化工原理课程设计

1、化工原理课程设计说明书 填料吸收塔化工原理课程设计说明书设计题目: 填料吸收塔设计者: 班级 姓名 日期： 指导教师: (签字) 设计成绩: 日期 附: 填料吸收塔设计任务书一、 设计题目填料吸收塔设计二、 设计任务及操作条件、原料气处理量 9000Nm3/h。、原料气组成：97空气3的氨气。、操作温度：20。、氨气回收率：99。、操作压强：常压。、吸收剂：清水。、填料选择：鲍尔环。三、 设计内容1. 设计方案的确定及流程说明。2. 填料吸收塔的塔径，填料层的高度，填料层的压降的计算。3. 填料吸收塔的附属机构及辅助设备的选型与设计计算。4. 吸收塔的工艺流程图。5. 填料吸收塔的工艺条件图目

2、录第一章 设计方案的简介 （4）第一节 选定塔型（4）第二节 确定填料吸收塔具体方案 （4）第三节 选择吸收剂（5）第四节 操作温度与压力的确定（5）第二章 填料的类型与选择 （5）第一节 填料的类型（5）第二节 填料的选择 （6）第三章 填料塔工艺尺寸 （8）第一节 基础物性数据 （8）第二节 物料衡算（9）第三节 填料塔的工艺尺寸的计算（9）第四节 填料层压降的计算 （13）第四章 辅助设备的设计与计算 （14）第一节 液体分布器的简要设计 （14）第二节 支承板的选用 （15）第三节 管子、泵及风机的选用 （15）第四节 除雾沫器和填料压板选用 （17）第五章 塔体附件设计 （18）第一

3、节 塔的支座 （18）第二节 其他附件 （18）主要符号说明 （19）附图一：氨吸收的工艺流程图附图二：填料塔的设计条件图第一章 设计方案的简介第一节选定塔型塔器是关键的设备。例如在气体吸收、液体精馏（蒸馏）、萃取、吸附、增湿中、离子交换等过程中都有体现。通常，我们将塔分为板式塔和填料塔两大类。其中填料塔是一个圆筒塔体，塔内装载一层或多层填料，气相由下而上，液相由上而下接触，传热和传质主要在填料的表面进行，填料的选择是填料塔的关键。填料塔制造方便，结构简单，采用材料可是耐腐蚀的材料或者是金属以及塑料，在塔径较小的情况较有效，使用金属材料省，一次投料较少，塔高较低。板式塔与填料塔对比:序号填料塔

4、板式塔800mm以下，造价低，直径大则价高600mm以下时，安装困难用小填料时，小塔的效率高，塔径增大，效率下降，所需高度急增效率较稳定。大塔板效率比小塔板有所提高空塔速度（生产能力）低空塔速度高大塔检修费用高，劳动量大检修清理比填料塔容易压降小。对阻力要求小的场合较适用（如：真空操作）压降比填料塔大对液相喷淋量有一定要求气液比的适应范围大内部结构简单，便于非金属材料制作，可用于腐蚀较严重的场合多数不便于非金属材料的制作持液量小持液量大基本原则是：、生产能力大，有足够的弹性。、 满足工艺要求，分离效率高。、 运行可靠性高，操作、维修方便，少出故障。、 结构简单，加工方便，造价较低。、 塔压降小

5、。综上考虑，吸收9000Nm3/h含3%的生产任务较小，由于它结构简单，造价较低，便于采用耐蚀材料使得寿命较长，我们采用填料吸收塔完成该项生产任务。第二节 确定填料吸收塔的具体方案、 装置流程的确定装置流程主要有以下几种：（） 逆流操作 气相自塔底进入由塔顶排出，液相由塔顶流入由塔底流出，其传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用此操作。（） 并流操作 气液两相均由塔顶流向塔底，其系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，液流对推动力影响不大；易溶气体的吸收或吸收的气体不需吸收很完全；吸收剂用量很大，逆流操作易引起液泛。（

6、） 吸收剂部分循环操作 在逆流操作过程中，用泵将吸收塔排除的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，通常以下情况使用：当吸收剂用量较少，为提高塔的喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温度升高，需取出一部分热量。该流程特别适用于相平衡常数m较小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的利用率。需注意吸收剂的部分再循环较逆流操作费用的平均推动力较小，且需设置循环泵，操作费用提高。由于氨在水中的溶解度很大。逆流操作时平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。逆流操作是完成该项任务的最佳选择。在生产工艺流程图(附图一)中,吸收剂水由离心泵输送至填料塔的塔顶,经液体分布器(喷淋装

