化工原理课程设计.docx
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化工原理课程设计
摘要
填料塔洗涤吸收净化工艺不单应用在化工领域,在低浓度工业废气净化方面也能很好地发挥作用。
工程实践表明,合理的系统工艺和塔体设计,是保证净化效果的前提。
本文简述钢制鲍尔环填料应用于水吸收氨过程的工艺设计问题。
目录
题目………………………………………………………………3
1填料吸收塔与填料概述……………………………………4
1.1填料塔吸收原理……………………………………………4
1.2填料塔的特点………………………………………………4
1.3填料的类型…………………………………………………4
1.4填料的几何特征……………………………………………5
1.5填料的性能评价……………………………………………5
1.6填料塔的流体力学性能……………………………………5
1.7填料的选择…………………………………………………6
1.8填料塔的附件………………………………………………6
2设计方案简介……………………………………………8
2.1方案的确定…………………………………………………8
2.2高一计算过程………………………………………………8
2.3塔附件的选择………………………………………………12
3设计的总结与体会…………………………………………14
主要参考资料…………………………………………………15
某酒厂需要对酿酒池产生的空气进行处理后再排放。
用20℃的清水处理6000
m3/h含NH37%（摩尔分数）的空气。
要求NH3回收率为99%。
平衡关系：
Y*=1.3。
气相体积总传质系数Ky.a=270Kmol/（m3.h）。
根据以上要求设计一个常压填料吸收塔。
要求：
1，使用清水量，出塔溶液浓度。
2，填料层的高度和塔径。
3，根据以上计算结果判断是否需要分段，若需要求出分段数和每段高度。
4，根据结果绘制填料塔的平面图和剖面图。
1.填料吸收塔与填料概述
1.1填料吸收塔原理
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，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。
填料塔不仅结构简单，而且有阻力小和便于用耐腐蚀材料制造等优点，尤其对于直径较小的塔，处理有腐蚀性的物料或要求压强较小的真空蒸馏系统，填料塔都表现出明显的优越性。
1.2填料塔的特点
与板式塔相比，填料塔具有如下优点。
（1）生产能力大。
（2）分离效率高。
（3）压力降小。
（4）持液量小。
（5）操作弹性大。
（6）操作成本低。
当然，填料塔也有一些不足之处。
如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；不能直接用于分离有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不大适合等。
1.3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。
（1）散装填料
散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。
散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。
现介绍几种较为典型的散装填料。
其中有拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍环、矩鞍环、金属环矩鞍环、球形填料等。
（2）规整填料
规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。
规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。
在散装填料发展的同时出现了规整填料。
60年代以后，生产规模大型化要求具有大通量，能改善液体均匀分布，以提高分离效率及克服放大效应，降低填料层阻力及持液量，以起到节能效果。
规整填料在这方面有独特的优点，因此各种规整填料运应而生。
规整填料在整个塔截面上，集合形状规则、对称、均匀。
它规定了气液流量，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小。
在相同的能量和压降下，与散装填料相比，可以安排更大的表面积，因此效率高。
由于起结构的规整性，合理的设计可以做到几乎无放大效应。
经过短短的二十几年已经形成了比较完整的规整填料系列。
1.4填料的几何特性
填料的几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）比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a表示，其单位为m2/m3。
填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。
因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。
（2）空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以e表示，其单位为m3/m3，或以%表示。
填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。
因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。
（3）填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/e3，称为填料因子，以f表示，其单位为1/m。
填料因子分为干填料因子与湿填料因子，填料未被液体润湿时的a/e3称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a和e均发生相应的变化，此时的a/e3称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能，f值越小，表明流动阻力越小。
1.5填料的性能评价
填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。
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；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。
采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价，得出结论:
丝网波纹填料综合性能最好，拉西环最差。
1.6填料塔的流体力学性能
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）填料层的持液量
填料层的持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以（m3液体）/（m3填料）表示。
