徑與填料公稱直徑比 值 D d 4 3 14 3 1 填料性能評價填料性能評價 填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求 通?？紤]一下幾個方面 1 傳質效率 傳質效率即分離效率 它有兩種表的方法 一是以理論級進行計算 的表示方法 以每個理論級當量的填料層高度表示 即 HETP 值 另一方面是以傳質速 率進行計算的表示方法 以每個傳質單元相當高度表示 即 HTU 值 在滿足工藝要求 的前提下 應選用傳質效率高 即 HEYP 或 HTU 值 低的填料 對于常用的工業填料 其 HEYP 或 HTU 值 可由有關手冊或文獻中查到 也可以通過一些經驗公式來估算 2 通量 在相同的液體負荷下 填料的泛點氣速愈高或氣相動能因子愈大 則通 量愈大 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 對于大多數常用填料其泛 點氣速或氣相動能因子可由有關手冊或文獻中查到 也可以通過一些經驗公式來估算 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 選擇低壓降的填料對熱敏性物系的分離尤為重要 比較 填料的壓降有兩種方法 一是比較填料層單位高度的壓降 P Z 另一是比較填料層單 位傳質效率的比壓降 P NT 填料層的壓降可用經驗公式計算 亦可從有關圖表中查 出 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 以保證塔內氣 液負荷發生波動時維持操作穩定 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溫度變化 此外 所選的填料要便于安裝 拆卸和檢修 4 3 24 3 2 裝填類型選擇裝填類型選擇 填料種類很多 根據填料方式不同 可分為散裝填料和規整填料兩大類 1 散裝填料 散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體 一般以隨機的方式堆積在 塔內 又稱為亂堆填料或顆粒填料 散裝填料根據結構特點不同 可分為環形填料 鞍形填料 環鞍形填料及球形填料等 現介紹幾種典型的散裝填料 1 拉西環填料 其結構為外徑與高度相等的圓環 可用陶瓷 塑料 金屬等材質 制造 拉西環填料的氣液分布較差 傳質速率低 阻力大 通量小 目前工業上已很 少用了 2 鮑爾環填料 鮑爾環是在拉西環的基礎上改進而得 其結構為在拉西環的側壁 上開出兩排長方形的窗孔 被切開的環壁的一側仍與壁面相連 另一側向環內彎曲 形成內伸的舌葉 諸舌葉的側邊在環中心相搭 可用陶瓷 塑料 金屬等材質制造 鮑爾環由于環壁開孔 大大提高了環內空間及環內表面的利用率 氣體阻力小 液體 分布均勻 與拉西環相比 其通量可增加 50 左右 鮑爾環是目前應用較廣的填料之一 3 階梯環填料 階梯環是對鮑爾環的改進 與鮑爾環相比 階梯環高度減少了一 半 并在一端增加了一個錐形翻邊 由于高徑比減少 使得氣體繞填料外壁的平均路 徑大為縮短 減少了氣體通過填料層的阻力 錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度 而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主 這樣不但增加了填料間的間隙 同 時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點 可以促進液膜的表面更新 有利于傳質效 率的提高 階梯環的綜合性能優于鮑爾環 成為目前使用的環形填料中最為優良的一 種 4 弧鞍填料 弧鞍填料屬鞍形填料的一種 其形狀如同馬鞍 一般采用瓷質材料 制成 弧鞍填料的特點是表面全部敞開 不分內外 液體在表面來那個側均勻的流動 表面利用率高 流道呈弧形 流動阻力小 