7、置)均匀的分布在填料上,使填料整个的充分润湿。气体由风机从塔底送入，含少量氨的空气经过填料时，与填料上的吸收剂水相接触，此时在填料的表面发生传质过程实现氨的吸收。吸收剂水通过填料吸收氨后由塔底排除，而带有少量氨的空气完成吸收后氨的含量已在2%以下由塔顶放空。第三节 选择吸收剂吸收过程是依靠气体溶质在溶剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂的性能的和优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择时有以下考虑方面：（） 溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。（） 选择性吸收剂对溶质组分要有良好的选择吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。

8、（） 挥发度要低操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，要减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发和损失。（） 粘度吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。（） 其他所选的吸收剂尽量的满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、廉价易得以及化学性质稳定等要求。在吸收空气中少量的氨时，水是最理想的溶剂，由于氨在水中的溶解度很大；常温常压下，水的挥发度很小；粘度较小；价格低廉等。第四节 操作温度与压力的确定（） 操作温度的确定由于吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度。即低温有利于吸收，当操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。（） 操作压力的

9、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的条件综合考虑，以确定操作压力。在该任务中，由于在常温常压下操作且在此条件下氨的溶解度很大，且受温度与压力的影响不大，在此不做过多的考虑。第二章 填料的类型与选择第一节 填料的类型填料的种类很多，根据装填的方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。1、 散装填料散装填料是一个个具有一定集合形状和尺寸的颗粒体一般以随机的方式堆积在塔内的，又称为乱堆填料和颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、和环鞍的填料等。以下

10、是典型的散装填料：（1） 拉西环填料拉西环填料是最早提出的工业填料，其结构为外径与高度相等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制成。拉西环填料的气液分布较差、传质效率低、阻力大、通量小，目前工业上用得较少。（2） 鲍尔环填料鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。其结构为在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗口，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶诸舌叶的侧边与环中间相搭，可用陶瓷、塑料、金属制造鲍耳环由于环内开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比通量可提高50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是目前应用较广的填料之一。（3） 阶梯

11、环填料阶梯环是对鲍尔环的改进。鲍尔环相比阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形的翻边由于高径比减少，使得气体绕填料外外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅提高了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变为点接触为主，这样不但增加了填料层之间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新。有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前环形填料中最为优良的一种。2、 规整填料规整填料是按一定的的几何图形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料。工业上使用的绝大多数规整填料为波纹填料。

12、波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料可用陶瓷、塑料、金属制造。金属丝波纹填料是网波纹填料的主要形式，是由金属丝制成。其特点是压降低、分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性的精馏提供了有效的手段。尽管造价高，但因性能优越仍得到了广泛的应用。金属板波纹填料是板填料的主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多4mm6mm的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上扎成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能

13、力大，比表面积大。其缺点是不适用于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清洗困难、造价高。第二节填料的选择填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选的填料既要满足工艺的要求，又要设备投资和操作费用低。1、 填料种类的选择填料种类的选择要考虑到分离工艺的要求，有以下几方面：（1） 传质效率传质效率即分离效率。它的表示方法有两种：一是每个理论级当量的填料层高度，即HETP值；二是每个单元相当的填料层高度既HTU值。在满足工艺要求的条件下，应选用传质效率高，即HETP(HTU)值低的填料。（2） 通常在相同的液体负荷下，填料的泛点气速或气相动能因子愈大，则通量愈大，塔的处理能力愈大。因此

14、，在选择填料种类的时，在保证具有较高的传质效率的前提下，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，填料层的压降愈低，动力消耗愈低，操作费用愈小。选择低压降的填料对热敏系的分离尤为重要。比较填料的压降有两种方法，一是比较填料层单位高度的压降；另一是比较填料层单位传质效率的比压降。（4） 填料的操作性能填料的操作性能主要是指操作弹性、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，还应有一定的抗堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。此外，所选的要便于安装、拆卸和检修。.填料规格的

15、选择通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择方法也有所不同，选择的方法亦不尽相同，现在分别加以介绍。（）散装调料规格的选择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16、25、38、50、76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中,又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率低。因此对塔径与填料尺寸的比值要有一规定,采用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列如下表：填料种类D/d的推荐值拉西环D/d2030鞍环D/d15鲍尔环D/d1015阶梯环D/d8环矩鞍D/d8（）规整

16、填料规则的选择工业上常用规整填料的型号和规格表示方法有多种，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格，同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显的增加。选用时应分离要求、通量要求、场地的条件、物料的性质及设备投资、操作费用等方面考虑，使所选填料既能满足工艺的要求，又具有经济合理性。应予指出，一座填料塔可以选用同种类型、同一规格的填料，也可选用不同种类型、不同规格的填料，设计时灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。2、 填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。（1） 陶瓷填料

