填料塔课程设计(20210111220459)

1、填料塔课程设计 目 录 1. 前言(4) 2. 设计任务(6) 3. 设计方案说明(6) 4. 基础物性数据(6) 5. 物料衡算(6) 6. 填料塔的工艺尺寸计算 (8) 7. 附属设备的选型及设备(14) 8. 参考文献(19) 9. 后记及其他 (20) 1. 前言 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，它是化匚类企 业中最常用的气液传质设备之一。而塔填料塔内件及工艺流程乂是填料塔技术发 展的关键。聚丙烯材质填料作为塔填料的重要一类，在化工上应用较为广泛，与 其他材质的填料相比，聚丙烯填料具有质轻、价廉、耐蚀、不易破碎及加工方便 等优点，但其明显的缺点是表面润湿性能。 1

2、.1填料塔技术 填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的 方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从 塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体 分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填 料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触 式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相, 液相为分散相。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液 流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均

3、, 从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布 装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的 液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等 优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地 润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对 侧线进料和出料等复杂精憎不太适合等。 1. 2填料的类型 填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。 散装填料是一个个具有一定儿何形状和尺寸的颗粒体

4、，一般以随机的方式堆积在 塔内，乂称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，乂可分为环形 填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。 规整填料是按一定的儿何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多， 根据其儿何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。 根据设讣的费用和分离要求来考虑，本设计采用散装填料。 1. 3填料的几何特性 填料的儿何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料 性能的基本参数。 1. 4填料的性能评价 填料性能的优劣通常根据效率、通量及圧降三要素衡量。在相同的操作条件 下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率 越高；填料

5、的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低 填料塔的流体力学性能 1. 5填料塔的流体力学性能 主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。 1. 6填料的选择 填料的选择包括填料种类的选择、填料规格的选择（散装填料规格的选择、 规整填料规格的选择）、填料材质的选择等，所选填料既要满足生产工艺的要求, 乂要使设备投资和操作费用最低。在填料的选择中，我选用氐50填料。因为设 计任务的年产量比较小，塔径为800mm,不适合用尺寸大的填料。而在同类填料 中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增 加很多。而D、50填料正处于两者之间。是理想的

6、填料类型。 1.7填料塔的内件 填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收 集再分布装置等。合理地选择和设讣塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的 传质性能十分重要。 2. 设计任务 原料气组成： 丙酮一空气双组分混合气体 丙酮含量14. 0%（体积） 处理量： 1.3X10 4. 1 X 107 Nm 3/a （标准体积流量） 年吸收能力1.2X107m3,年开工3600小时 操作条件： 连续常压操作（t二2030 t ） 尾气要求： 出塔气体中丙酮含量不大于原料气中丙酮含量的0. 5%. 吸收剂： 清水 3. 设计方案的说明 用水吸收丙酮溶解的吸收过程，为提高传质效

7、率，选用逆流吸收流程， 因用水作为吸收剂，且丙酮不作为产品，故采用纯溶剂。 对于水吸收的丙酮过程，操作温度及操作压力较低，故此用塑料阶梯环D、20 填料。 4. 基础物性数据 4.1液相物性数据 20C时水的有关物性数据如下： 密度为 P = 998. 2kg / zzz3 粘度为 p = 0. 001/.s = 3. 6滋 /（也.力） 表面张力为 6 =72. dyn / cm = 940896Rg / h 丙酮在水中的扩散系数为Dl = 1. 3 x 10-9/ / s = 4. 68 x IO/ / h 4. 2气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 M血=Zy, Mi = 0. 14

8、 x 58. 08 + 0. 86 x 29 = 33. 0712滋 / kmol 混合气体的平均密度为 pVa = PMVS / RT = (101. 325 x 31. 908)/(8. 314 x 293) = 1. 3756仗 / 卅 混合气体的粘度可近似取空气的粘度，查手册的20 C空气的粘度为 /r = 1. 81 x IO-0= 0. 065相平衡常数为dfE/P二1. 5949 5. 物料衡算 进塔气相摩尔比为 乙= = -0, 11= 0. 1628 1 1 -儿 1 - 0. 14 出塔气相摩尔比为： 匕=乙(1 ) = 0. 0228 进塔惰性气相流量为(1.2X107

