板式吸收塔的设计精品

1、合肥学院HEFEI UNIVERSITY化工原理课程设计题目：板式吸收塔的设计系别：化学与材料工程系专业：化工工程与工艺学号：model姓 名：model导师：prof二0 0八年七月板式吸收塔设计任务书一设计题目水吸收二氧化硫板式吸收塔设计二设计任务及操作条件1设计任务混合气体的处理为3000Nm3/h，其中含硫5%，要求塔顶排放气体中含硫低于 0.02%。采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小量的1.1-2.0倍。2操作条件：操作压力常压，操作温度203塔板类型：筛孔式塔板4设备型式：塔板5厂址：安徽地区三设计内容1设计方案的选择及流程说明2工艺计算3主要设备工艺尺寸设计（1）塔径的确定（2

2、）理论板数及全塔效率计算（3）板间距、总塔高、总压降及接管尺寸的确定4辅助设备选型与计算5设计结果汇总6工艺流程图及板式吸收塔工艺条件图7设计评述目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 第一章设计方案的简介.（5） HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 概述（5）塔设备的类型（5）板式塔与填料塔的比较及选型 （5） HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 板式塔的设计（8）设计方案一一装置流程的确定（8）塔板的类型与选择（9）

3、HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 第二章 板式塔工艺尺寸计算（10） HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 基础物性数据（10）液相物性数据（10）气相物性数据（10）气液相平衡数据（10）物料衡算（11） HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 板式吸收塔的工艺尺寸的计算（12）塔径计算（12）塔截面积（13）塔截面积（13） HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 溢流装置的计算（14）溢流堰长（15）出口堰高

4、（15）降液管的宽度和降液管的面积（16） HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 降液管底隙高度 （16） HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 塔板布置 （16） HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 筛板的流体力学验算（16） HYPERLINK l bookmark145 o Current Document 塔板负荷性能图（18）漏液线（18） HYPERLINK l bookmark119 o Current Document 液沫夹带线（19）液

5、相负荷下限线（20）液相负荷上限线 （23）液泛线（23） HYPERLINK l bookmark165 o Current Document 第三章板式塔的结构与附属设备（23） HYPERLINK l bookmark167 o Current Document 塔体结构（23）塔板结构（24） HYPERLINK l bookmark176 o Current Document 第四章 设计结果总汇（25）筛板塔设计汇总表（25）设计心得（26）附录1 主要符号说明附录2 参考文献附图一 板式吸收塔系统流程简图附图二 板式塔的设计条件图第一章 设计方案的简介概述塔设备的类型塔设备是化工

6、，石油化工，生物化工，制药等生产过程中广泛应用的气液传质 设备。根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上的液层，进行 传质与传热。在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化， 属逐级接触逆流操作过程。板式塔与填料塔的比较及选型板式塔与填料塔的比较工业上，评价塔设备的性能指标主要有以下几个方面：生产能力，分离效率， 塔压降，结构、制造及造价等。现就板式塔与填料塔的性能比较如下。1、生产能力板式塔与填料塔的液体流动和传质机理不同。板式塔的传质是通过上升气体穿 过板上的液层来实现，塔板的开空率一般占塔截面积

7、的7%10%；而填料塔的传质 是通过上升气体和靠重力沿填料表面下降的液流接触实现。填料塔内件的开孔率通 常在50%以上，而填料层的空隙率则超过90%，一般液泛点较高，故单位塔截面积 上，填料塔的生产能力一般均高于板式塔。2、分离效率一般情况下，填料塔具有较高的分离效率。工业上常用填料塔每米理论级为28 级。而常用的板式塔，每米理论版最多不超过2级。研究表明，在减压，常压和低 压操作下，填料塔的分离效率明显低于板式塔，在高压操作下，板式塔的分离效率 略优于填料塔。3、压力降填料塔由于空隙率高，故其压降远远小于板式塔。一般情况下，板式塔的每个 理论级压降约在0.4l.lkPa,填料塔约为0.010