17、陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的常见的各种无机酸、有机酸的腐蚀，对强酸碱介质，可以选用耐碱配方制成的耐碱陶瓷填料。陶瓷填料因其质脆、易碎，不宜在高冲击强度下使用。陶瓷填料价钱便宜，具有很好的表面润湿性能，工业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程。（2） 金属填料金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性综合考虑。碳钢填料的造价低，且具有良好的表面润湿的性能，对无腐蚀或低腐蚀性的物系要优先考虑使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般除了Cl-以外的常见物系应优先的腐蚀，但其造价较高，钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价极高，一般只

18、在某些腐蚀性极强的物系下使用。金属填料可制成薄壁结构（0.21.0mm），与同种类型、同种规格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大，气体阻力小，且具有很高的抗冲击性强，能在高温、高压高冲击强度下使用，工业上主要以金属填料为主。（3） 塑料填料塑料填料的材质只要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等，国内一般都采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性较好，可耐无机酸，碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，好长期在100以下使用。聚丙烯在低温（低于）时具有冷脆性，在低于时条件下慎用，可选用耐低温好的聚氯乙烯填料。塑料填料具有质轻、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

19、。塑料的缺点是表面润湿性差，在某些场合，需要对其表面进行处理，以提高表面的润湿性能。综上对各种类型、各种规格填料的分析，对于在20，101.3KPa下吸收9000m3/h空气含2%的氨，由于操作温度及操作压力较低，工业上常用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料性能较好，故选用38聚丙烯阶梯环填料。第三章 填料塔工艺尺寸第一节基础物性数据1、液相物性数据对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，20水的物性数据：密度为 =998.2kg/m3粘度为 =0.001Pas=3.6kg/(mh)表面张力 =72.6dyn/cm=kg/h2氨在水中的扩散系数=2.0

20、7*10-5cm2/s=7.45*10-6m2/h2、气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为 =0.03*17.03+0.97*29=26.7混合气体的平均密度对于低浓度该气体粘度近似的取空气粘度。查手册地20空气的粘度为=1.81*10-5 Pas=0.065 kg/(mh)查手册得NH3在空气中的扩散系数为DV=0.224cm2/s=0.08064m2/h3、气液相平衡数据由手册查得，常压下，20时，NH3在水中的亨利系数为E=76.99kPa相平衡常数为m=E/P=76.99/101.3=0.76溶解度系数为第二节物料衡算进塔的气相摩尔比为出塔的气相摩尔比为进塔惰性气相流量为该吸收过程属低

21、浓度吸收，平衡关系为一条直线，最小液气比为 =0.7524取操作液气比为=1.4*0.7524=1.053L =1.053*244.58=257.54 kmol/h=第三节 填料塔的工艺尺寸的计算1、塔径计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速。气相的质量流量为=9000*1.11=9990 kg/h液相质量流量可近似按纯水的质量流量计算，即=257.54*18.02=4640.87 kg/hEckert通用关联图的横坐标为=0.0155查Eckert通用关联图得=0.23查表50聚丙烯鲍尔环填料泛点填料因子平均值为=140 m-1 取 u=0.7uF=3.723*0.7=2.606m/s由

22、=1.222m圆整塔径，取D=1.0m泛点率校核：=*100% =85.55% (在允许范围内)填料规格校核：液体喷淋密度校核：取最小润湿率为=0.08 m3/mh查表得：50聚丙烯鲍尔环填料的比表面积=100m2/m3=0.08*100=8 m3/m2h U=5.9250%由=1+9.5（0.7001-0.5）1.4 *3.11=6.216 kmol/(m3.h.kpa)=1+2.6(0.7001-0.5)2.2*36.44=39.19 1/h由设计取填料塔的高度为 =10 m查表,由散装填料分段高度推荐值得：对50聚丙烯鲍尔环填料 =510，取=10，则h=10*1000=10000 mm

23、计算高度为9000mm，故不需分段。第四节 填料层压降的计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降。横坐标为= 0.015查表，50聚丙烯鲍尔环填料因子平均值为=125 m-1纵坐标为查Eckert关联图得=491.48Pa/m填料压降为=491.48*9=4423.32Pa第四章 辅助设备的设计与计算第一节 液体分布器和气体分布器的简要设计一、液体分布器选择1、液体分布器的选型在选择液体分布器时，应考虑以下几方面：a.具有与塔填料相匹配的分液点密度，并保证分布均匀b.操作弹性较大，定位性好c.为气体提供最大的自由截面率，实现气体均布，而且阻力小d.抗污性能好，不易赌塞，不易产生物泡沫夹带和

