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填料吸收塔MicrosoftWord文档
化工原理课程设计报告
学校：
西安科技大学
学院：
化学与化工学院
专业：
化学工程与工艺
姓名：
贺好伟
学号：
0815010229
时间：
2010/12/30
指导老师：
郭晓滨
目录
一、化工原理课程设计任务书
1设计题目
2操作条件
3填料类型
4工作原理
5设计条件
6填料塔简介
二、设计方案
1流程图及流程说明
2填料吸收塔的设计方案
三、填料塔工艺尺寸的计算
1设计方案的思考
2核算空塔气速u与泛点率
3液体喷淋密度的计算
4填料层高度计算
四、填料层的压降的计算
五填料塔内件的类型与设计
六、设计一览表
七、主要符号说明
八.设计小结
九．参考文献
一．化工原理课程设计任务书
（一）设计题目
常温常压下，用20℃的清水吸收空气中混有的氨，已知混合气中含氨10%，（mol，下同），混合气流量为2000，m3/h，吸收剂用量为最小用量的1.5倍，气项总体积吸收系数为200kmol/m3*h，氨的回收率为98%。
设计填料吸收塔。
（二） 操作条件
1、 操作压力常压
2、 操作温度20℃
（三）填料类型
填料规格,本设计我采用塑料阶梯环。
（四）工作原理：
气体混合物的分离，总是根据混合物中各组分间某种物理性质和化学性质的差异而进行的，吸收作为其中的一种，它根据混合物各组分在某种溶剂中溶解度的不同而达到分离的目的。
填料塔式一种应用很广泛的气液传质设备，它具有结构简单压降低填料易用耐腐蚀材料制造等优点，操作时液体与气体经过填料时被填料打散，增大比表面积，从而有利于气体与液体之间的传热与传质，使得吸收效率增加
（五）、设计条件
1、气体混合物成分：
空气和氨；
2、氨的含量：
10％（体积）；
3、混合气体流量：
2000m3/h；
4、操作温度：
293K；
5、混合气体压力：
101.3KPa；
6、回收率：
98％。
（六）、填料塔简介
填料塔是提供气-液、液-液系统相接触的设备。
填料塔外壳一般是圆筒形，也可采用方形。
材质有木材、轻金属或强化塑料等。
填料塔的基本组成单元有：
①：
壳体（外壳可以是由金属（钢、合金或有色金属）、塑料、木材，或是以橡胶、塑料、砖为内层或衬里的复合材料制成。
虽然通入内层的管口、支承和砖的机械安装尺寸并不是决定设备尺寸的主要因素，但仍需要足够重视;
②：
填料（一节或多节，分布器和填料是填料塔性能的核心部分。
为了正确选择合适的填料，要了解填料的操作性能，同时还要研究各种形式填料的形状差异对操作性能的影响）；
③：
填料支承（填料支承可以由留有一定空隙的栅条组成，其作用是防止填料坠落；也可以通过专门的改进设计来引导气体和液体的流动。
塔的操作性能的好坏无疑会受填料支承的影响）;
④：
液体分布器（液体分布的好坏是影响填料塔操作效率的重要因素。
液体分布不良会降低填料的有效湿润面积，并促使液体形成沟流）；
⑤：
中间支承和再分布器（液体通过填料或沿塔壁流下一定的高度需要重新进行分布）；
⑥：
气液进出口。
塔的结构和装配的各种机械形式会影响到它的设计并反映到塔的操作性能上，应该力求在最低压降的条件下，采用各种办法提高流体之间的接触效率，并设法减少雾沫夹带或壁效应带来的效率损失。
与此同时，塔的设计必须符合由生产过程和塔的结构形式所决定的经济性原则。
二设计方案
1流程图及流程说明
该填料塔中，氨气和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。
经吸收后的混合气体由塔顶排除，吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。
（如右图所示）
2填料吸收塔的设计方案
（1）.设计方案的思考
用水吸收空气中的氨是属于低浓度吸收。
因为氨在水中的溶解度为1∶700（V/V），并且用水吸收氨属于物理吸收过程，所以在常温常压下操作即可达到较满意的效果。
为了确保氨的回收率。
宜采用气-液逆流的吸收过程，使水和混合气充分接触，以达到回收的要求。
为使吸收剂循环使用，可设计解吸塔，分离回收的氨，并循环使用吸收剂。
（2）.设计方案的确定
装置流程的确定：
吸收装置的流程的有多种多样，如逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、多塔串联操作、串联-并联混合操作等。
氨极易溶于水，吸收过程的平衡曲线较陡，流向对吸收的推动力有一定的影响；整个操作过程为等温等压过程，依据题意可知吸收剂的用量比较大。
