填料塔課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　前言……………………………………………………(4)</p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)………………………………………………(6)</p><p>　　設(shè)計(jì)方案說明…………………………………… (6)</p><p>　　基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)……………………………

2、…………… （6）</p><p>　　物料衡算………………………………………… (6)</p><p>　　填料塔的工藝尺寸計(jì)算……………………………… （8）</p><p>　　附屬設(shè)備的選型及設(shè)備………………………………（14）</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………… (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(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備，它是化工類企業(yè)中最常用的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一。而塔填料塔內(nèi)件及工藝流程又是填料塔技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。聚丙烯材質(zhì)填料作為塔填料的重要一類，在化工上應(yīng)用較為廣泛，與其他材質(zhì)的填料相比，聚丙烯填料

4、具有質(zhì)輕、價(jià)廉、耐蝕、不易破碎及加工方便等優(yōu)點(diǎn)，但其明顯的缺點(diǎn)是表面潤濕性能。</p><p><b>　　1.1填料塔技術(shù)</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(jīng)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(jīng)氣體分布裝置（

5、小直徑塔一般不設(shè)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(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)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(dāng)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(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時

6、，需要進(jìn)行分段，中間設(shè)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(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。</p><p>　　填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。填料塔也有一些不足之處，如填料造價(jià)高；當(dāng)液體負(fù)荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)

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(jù)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(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gòu)形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)的費(fèi)用和分離要求來考慮，本設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)主要包括比表面積、空隙率、填料因子

9、等，是評價(jià)填料性能的基本參數(shù)。</p><p>　　1.4填料的性能評價(jià)</p><p>　　填料性能的優(yōu)劣通常根據(jù)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(zhì)效率越高；填料的空隙率越大，結(jié)構(gòu)越開敞，則通量越大，壓降亦越低</p><p>　　填料塔的流體力學(xué)性能</p><p&g

10、t;　　1.5填料塔的流體力學(xué)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(zhì)的選擇等，所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)

11、備投資和操作費(fèi)用最低。在填料的選擇中，我選用DN50填料。因?yàn)樵O(shè)計(jì)任務(wù)的年產(chǎn)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(fèi)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(nèi)件</b></p><p>　　填料塔的內(nèi)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(shè)計(jì)塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。</p><p><b>　　2. 設(shè)計(jì)任務(wù)</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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(zhì)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(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?</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(chǔ)物性數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　4.1液相物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　20ºC時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)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(kuò)散系數(shù)為 </p><p><b>　　4.2氣相物性數(shù)據(jù)</b></p><p>

17、　　混合氣體的平均摩爾質(zhì)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(kuò)散系數(shù)為 　</p><p>　　4.3氣相中平衡數(shù)據(jù)</p><p>　　常壓下20 ℃ 時, 在水中的享利系數(shù)

18、為E=161.6KPa; 相平衡常數(shù)為m=E/P=1.5949 </p><p><b>　　5．物料衡算</b></p><p><b>　　進(jìn)塔氣相摩爾比為</b></p><p><b>　　出塔氣相摩爾比為：</b></p><p>　　進(jìn)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(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計(jì)算，即：</p><p>　　對于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)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(jìn)出塔的物料總量基本相等，結(jié)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(shí)際吸收丙酮的量要大。</p><p>　　6．填料塔的工藝尺寸的計(jì)算</p><p><b>　　6.1塔徑的計(jì)算</b></p><p>　　采用Eckert 通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速。</p><p><b>

21、;　　氣相質(zhì)量流量為</b></p><p>　　液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算，即</p><p>　　Eckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為</p><p><b>　　查Eckert圖得</b></p><p>　　查表得陶瓷拉西環(huán)矩鞍泛點(diǎn)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(diǎn)率校核：</b></p><p>　　在0.5~0.85的允許范圍內(nèi)，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(jīng)以上核算可知，選用D=800mm合理</p>

24、<p>　　圖1 填料層的泛點(diǎn)和壓強(qiáng)降的通用關(guān)聯(lián)圖（ECKERT圖）</p><p>　　6.2 填料層高度計(jì)算</p><p><b>　　Y =mX =</b></p><p><b>　　Y=mX=0</b></p><p><b>　　脫吸因數(shù)為</b><

25、;/p><p><b>　　S= </b></p><p><b>　　氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為</b></p><p>　　氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算</p><p>　　查常見材質(zhì)的臨界表面張力值表</p><p><b>　　液體質(zhì)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(shù)由下式計(jì)算</p><p><b>　　氣體質(zhì)量通量為&

27、lt;/b></p><p><b>　　則：</b></p><p>　　液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：</p><p><b>　　則：</b></p><p><b>　　由</b></p><p>　　查常見填料的形狀系數(shù)表得：</p>

28、;<p><b>　　> </b></p><p>　　所以需要按下式進(jìn)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(jì)算，故需要分兩段。</p><p&

30、gt;　　6.3 填料層壓降的計(jì)算</p><p>　　采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降。</p><p><b>　　橫坐標(biāo)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(biāo)為</b></p><p>　　查

31、Eckert通用關(guān)聯(lián)圖得：</p><p>　　則填料塔的壓強(qiáng)降為 =，</p><p>　　7．輔助設(shè)備的選型及設(shè)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(fù)荷較大，而氣相負(fù)荷相對較低，故選用槽式

32、液體分布器。</p><p>　　7.1.2分布點(diǎn)密度計(jì)算</p><p>　　根據(jù)Eckert的散裝填料塔分布布點(diǎn)密度推薦值，D=750mm時取噴射點(diǎn)密度為170點(diǎn)/m，現(xiàn)D=800mm,取噴射點(diǎn)密度為180點(diǎn)/m</p><p><b>　　則布液點(diǎn)數(shù)為</b></p><p><b>　　取130點(diǎn).&l

