填料塔课程设计

目录TOC\o"1-5"\h\z前言 1第一章概述 4吸收的目的 4\o"CurrentDocument"吸收塔的用途 4\o"CurrentDocument"设计方案的确定 4\o"CurrentDocument"第二章 填料吸收塔概况 72.1填料吸收塔 7\o"CurrentDocument"2.2流向选择 7\o"CurrentDocument"2.3吸收剂的选择 8\o"CurrentDocument"2.4填料的相关内容 8\o"CurrentDocument"第三章基本数据 12\o"CurrentDocument"3.1操作条件 12\o"CurrentDocument"3.2相关物性参数 12\o"CurrentDocument"3.3设计参数 12\o"CurrentDocument"3.4基本数据换算 12第四章吸收塔的设计 134.1乙醇--水气液平衡相图 134.2吸收剂用量、塔径、压降及填料层高度计算 13\o"CurrentDocument"第五章塔的结构设计 17\o"CurrentDocument"5.1筒体的设计 17\o"CurrentDocument"5.2封头的设计 17\o"CurrentDocument"5.3除沫器的设计 18\o"CurrentDocument"5.4液体进料管设 195.5喷淋装置设计 19\o"CurrentDocument"5.6法兰的设计 20\o"CurrentDocument"5.7填料压板的设计 20\o"CurrentDocument"5.8填料支撑装置的设计 20\o"CurrentDocument"5.9手孔的设计 21\o"CurrentDocument"5.10吸收塔支座的设计 21\o"CurrentDocument"5.11气体进料管设计 21\o"CurrentDocument"5.12液体出料管设计 225.13气体出管设计 22\o"CurrentDocument"5.14泵的选择 22\o"CurrentDocument"第六章填料吸收塔主要尺寸 23\o"CurrentDocument"设计小结 24致谢 25参考文献 26附图：填料吸收塔装配图前言第一章概述第一章概述吸收的目的在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离，其目的是：（1）回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；（2）除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气的有害物质，以免污染大气。吸收塔的用途塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的结构型式，可分为板式塔与填料塔两大类。按气、液两相接触方式的不同可将吸收设备分为级式接触与微分接触两大类，填料塔即为微分接触式气液传质设备。板式塔内设置一定数量塔板，气体以泡沫或喷射形式穿过板上液层进行物质和热传递，气液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上（也有并流向下者）与液相接触进行质热传递，气液相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大；（2）传质、传热效率高；（3）气流的摩擦阻力小；（4）操作稳定，适应性强，操作弹性大；（5）结构简单，材料耗用量小；（6）制造安装容易，操作维修方便。此外还要求不易堵塞、耐腐蚀等。实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，因此，设计者应根据塔型特点、物系性质、生产工艺条件、操作方式、设备投资、操作与维修费用等技术经济评价以及设计经验等因素，依矛盾的主次，综合考虑，选择适宜的塔型。