其缺點是易發生套疊 致使一部分填料表 面被重合 使傳質效率降低 弧鞍填料強度較差 容易破碎 工業生產應用不多 5 矩鞍填料 將弧鞍填料兩端的弧形面改成矩形面 且兩面大小不等 即成為矩 鞍填料 矩鞍填料堆積時不會套疊 液體分布較均勻 矩鞍填料一般采用瓷質材料制 成 其性能優于拉西環 目前國內絕大多數應用瓷拉西環的場合 均已被矩鞍填料所 取代 6 環矩鞍填料 環矩鞍填料是兼顧環形和鞍形結構特點而設計出的一種新型填料 該填料一般以金屬材質制成 故又稱為金屬環矩鞍填料 環矩鞍填料將環形填料和鞍 形填料兩者的優點集于一體 其綜合性能優于鮑爾環和階梯環 是工業應用最為普遍 的一種金屬散裝填料 下圖為幾種實體填料 拉西環 鮑爾環 階梯環 弧鞍形填料 矩鞍形填料 圖 2 幾種實體填料 2 規整填料 規整填料是按一定的幾何圖形排列 整齊堆砌的填料 規整填料種類很多 根據 幾何結構可分為格柵填料 波紋填料 脈沖填料等 工業上應用的規整填料絕大部分 為波紋填料 波紋填料按結構分為網波紋填料和板波紋填料兩大類 可用陶瓷 塑料 金屬等材質制造 金屬絲網波紋填料是網波紋填料的主要形式 是由金屬絲網制成的 其特點是壓 降低 分離效率高 特別適用于精密精餾及真空精餾裝置 為難分離物系 熱敏性物 系的精餾提供了有效的手段 盡管其造價高 但因性能優良仍得到廣泛使用 金屬板波紋填料是板波紋填料的主要形式 該填料的波紋板片上沖壓有許多 的小孔 可起到粗分配板片上的液體 加強橫向混和作用 波紋板片上mmmm6 4 軋成細小溝紋 可起到細分配板片上的液體 增強表面潤濕性能的作用 金屬孔板波 紋填料強度高 耐腐蝕性強 特別適用于大氣直徑塔及氣 液負荷較大的場合 波紋填料的優點是結構緊湊 阻力小 傳質效率高 處理能力大 比表面積大 其缺點是不適用于處理黏度大 易聚合或有懸浮物的材料 且裝卸 清理困難 造價 高 綜上所述 經分析各填料特點 性能 本課程設計選擇散裝階梯環填料 4 3 34 3 3 填料材質的選擇填料材質的選擇 工業上 填料的材質分為陶瓷 金屬和塑料三大類 1 陶瓷填料 陶瓷填料具有良好的耐腐蝕性及耐熱性 一般能耐除氫氟酸以外的 常見的各種無機酸 有機酸的腐蝕 對強堿介質 可以選用耐堿配方制造的耐堿陶瓷 填料 陶瓷填料因其質脆 易碎 不易在高沖擊強度下使用 陶瓷填料價格便宜 具有很好 的表面潤濕性 工業上 主要用于氣體吸收 氣體洗滌 液體萃取等過程 2 金屬填料 金屬填料可用多種材質制成 金屬材料的選擇主要根據物系的腐蝕 性和金屬材質的耐腐蝕性來綜合考慮 碳鋼填料造價低 且具有良好的表面濕潤性能 對于無腐蝕或低腐蝕性物系應優先考慮使用 不銹鋼填料耐腐蝕性強 一般能耐以cl 外常見物系的腐蝕 但其造價較高 鈦材 特種合金鋼等材質制成的填料造價級高 一般只在某些腐蝕性極強的物系下使用 金屬填料可制成薄壁結構 0 2 0 1mm 與同種類型 同種規格的陶瓷 塑料填 料相比 它的通量大 氣體阻力小 且具有很高的抗沖擊性能 能在高溫 高壓 高 沖擊強度下使用 工業應用主要以金屬填料為主 3 塑料填料 塑料填料的材質主要包括聚丙烯 聚乙烯及聚氯乙烯等 國內一般 多采用聚丙烯材質 塑料填料的耐腐蝕性能較好 可耐一般的無機酸 堿和有機溶劑 的腐蝕 其耐溫性良好 可長期在 100 以下使用 聚丙烯填料在低溫 低于 0 時 具有冷脆性 在低于 0 的條件下使用要謹慎 可選用耐低溫性能好的聚氯乙烯填料 塑料填料具有輕質 廉價 耐沖擊 不易破碎等優點 多用于吸收 解吸 萃取 除塵等裝置中 塑料填料的缺點是表面潤濕性能較差 在某些特殊應用場合 需要對 其表面進行處理 以提高表面潤濕性能 所以本次課程設計選用聚丙烯填料 4 3 44 3 4 填料規格的選擇填料規格的選擇 通常 散裝填料與規整填料的規格標示方法不同 選擇地方法亦不盡相同 散裝填料規格的選擇 散裝填料的規格通常是指填料的公稱直徑 工業塔常用的 散裝填料主要有 DN16 DN25 