填料塔課程設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　前言……………………………………………………(4)</p><p>　　設計任務………………………………………………(6)</p><p>　　設計方案說明…………………………………… (6)</p><p>　　基礎物性數據……………………………

2、…………… （6）</p><p>　　物料衡算………………………………………… (6)</p><p>　　填料塔的工藝尺寸計算……………………………… （8）</p><p>　　附屬設備的選型及設備………………………………（14）</p><p>　　參考文獻…………………………………………… (19)</p><p

3、>　　后記及其他……………………………………………（20）</p><p><b>　　1.前 言</b></p><p>　　填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備，它是化工類企業(yè)中最常用的氣液傳質設備之一。而塔填料塔內件及工藝流程又是填料塔技術發(fā)展的關鍵。聚丙烯材質填料作為塔填料的重要一類，在化工上應用較為廣泛，與其他材質的填料相比，聚丙烯填料

4、具有質輕、價廉、耐蝕、不易破碎及加工方便等優(yōu)點，但其明顯的缺點是表面潤濕性能。</p><p><b>　　1.1填料塔技術</b></p><p>　　填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經氣體分布裝置（

5、小直徑塔一般不設氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質設備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。</p><p>　　當液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現象稱為壁流。壁流效應造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質效率下降。因此，當填料層較高時

6、，需要進行分段，中間設置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經液體收集器收集后，送到液體再分布器，經重新分布后噴淋到下層填料上。</p><p>　　填料塔具有生產能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點。填料塔也有一些不足之處，如填料造價高；當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側線進料和出料等復

7、雜精餾不太適合等。</p><p><b>　　1.2 填料的類型</b></p><p>　　填料的種類很多，根據裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料。</p><p>　　散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機的方式堆積在塔內，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據結構特點不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料

8、及球形填料等。</p><p>　　規(guī)整填料是按一定的幾何構形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據其幾何結構可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。</p><p>　　根據設計的費用和分離要求來考慮，本設計采用散裝填料。</p><p>　　1.3填料的幾何特性</p><p>　　填料的幾何特性數據主要包括比表面積、空隙率、填料因子

9、等，是評價填料性能的基本參數。</p><p>　　1.4填料的性能評價</p><p>　　填料性能的優(yōu)劣通常根據效率、通量及壓降三要素衡量。在相同的操作條件下，填料的比表面積越大，氣液分布越均勻，表面的潤濕性能越好，則傳質效率越高；填料的空隙率越大，結構越開敞，則通量越大，壓降亦越低</p><p>　　填料塔的流體力學性能</p><p&g

10、t;　　1.5填料塔的流體力學性能</p><p>　　主要包括填料層的持液量、填料層的壓降、液泛、填料表面的潤濕及返混等。</p><p><b>　　1.6填料的選擇</b></p><p>　　填料的選擇包括填料種類的選擇、填料規(guī)格的選擇（散裝填料規(guī)格的選擇、規(guī)整填料規(guī)格的選擇）、填料材質的選擇等，所選填料既要滿足生產工藝的要求，又要使設

11、備投資和操作費用最低。在填料的選擇中，我選用DN50填料。因為設計任務的年產量比較小，塔徑為800mm，不適合用尺寸大的填料。而在同類填料中，尺寸越小的，分離效率越高，但它的阻力將增加，通量減小，填料費用也增加很多。而DN50填料正處于兩者之間。是理想的填料類型。</p><p><b>　　1.7填料塔的內件</b></p><p>　　填料塔的內件主要有填料支承裝

12、置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理地選擇和設計塔內件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質性能十分重要。</p><p><b>　　2. 設計任務</b></p><p>　　?  原料氣組成: 丙酮－空氣雙組分混合氣體 </p><p>　　丙酮含量 14.0%（體積%）　　 </p>

13、<p>　　?  處理量: 1.3×107 ~ 4.1Χ107 Nm 3 /a （標準體積流量）</p><p>　　年吸收能力1.2×10m，年開工3600小時</p><p>　　?  操作條件: 連續(xù)常壓操作 ( t = 20~30 ℃ )</p><p>　　?  尾氣要求:

14、出塔氣體中丙酮含量不大于原料氣中丙酮含量的0.5%. </p><p>　　?  吸收劑: 清 水 </p><p><b>　　3．設計方案的說明</b></p><p>　　用水吸收丙酮溶解的吸收過程，為提高傳質效率，選用逆流吸收流程，因用水作為吸收劑，且丙酮不作為產品，故采用純溶劑。 </p><p