8、.27kPa,通常，板式塔的压降高于填 料塔5倍左右。压降低不仅能降低操作费用，节约能耗。4、操作弹性一般来说，填料本身对气液负荷变化的适应性很大，故填料塔的操作弹性取决 于塔内件的设计，因而可根据实际需要确定填料塔的操作弹性。而板式塔的操作弹 性则受到塔板液泛，液沫夹带及降液管能力的限制，一般操作弹性较小。5、结构，制造及造价等一般来说，填料塔的结构较板式塔简单，故制造、维修也较为方面，但填料塔 的造价通常高于板式塔。应予指出，填料塔的持液量小于板式塔，持液量大，可使塔的操作平稳，不易 引起产品的迅速变化，故板式塔较填料塔更易于操作。板式塔容易实现侧线进料和 出料，而填料塔对侧线进料和出料等

9、复杂情况不太适合。对于比表面积较大的高性 能填料，填料层容易堵塞，故填料塔不易直接处理由悬浮物或容易聚合的物料。表1 板式塔与填料塔对比序号填料塔板式塔压降小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整填料较小较大空塔气速小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整填料较小较大塔效率传统填料低，新型乱堆及规整填料高较稳定，效率较高持液量较小较大液气比对液量有一定要求适应范围较大安装检修较难较易材质金属及非金属材料均可常用金属材料造价新型填料投资较大大直径时较低塔设备的选型工业上，塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。传统的设计中，蒸馏 过程多选用板式塔，而吸收过程多选用填料塔。近年来，随着塔设备设计水平的提 高及新

10、型塔构件的出现，上述传统已逐渐打破。在吸收过程中采用板式塔已有不少 应用范例。对于一个具体的分离过程，设计中选择何种塔型，应根据生产能力、分离效果、 塔压降、操作弹性等要求，并结合制造、维修、造价等因素综合考虑。例如，多于 热敏性物系的分离，要求塔压降尽可能低，选用填料塔较为适宜；对于右侧线进料 和出料的工艺过程，选用板式塔较为适宜；对于有悬浮物或容易聚合物系的分离， 为防止堵塞，宜选用板式塔；对于液体喷淋密度极小的工艺过程，若采用填料塔， 填料层得不到充分润湿，使其分离效率明显下降，故宜选用板式塔；对于宜发泡物 系的分离，因填料层具有破碎泡沫的作用，宜选用填料塔。1.2 板式塔的设计板式塔的

11、类型很多，但其设计原理基本相同。一般来说，板式塔的设计步骤大 致如下：根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；根据设计任务和工艺要求，选择塔板类型；确定塔径、塔高等工艺尺寸；进行塔板的设计，包括溢流装置的设计、塔板的布置、升气道（泡罩、筛孔 或浮阀等）的设计及排列；进行流体力学验算；绘制塔板的复合性能图；根据复合性能图，对设计进行分析，若设计不够理想，可对某些参数进行调 整，重复上述设计过程，一直到满意为止。设计方案装置流程的确定确定流程时要较全面、合理的兼顾设备、操作费用、操作控制及安全诸因素。（如 图1装置流程简图）Frn I mr Ti .y ann 11 - i i 工 in图1 装置流

12、程简图塔板的类型与选择板式塔是在塔内装很多的塔板，传热传质过程中基本上是在每层塔板上进行， 塔板的形、板结构或塔板上气液两相的表现，来命名这些塔，诸如泡罩塔、筛板塔、 浮阀塔、栅板塔、舌形塔、等等。泡罩塔泡罩塔是工业上使用最早的一种板式塔，其主要元件为升气管及泡罩。泡罩安 装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，国内应用较多的是圆形泡罩。泡罩尺寸分 为80mm、100mm、150mm三种，可根据塔径的大小选择。通常塔径小于 1000mm,选用80mm的泡罩；塔径大于2000mm,选用150mm的泡罩。其优点是：因升气管高出液层，不易发生漏液现象，有较好的操作弹性，即当 气、液有较大的波动时,仍能维