DN38 DN50 DN76 等幾種規格 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 而大尺寸的填料應用 于小塔徑中 又會產生液體分布不良及嚴重的壁流 使塔的分離效率降低 本課程設計處理量不大 所用的塔直徑不會太大 故選用 38mm 規整填料規格的選擇 工業上常用規整填料的型號和規格的表示方法很多 國內 習慣用比表面積表示 主要有 125 150 250 350 500 700 等幾種規格 同種類型 的規整填料 其比表面積越大 傳質效率越高 但阻力增加 通量減小 填料費用也 明顯增加 選用時應從分類要求 通量要求 場地要求 物料性質及設備投資 操作 費用等方面綜合考慮 使所選填料既能滿足工藝要求 又具有經濟合理性 應當指出 一座填料塔可以選用同種類型 同一規格的填料 也可以使用同種類 型 不同規格的填料 可以選用同種類型的填料 也可以選用不同類型的填料 有的 塔段可選用規整填料 而有的塔段可選用散裝填料 綜上所述選用 38mm 聚丙烯階梯環塔填料 其主要性能參數查表 1 得 比表面積 a 132 5 32 mm 空隙率 0 91 干填料因子 1 6 175 m 表1 國內階梯環特性數據 材 質 外徑 d m m 外徑 高 厚 d H 比表面積 at m2 m3 空隙率 m3 m 3 個數 n 個 m3 堆積密度 p kg m 3 干填料因子 at 3 m 1 填料因子 m 1 塑 料 25 38 50 76 25 17 5 1 4 38 19 1 50 30 1 5 76 37 3 228 132 5 114 2 89 95 0 90 0 91 0 927 0 929 81500 27200 9980 3420 97 8 57 5 76 8 68 4 313 175 6 143 1 112 240 120 80 72 五五 工藝計算工藝計算 查表知 30下空氣和水的物理性質常數如下 C 空氣 067 0 1086 1 165 1 5 3 hmkgsPa mkg 粘度 密度 水 2 5 3 kg h 940896dyn cm 72 6 1007 80 7 995 L L L sPa mkg 表面張力 粘度 密度 5 15 1 物料衡算 確定塔頂 塔底的氣液流量和組成物料衡算 確定塔頂 塔底的氣液流量和組成 查表知 30下氨在水中的溶解度系數C 4146 0 3 kpamkmolH 亨利系數 S L HM E 相平衡常數 3156 1 3 10102 184146 0 7 995 PHM P E m S L 進塔氣相摩爾比為 2450 0 1968 01 1968 0 1 Y 出塔氣相摩爾比為 0008821 0 1968 0 1 9964 0 1 1968 0 2 Y 對于純溶劑吸收過程 進塔液相組成為 清水 0 2 X 混合氣體的平均摩爾質量為 64 2629 1968 01 031 171968 0 kmolkgM 混合氣體的密度為 3 33 037 1 313314 8 1064 2610 3 101 mkg RT MP v 混合氣體流量 688 194 4 22 1 313 273 5000hkmol 惰性氣體流量 373 156 1968 0 1 688 194hkmolV 最小液氣比 3109 1 0 3156 1 2450 0 0008821 02450 0 2 1 21 21 21 min X m Y YY XX YY V L 取實際液氣比為最小液氣比的 1 5 倍 則可得吸收劑用量為 484 3075 1373 1563109 1 hkmolL 1241 0 5 13109 1 0008821 0 2450 0 21 1 L YYV X 液氣比 069 1 037 1 5000 02 18484 307 V L 經計算該吸收過程為低濃度吸收過程 溶液的物性數據可近似取純水的物性數據 混 