15、>　　對于水吸收的丙酮過程，操作溫度及操作壓力較低，故此用塑料階梯環(huán)DN50填料。</p><p><b>　　4．基礎物性數據</b></p><p><b>　　4.1液相物性數據</b></p><p>　　20ºC時水的有關物性數據如下：</p><p><b>　

16、　密度為 </b></p><p><b>　　粘度為 </b></p><p><b>　　表面張力為 </b></p><p>　　丙酮在水中的擴散系數為 </p><p><b>　　4.2氣相物性數據</b></p><p>

17、　　混合氣體的平均摩爾質量為</p><p>　　混合氣體的平均密度為</p><p>　　混合氣體的粘度可近似取空氣的粘度，查手冊的20 ℃空氣的粘度為</p><p>　　丙酮在空氣中的擴散系數為 　</p><p>　　4.3氣相中平衡數據</p><p>　　常壓下20 ℃ 時, 在水中的享利系數

18、為E=161.6KPa; 相平衡常數為m=E/P=1.5949 </p><p><b>　　5．物料衡算</b></p><p><b>　　進塔氣相摩爾比為</b></p><p><b>　　出塔氣相摩爾比為：</b></p><p>　　進塔惰性氣相流量為 (1.2

19、×10)/3600=3333.3</p><p>　　該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算，即：</p><p>　　對于純溶劑吸收過程，進塔液相組成為</p><p><b>　　取操作液氣比為：</b></p><p>　　表1 全塔物料衡算總表</p><p&

20、gt;　　從上表可知進出塔的物料總量基本相等，結果差異主要是由于用尾氣吸收公式算的理論水中丙酮的量比實際吸收丙酮的量要大。</p><p>　　6．填料塔的工藝尺寸的計算</p><p><b>　　6.1塔徑的計算</b></p><p>　　采用Eckert 通用關聯圖計算泛點氣速。</p><p><b>

21、;　　氣相質量流量為</b></p><p>　　液相質量流量可近似按純水的流量計算，即</p><p>　　Eckert通用關聯圖的橫坐標為</p><p><b>　　查Eckert圖得</b></p><p>　　查表得陶瓷拉西環(huán)矩鞍泛點填料因子平均值為</p><p>　　圓整

22、塔徑，取D=0.8m=800mm</p><p><b>　　泛點率校核：</b></p><p>　　在0.5~0.85的允許范圍內，合格</p><p><b>　　填料規(guī)格核算</b></p><p><b>　　液體噴淋密度核算</b></p><p

23、><b>　　取最小潤濕速率為</b></p><p>　　查表得拉西環(huán)矩鞍DN50的比表面積</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　U=> U</b></p><p>　　經以上核算可知，選用D=800mm合理</p>

24、<p>　　圖1 填料層的泛點和壓強降的通用關聯圖（ECKERT圖）</p><p>　　6.2 填料層高度計算</p><p><b>　　Y =mX =</b></p><p><b>　　Y=mX=0</b></p><p><b>　　脫吸因數為</b><

25、;/p><p><b>　　S= </b></p><p><b>　　氣相總傳質單元數為</b></p><p>　　氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯式計算</p><p>　　查常見材質的臨界表面張力值表</p><p><b>　　液體質量通量為</b&

26、gt;</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　=0.5062</b></p><p><b>　　得=47.0766</b></p><p>　　氣膜吸收系數由下式計算</p><p><b>　　氣體質量通量為&

27、lt;/b></p><p><b>　　則：</b></p><p>　　液膜吸收系數由下式計算：</p><p><b>　　則：</b></p><p><b>　　由</b></p><p>　　查常見填料的形狀系數表得：</p>

28、;<p><b>　　> </b></p><p>　　所以需要按下式進行校正：</p><p><b>　　H=</b></p><p>　　Z=HN=0.87493.8540=3.3719m</p><p><b>　　取=</b></p>

29、<p><b>　　取</b></p><p><b>　　對拉西環(huán)填料，</b></p><p><b>　　取則</b></p><p><b>　　h=</b></p><p>　　計算，故需要分兩段。</p><p&

30、gt;　　6.3 填料層壓降的計算</p><p>　　采用Eckert通用關聯圖計算填料層壓降。</p><p><b>　　橫坐標為</b></p><p>　　查表得陶瓷拉西環(huán)壓降填料因子平均值為：</p><p><b>　　縱坐標為</b></p><p>　　查

