化工原理填料塔课程设计说明书.docx
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化工原理填料塔课程设计说明书
皖西学院化学与生命科学系
化工原理课程设计说明书
题目：
设计一台填料塔用于吸收小合成氨厂精炼在生气中的氨
专业：
应用化工技术
班级：
0702班
学生姓名：
章文杰学号:
指导教师：
徐国梅设计成绩:
完成日期：
2009年6月19日
一、文献综述4
（一）、引言4
（二）、填料塔技术5
（三）、填料塔的流体力学性能8
（四）、填料的选择9
（五）、填料塔的内件10
（六）、工艺流程的现状和发展趋势11
二、设计方案简介12
三、工艺计算13
（一）、基础物性数据13
1、液相物性的数据13
2、气相物性数据13
3、气液相平衡数据13
4、物料衡算14
（二）、填料塔的工艺尺寸的计算15
1、塔径的计算15
2、填料层高度计算16
3、填料层压降计算18
4、液体分布器简要设计20
四、辅助设备的计算及选型21
五、设计一览表24
六、心得体会26
七、参考文献
八、主要符号说明
九、附图（带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图）
\文献综述/
关键词：
填料塔；聚丙烯；吸收
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。
本文简述聚丙烯阶梯填料应用于水吸收氨过程的工艺设计以及工程问题。
（一）引言
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，它是化工类企
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又是填料塔技术发展的关键。
从塔填料、塔内件以及工艺流程，特别是塔填料三方面对填料塔技术的现状与发展趋势作了介绍，说明了塔填料及塔内件在填料塔技术中的重要性。
与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：
（1）生产能力大；
（2）分离效率高；（3）压降小；（4）操作弹性大；（5）持液量小。
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差。
研究表明，聚丙烯填料的有效润湿面积仅为同类规格陶瓷填料的40%，由于聚丙烯填料表面润湿性能差，故传质效率较低，使应用受到一定的限制•为此，对聚丙烯填料表面进行处理，以提高其润湿及传质性能的研究日益受到人们的重视•近年来，国内外一些学者做了该方面的研究工作，研究结果表明，聚丙烯填料经表面处理后，润湿及传质性能得到了较大的
聚丙烯阶梯环填料为外径是高度的两倍的圆环，在侧壁上开出两排长方形的窗孔，并在一端增加了一个锥形翻边，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一
侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，各舌叶的侧边在环中心相搭。
鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。
阶梯环与鲍尔环相比，其高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。
（二）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，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馏不太适合等
1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。
2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m/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m/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。
3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，得出如表3-1所示的结论。
可看出，丝网波纹填料综合性能最好，拉西环最差。
（三）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，即。
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。
（四）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。
（五）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。
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。
（六）工艺流程的现状和发展趋势
填料塔技术用于各类工业物系的分离，虽然设计的重点在塔体及塔内件等核心部分,但与之相配套的外部工艺和换热系统应视具体的工程特殊性作相应的改进。
例如在DMF回收装置的扩产改造项目中，要求利用原常压塔塔顶蒸汽，工艺上可以在常压塔及新增减压塔之间采用双效蒸馏技术，达到降低能耗、提高产量的双重效果，在硝基氯苯分离项目中；改原多塔精馏、两端结晶工艺为单塔精馏、端结晶流程,并对富间硝基氯苯母液进行精馏分离,获得99鸠上的间硝基氯苯,既提高产品质量，又取得了降低能耗的技术效果。
综合考察各分离过程的优缺点：
分离技术就是指在没有化学反应的情况下分离出混合物中特定组分的操作。
这种操作包括蒸馏，吸收，解吸，萃取，结晶，吸附,过滤，蒸发，干燥，离子交换和膜分离等。
利用分离技术可为社会提供大量的能源，化工产品和环保设备，对国民经济起着重要的作用。
为了使填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计参数（如理论板数、热负荷等）和最优操作工况（如进料位置！
回流比等）,准确地计算出全塔各处的组分浓度分布（尤其是腐蚀性组分）、温度分布、汽液流率分布等，常采用高效填料塔成套分离技术。
而且,20世纪80年代以来，以高效填料及塔内件为主要技术代表的新型填料塔成套分离工程技术在国内受到普遍重视。
由于其具有高效、低阻、大通量
等优点,广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。
二设计方案简介
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。
三、工艺计算
（一）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，20C水的有关物性数据如下：
密度为pl=kg/m3
粘度为L1mPaS3.6kg.m.h
表面张力为c72.6dyn/cm940896kgh2
NH在水中的扩散系数为
DL=x10-9m2/s=x10-9x3600m2/h=x10-6nVh
2气相物性数据：
混合气体的平均摩尔质量为
MVmyiMi
混气体的平均密度为
0.899280.1011726.89
Vm
PMVm
101.326.89
8.314298
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得