9、)/3600=3333. 3 八普 X 昇务 X （1 0. 14） = 119. 2T 厂 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，B|J： Z V. 7 21H K - 3 Yjm - 0. 1628 - 0, 0228 0. 1628/1.5949 -0 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 =1.3715 取操作液气比为; 1. 5 x 1. 3715 = 1.5 2. 06 L = 2. 06 x 119. 24 = 245. G3kmo1 h 由物料衡算式：/（匕-乙）=厶（兀-兀） =0. 0680 119 24 x (0. 1628 0. 0228) 24

10、5. 63 表1全塔物料衡算总表 进塔 出塔 气相中丙酮的量 1127. 46仗 / 力 气相中丙酮气的量 157. 90 / h 惰性气体的量 3457. 96仗 / h 惰性气体的量 3457. 96kg / h 水中丙酮气的量 0 kg / h 水中丙酮的量 970. 10 / h 水的量 4426. 25kg / h 水的量 4426. 25女g / h EINPUT 9011. Mkg / h EOUTPUT 9012. 2血 / 力 从上表可知进出塔的物料总量基本相等，结果差异主要是山于用尾气吸收 公式算的理论水中丙酮的量比实际吸收丙酮的量要大。 6. 填料塔的工艺尺寸的计算 6.

11、1塔径的计算 采用Eckert通用关联图汁算泛点气速。 气相质量流量为 阵=3333. 3 x 1. 3756 = 4585. 29kg Z?-1 液相质量流量可近似按纯水的流量il算，即 wL = 245. 63 x 18. 02 = 4426. 25kg f Eckert通用关联图的横坐标为 Z 径厂=4426. 25 (Lj756)0.5 = wv pL J 4585. 29 998. 2 2 Eckert 图得 沁 S0.2 s Pl 查表得陶瓷拉西环矩鞍泛点填料因子平均值为 0. lgpL_0. 20 X 9. 81 X 998. 2_ Q“ !aT厶 ouu 1JD S Y 如陀疋

12、、V177 X 1 X 1. 756 X I0 2 u = Q. 7uf = 0. 7 x 2. 8361 = 1. 9853zzz s 1 =0. 7708加 4 x 3333. 3 / 3600 兀u 3. 14 x 1. 9853 圆整塔径，取D二0. 8m二800mm 3333. 3/ 泛点率校核 /36Q0. = 1. 8430 0. 785 x 0. 8 1.8430 2. 8361 =65. 0% 在05、085的允许范围内,合格 填料规格核算 = 22 = 21.05 8 d 38 液体喷淋密度核算 取最小润湿速率为 (08 % 力 查表得拉西环矩鞍压5。的比表面积 几n =(

13、4)ninf = 0.08 x 93 = 7. 44 % 力 4426. 0. 785 x 0. 82 =883 U m in 经以上核算可知，选用D二800mm合理 0.W1 0.6 0.2 OK O.H (普沁 r O.( 0.(1 0碗 Qg 0.094 0.0)3 a Ft zSi55 onSH ta or age an tnci u wae a r 9 a s 4 t m 图1填料层的泛点和汗强降的通用关联图（ECKERT图） 6. 2填料层高度计算 Y =mX1 =1. 5949 x 0. 0680 = 0.1085 Y，2 二血二0 脱吸因数为 s= 1.5949 x 119.2

14、4 = 07742 L245.63 气相总传质单元数为 Nog = In 1 - S 匸右莎 N (!- 0. 7742)需|弓 + 0. 7742 = 3. 8540 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算 查常见材质的临界表面张力值表 ac = Qldyn cnT、= 790560+ ； + 119. 24 k； aH k L a 4. 78770. 3428 x 17. 9785 二 = = = 0 8749zff Kg KcaP 2. 695 x 101. 3 x 0. 785 x 0. 82 Z=HogNog=0. 8749x3. 8540=3. 3719m 取 Zr = l.