结合以上分析及各种流程的优缺点，本设计选择逆流操作。
操作方式：
气相由塔底进入从塔顶排出，液相由塔顶进入从塔底排出。
（3）.设计方案的特点
传质平均推动力，传质速率快，分离效率好，吸收剂利用率高。
（4）填料的类型与选择
填料的类型：
填料是填料塔的核心构件，是填料塔中气液接触的基本构件，它提供了塔内气液两相接触而进行传质或传热的表面，与塔的结构一起决定了填料塔的性能。
现代工业填料大体可分为实体填料和网体填料两大类，而按装填方式可分为乱堆填料与规整填料。
1）乱堆填料
1拉西环
拉西环是与1914年最早使用的人造填料，它是一段高度和外径相等的短管，可用陶瓷和金属制造，拉西环形状简单，制造容易，其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。
但是由于其存在较严重的塔壁偏流和沟流现象，传质效率很低。
2鲍尔环：
鲍尔环是在拉西环的基础上发展起来的，是近期具有代表性的一种填料，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，此构造提高了环内空间和环内表面的有效利用程度，使气体流动阻力大为降低。
鲍尔环上的两层方孔是错开的，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，不至于产生严重的偏流和沟流现象。
因而它是今年来国内外一致公认的性能优良的填料应用越来越广泛。
3阶梯环：
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度的十字形翅片，阶梯环比鲍尔环短，高度通常只有直径的一半，阶梯环的一端通常制成喇叭口形状。
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，可使填料的表面积得以充分利用，使压降降低，与鲍尔环相比，气体流动阻力可降低25%左右，生产能力可提高10%，传质效果更好
4矩鞍形：
矩鞍形填料又称英特洛克斯鞍，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，矩鞍形填料的流动阻力小，处理能力大，各方面性能虽不如鲍尔环。
仍不失为一种性能优良的填料，矩鞍形制造比鲍尔环方便。
5金属英特洛克斯填料：
金属英特洛克斯填料把环形结构和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上性能优良的一种散装填料。
6网体填料
上述几种材料都是用实体材料制成的，此外还有一类以金属网或多孔金属片尾基本材料制成的填料，通称为网体填料，网体填料也可制成不同形状，如鞍形网等。
网体填料特点是网材薄，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太高，在大型的工业生产上难以应用。
2）规整填料
规整填料是将金属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的用于分离要求高的精馏塔中。
拉西环
鲍尔环
塑料阶梯环
炬鞍环陶瓷阶梯环
3）填料选择
选择标准：
填料性能的优劣，主要取决于：
1有较大的比表面积（m2/m3）
2液体在填料表面有较好的均匀分布性能
3气流能在填料层中均匀分布
4填料具有较大的空隙率
5选择填料时还应考虑其机械强度来源制造及价格等因素
综合考虑选用阶梯环的效果比较好，由于陶瓷填料一般用于腐蚀性介质，尤其可以耐高温，但较易破碎，金属填料可耐高温，坚固耐用，但不耐腐蚀，若用不锈钢材料制成，可用于腐蚀性材料，但价格昂贵。
而塑料填料，具有价格便宜，性能稳定，耐腐蚀。
所以选用塑料阶梯环。
4）填料规格的选择
填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积
散装填料规格的选择工业塔常用散装填料主要：
Dg16Dg25,Dg38Dg50,Dg76,等几种规格,同类填料,尺寸越小,分离效率越高,但阻力增加,通量减少,填料费用也增加很多，但大尺寸的填料应用于小塔径中又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低，因此对塔径与填料尺寸的比值有一定的规定，具体见下表：
塔径与填料公称比值的比值D/d的值的推荐
填料种类
D/d推荐值
填料种类
D/d推荐值
拉西环
≥20~30
阶梯环
﹥8
鞍环
≥15
环距鞍
﹥8
鲍尔环
≥10~15
结合后面塔直径的计算。
本设计选择塑料阶梯环Dg50
三填料塔工艺尺寸的计算
.