合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度 5 25 2 塔徑計算塔徑計算 采用貝恩 Bain 霍根 Hougen 泛點關聯式計算泛點速度 氣體質量流量 h kg5185037 1 5000 V W 液相質量流量可近似按純水的流量計算 即 hkgWL 862 554002 18484 307 填料總比表面積 32 5 132mmat 水的黏度 smPa L 8007 0 5501 0 7 995 037 1 5185 862 5540 75 1 204 0 lg 8 1 4 1 8 14 1 2 0 3 2 L V V L L L VtF w w KA a g u smu g au F L L VtF 973 3 8007 0037 1 5 132 7 99591 0 81 9 2818 0 2818 0 2 0 3 2 0 3 2 A K 取值可由表 2 查得 表2 不同類型填料的 A K 值 散裝填料類型 AK 規整填料類型 AK 塑料鮑爾環 0 09421 75 金屬階梯環 0 1061 75 金屬鮑爾環 0 11 75 瓷矩鞍 0 1761 75 塑料階梯環 0 2041 75 金屬環矩鞍 0 062251 75 取泛點率為 0 7 即smuu F 781 2 973 3 7 07 0 則 m u V D S 7976 0 781 214 3 3600 500044 圓整后取 D 0 8m 常用的標準塔徑為 400 500 600 700 800 1000 1200 1400 1600 2000 2200 泛點率校核 smu 765 2 8 0785 0 3600 5000 2 對于散裝填料 其泛點率的經驗值為 6959 0 973 3 765 2 F uu85 0 5 0 F uu 填料規格校核 805 21 38 800 d D 液體噴淋密度校核 取最小潤濕速率為 08 0 3 min hmmLW 32 5 132mmat 所以 6 105 13208 0 23 minmin hmmaLU tW min 237 2 2 10098 1 8 0785 0 7 99502 18484 307 785 0 Uhmm D L U h 經以上校核可知 填料塔直徑選用合理 mD8 0 5 35 3 填料層高度計算填料層高度計算 查表知 0 101 3 下 在空氣中的擴散系數C kpa 3 NHscmD 17 0 2 o 由 2 3 o o o T T P P DDG 則 303 101 3下 在空氣中的擴散系數為 kkpa 3 NH scmDDG 1988 0 273 303 3 101 3 101 2 2 3 液相擴散系數smDL 10105 2 29 液體質量通量為 785 11028 8 0785 0 02 18484 307 2 2 hmkgUL 氣體質量通量為 462 10320 8 0785 0 037 1 5000 2 2 hmkgUV 0 1633 0 1241 03156 1 22 11 mXY mXY 脫吸因數為6691 0 5 13109 1 3156 1 L mV S 氣相總傳質單元數為 68 13 6691 0 00008821 0 02450 0 6691 0 1ln 6691 01 1 1ln 1 1 22 21 S YY YY S S NOG 氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯式計算 45 1 exp 1 2 0 2 05 0 2 2 1 075 0 tLL L L tL Lt L L c t w a U g aU a U a a 不同材質的 c值見表 3 表 3 不同材質的 c值 材質鋼陶瓷聚乙烯聚氯乙烯碳玻璃涂石蠟的表面 表面張力 N m 103 75613340567320 查表知 2 427680 33hkgcmdyn