13、持几乎恒定的板效率；塔板不易堵塞,适于处理各 种物料。缺点是:、：塔板机构复杂,金属耗量大,造价高；板上液层厚,气体流径 曲折,塔板压降大,兼因雾沫夹带现象严重,限制了气速的提高,致使生产能力及 板效率均较低。近年来泡罩塔已逐渐被筛板塔和浮阀塔所取代,然而因它有操作稳 定、技术比较成熟、对赃物料不敏感等优点,故目前仍有采用的。筛板塔筛板塔是一种有降液管，板型结构简单的板式塔，孔径一般为4 8 mm,制造 方便,处理量较大,清洗,更换,修理较简单但操作范围较小,适应于清洁的物料, 以免堵塞。其优点是：结构简单,造价低廉,气体压降小,板上液面落差也较小,生产能 力及板效率均较泡罩塔高。主要缺点是：

14、操作弹性小,筛孔小时容易堵塞。近年来 采用大孔径（直径1025mm）筛板可避免堵塞，而且由于气速的提高，生产能力增 大。过去由于对筛板的性能研究不充分,认为操作不易稳定而未普遍应用,直到本 世纪50年代初,对筛板塔的结构、性能作了较充分的研究,认识到只要设计合理、 操作正确,同样可获得较满意的塔板效率和一定的操作弹性,故近年来筛板塔的应 用日趋广泛。浮阀塔浮阀塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的,它吸收了两种塔板的 优点。塔盘上开阀孔 , 安置能上下浮动的阀件（固定阀）除外 。由于浮阀塔板的 气体流通面积能随气体负荷变动自动调节 , 因而能在较宽的气体负荷下保持稳定 操作; 同时气体以

15、水平方向吹出 , 气液接触时间长 , 雾沫夹带少, 具有良好的操作 弹性和较高塔板效率 ,在工业中得到了较为广泛地应用。浮法塔板的结构特点是在塔板上开有若干大孔（标准孔径为39mm）,每个孔 上装有一个可以上下浮动的阀片。浮阀的型式很多,目前国内已采用的浮阀有5种, 但最常用的浮阀型式为F1型和V-4型。总之,浮阀塔生产能力大,弹性大,分离效率高,雾沫夹带少,液面梯度较少, 结构简单等特点。第二章 板式塔工艺尺寸计算基础物性数据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的H2O物性数据：密度pL=998.2 kg/m3粘度 L= 0.001 Pas

16、=3.6 kg/(mh)表面张力 。=72.6 dyn/cm=940896 kg/hLSO2在水中的扩散系数 DL=5.29x10-6 m2/h气相物性数据混合气体的平均密度Pvmvm混合气体的平均摩尔质量为Mvm=工yM=0.02 X 64.13+0.98 X 29=30.76三=注=1.1814 kg/m3 8.314X293对于低浓该气体粘度近似的取空气粘度，查手册地20空气的粘度为Pvm =工UY。76 TN kg/m3RT8.314X293查手册地20空气的粘度为4V=1.81 X 10-5 Pa-s = 0.065 kg/(m.h)查手册得二氧化硫在空气中的扩散系数为Dv=0.03

17、9 m2/h气液相平衡数据由手册查得，常压下20时，so2在水中的亨利系数为E=3550 kPa相平衡常数m=E/P=3550/101.3=35溶解度系数H =-L- EMs998.23550*18.02=0.0156kmol /(kPa m3)物料衡算1、进塔的气相摩尔比为Y = L =0.05261-Vi 1 0 032、出塔的气相摩尔比为Y2 = Y1(1-a A) = 0.0526X(1-0.95) = 0.002633、进塔惰性气相流量为GB =| x| x(1-0.05) = 118.5474kmol/h4、该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为一条直线，最小液气比可按下式计算：Ls

18、匕一七元)小=YJm - X2对吸收剂为纯水的吸收过程，进塔液组成x2 = 0因此，Ls _ 匕一七 _ 0.0526- 0.00263 _/皿制=YJm - X2 = 0.0526/35-0 = 33 25取操作液气比为最小液气比的1.4倍，即：2= 1.4 X 33.25 = 46.55气相流量 LS=46.55GB=46.55 X 118.5474=5518.38kmol/hLs _ Y-Y2根据福二WX1 = (Y1-Y2) + X2=(0.0526-0.00263) xr + 0 = 0.001073板式吸收塔的工艺尺寸的计算塔径计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速。气相的质量