15、2 x Z = 1. 2 x 3. 3719 = 4. 0463/zz 取 Zf = 5z 对拉西环填料，4 = 2.5、hg D 取勺=2. 5,则 D h= 2. 5 x 800 = 2000mm 计算N = 5000翊，故需要分两段。 6-3填料层压降的计算 采用Eckert通用关联图计算填料层压降。 0.0358 998. 2 丿 横坐标为坐 Pl 丿 4426. 25 4585. 29 查表得陶瓷拉西环压降填料因子平均值为： p = 288/77-1 纵朋标为/pv 0.2 _ 1. 8430: X 288 x -x 旦逆 x I0 2 = 0. 1374 g Pl9.81998.2

16、 查Eckert通用关联图得： LPjZ = 124 x 9. 81 = 1216. 44 Pa 十 则填料塔的压强降为AP =1216. 44 x 5 = 6082. 2Pa, 1.辅助设备的选型及设备 7.1液体分布器 7.1.1液体分布器的选型 该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器。 7.1. 2分布点密度计算 根据Eckert的散装填料塔分布布点密度推荐值，D二750mm时取喷射点密度 为170点/m，,现D二800mm,取喷射点密度为180点/* 则布液点数为 = 0. 785 x 0. 82 x 180 = 90. 432 取130点. 按分布点儿何均匀与

17、流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：二级 槽共设五道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm,槽高度为210mm,两槽中心矩为 160mm。分布点采用三角形排列，实际设讣点数n二92点，如下图所示: 图2为槽式液体分布器布液点设计图 7.1. 3分液计算 Ls = 4 / 、 % % (4 x 4426/ 7998. 2 x 3600 (/皿2gH丿 3. 14 x 92 x 0. 6 x a/2 x 9. 81 x 0. 16 1 / 则，心= 取孔流系数，开孔上方的液位高度分别为：0 = 0.60,M = 160磁 % =0. 004005/zz 设计取 d=4mm 7. 2填料支撑结构 填

18、料支承结构应满足3个基本条件：使起液能顺利通过.设计时应取尽可 能大的自山截面。要有足够的强度承受填料的重量，并考虑填料孔隙中的持液 重量。要有一定的耐腐蚀性能。填料支承装置的作用是支承塔内的填料，常用 的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。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。本设计根据需要，选 择栅条式支承装置。 7. 3填料压紧装置 填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填 料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类。填料压板自山放置于填料层上 端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填

19、料。床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填 料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用 连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。本设计 中填料塔在填料装填后于其上方安装了填料压紧栅板。 7.4液体再分布器装置 液体在乱堆填料层内向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，偏流往往造成塔 中心的填料不被润湿，降低表面利用率。根据再分布器各种规格的使用范圉，最 简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。 7. 5除沫装置 除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液滴。山于氨 气溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排

20、出，影响吸收效率，釆用除沫 装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。 7. 6接管口尺寸的计算 为防止流速过大引起管道冲蚀，磨损，震动和噪音，液体流速一般不超过 3m/s ,气体流速一般不超过10-30m./s。管径计算公式：/ =巴,由于该 -V兀u 填料塔吸收在底浓度下进行，故气液体进出空的管径相同。 (1) 丙酮与空气混合气体：取u=30 m/s所以山公式: =213zz2zz? 4 x 3333. 3 3. 14 x 3600 x 26 (2) 圆整取213mm (3) 查表(GB8163-87)管子规格表，可选取219mmX9. 5mm的无缝钢管，内径 为：219-

21、2X9. 3二200mm 在对气体流速进行校核: 3333. 3 3600 x 0. 785 x 0. 22 =29. 49m / s 所以，管子选取合格 (4) 对于液体进岀口，取液体流量为2m/s 同理查表(GB8163-87)管子规格表，可选取219mmX9. 5mm的无缝钢管，内 径为:219-2X9. 5二200mm 4426 25998 2 在对液体流速进行校核：S = 3 = -39W 5,所以，管子选取合格 表2 il算结果总表 项目 数据 操作压强P/kPa 101. 325 各段平均温度t w/C 20 塔径D/ mm 800 填料分段髙度h/mm 2000 填料层高度Zm

22、m 5000 空塔流速(m/s) 1.843 填料层压强A P/Pa 6082. 2 气相总传质单元数Ng 3. 854 气相传质单元高度H/mni 874.9 布液点数n/点 92 孔径g /mm 4 气体进出管道的尺寸mm 219x9. 5 液体进出管道的尺寸mm 219x9. 5 &参考文献 1 .陈敬恒等.化工原理.下册.北京:化学工业出版社,2000 2 .上海医药设计院编.化工工艺设计手册.北京:化学工业出版社,1996 3 .匡国柱，史启才主编.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版 社，2002 4 .王树楹主编.现代填料塔技术指南.北京：中国石化出版社,1998 5

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