填料塔具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点。本次课程设计吸收设备采用填料塔进行操作。设计方案的确定确定设计方案总的原则是在可能的条件下，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理、生产可行的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则。为此，必须具体考虑如下几点：1、方案的可行性（1）设计方案应充分考虑符合国情和因地制宜原则，流程布置和设备结构不应超出一般土建要求和机械加工能力。（2）满足工艺和操作的要求。即所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施。其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定范围内进行调节，必要时传热量也可进行调整。因此，在必要的位置上要装置调节阀门，在管路中安装备用支线。计算传热面积和选取操作指标时，也应考虑到生产上的可能波动。再其次，要考虑必需装置的仪表（如温度计、压强计，流量计等）及其装置的位置，以便能通过这些仪表来观测生产过程是否正常，从而帮助找出不正常的原因，以便采取相应措施。2、方案的经济性（1）应对市场情况作适当的综合分析，估计产品目前和将来的市场需求；（2）设计应符合能量充分有效合理利用和节能原则，符合经常生产费用和设备投资费用的综合核算最经济原则，符合有用物料高回收率、低损耗率原则，也即近代所提出的“优构低耗高效”原则。具体来说，就是设备费用与操作费用应尽量低。设备费用主要是塔体、塔板、附属设备、管材费用与加工、基建费用构成，也是初投资的一次性费用。操作费用主要是热能、电能的消耗，以及各种物料、材料的消耗。在蒸馏过程中如能适当地利用塔顶、塔底的废热，就能节约很多生蒸汽和冷却水，也能减少电能消耗。又如冷却水出口温度的高低，一方面影响到冷却水用量，另方面也影响到所需传热面积的大小，即对操作费和设备费都有影响。同样，回流比的大小对操作费和设备费也有很大影响。降低生产成本是各部门的经常性任务，因此在设计时，每种设备型号的选定、零部件的设计，每一个工艺参数的确定，是否合理利用热能，采用哪种加热方式，以及回流比和其他操作参数是否选得合适等，都要考虑。而对这两种费用的影响又往往是矛盾的，所以确定设计方案要全面考虑，力求总费用尽可能低一些。而且，应结合具体条件，选择最佳方案。3、方案的先进性应对目前工厂生产上和设备上存在的问题提出改进方案和改进措施，并尽可能采用国内外最新技术成果。4、方案的安全性对易燃、易爆、有腐蚀的物料，在设计时应格外注意，都应采用相应的设备与操作参数以确保。又如，塔是指定在常压下操作的，塔内压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置。5、方案的可靠性和稳定性现代化生产应优先考虑运行的安全可靠和操作的稳定易控这一原则。不得采用缺乏可靠性的不成熟技术和设备，不得采用难以控制或难以保证安全生产的技术和设备。以上几项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对其他原则只要求作一般的考虑。第二章填料吸收塔概况2.1填料吸收塔基本结构混合气体从塔底侧的进气管进气，经过填料支撑板上升至填料层，液体从液体进液塔自塔顶均匀淋下并沿填料表面下流，气体经过填料间的空隙上升与液体作连续的逆流接触。在填料层中，气体中的可溶组分不断的被吸收，其浓度自下而上连续的降低；液体则相反，其中可溶组分的浓度则由上而下连续的增高。气体经过塔顶的出气管排出，液体则自塔底的出料管排出。