24、发泡e.结构合理，便于安装、调整和维护其结构形式有：a.管式喷淋器 其结构形式比较简单b.莲蓬式喷洒器 一般用于直径600mm以下的塔c.盘式分布器 适用于直径800mm以上的塔d.槽式分布器 对于大塔径的分布器可采用板式或槽式分布器该吸收塔液相负荷较大，可采用槽式液体分布器。2、分布密度的计算第二节 支承板的选用填料支承板的首要目的是支承填料床层，并且不过分的限制气体和液体的流动，同时也起到重新分布气液两相作用。除非仔细设计，否则支承板会引起塔内过早的发生液泛。因此支承板的设计对塔的压力降和稳定操作范围有直接影响。填料支承安装在填料层底部，主要有以下几个作用：（1） 阻止填料穿过填料支承而掉

25、下来（2） 支承操作状况下填料床层的重量（3） 具有足够的自由面积以使气液两相自由通过（分块式填料支撑）（用于小塔径的填料支撑） （用于散装填料的气液分流式填料支承）（整体式填料支撑）上图列出了集中常见的填料支撑装置。支承装置的选择，主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流率等。第三节 管子、泵及风机的选用1、管子的选用(1) 液体管道的选用液体的质量流量为=4640.87 kg/h= 4640.87/（998.2*3600）=0.00129m3/s取液体的流速为2.6m/s则=25 mm 取公称直径= 25mm壁厚 S=3.5mm外径为Dw= 32mm流速(2) 气体管道的

26、选用=9000/3600=2.5 m3/s取气体的流速为12 m/s=0.515m= 515mm取公称直径为=550mm壁厚 S=9mm外径为Dw=580mm流速 10.53m/s无缝钢管的公称直径，外径与壁厚S2、管子的阻力的计算(1)液体的管路计算（3*10365631.653*106）用顾硫珍公式：=0.0056+0.500/Re0.25 =0.0368令管子的总长度为（）=10m=0.0368*(10/0.025)*2.632/(2*9.81)=5.19m=8+5.19=13.19m(2)气体的管路计算=98.90=64/98.90=0.647令管路的总长（）=2.5m=0.647*(

27、2.5/0.550)*10.532 /(2*9.81)=16.62m=16.62+18.2= 34.82m某些流体在管道中的常用流速范围流体的种类及状况常用流速范围/m*s-1水及低粘度的液体（105106）Pa1.53.0一般空气（常压）1020离心泵吸入管（水一类液体）1.52.0 离心泵排除管（水一类液体）2.53.03、离心泵的选用选用的离心泵为IS50-32-125型其性能表为：型号流量（m3/h）扬程转速(r.p.m)效率功率（kw）允许吸上真空高度轴电机IS50-32-1251518.529000.601.262.28.14、风机的选用 选用9-19型离心通风机，其性能如下：机号

28、转 速r.p.m全压 mmH2O流量 m3/h轴功率 kw电动机功率 kw14D96052726.237第四节 除雾沫器和填料压板选用一、填料压板的选用1、采用除雾沫器的必要性 为了捕捉出塔填料层气流中的液滴和雾沫，保证分离的质量，在塔的顶部液体入塔初始分离器的上方设置一定形式的除雾沫器。2丝网式除雾沫器 对于高粘度的填料垢，宜采用丝网式除雾沫器，它是由金属丝网或合成纤维的网状除雾沫元件，固定在两级除沫器，总的厚度200300mm丝网除沫装置的直径为允许的气液决定式中 最大允许气速（m/s） 液滴和气体的密度（kg/m3）K 经验参数操作气速取 =（0.750.80）对常压操作除雾沫器，操作气

29、速范围是：（1.01.5）m/s(4.04.5)m/s不同类型丝网特性参数类型堆密度/kg*m-3空隙率（%）比表面积/m-1K使用条件标准型（N型）144982792950.1070.116所有场合高效型（SL型）19219397.53753770.1070.108要求需高效场合适合高粘度和含少量颗粒场合（除10.8的雾沫外）高穿透型（H型）80112991582130.1220.128多股型（R型）43294.517800.055缠绕型（W型）20822497.23944280.076该任务可选用标准型的除雾沫器。二、填料压板填料压板是固定填料层，防止在操作发生窜动的固定装置，多采用螺丝固定在塔壁上。第五章 塔体附件设计第一节 塔的支座选用裙座为塔的支座，其座体为圆筒，上端与塔体的封头焊接，下端与基础环，肋板焊接。基础肋板间还组成螺栓座的结构，用以安装地脚螺栓，以将塔设备固定于基础上。它具有足够的强度和刚度，承受塔体操作重量，风力，地震等引力的载荷。裙座可选用碳素钢，也可选用铸铁。第二节 其他附件（1）接管 接管采用标准的法兰连接。（2）人孔 人孔的直径选用400mm(3) 吊耳、吊柱、平台和爬梯等