31、Eckert通用關聯圖得：</p><p>　　則填料塔的壓強降為 =，</p><p>　　7．輔助設備的選型及設備</p><p><b>　　7.1 液體分布器</b></p><p>　　7.1.1液體分布器的選型</p><p>　　該吸收塔液相負荷較大，而氣相負荷相對較低，故選用槽式

32、液體分布器。</p><p>　　7.1.2分布點密度計算</p><p>　　根據Eckert的散裝填料塔分布布點密度推薦值，D=750mm時取噴射點密度為170點/m，現D=800mm,取噴射點密度為180點/m</p><p><b>　　則布液點數為</b></p><p><b>　　取130點.&l

33、t;/b></p><p>　　按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。設計結果為：二級槽共設五道，在槽側面開孔，槽寬度為80mm，槽高度為210mm，兩槽中心矩為160mm。分布點采用三角形排列，實際設計點數n=92點，如下圖所示：</p><p>　　圖2為槽式液體分布器布液點設計圖</p><p><b>　　7.1.3分液計算<

34、/b></p><p>　　取孔流系數，開孔上方的液位高度分別為：</p><p><b>　　則， </b></p><p>　　設計取 d=4mm</p><p>　　7.2 填料支撐結構</p><p>　　填料支承結構應滿足3個基本條件：①使起液能順利通過.設計時應取盡可能大的

35、自由截面。②要有足夠的強度承受填料的重量，并考慮填料孔隙中的持液重量。③要有一定的耐腐蝕性能。填料支承裝置的作用是支承塔內的填料，常用的填料支承裝置有柵板型、孔管型、駝峰型等。支承裝置的選擇，主要的依據是塔徑、填料種類及型號、塔體及填料的材質、氣液流率等。本設計根據需要，選擇柵條式支承裝置。</p><p><b>　　7.3填料壓緊裝置</b></p><p>　　

36、填料上方安裝壓緊裝置可防止在氣流的作用下填料床層發(fā)生松動和跳動。填料壓緊裝置分為填料壓板和床層限制板兩大類。填料壓板自由放置于填料層上端，靠自身重量將填料壓緊。它適用于陶瓷、石墨等制成的易發(fā)生破碎的散裝填料。床層限制板用于金屬、塑料等制成的不易發(fā)生破碎的散裝填料及所有規(guī)整填料。床層限制板要固定在塔壁上，為不影響液體分布器的安裝和使用，不能采用連續(xù)的塔圈固定，對于小塔可用螺釘固定于塔壁，而大塔則用支耳固定。本設計中填料塔在填料裝填后于其上

37、方安裝了填料壓緊柵板。</p><p>　　7.4 液體再分布器裝置</p><p>　　液體在亂堆填料層內向下流動時，有偏向塔壁流動的現象，偏流往往造成塔中心的填料不被潤濕，降低表面利用率。根據再分布器各種規(guī)格的使用范圍，最簡單的液體再分布裝置為截錐式再分布器。</p><p><b>　　7.5除沫裝置</b></p>&l

38、t;p>　　除沫裝置安裝在液體再分布器上方，用以除去出氣口氣流中的液滴。由于氨氣溶于水中易于產生泡沫為了防止泡沫隨出氣管排出，影響吸收效率，采用除沫裝置，根據除沫裝置類型的使用范圍，該填料塔選取絲網除沫器。</p><p>　　7.6接管口尺寸的計算</p><p>　　為防止流速過大引起管道沖蝕，磨損，震動和噪音，液體流速一般不超過3m/s ，氣體流速一般不超過10-30m/s。管

39、徑計算公式：，由于該填料塔吸收在底濃度下進行，故氣液體進出空的管徑相同。</p><p>　　丙酮與空氣混合氣體：取u=30 m/s所以由公式：</p><p><b>　　圓整取213mm</b></p><p>　　查表（GB8163-87）管子規(guī)格表，可選取219mm×9.5mm的無縫鋼管，內徑為：219-2×9.5

40、=200mm</p><p>　　在對氣體流速進行校核：</p><p>　　<u,所以，管子選取合格</p><p>　?。?） 對于液體進出口，取液體流量為2m/s </p><p>　　同理查表（GB8163-87）管子規(guī)格表，可選取219mm×9.5mm的無縫鋼管，內徑為：219-2×9.5=200mm<

41、;/p><p>　　在對液體流速進行校核：</p><p>　　<u,所以，管子選取合格</p><p>　　表2 計算結果總表</p><p><b>　　8.參考文獻 </b></p><p>　　[1].陳敏恒等.化工原理.下冊.北京:化學工業(yè)出版社,2000</p>&l