填料塔结构图如图1所示：图1填料塔结构图「除沫装置；2-塔壳体；3-填斜压板；4-填料；5-填斜支承板2.2流向选择在两相进、出口摩尔分数相同情况下，逆流时的对数平均推动力必大于并流，故就吸收过程本身而言逆流优于并流。但是，就吸收设备而言，逆流操作时流体的下流受到上升气体的作用力；这种曳力过大时会妨碍液体的顺利流下，因而限制了吸收塔所允许的液体流率和气体流率，这是逆流的缺点。为使过程具有最大的推动力，一般吸收操作采用逆流吸收，本次课程设计采用了逆流吸收操作。吸收剂的选择吸收操作是气液两相之间的接触传质过程，吸收操作的成功与否在很大程度上决定于吸收剂的性质，特别是，吸收剂与气体混合物之间的相平衡关系。本课程设计设备选用水作为吸收剂，乙醇在水中的溶解度很大，易于获取，价格低廉，而且吸收效果较好。填料的相关内容填料在物质吸收的过程中起着非常重要的作用，填料塔具有结构简单、压力降小，且可用各种材料制造等优点。在处理容易产生泡沫的物料以及用于真空操作时，有其独特的优越性。过去由于填料及塔内件的不完善，填料塔大多局限于处理腐蚀性介质或不宜安装塔板的小直径塔。近年来，由于填料结构的改进，新型的高效、高负荷填料的开发，既提高了塔德通过能力和分离效能，又保持了压力降及性能稳定的特点，因此填料已被推广到许多大型气液操作中。在许多场合下，代替了传统的板式塔。填料时填料塔气液接触的元件，正确的选择填料，对塔的经济效果有着重要影响。从填料塔用于手工业以来，填料的结构型式有了重大的改进，到目前为止，各种形式、各种规格的填料已有几百种之多。填料改进的方向增加其通过能力，以适应工业生产的需要；改善流体的分布与接触，以提高分离效率。填料应具有尽可能多的表面积以提供液体铺展，形成较多的气液接触截面。单位填充体积所具有的填料表面称为比表面积a，单位为m2/m3。对同种填料，小尺寸填料具有较大的比表面积，但填料过小不但造价高而且气体流动的阻力大。在填料塔内气体是在填料间的空隙内通过的。流体通过颗粒层的阻力与空隙率e密切相关。为减少气体的流动阻力，提高填料塔德允许气速（处理能力），填料层应有尽可能大的空隙率。对于各向同性的填料层，空隙率等于填料塔德自由截面百分率。填料是填料塔的核心部分，填料塔操作性能的好坏与所选用的填料关系很大，选用填料时要注意以下几点要求：1、单位体积填料的表面积需大，且填料表面易被液体润湿；2、填料的孔隙率需大，对气体阻力小；3、填料单位体积价格低；4、填料应具有化学稳定性，不被气体或液体所腐蚀；5、填料的重度需小，机械强度需大。填料的种类很多，大致可分为实体填料和网体填料两大类。实体填料由陶瓷、金属塑料等制作，其形式有环形填料（拉西环）、鲍尔环、鞍型填料及波纹填料等。网体填料主要由金属网制成的各种填料，如鞍型丝网，如图所示为几种填料型式。图2填料的形状（1）拉西环拉西环形状简单，制造容易，气流体力学和传质方面的特性比较清楚，曾得到极为广泛的应用。但是，大量的工业实践表明，拉西环由于内径比太大，堆积时相邻环之间容易形成线接触、填料层的均匀性较差。因此，拉西环填料层中的液体存在严重的壁流和沟流现象。目前，拉西环填料在工业上的应用日趋减少。（2） 鲍尔环鲍尔环是在拉西环的基础上发展起来的，它的构造是在拉西环的壁上沿周向冲出一层或两层长方形小孔，但小孔的母材不脱离圆环，而是将其向内弯向环的中心。鲍尔环这种构造提高了环内空间和环内表面得有效利用程度，使气体流动阻力大为降低，而因对真空操作尤为适用。鲍尔环上的两层方孔氏错开的，在堆积时即使相邻填料形成线接触，也不会阻碍气液两相的流动，不致产生严重的偏流和沟流现象。因此，采用鲍尔环填料，床层一般无需分段。鲍尔环是近年来国内外一致公认的性能优良的填料，其应用越来越广。（3） 矩鞍形填料矩鞍形填料又称英洛克斯鞍。这种填料结构不对称，填料两面大小不等，堆积时不会重叠，填料层的均匀性大为提高。矩鞍形填料的气体流动阻力小，处理能力大，各方面的性能虽不及鲍尔环，仍不失为一种性能优良的填料。