19、流量为w=GB /=3000X 1.1814=3544.2 kg/h液相质量流量可近似按纯水的质量流量计算，即wL=LsMs=5518.38x18.02=99441.2076L=v= 99.62m3/hwL _ 99441.2076PL 998.2V =3000Nm3/hs计算液相负荷因子C ：塔板间距H的选取与塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性伊基塔的安 T装、检修等因素有关。设计时通常根据塔径的大小，由表2列出的塔板间距的经验 数值选取。表2 塔板间距与塔径的关系塔径Dm0.30.50.50.80.81.61.62.02.02.42.4-板间距H , m0.20.30.30.35 0

20、.350.45 0.450.6 0.50.801T设计中，板上液层高度hL由设计者选定。对常压塔一般取为0.050.08m；对减 压塔一般取为0.0250.03m。选取板间距HT= 0.45m，板上清液高度hL = 0.08m , HT-hL=0.37m生士.二二三二三0.9652 3000 v1.18147由史密斯关联图查得C20 =0.035已知水在20时的表面张力l= 72.6 dyn/cm=940896 kg/h修正校正表面张力后的C值为C=Go:)o=0.035X ;三厂 504529式中C操作物系的负荷因子，m/s；6 L操作物系的液体表面张力，mN/m。最大允许空塔气速max三二

21、0.0452葭=段=1.4301m根据设计经验，乘以一定的安全系数，即=(0.60.8)umax安全系数的选取于分离物系的发泡程度密切相关。对不易发泡的物系，可取较 高的安全系数，对易发泡的物系，可取较低的安全系数。取安全系数为0。则=0.6umax=0.8580m/s塔径D产、；4x30003.14x0.8580 x3600=1.2373m故取整D=1.4m塔截面积 at= D2= L5386 m2空塔气速u = =1=0.5416 燧At 1.5386根据L/G=46.55可写出此吸收过程的操作线方程:(x2=0)Y=%+( Y2 Wx2)= 46.55x+0.00263气液相平衡线方程：

22、Y*=mx即Y*=35x0.060.050.040.03 Y0.020.010.000.0000.0010.002X图3 图解法求理论板层数由图3可知，理论板数NT =82.4 溢流装置的计算溢流堰长 Lw取堰长 Lw=0.7 X 1.4=0.98m出 口堰高 hwhw=hL-how对于平直堰，堰上层液高度how可用弗兰西斯公式计算:howET：式中 L塔内液体流量，m3/h ；E液流收缩系数。根据设计经验，取E = 1时所引起的误差能满足工程设计要求。当E= 1.04时， 由可-=急咛5 ”看出，how仅与Lh及lw有关。对于水溶液： E=1.04，Lv=46.55可得 how =言xL04

23、x：三3=0.0643 m取 hL=0.08m，则堰高 h =hL-h =0.08-0.0643=0.0157m降液管的宽度力与降液管的面积A/由LJD = 0.7查弓形降液管的参数图可得叱/D = 0.26AJAT = 0. 097Wd=0.16x 1.4=0.224mAf=0.097D2=0.1492m2液体在降液管内的停留时间00.1492x0.45x360046.55=5.1924s5s故降液管尺寸可用，符合要求。降液管底隙高度h0可以用 h=hw-0.006 来计算，hw=0.0157 m可得 h0=0.0097 m塔板布置边缘区宽度确定取 Ws=Ws= 0.05mWc=0.032、

24、开孔区面积Aa=2(x产.避+高立；1匚)其中 X=-(Wd+Ws)=-(0.224+0.05)=0.426mr= Wc=-0.03=0.67m22故 Aa= 1.059m23、筛孔计算本设计可选用力=3mm碳钢板取筛孔直径d0=4mm筛孔按三角形排列，去孔中心距t=3 d0=12mm筛孔数目 n=1.155101.155x1.0590.01228494开孔率 =0.907024；2x0.907=10.1 % _ K 3000/3600,气体通过阀孔的气速为u0= -=7.79n 1m/2.5 筛板的流体力学验算2.5.1塔板压降1、干板阻力勺计算y =4/3=1.33 查图 5-10C0=0