c 所以 3560 0 5 132940896 7 995 785 11028 1027 17 995 5 132785 11028 883 2 5 132 785 11028 940896 427680 45 1 exp 1 2 0 2 05 0 82 2 1 075 0 t w a a 氣膜吸收系數由下式計算 1206 0 303314 8 1036001988 0 5 132 3600101988 0037 1 067 0 067 0 5 132 462 10320 237 0 237 0 2 4 3 1 4 7 0 3 1 7 0 kpahmkmol RT Da Da U Vt VV V vt V G 液膜吸收系數由下式計算 6524 0 7 995 1027 1 883 2 360010105 27 995 883 2 883 25 1323560 0 785 11028 0095 0 0095 0 3 1 8 2 1 9 3 2 3 1 2 1 3 2 L L LL L Lw L L g Da U 表 4 各類填料的形狀系數 填料類型球棒拉西環弧鞍開孔環 值 0 720 7511 191 45 查表 4 得 45 1 則 h aa kpahmkmolaa wLL wGG 1 70 3545 1 5 1323560 0 6524 0 561 8 45 1 5 1323560 0 1206 0 4 04 0 31 11 1 5 06959 0 973 3 765 2 F uu 由 得 a u u a a u u a L F L G F G 5 0 6 21 5 0 5 91 2 2 4 1 h a kpahmkmola L G 1 26 3870 35 5 06959 0 6 21 86 16561 8 5 06959 0 5 91 2 2 34 1 則 173 8 26 384146 0 1 86 16 1 1 11 1 3 kpahmkmol aHa a LG G 由 m Pa V aK V H G Y OG 3759 0 8 0785 0 3 101173 8 373 156 2 由 mNHZ OGOG 142 5 68 133759 0 68 6142 5 30 1 Z 設計取填料層高度為 mZ7 對于階梯環填料 mh D h 615 8 max 將填料層分為 2 段設置 每段 3 5m 兩段間設置一個液體再分布器 取 則填料塔總高度為 12 D h mDh6 98 01212 5 45 4 填料層壓降計算填料層壓降計算 采用 Eckert 通用關聯圖計算填料層壓降 橫坐標為 03449 0 7 995 037 1 037 15000 02 18484 307 5 05 0 L V V L 查表知 1 116 m P 縱坐標為 09006 0 8007 0 7 995 037 1 81 9 1116765 2 2 0 2 2 0 2 L L VP g u 查圖 3 得 mpa Z P 8 735 填料層壓降為 kpapaP151 5 7 8 735 圖 3 通用壓降關聯圖 5 55 5 液體分布裝置液體分布裝置 液體分布器的作用 液體分布裝置設于填料層頂部 用于將塔頂液體均勻分布在 填料表面上 液體的分布裝置性能對填料塔效率影響很大 特別是大直徑 低填料層 的填料塔 尤其需要性能良好的液體分布裝置 由于液體在填料塔內分布均勻 可以增大填料的潤濕表面積 以提高分離效果 因此 液體在塔頂的初始均勻噴淋 是保證填料塔達到預期分離效果的重要條件 從 噴淋密度考慮 應保證每 60的塔截面上約有一個噴淋點 這樣 可以防止塔內壁流 2 m 和溝流現象 常用的液體分布裝置有蓮蓬式 盤式 齒槽式及多孔管式分布器等 蓮蓬式噴淋器 液體經半球形噴頭的小孔噴出 小孔直徑為 3 10m 做同心圓排列 噴灑角不超過 這種噴淋器結構簡單 但只適用于直徑小于 600mm 的塔中 且小孔 80 易堵塞 