矩鞍形填料的制造比鲍尔环方便。（4） 阶梯环填料阶梯环填料的构造与鲍尔环相似，环壁上开有长方形孔，环内有两层交错45度的十字形翘片。阶梯环比鲍尔环短，高度通常只有直径的一半。阶梯环的一端制成喇叭口形状，因此，在填料层中填料之间呈多点接触，床层均匀且空隙率大。与鲍尔环相比，气流阻力可降低25%左右，生产能力可提高10%。（5）金属英特洛克斯填料金属英特洛克斯填料把环形结构与鞍形结构结合在一起，气体压降低，可用于真空精馏，处理能力大。填料表面的液膜更新好，传质单元高度明显低于瓷制矩鞍填料，是现代工业性能优良的一种散装填料。（6）网体填料网体填料是一种以金属网或多孔金属片为基本材料制成的填料。它可制成不同形状，如网环和鞍形网等。网体填料的特点是网材薄，填料尺寸小，比表面积和空隙率都很大，液体均布能力强。因此，网体填料的气体阻力小，传质效率高。但是，这种填料的造价过高，在大型的工业生产中难以应用。（7）规整填料是将金属丝网或多孔板压制成波纹状并叠成圆筒形整块放入塔内。对大直径的塔，可分块拼成圆筒形砌入塔内。这种填料不但空隙率高、压降低，而且液体按预分布器设定的途径流下，只要液体的初始分布均匀，全塔填料层内的液体分布良好，克服了大塔的放大效应，传质性能高。但填料造价高，易被杂物堵塞且难以清洗。目前，丝网波纹和板波纹填料已较广泛地用于分离要求高的精馏塔中。本课程设计选用25mm鲍尔环瓷制乱堆，其具体参数性质如下比表面积a=220^/m3；空隙率①=0.76m3/m3；塔内单位体积床层具有的个数为48000,对于乱堆填料来说，是一个统计数字，它与塔径、装填发法（干装填、充水装填等），使用时间长短等均有关系。因此各种资料上面的填料特性数据往往都有出入，一般在10-15%之间。对于乱堆鲍尔环也是如此。

第三章基本数据3.1操作条件操作压力101.3kpa,操作温度25°C，操作液气比为最小液气比的1.5倍。3.2相关物性参数25C时水的黏度口二 mpa・s，对于水血=1；水的摩尔质量M=18kg/kmol；25C时水的密度：kg/m3；标准状况下T=273.15k,P=101.3kpa；标准状况下空气的密度：1.29kg/m3；空气的摩尔质量M=29kg/kmol；设计参数处理量为 m3/h(25C、101.3kpa),混合气体中乙醇的摩尔分率为 ；设计气速为泛点气速的70%,吸收率为95%，总传质系数Kya= kmol/(m3•s)填料层高度取20%的裕量。3.3基本数据换算根据标准状况下理想气体状态方程PV=NRT,将操作条件下的处理量换算成标准状况的处理量：P代入数值:P代入数值:101.3由V0二V 273.15+t273.15V°=1000 298.15•101,3m3/h=916.15m3/h101.3G0=V0/(22.4*3600)=916.15/(22.4*3600)kmol/s=0.01136kmol/s第四章塔高、塔径及压降的计算4.1乙醇-水气液平衡相图依据乙醇-水气液平衡数据绘制气液平衡相图气液平衡数据如表1。气液平衡相图见图3。图3 乙醇-水气液平衡相图4.2吸收剂用量、塔径、压降及填料层高度的计算吸收剂用量可以根据过程的物料衡算，依据最小液气比确定，根据混合气气体的进出口组成：yi= y2=根据气液平衡相图读得当yi= 时，x1e= ,x2=0最小液气比实际液气比所以液体流量L=依据物料守恒：G(y-y)=L(x-x)可得x：12121X=1由x=0.02，依据乙醇--水相平衡图，读得y=0.013。1 1e过程平均推动力