25、.785hc=0.051=0.051/7.7911A2 /1.1814A 0.785 ) 998.2 )=0.00595m 液柱2、气体通过液层的阻力h厂W。=0.0547m/sAqA y15.3 80.1492F0=ua亚=0.0547x41.0814=0.0595 kg泳湛)查充气系数关联图B=0.95故 h1=BhL= 0.95X(hW+hOW)=0.95x(0.0157+0.0643)=0.0763、液体表面张力的阻力h =上l = :二三 J -=0.0074m 液柱气体通过每层塔板的液柱高度hp= hc +h1+ho=0.00595+0.076+0.0074=0.08935m 液柱

26、气体通过每层塔板的压降aP= hppLg = 0.08935 x 998.2 x 9.81 = 874.95Pa 0.9 KPa2.5.2 液面落差当液体横向流过塔板时，为克服板上的摩擦阻力和板上构件的局部阻力，需要 一定的液位差，此即液面落差。对于筛板塔，液面落差很小，且本设计的塔径和流 量均不大，故可忽略液面落差的影响。2.5.3 液沫夹带根据设计经验，塔板上鼓泡层高度为hf=2.5hL=2.5x0.08=0.2m由亨特的液沫夹带关联式5.7X10-6=*JxHT-hf 72.6X10-30.0547 . 3 20.450.2)=5.749x10-7 kg 液/kg 气u0,min稳定系数

27、 =1.811.5说01m讥故本设计无明显漏液2.5.5 泛液为防止塔内发生液泛，降液管内液层高Hd应满足下式：Hd1000mm的板式塔，为安装、检修的需要，一般每隔68层塔板设一 人孔。人孔直径一般为450 mm600 mm,其伸出塔体的筒长为200250 mm,人孔 中心距操作平台约8001200 mm。设人孔的板间距应等于或大于600 mm。塔高塔的高度是有效高度，底部，和顶部空间及裙座高度之和。根据给定的分离任务，求出理论板层后，就可按照下式计算塔的有效高度，即：Z = NrH式中 Z-塔高，mNT -塔内所需的理论板数H 塔板间距，mETTET -总板效率可得Z=j X 0.45=9

28、m塔板结构塔板按结构特点，大致可以分为整块和分块式两类塔板。塔径小于800 mm时， 一般采用整块式；塔径超过800 mm时，由于刚度、安装、检修等要求，多将塔板分 成数块通过人孔送入塔内。对于单溢流型塔板，塔板分块数如表5所示：表5 塔板分块数塔径，mm800-12001400-16001800-20002200-2400塔板分块数3456第四章 设计结果总汇筛板塔设计汇总表筛板塔设计计算结果序号项目筛孔板式塔1气相流量V ,(m3 / s)0.833323液相流量L ,(m3 / s)0.0276733实际塔板数84有效段高度Z, m95塔径，m1.46板间距，m0.457溢流形式单溢流8

29、降液管形式弓形9堰长，m0.9810堰高，m0.015711板上液层高度，m0.0812堰上液层高度，m0.064313降液管底隙高度，m0.009714边缘区宽度，m0.0315开孔区面积m21.05916筛孔直径，m0.00417筛孔数目849418孔中心距，m0.01219开孔率，10.120空塔气速m / s0.541621筛孔气速m / s7.791122稳定系数2.4823每层塔板压降，尸874.9524负荷上限液沫夹带控制25负荷下限液相控制下限26液沫夹带e户（女父版/ kg气）5.749X10-727V气相负荷上限m 3/s0.00227528气相负荷下限m 3/s0.00038529操作弹性3.588设计心得本设计为筛孔式吸收塔设计，在设计过程中，物性数据的求取很繁琐，塔的工艺尺寸也需 经过多次试差才达到要求，实际塔板数的求取既要通过作图、查图，又要通过计算才可完成。 本设计由于我们的知识与经验都不足有些不合理的地方，总的来说本塔的设计基本满足一般的 工艺要求。通过这次的课程设计我们更加了解了板式塔及吸收过程。对于以后的学习和工作都 有一定的帮助。通过这次的设计，我们对于以前所学习的理论知识有了更深入的认识,并学到了 许多实践中的东西，使我们初步涉略到了一些生产问题，提高了我们解决问题的能力。同时,在