盤式分布器 盤低開有篩孔的稱為塞孔式 盤底裝有垂直短管的稱為溢流管式 液體加至分布盤上 經篩孔或溢流短管流下 篩孔式的液體分布效果好 而溢流管式 自由截面積較大 且不易堵塞 盤式分布器常用于直徑較大的塔中 基本可保證液體 分布均勻 但其制造較麻煩 齒槽式分布器 液體先經過主干齒槽向其下個條形做第一級分布 然后再向填料 層上面分布 這種分布自由截面積大 不易堵塞 多用于直徑較大的填料塔 多孔環管式分布器 由多孔圓形盤管 聯接管及中央進料管組成 這種分布器氣體阻 力小 特別使用于液量小而氣量大的填料吸收塔 液體分布裝置的安裝位置 須高于填料層表面 200mm 以提供足夠的自由空間 讓 上升氣流不受約束地穿過分布器 根據氨氣易溶解的性質 可選用目前應用較為廣泛 的多孔型布液裝置中的排管式噴淋器 多孔型布液裝置能提供足夠均勻的液體分布和 空出足夠大的氣體通道 自由截面一般在 70 以上 也便于制成分段可拆結構 液體引入排管噴淋器的方式采用液體由水平主管一側引入 通過支管上的小孔向 填料層噴淋 排管式噴淋器采用塑料制造 分布點密度計算 為了使液體初始分布均勻 原則上應增加單位面積上的噴淋點數 但是 由于結 構的限制 不可能將噴淋點設計得很多 根據 Eckert 建議 當時 每mmD750 塔截面設一個噴淋點 則總布液孔數為 2 60cm 8473 83 1060 8 0785 0 4 2 n 布液計算 由 HgndL oS 2 4 2 smsmLS 001546 0 7 9953600 02 18484 307 33 取 60 0 mmH160 則 mm m Hgn L d S o 70 4 004696 0 16 0 81 9 26 08414 3 001546 04 2 4 5 65 6 液體再分布裝置液體再分布裝置 實踐表明 當噴淋液體沿填料層向下流動時 不能保持噴淋裝置所提供的原始均 勻分布狀態 液體有向塔壁流動的趨勢 因而導致壁流增加 填料主體的流量減小 塔中心的填料不被潤濕 影響了流體沿塔橫截面分布的均勻性 降低傳質效率 所以 設置再分布裝置是十分重要的 液體分布器分為截錐形再分布器 邊圈槽型再分布器 改進截錐形再分布器 圖4 a b 為兩種截錐式再分布器 其中 a 型是將截錐體固定在塔壁上 其上下均可裝滿填料 錐體不占空間 是最簡單的一種 b 型是在截錐上方設支承 板 截錐以下隔一段距離再放填料 需分段卸出填料時可用此型 截錐體與塔壁的夾 角一般取為35 400 截錐下口直徑 D1 0 7 0 8 D 截錐型再分布器適于直徑800mm 以下的塔應用 a b 截錐式 c 邊圈槽形 d 改進截錐式 圖 4 常用液體再分布器 圖4 c 為邊圈槽形再分布器 壁流液匯集于邊圈槽中 再由溢流管引入填料層 邊槽寬度為50 100mm 可依塔徑大小選取 溢流管直徑為16 32mm 一般取3 4根溢 流管 此型結構簡單 氣體通過截面較大 可用于300 1000mm 直徑的塔中 其缺點是 噴灑不夠均勻 圖4 d 為改進形分配錐 此型既改善了液體分布情況 又有較大的自由截面積 適用于600mm 以下塔徑 綜上所述 本課程設計選用邊圈槽形再分布器 邊槽寬度為 70mm 溢流管直徑為 25mm 5 75 7 填料支撐裝置填料支撐裝置 填料支承裝置用于支承塔填料及其所持有的氣體 液體的質量 同時起著氣液流 道及氣體均布作用 故在設計支承板是應滿足下列三個基本條件 1 自由截面與塔 截面之比不小于填料的空隙率 2 要有足夠的強度承受填料重量及填料空隙的液體 3 要有一定的耐腐蝕性 用豎扁鋼制成的柵板作為支承板最為常用 如圖 5 中的 a 柵板可以制成整塊或 分塊的 一般當直徑小于 500mm 時可制成整塊 直徑為 600 800mm 時 可以分成兩塊 直徑在 900 1200mm 時 分成三塊 直徑大于 1400mm 時 分成四塊 使每塊寬度約在 300 400mm 之間 以便拆裝 a 柵板 b 升氣管式 