总持液量为静持液量和动持液量之和。
填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。
一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。
（2）填料层的压降
在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。
填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。
将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降DP/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸。
（3）液泛
在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。
影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。
（4）液体喷淋密度和填料表面的润湿
填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。
要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。
（5）返混
在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同程度的返混。
造成返混现象的原因很多，如：
填料层内的气液分布不均；气体和液体在填料层内的沟流；液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动；塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。
1.7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，又要使设备投资和操作费用最低。
1.8填料塔的附件
填料塔的附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。
合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。
（1）填料支承装置
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。
（2）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。
（3）液体分布装置
液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。
（4）液体收集及再分布装置
液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，这种现象称为壁流。
壁流将导致填料层内气液分布不均，使传质效率下降。
为减小壁流现象，可间隔一定高度在填料层内设置液体再分布装置。
最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。
截锥式再分布器结构简单，安装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径小于0.6m的塔中。
在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。
液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。
常用的液体收集器为斜板式液体收集器。
前已述及，槽盘式液体分布器兼有集液和分液的功能，故槽盘式液体分布器是优良的液体收集及再分布装置。
2设计方案简介
2.1方案的确定
在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或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中的有害成分，以免污染空气。
吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。
氨是化工生产中极为重要的生产原料，但是其强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，因此，为了避免化学工业产生的大量的含有氨气的工业尾气直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的氨气进行吸收，本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用常压常温下填料吸收塔吸收的方法来净化含有氨气的工业尾气，使其达到排放标准。
设计采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行，而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。
本方案选择规格为50mm×50mm×0.9mm的钢制鲍尔环作为填料塔填料，其主要参数如下表：
名义尺寸
/mm
每立方米
个数
堆积密度
/（Kg·m-3）
空隙率
/%
比表面积
/（m2·m-3）
填料因子（湿）
/m-1
50
6500
395
0.949
112.3
66
2.2工艺计算过程
1基础物性数据
（1）液相物性数
对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。
由手册查得，20℃水的有关物性数据如下：
密度为998.2kg/m3
粘度μL=0.001Pa·S=3.6kg/（m·h）
表面张力σL=72.6dyn/cm
NH3在水中的扩散系数为DL=2.04×10-9m2/s=2.04×10-9×3600m2/h=7.344×10-6m2/h。
（2）气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为Mvm=0.07×17.03+0.93×29=28.16g/mol
混合气体的平均密度为 ρvm==1.257kg/m3
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20℃空气的粘度为:
μv=1.81×10-5Pa·S=0.065kg/（m·h）
查手册得20℃时NH3在水中的溶解度系数为 H=0.725kmol/（m3·kPa）,
NH3在空气中的扩散系数为 Dv=0.225cm2/s=0.081m2/h
（3）平衡关系：
Y*=1.3X
（4）气相体积总传质系数
Ky·a=270Kmol/（m3·h）
（5）物料衡算
进塔气相摩尔比为：
Y1=7/（100-7）=0.0753;X1*=0.0753/1.3=0.0579
出塔气相摩尔比为：
Y2=Y1（1-0.99）=0.000753;X2=0
惰性组分流量：