Aym(y-Aym(y-y)-(y-y)e~i e2(y-y)ln e-1(y-y)e2(0.02-0.013)-(0.001-0)0.02-0.013ln0.001二3x10-3273.15在25时，二1.29x =1.18kg/m3v298.15G=0.01136kmol/s；L=0.011kmol/sW=G•M=0.01136*29=0.329kg/svvW=L・M=0.011*18=0.198kg/sLLW——LWVW——LWV(巴)0.5二Pl0.1980.329x 二0.02998.2依据《化工原理》陈恒敏第三版P142填料塔和压降的通用关联图，当横坐标为0.02时，算得纵坐标：图4泛点气速关联图卩0.2卩0.2=0.24L已知申=1，在250°C时r=0.8937mps，本设计填料塔选用25mm瓷质鲍尔环，填料La因子①二300，故：uf-0.24pg ■ 0.24x998.2x9.18 /一 l- -2.6m/s\Oppr0.2V300x1x1.18x0.89370.2设计气速为泛点气速的70%，则设计气速为u=0.7u=0.7*2.6=1.82m/s.（说明在正常操作范围）P14［教材图5埃克特图在设计气速下U2Q①p 1.822x1x300 1.18匚卩在设计气速下U2Q①p 1.822x1x300 1.18匚卩0-2二 xx0.89370.2二0.12pl 9.81 998.2L9.81气体体积流量W p

v0.329丄一二0.28m3/s1.18所需塔内径：4V二0.443由于：竺1000故塔壁厚d=3mm+2mm=5mm塔外径D=(443+5)=448mmo故本设备塔外径为©448*5mm。由以上计算求得塔内径D=443mm，故气相流率iG0.785D2i0.785x0.4432-。皿兀嗣/⑷")依据物料守恒：G，(y-y依据物料守恒：G，(y-y)-L(x-x)可得:1212G'(y-y)0.0737x(0.02-0.001)L— 1 2——x—x 0.02—012—0.070kmol/(m2-s)已知K=0.028kmol/(m3•s)，所以传质单元高度:y，a传质单元数所以填料层高度H=考虑填料层20%的裕量高度，实际设计填料层高度为Z=HX120%= =m第五章塔的结构设计5.1筒体的设计在压力不是太高，筒体有钢板卷焊而成和取自大口无缝钢管的两种，直径较大的一半用钢卷制，其内径必须符合公称直径的数值，并且均为整数。直径较小的筒体，为方便计算，课选用适当的无缝钢管，由于钢管内径会因不同厚度规格而变化故取外径为筒体的公称直径，本塔的公称直径为D°=448*5mm。所需塔内径D= m由于：1000=常=0.886-3故塔壁厚d=3mm+2mm=5mm3mm 塔壁必须保证的基本厚度；2mm 塔壁的腐蚀裕量。塔外径Do=(443+5)=448mm故本设备塔外径为448*5mm。5.2封头的设计化工容器上常用的封头型式有半球形、椭圆形、五折边球形、锥形和平板盖因本次设计中所涉及的塔顶压力不是太大，故可选择结构较为简单的平顶盖上封头。平板盖封头的几何形状包括圆形、椭圆形、长圆形及方形等几种。本次选用圆形。平板封头的厚度计算是以薄板理论为基础。因塔顶上封口处设有气体出料管。塔底要承载液体，故选择椭圆形封头。标准椭圆形封头的长短轴之比为2,型号及尺寸按JB1154-73《椭圆形封头型式与尺寸》的规定，长轴即为筒体的直径，短轴即为长轴的一半。塔底椭圆封头的部分尺寸如下：封头内径Di=443mm封头外径Do=448mm封头高度：h=180mm。5.3除沫器的设计在空塔气速较大，塔顶溅液现象严重，以及工艺过程不允许出塔夹带雾滴的情况下需设置除沫器，从而减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。此次设计选择丝网除沫器。丝网除沫器具有比表面积大重量轻孔隙率大以及使用方便等优点，尤其是它具有除沫效率高，压力将小的特点，从而是使用最广泛的除沫装置。丝网除沫器适用于清洁气体，不宜用在液滴中含有或易折出固体物资的场合（如碱液、碳酸氢氨溶液等），以免液体蒸发后留下固体堵塞丝网。当雾沫中含有少量悬浮物时，应经常冲洗。丝网除沫器常用的设计气速为l~3m/s。丝网层的适宜厚度应按工艺条件实验确定。