c 十字隔板環層 圖5 填料支承板 柵板條之間的距離應約為填料環外徑的0 6 0 7 在直徑較大的塔中 當填料環 尺寸較小的 也可采用間距較大的柵板 先在其上布滿尺寸較大的十字分隔瓷環 再 放置尺寸較小的瓷環 這樣 柵板自由截面較大 如圖5 c 所示 當柵板結構不能滿足自由截面要求時 可采用如圖5 b 所示的升氣管式支承板 氣相走升氣管齒縫 液相由小孔及縫底部溢流而下 這類支承板 有足夠齒縫時 氣 相的自由截面積可以超過整個塔德橫截面積 所以絕不會在此造成液泛 填料支撐裝置對于保證填料塔的操作性能具有重大作用 采用結構簡單 自由截 面較大 金屬耗用量較小的柵板作為支撐板 為了改善邊界狀況 可采用大間距的柵 條 然后整砌一 二層按正方形排列的瓷質十字環 作為過渡支撐 以取得較大的孔 隙率 由于采用的是的填料 所以可用的十字環 mm38 mm75 塔徑 設計柵板由 2 塊組成 且需要將其擱置在焊接于塔壁的支持圈mmD800 或支持塊上 分塊式柵板 每塊寬度為 400mm 每塊重量不超過 700N 以便從人孔進 行裝卸 5 85 8 流體進出口裝置流體進出口裝置 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 450向下斜口或切成向下切口 使氣流折轉向上 對 1 5m 以下直徑的塔 管的末端可制成下彎的錐形擴大器 或采用 其它均布氣流的裝置 氣體出口裝置既要保證氣流暢通 又要盡量除去被夾帶的液沫 最簡單的裝置是 在氣體出口處裝一除沫擋板 或填料式 絲網式除霧器 對除沫要求高時可采用旋流 板除霧器 常壓塔氣體進出口管氣速可取 10 20m s 高壓塔氣速低于此值 液體進出口管 氣速可取 0 8 1 5m s 必要時可加大些 管徑依所選氣速決定后 應按標準管規格 進行圓整 并規定其厚度 氣體進氣口氣速取 16m s 液體進液口流速取 1 2m s 氣體進出口管直徑 mm333m3325 0 36001614 3 00054 u 4Vs D1 液體流量 h m565 5 7 995 02 18484 397 h kmol866 174L 3 液體進出口管直徑 mm 5 40m04051 0 36002 114 3 565 5 4 D2 按標準管規格 GB8163 87 進行圓整后得 氣體進口出管直徑 D1 351mm 厚度為 10mm 液體進出管直徑 D2 42mm 厚度為 8mm 設計位于塔底的進氣管時 主要考慮兩個要求 壓力降要小和氣體分布要均勻 由于填料層壓力降較大 減弱了壓力波動的影響 從而建立了較好的氣體分布 同時 本裝置由于直徑較小 可采用簡單的進氣分布裝置 5 95 9 水泵及風機的選型水泵及風機的選型 吸收劑實際流速 sm D Vs u 116 1 4 2 2 實 根據初步設計 l垂直 10m l水平及彎 2m l總 12m 4 10829 5 0008007 0 7 995116 1 042 0 Re du 新的無縫鋼管絕對粗糙度約值為0 02 0 1mm 相對粗糙度為 查002381 0 042 0 1000 1 0 d 莫狄圖得摩擦系數 約為0 026 列出液體進口和液體出口的兩截面的機械能守恒方程 即可求得壓頭H mH m g u d ll H Z H g p g u ZH e 72 14716 4 3600 7 995 5151 10 5151Pap 716 4 81 92 116 1 0042 0 12 026 0 2 0u10 2 22 f 2 2 即填料層壓降操作壓力為常壓 所以 取 泵功率WgHQNe3 22281 9 7 995 3600 565 5 72 14 查離心泵的規格 IS 50 32 200 中n 1450 r min Q 6 3m3 h H 12 5m 54 N 0 75W 該離心機最為適合 空氣入口和出口間的壓差即為填料層壓降 除霧沫器壓降及阻力損失 大約取600Pa Pt 5151 6