（1）塔径的计算
由已知可得温度T=273.15+25=298.15压力P=101.325kpa
进塔时混合气中含氨气摩尔分率y1=0.1氨气的回收率η=98%气体体积流量
Vs=2000m3/h
y2=y1*（1-η）=0.1*（1-0.98）=0.002
常温常压下查表知，20
下氨在水中的溶解度系数
亨利系数
亨利常数E=99.8kpa
由m=E/p=99.8//101.325=0.985
吸收塔最小液气比
（L/G）min=（y1-y2）/（x1e-x2）=（0.1-0.002）/（0.1/0.985-0）=0.9653
实际液气比
L/G=1.5*（L/G）min=1.5*0.9653=1.44795
在理想状态下PV=nRT所以摩尔体积Vm=V/n=RT/P=8.314*298.15/101.325=24.46m3/mol
混合气摩尔质量Mv=（29*0.9+17*0.1+29*0.995+17*0.005）/2=28.37kg/kmol
混合气摩尔流量
G=Gv/Vm=2000/24.46=81.77kmol/h
混合气质量流量
Wv=G*Mv=81.77*28.37=2319.71kg/h
液相平均摩尔质量
Ml=18.37kg/kmol
液相的摩尔流量
L=1.5*（L/G）min*G=1.5*0.9653*81.77=118.40kmol/h
液相质量流量
Wl=L*Ml=118.40*18.37=2174.99kg/kmol
由PV=nRTn=m/Mρ=m/v
可推得混合气的密度ρv=PM/RT=（101.325*28.37）/（8.314*293.15）=1.179kg/m3
填料塔直径的计算公式为D=4*Vs/（uπ），Vs由设计任务给出计算塔直径的核心问题是确定空塔气速u。
空塔气速的确定有很多方法，我选用空塔气速法，泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。
对于散装填料，其泛点率的经验值为0.5~~0.85
泛点率的选择主要考虑填料塔的操作压力和物系的发泡程度。
本命题中水吸收氨不容易发泡，故泛点率我选取为0.82
已知水的密度ρ=1000kg/m3μ=1pa*sg=9.8m/s泛点率取0.82
横坐标
X=Wl/Wv*（ρv/ρ）0.5=2175/2320*（1.16/1000）0.5=0.032
查表得纵坐标
（uf2Φψ）/g*（ρv/ρ）*μ0.2=0.22
其中Ψ=Ρs水/ρ=1
查埃克特通用关联图得取塑料阶梯环Dg50填料总比表面积at=114.22m2/m3干填料因子=143.1m-1填料因子φ=100m-1
泛点气速
uf2=0.22/（μ0.2*（ρv/ρ）*φ*Ψ）*g=0.22/（1.179/1000*143.1）*9.8=12.75
uf=3.60m/s则有空塔气速u=0.82*3.60=2.952m/s
塔直径D2=4*Vs/（uπ）=4*2000/（2.952*3.14*3600）=0.240m2
D=0.490m圆整为500mm
（2）核算空塔气速u与泛点率
D2=0.240==4*Vs/（uπ）=4*2000/（u*3.14*3600）得u=2.83m
u/uf=2.83/3.60=0.82
在泛点率0.5~0.85范围之内
D/d=500/50=10>8
满足塔径与填料公称直径的推荐比值。
（3）液体喷淋密度的计算
U=Lh/（0.785*D2）=118.40*18.37/（1000*0.785*0.52）=11.083m3/（m2*h）公式中U——液体喷淋密度m3/（m2*h）
Lh——液体喷淋量m3/h
D——填料塔直径m
核算喷淋密度：
在吸收剂用量及塔直径确定后，还要核算喷淋密度，填料塔的喷淋密度为单位时间内单位塔截面上喷淋的液体体积【m3/（m*s）】为使填料能获得良好的润湿，应保证塔内液体的喷淋密度高于某一下限值，所以算出塔直径之后还应该验算塔内的喷淋密度是否大于最小喷淋密度Umin若喷淋密度过小，可增加吸收剂用量，或采用液体再循环用以加大液体流量，或在许可范围内减小塔直径，或适当增加填料层高度予以补偿最小喷淋密度的计算式为
Umin=（Lw）minat
式中at——填料的比表面积，m2/m3
Umin————最小喷淋密度，m3/（m2*s）
（Lw）min————最小润湿率,m3/（m*s）
对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率