对于金属丝网，当丝网直径为0.076〜0.4mm、网层密度为48〜530kg/m?时，在适宜的气速下，丝网层的续液厚度约为25〜50mm，取网层厚度为100〜150mm，就能把气体中绝大部分雾滴分离下来。除沫要求严格时，可以取厚些或采用两段丝网。当合成纤维直径诶0.005〜0.03mm时，制成的网应压紧到密度为110〜160k/m3，网层厚度一般取50mm.为了达到预期的除沫效率，在丝网除沫器的上方和下方，都应留有适当的分离空间。对于装于塔顶的除沫器，当进料液和回流液无闪蒸时，除沫器的安装位置如设计图所示。除沫器的直径计算如下所示：5.4液体进料管的设计液体进料管允许液体流速为1.5〜1.8m/s取u=1.6m/s壁厚取4mm查得标准管径为20*4mm。5.5喷淋装置的设计根据液体在塔中的分布是否均匀，选不易堵塞，压降小，结构简单，制造安装方便的莲蓬头喷淋装置。液体通过莲蓬头上均匀分布开在球面上的小孔，借助压差计使液体喷出。通过莲蓬头压降一般为0.98〜9.8kpa，本处采用1.5kpa的压降。莲蓬头式分布器，多用于600mm以下的塔中，缺点是小孔易堵，雾沫夹带严重，操纵性能随压差而变。喷头直径d=0.25Dj=0.25*443=111mm小孔直径d=3mm0小孔数输液能力计算上式中，F―-流量系数，在0.82-0.85范围内，本次设计取0.82f---小孔面积，f=n*0.785d2；0P一Ph―-空口以上液柱高度，h二-一。Pg喷头安装位置距填料的距离H=0.8D=0.8*443=354mm；i喷头直径dL=tan29*2*0.8*443=400mm；弯曲半径只=（2-3）外径，此次设计取3倍，R=3*20=60mm。法兰的设计法兰连接由一对法兰，若干个螺栓、螺母和一个垫片所组成。当设备或管道工作时，介质内压有将法兰分开，并降低密封面与垫片间压力的趋势。为此，设备或管道在开工操作前，螺栓，螺母就需拧紧至给垫片以一个适当的预紧力。显然，这个预紧力与垫片的材料有关。而且与垫片的宽度有关，垫片越宽，所需的预紧力越大。本设计因压力不高而选用因制造容易而被广泛采用的甲型平焊法兰，具体参数参考GB1158—73。填料板压板的设计对防止填料层在气体压力差和符合波动引起的冲击作用下发生的攒动和膨胀，对任何填料塔都必须安装填料压板或床层限制板。填料压板：使用于固定陶瓷填料层，凭自身的重量限制填料松动，无需固定于塔壁。其关键的压强常设计为1100pa左右。此外自由界面率不应少于70%，以减少阻力，其形式分为栅条压板式和丝网压板等。填料支撑装置的设计填料层底部的支撑板在设计中往往容易被忽略，因而造成阻力过大，容易导致液泛等问题，特别是孔板式支撑板此缺点较为突出。从化工要求来说支撑板应满足二个基本条件：（1）自由截面不小于填料的孔隙率；（2）其强度足以支撑上面填料的重量。用坚扁钢组成的栅板，通过常能满足这一要求。扁钢条之间的距离宜为填料外径的0.6--0.8倍左右。在直径较大的塔中，也可用较大的间距，上面再放一层十字隔板式陶瓷。然后再在上面堆放拉西环。本次设计选用鲍尔环。故堆放在鲍尔环上面。当用栅板结构不能满足上述两个基本条件时，可采用升气管式支撑板。气相从气管的齿缝走，而液相由小孔及部分由齿缝的底部溢流下去。当有足够的齿缝面积时这种结构甚至能达到超过100%（对于塔的横截面而言）的气相自由截面率。手孔的设计手孔最简单的结构形式是在接管上安装一块盲板，这种结构用于常压和低压，以及不需要经常打开的场合。回转盖快开手孔，采用铰链螺栓紧固和回转盖结构，是开启较为方便。因此，用于要求经常开启的低压设备。需要快速启闭的手孔，应设置快速押金装置。常压快开手孔采用卡板和球形手柄将手孔压紧。这种结构启闭迅速，但压紧时，密封不好，只能用在常压操作的设备。旋柄快开手孔只需转动手柄就可以将盖子和法兰上紧。受力较常压快开手孔均匀，可用在低压操作的设备。操作压力在2.5MPa以上时，应采用对焊法兰