V1.8110-5PaS
查手册得NH3在空气中的扩散系数为3气相平衡数据
20C时NH3在水中的溶解度系数为在水中的亨利系数为
E
相平衡常数为
溶解度系数为
RT
76.41kPa
76.41
101.3
1.10kg,m3
20C空气的粘度为：
0.065kg/（m
Dv=cm/s=m2/h
h）
H=kmol/（m3•kPa）,常压下20C时NH
0.7543
H-
\EMs
4物料衡算：
998.2
76.41
18.02
0.7178kmol/kPam3
进口混合气总量
进口混合气中NH
进塔惰性气相流量:
进塔气相摩尔比为:
-8.402
74.79
2000
273
22.4
27320
83.19kmol/h
3量83.190.1018.402kmol..h
V83.190.89974.79kmolh
0.1123
出塔气相摩尔比为：
丫2
&4020・00044.49
105
进塔惰性气相流量：
该吸收过程属低浓度吸收,
74.79
平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算
Vmin丫1mX2
对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0,则:
Vmin
丫1丫2
半mX2
0.11234.49105
0.11230.75430
取操作液气比为
2.0—
Vmin
0.7540
2.00.75401.508
因此有:
L1.508
74.79112.78kmol/h
所以由全塔物料衡算式
Y1Y2
LX1X2可得:
XV丫1丫2
XI
74.79°・11234・491050.0744
L
（二）填料塔的工艺尺寸的计算
1塔径计算
采用Eckert通用关联图计算泛点气速。
112.78
气相质量流量为：
wV83.19
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即
26.89
2237.0kg/h
wL
Eckert
wL
112.7818.022052.596
通用关联图的横坐标为
0.5
V
2052.596
1.10
kg/h
0.5
0.03046
Wv
2237
998.2
查Eckert
2
uFF
通用关联图得
0.20.21
查表可得
F127
uf
0.21gl
0.2
0.7
u
由
D
取
FVL
圆整塔径,
泛点率校核：
0.219.81998.2
023.837m/s取
12711.1010.2取
3.8372.686'm/s
420003600
3.142.686
0.500m
0.51m
2.831
20003600
0.785
0.522.831ms
uf
3.837
10000
73.78%（在允许范围内）
500
填料规格校核：
n
DN
10>8
液体喷淋密度校核:
故取最小润湿速度为Lw
50
min
0.08m3/mh
查常用散装填料的特性参数表，得
2/3
t114.2mm
Umin
LWmin
0.08114.29.136
wL
2052.596998.2
m3m2h
U
0.785D
经以上校核可知，填料塔直径选用D=500mr是合理的2填料层高度计算：
0.7850.52
10.48m3
m2h
*
Y1mX1
0.75430.07420.05597
*
Y2mX2
脱吸因数为
0
smV
0.75437479n亡
0.5
L
气相总传质单元数为:
11278
nog
S一TS丫2丫2
In1
0.11230.05597
10.5
0.54.49105
0.5
15.08
气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算:
0.75
0.1
w1exp1.45」
tL
Ul
u2
0.05
t
2
Lg
20.2
U2
材质
碳
瓷
玻璃
［聚丙烯
聚氯乙烯
钢
石蜡
表面张力c
56
61
73
33
40
75
20
kgh2
427680
表常见材质的临界表面张力
液体质量通量为
查表得:
c33dyncm
UL
WL
0.785D2
2052.596210459.09kg/m2h
0.7850.52
1.45
0.1
0.75
42768010459.09
940896114.23.6
1exp
10459.092114.2
998.229.81
0.05
10459.092
998.2427680114.2
0.2
0.71
0.71
114.281.082
m2/m3
气体质量通量为
2000
Uv
1.10
0.7850.52
气膜吸收系数由下式计算：
11210.19kg/m2
0.7
kG0.237-Uy
tDV
vDv
RT
0.23711210・19
114.20.065
0.7
0.065
114.20.081
1.10
0.081
&314293
0.1361
液膜吸收系数有下式计算
Ul
23
12
13
kL0.0095
L
Lg
WL
lDl
L
0.0095
10459.09
23
3.6
12
3.69.81
81.082
3.6
998.2
7.344106
998.2
0.1705
1.1
填料类型
球形
棒形
E拉西环
弧鞍
开孔环
值
1
由kG
G
w
查表1-2得
书=
查表常见填料的形状系数
\1
11kGHkL
1
37.89
1
1—
0.717817.81
9.56
由
灯
kL
0.4
W
0.1705
81.0821.450.416.04
u
UF
2.831100
3.837
0073.7800
1.4
由kG
19.5—0.5
Uf
kG\
u
2.6
Uf
2
.2
kL
1
-0.5
kL可得：
u
9.5
1.4
kG
1
-0.5
kG
Uf
1
9.5
0.7378
14
0.5.
16.6837.89
由ZHOGNOG
Z'1.25Z
设计取填料高度为/八\
对于该填料塔，由于塔径为500mm为了防止壁流、沟流现象的发生，提高填料塔的效率，故将其分为三段，每段平均O
3填料层压降计算
横坐标为
wL
Wv
0.5
V
L
0.921
查表5-18得
纵坐标为
P
1
116m1，
2
uP
V
0.20.59
21161
g
L
L
9.81
1.10
998.2
3.62
采用Eckert通用关联图计算填料层压降
查Eckert通用关联图得
P/Z107.91Pa/m
所以填料层压降为P107.916647.46Pa
4•液体分布器简要设计
（1）液体分布器的选型
\该吸收塔的塔径为mm因此，根据各种液体分布器的适用范围选取槽式
分布器。
（2）分布点密度计算
按Eckert建议值，D>1200时，喷淋点密度为60点/m2，所以，塔径为3200mm时，
布液点数为：
n=XX60=~483点
按分布点几何均匀与流量均匀原则进行布点设计，设计结果为：
二级槽工设
15道，在槽面开孔，槽宽为80mm两槽中心距为160mm分布点采用三角形排列，实际设计布点数为480点。
（3）布液计算：
由Lsd^\2gH
4
取0.60,H160mm
d
12
4Ls
V2
4Wll
d0
n\2gH
n\2gH
设计取do=
mm
四、辅助设备的计算及选型
1•填料支撑结构
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。
2•填料压紧
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