33、t;/b></p><p>　　按分布點(diǎn)幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果為：二級槽共設(shè)五道，在槽側(cè)面開孔，槽寬度為80mm，槽高度為210mm，兩槽中心矩為160mm。分布點(diǎn)采用三角形排列，實(shí)際設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)n=92點(diǎn)，如下圖所示：</p><p>　　圖2為槽式液體分布器布液點(diǎn)設(shè)計(jì)圖</p><p><b>　　7.1.3分液計(jì)算<

34、/b></p><p>　　取孔流系數(shù)，開孔上方的液位高度分別為：</p><p><b>　　則， </b></p><p>　　設(shè)計(jì)取 d=4mm</p><p>　　7.2 填料支撐結(jié)構(gòu)</p><p>　　填料支承結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足3個基本條件：①使起液能順利通過.設(shè)計(jì)時應(yīng)取盡可能大的

35、自由截面。②要有足夠的強(qiáng)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(nèi)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(jù)是塔徑、填料種類及型號、塔體及填料的材質(zhì)、氣液流率等。本設(shè)計(jì)根據(jù)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(shè)計(jì)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(nèi)向下流動時，有偏向塔壁流動的現(xiàn)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(jù)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(chǎn)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(jù)除沫裝置類型的使用范圍，該填料塔選取絲網(wǎng)除沫器。</p><p>　　7.6接管口尺寸的計(jì)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(jì)算公式：，由于該填料塔吸收在底濃度下進(jìn)行，故氣液體進(jìn)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(nèi)徑為：219-2×9.5

40、=200mm</p><p>　　在對氣體流速進(jìn)行校核：</p><p>　　<u,所以，管子選取合格</p><p>　?。?） 對于液體進(jìn)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(nèi)徑為：219-2×9.5=200mm<

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

42、t;p>　　[2].上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院編.化工工藝設(shè)計(jì)手冊.北京:化學(xué)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(shè)備課程設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002</p><p>　　[4].王樹楹主編.現(xiàn)代填料塔技術(shù)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(yīng)用手冊.天津:

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

44、].譚蔚主編.化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ).天津:天津大學(xué)出版社,2000</p><p>　　[10].化學(xué)工程手冊編輯委員會.化學(xué)工程手冊.第3卷第十篇.氣體吸收.北京:化學(xué)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(xué)工程手冊編輯委員會.化學(xué)工程手冊.第3卷第十三篇.氣液傳質(zhì)設(shè)備.北京:化學(xué)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(xué)工程手冊.第二版上卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996</p><p>

46、;　　9. 后記 ：設(shè)計(jì)過程的心得體會</p><p>　　經(jīng)過了兩周多時間的課程設(shè)計(jì)，現(xiàn)在終于完成了這次的課程設(shè)計(jì)要求，有了一點(diǎn)的心得。</p><p>　　在上學(xué)期，我們學(xué)習(xí)了《化工原理》這一課程，《化工原理》是化學(xué)工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的內(nèi)容是講述化工單元操作的基本原理、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、操作性能和設(shè)計(jì)計(jì)算。化工單元操作是組成各種化工生產(chǎn)過程、完成一定加工目的的基本過程

47、，其特點(diǎn)是化工生產(chǎn)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(zhì)過程。在這里面，我們主要學(xué)習(xí)了流體輸送、流體流動、機(jī)械分離、傳熱、傳質(zhì)過程導(dǎo)論、吸收、蒸餾、氣-液傳質(zhì)設(shè)備，以及干燥等。</p><p>　　這次我的課程設(shè)計(jì)題目是水吸收丙酮過程填料塔的設(shè)計(jì)。填料塔是以塔內(nèi)裝有大量的填料為相接觸構(gòu)件的氣液傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的結(jié)構(gòu)較簡單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn)。</p><

48、p>　　本設(shè)計(jì)中，開始的時候我們是采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速，但是我發(fā)現(xiàn)用查圖的方法來計(jì)算出泛點(diǎn)氣速之后進(jìn)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(dǎo)時，我發(fā)現(xiàn)差不多要把處理量提高到很高才有可能符合設(shè)計(jì)要求。后來我參考了其他的一些資料上的算法發(fā)現(xiàn)也有用貝恩（Bain）——霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式計(jì)算泛點(diǎn)氣速的，當(dāng)我應(yīng)用這個關(guān)聯(lián)式計(jì)算時發(fā)現(xiàn)計(jì)算出的結(jié)果與查圖算出的相

49、差很大，這一步的計(jì)算我們認(rèn)為查關(guān)聯(lián)圖不是很準(zhǔn)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(rèn)為DN50計(jì)算得的結(jié)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(fèi)用也增加很多。用DN50計(jì)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(xué)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(xiàn)的問題，一起查閱相關(guān)的資料，最后完成了任務(wù)。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(dú)立見解，因?yàn)槲覀兇蠹颐恳粋€人都有自己的不同思想，這是很好鍛煉自己獨(dú)立絲毫一個問題的機(jī)會。通過這次的課程設(shè)計(jì)，讓我從中體會到很多。課程設(shè)計(jì)是我們在校大學(xué)生必須經(jīng)過的一個過程，通過課程設(shè)計(jì)的鍛煉，可以為我們即將來的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！</p><p>　　為此，我感覺能圓滿完成這次課程設(shè)計(jì)任務(wù)，給我?guī)?/p>