V=（6000/22.4）×（273/293）×（1－0.07）=232.10Kmol/h
（L/V）min=（Y1-Y2）/（X1*-X2）=1.29
取L=2Lmin=2×1.29×232.10Kmol/h=598.82Kmol/h
即使用清水量为598.82Kmol/h
X1=V（Y1-Y2）/L+X2
代入数据得
X1=232.10×（0.0753-0.000753）/598.82=0.0289
2填料塔工艺尺寸的计算
（1）初估塔径
用埃克特通用关联图计算泛点气速
液体质量流量可近似按纯水计算
WL=598.82×18.02=10790.74kg/h
（WL/WV）（ρv/ρL）1/2=（10790.74/6000×1.257）×（1.257/998.2）1/2
=0.051
查埃克特通用关联图,取纵坐标为0.17
由钢制鲍尔环主要参数表查得φ=66
故（1×66×1.257×10.2×uf2）/（9.807×998.2）=0.17
解得uf=4.479m/s
取u=0.5uf=2.240/s
则D=（4Vs/πu）1/2=0.974m
圆整塔径为1m
（2）流体力学验算
喷淋密度校核
U=4（10790.74/998.2）/（3600×3.14×12）
=0.00383m3/（m2·s）
Umin=2.2×10-5×112.3=0.00247m3/（m2·s）
U＞Umin表明塔的喷淋密度能满足设计要求。
润湿率校核
（0.00247×3.14×12）/4=0.001939m3/s
10790.74/（3600×998.2）=0.003m3/s>0.001939m3/s
故使用该填料能保证填料表面的润湿率。
填料与塔径的匹配校核
1/0.05=20>10说明该塔在操作时不易发生沟流与壁流现象。
填料层压强降校核
先核算实际操作空塔气速u=（4×6000）/（3600×3.14×12）=2.123m/s
计算埃克特关联图上纵坐标的值为0.03820
横坐标不变为0.051
查埃克特关联图得压强降为18mmH2O/m
综上校核均符合要求。
（3）填料塔高度
知HOG=232.10/（270×0.785×12）=1.095m
ΔYm=（Y1-Y2-Y1*+Y2*）/［ln（Y1-Y1*）/（Y2-Y2*）］＝0.00945
NOG＝（Y1-Y2）/ΔYm=7.889
填料层净高度Z=HOG×NOG＝8.638m
取修正系数为1.3则Z=11.23m
取ZO/D=6则ZO=6m≤6m
Z/ZO=1.87≈2故填料需分2段每段高度为5.615m
2.3塔附件的选择
（1）液体分布装置
由前述，选取槽式液体分布器。
按Eckert建议值:
当D=1000mm时，取42点/m2
布点数n=0.785×12×170＝134
（2）除沫器
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。
由于氨气溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，该填料塔选取丝网除沫器。
（3）填料支撑装置
填料支承结构应满足3个基本条件：
①使起液能顺利通过.设计时应取尽可能大的自由截面。
②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。
③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如图片3-14所示的栅板型、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，选择孔管型支承装置。
（4）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，每类又有不同的型式，填料压板自由放置于填料层上端，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。
（5）再分布装置
气液两相在填料层中流动时，受阻力的影响，易发生偏流现象，导致乱堆填料层内气液分布不均，使传质效率下降。
为防止偏流，可间隔一定高度在填料层内设置再分布装置，将流体先经收集后重新分布。
最简单的再分布装置为截锥式再分布器，其结构简单安装方便。
故选择截锥式再分布器。
（6）人孔
在压力容器中，为了便于检查内部附件的安装、修理、防腐以及对设备内部进行检查、清洗，往往开设人孔或手孔。
本文设计方案中，D=1m故选取人孔。
人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成，一般设两个手柄。
常用的人孔结构有常压平盖人孔、受压人孔、快开人孔等。
容器在使用过程中，人孔需要经常打开时常选用快开人孔。
人孔的形状有圆形和椭圆形两种。
圆形人孔直径一般为Φ400mm、Φ450mm、Φ500mm、Φ600mm；椭圆形人孔（或长圆形）的最小尺寸为400mm×300mm，常用尺寸为450mm×350mm。
综上所述，选择Φ500mm圆形快开人孔。
3设计完成的总结和体会
经过了近一周时间的课程设计，现在终于完成了这次的课程设计。
在本学期，我们学习了《化工原理》这一课程，《化工原理》是一门重要的专业基础课，它的内容是讲述化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。
化工单元操作是组成各种化工生产过程、完成一定加工目的的基本过程，其特点是化工生产过程中以物理为主的操作过程，包括流体流动过程、传热过程和传质过程。
这次我的课程设计题目是水吸收氨过程填料塔的设计，这是关于吸收中填料塔的设计。
填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。
填料塔的结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。
本设计中，开始的时候我采用Eckert通用关联图计算泛点气速，在填料的选择中，我几乎是用排除法来选择的，就是一种一种规格的算，后来认为使用钢制鲍尔环（规格为50m×m×50mm0.9mm）计算得的结果比比较好。
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。
解决了上面的问题之后就是通过查找手册之类的书籍来确定辅助设备的选型，我们选择孔管型支承装置作为填料支撑，选压紧栅板作为填料压紧装置。
本设计我们所设计的填料塔持液量小，填料塔结构较为简单，造价适合。
不过，它的操作范围小，填料润湿效果差，当液体负荷过重时，易产生液泛，不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料等。
通过这次的课程设计，让我从中体会到很多。
课程设计是我们在校大学生必须经过的一个过程，通过课程设计的锻炼，可以为我们即将来的毕业设计打下坚实的基础！
主要参考资料
1张洪流等，《化工原理》（上册）.华东理工大学出版社，2006
2张洪流等，《化工原理》（下册）.华东理工大学出版社，20006
3王志魁等，《化工原理》（第三版）.化学工业出版社，2005
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