42、t;p>　　[2].上海醫(yī)藥設計院編.化工工藝設計手冊.北京:化學工業(yè)出版社,1996</p><p>　　[3].匡國柱,史啟才主編.化工單元過程及設備課程設計.北京:化學工業(yè)出版社,2002</p><p>　　[4].王樹楹主編.現代填料塔技術指南.北京:中國石化出版社,1998</p><p>　　[5].劉乃鴻主編.工業(yè)塔新型規(guī)整填料應用手冊.天津:

43、天津大學出版社，1993</p><p>　　[6].賀匡國主編.化工容器及設備設計簡明手冊.北京:化學工業(yè)出版社,2002</p><p>　　[7].王松漢主編.石油化工設計手冊.第3卷.化工單元過程.北京:化學工業(yè)出版社,2002</p><p>　　[8].倪進方.化工過程設計.北京:化學工業(yè)出版社,1999</p><p>　　[9

44、].譚蔚主編.化工設備設計基礎.天津:天津大學出版社,2000</p><p>　　[10].化學工程手冊編輯委員會.化學工程手冊.第3卷第十篇.氣體吸收.北京:化學工業(yè)出版社，1989</p><p>　　[11].Perry’s Chemical Engineer’s Handbook. Sixth edition.Section 18.1984</p><p>

45、;　　[12].Lange’s Handbook of Chemistry.15th ed，1999</p><p>　　[13].化學工程手冊編輯委員會.化學工程手冊.第3卷第十三篇.氣液傳質設備.北京:化學工業(yè)出版社,1989</p><p>　　[14].時鈞,汪家鼎,余國琮，陳敏恒主編.化學工程手冊.第二版上卷.北京：化學工業(yè)出版社，1996</p><p>

46、;　　9. 后記 ：設計過程的心得體會</p><p>　　經過了兩周多時間的課程設計，現在終于完成了這次的課程設計要求，有了一點的心得。</p><p>　　在上學期，我們學習了《化工原理》這一課程，《化工原理》是化學工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，它的內容是講述化工單元操作的基本原理、典型設備的結構原理、操作性能和設計計算。化工單元操作是組成各種化工生產過程、完成一定加工目的的基本過程

47、，其特點是化工生產過程中以物理為主的操作過程，包括流體流動過程、傳熱過程和傳質過程。在這里面，我們主要學習了流體輸送、流體流動、機械分離、傳熱、傳質過程導論、吸收、蒸餾、氣-液傳質設備，以及干燥等。</p><p>　　這次我的課程設計題目是水吸收丙酮過程填料塔的設計。填料塔是以塔內裝有大量的填料為相接觸構件的氣液傳質設備。填料塔的結構較簡單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點。</p><

48、p>　　本設計中，開始的時候我們是采用Eckert通用關聯圖計算泛點氣速，但是我發(fā)現用查圖的方法來計算出泛點氣速之后進行液體噴淋密度校核時，無論取哪種規(guī)格的填料都很難使其符合要求，最后由液體噴淋密度校核這一步往回推導時，我發(fā)現差不多要把處理量提高到很高才有可能符合設計要求。后來我參考了其他的一些資料上的算法發(fā)現也有用貝恩（Bain）——霍根（Hougen）關聯式計算泛點氣速的，當我應用這個關聯式計算時發(fā)現計算出的結果與查圖算出的相

49、差很大，這一步的計算我們認為查關聯圖不是很準確。</p><p>　　在填料的選擇中，我?guī)缀跏怯门懦▉磉x擇的，就是一種一種規(guī)格的算，后來認為DN50計算得的結果比比較好。雖然在同類填料中，尺寸越小的，分離效率越高，但它的阻力將增加，通量減小，填料費用也增加很多。用DN50計算所得的D/d值也符合拉西環(huán)的推薦值。</p><p>　　我們一組五個同學都是這一個題目，我們大家在一起共同探討在

50、其中發(fā)現的問題，一起查閱相關的資料，最后完成了任務。雖然我們五人是同一個題目，但我們大家在很多情況還是需要自己的獨立見解，因為我們大家每一個人都有自己的不同思想，這是很好鍛煉自己獨立絲毫一個問題的機會。通過這次的課程設計，讓我從中體會到很多。課程設計是我們在校大學生必須經過的一個過程，通過課程設計的鍛煉，可以為我們即將來的畢業(yè)設計打下堅實的基礎！</p><p>　　為此，我感覺能圓滿完成這次課程設計任務，給我?guī)?/p>