（Lw）min=0.08m3/（m2*h）查表得at=114.2m2/m3
Umin=（Lw）minat=114.2*0.08=9.136
通过比较得U>Umin故符合能使填料获得良好的润湿的条件。
为保证填料润湿均匀还应注意使实际采用的塔直径之比不小于10。
计算D/d=500/50=10满足条件
（4）填料层高度计算
根据全塔物料衡算
G（y1-y2）=L（x1-x2）
可得液相出塔效率
x1=G/L*（y1-y2）=（0.1-0.002）/1.44795=0.068
传质单元高度
HOG=G/Ky=81.77/（200*3.14/4*0.52）=2.08m
传质单元数
NOG=（y1-y2）/Δym
Δym=（Δy1-Δy2）/㏑（Δy1/Δy2）=（y1-mx1-y2）/㏑（（y1-mx1）/y2）=（0.1-0.985*0.068-0.002）/㏑（（0.1-0.985*0.068）/0.002）=0.0111
传质单元数
NOG=（y1-y2）/Δym=（0.1-0.002）/0.0111=8.83m
理论所需塔高度
H=NOG*HOG=8.83*2.08=18.36m
填料塔的高度取决于填料层的高度，为了保证工程上的可靠性，计算出的填料层的高度应留出一定的安全系数。
根据设计经验，实际填料层高度是理论高度的（1.2~1.5）倍我取1.4倍，所以实际填料层高度H实际=18.36*1.5=27.54m
（5）填料层的分段
液体沿填料层向下流时，有逐渐向塔壁集中的趋势，壁流效应造成填料层气液分布不均，使传质效率降低。
因此，设计中每一个一定的填料高度，需要设置液体收集再分布装置，也就是将填料层分段。
对于散装填料，一般推荐的分段高度值见下表，表中h/D为分段高度与塔直径之比，hmax为允许的最大填料层高度。
散装填料分段高度推荐值
填料类型
h/D
hmax
填料类型
h/D
hmax
拉西环
2.5
≤4
阶梯环
8~15
≤6
矩鞍
5~8
≤6
环距鞍
8~15
≤6
鲍尔环
5~10
≤6
故填料层应分为分为五段，每段6米，段间设置三个再分布器
h/D=6/0.50=12在8~15之间，满足要求。
四、填料层的压降的计算
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。
填料层压降通常用单位高度填料层的压降ΔP/z表示，根据有关参数，用通用关联他先求得每米填料层的压降，然后乘以填料层的高度，既可以得出填料层的总压降，散装填料由埃克特通用关联图计算。
横坐标Wl/Wv*（ρv/ρ）0.5=2174.99/2319.71*（1.16/1000）0.5=0.0319
纵坐标（u2φpΨ）/g*（ρv/ρ）*μ0.2=2.952^2*100*（1.179/1000）=0.103
从图上读出每米压降为1471.5pa/m
总压降ΔP=1471.5*25.7=37817.55pa
五填料塔内件的类型与设计
（1）塔内件的类型
填料塔内件主要有填料支撑装置，填料压紧装置，液体分布装置，液体收集再分布装置等。
合理的选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。
支撑装置
支撑板的主要用途是支撑塔内的填料，同时有能保证气液两相顺利通过。
支承塔若设计不当，填料塔的液泛可能首先在支承板上发生，对于普通通填料，支承板的自由截面积应不低于全塔面积的50%，并且要大于填料层的自由截面积，常用的支承板有珊板，孔管型，驼峰型和各种具有升气管结构的支承板。
对于散装填料，通常选用管口型，驼峰型支撑装置。
填料支撑结构应该满足3个基本条件：
1使液体能顺利通过。
设计时应该尽可能取大的自由截面。
2要有足够的强度，并考虑填料空隙中的持液重量。
3要有一定的耐腐蚀性。
装置填料压紧
填料上方安装压紧装置可以防止在气体作用下填料床层发生松动或者跳动。
填料压紧装置分为压紧珊板。
压紧网板，金属压紧器等。
对于散装填料，可选用网板，也可选用压紧珊板，在其下方根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧珊板固定。
本设计选用压紧珊板。
液体分布装置
液体分布装置的种类多样，工业上应用以管式，槽式，及槽盘式为主。
槽盘式具有良好的操作弹性和极好的抗污堵性，特别适用于大气液负荷及含有固体悬浮物，粘度大的分离场合，
管式分布器由不同结构形式的开控管制成。
其突出的特点是结构简单，供气体通过的自由截面积大，阻力小，而且水的粘度小不容易堵塞，故本设计采用管式分布器。
液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，这种现象叫壁流。
壁流将导致填料层内分布不均匀，使传质效率下降，为减小壁流现象，可以间隔一定高度在填料层内设置液体分布装置。
最简单的液体分布装置为截锥式再分布器。
它的结构简单，安装方便，但只能起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布功能，一般用于直径小于0.6m的塔中。
在通常作用下，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。
液体收集起的作用是将上一层填料流下的液体收集，然后送至液体再分布器，通常用的液体收集器为斜板式液体收集器。
本设计选用槽盘式液体分布器。
（2）液体分布器的简要设计
填料塔操作性能的好坏传质效率的高低在很大程度与塔内件的设计有关在塔内件的设计中最关键的是液体分布器的设计性能优良的液体分布器设计时必须满足以下几点：
1液体分布均匀（评价液体分布均匀的标准是：
足够的分布密度,分布点的集合均匀性,降液点检流量的均匀性）2自由面积大3液体分布器要结构紧凑4占用空间小，制造容易，调整和维修方便。
（3）液体分布器的选型
该吸收塔的塔直径为500mm，多孔直管式喷淋器的使用范围是500~800，并且其液体负荷为，所以选择多孔直管式喷淋器。
（4）分布点密度计算
液体分布器分布点密度的选择与填料类型和规格，塔直径大小操作条件等密切相关，大致规律是，塔直径越大，分布点密度越小，液体喷淋密度越小，对于散装填料，填料尺寸越大，分布密度越小，见下表：
Ecket的散装填料塔的分布点密度推荐值
塔直径/mm
分布点密度
D=400
330
D=750
170
D≥1200
42
用内插法计算得D=500时，喷淋密度为285点，所以塔直径为500mm时，分布点数为n=0.785*0.50*285=112。
（5）液位保持高度的计算
多孔型分布器布液能力的计算公式为Ls=（π/4）*d02nφ（2*g*h）*0.5
式中Ls——液体流量
n——开孔数目（分布点数目）
Ψ——孔流系数通常取Ψ=0.55·0.50
d0——孔径
ΔH——开孔上方的液位高度
取φ=0.50d0=5mm
Ls=Lm/ρ=2319.71/1000=2.32m3/s
即有2.32/3600=0.785*0.002^2*112*0.50*（2*9.8*h）
得h=0.187m
通常情况下液位保持高度取最高液位的1.12~1.15倍
所以应该取h1=1.135*0.187=0.2122m
六、设计一览表
物料
气相
液相
操作温度
25℃
20℃
操作压力
101.325
101.325
填料塔塔径
500mm
液体喷淋密度
11.083m3/（m2*h）
填料塔高度
27.54m
填料塔的附属高度
5m
填料层的总压降
37817.55pa
吸收塔高度
32.54
布液孔数
112
液位保持高度
0.0.2122m
七主要符号说明
E……………亨利常数kpa
N……………开孔数目（分布点数目）
Ψ……………孔流系数通常取Ψ=0.55~0.60
d0……………孔径mm
ΔH……………开孔上方的液位高度m
NOG……………传质单元数
HOG……………单元高度m
D……………塔直径m
d0……………筛孔直径m
at……………填料的比表面积m2/m3
h……………填料层分段高度m
Ls……………液体流量
KG……………气膜吸收系数kmol/（m2*h*kpa）
u……………空塔气速m/s
Uf……………泛点气速m/s
hmax……………为允许的最大填料层高度。
U……………液体喷淋密度m3/（m2*h）
Lh……………液体喷淋量m3/h
Umin……………最小喷淋密度，m3/（m2*s）
（Lw）min……………最小润湿率,m3/（m*s）
Vm……………摩尔体积m3
Mv……………混合气摩尔质量kg/kmol
G……………混合气摩尔流量m3/kmol
L……………液体摩尔流量m3/kmol
Wv……………混合气质量流量kg/h
Ml……………液相平均摩尔质量kg/kmol
ρ……………水的密度kg/m3
ρv……………混合气的密度kg/m3
φ……………压降填料因子m-1
φf……………泛点填料因子m-1
x……………液相摩尔分数
y……………相摩尔分数
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