填料塔化工原理课程设计.docx

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1、填料塔化工原理课程设计内蒙古科技大学课程设计说明书 摘要 在化工生产中，气体吸收过程是利用气体混合物中，各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触是发生传质，实现气液混合物的分离。在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离，其目的是： 回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品； 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物，以免污染大气。 实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。 吸收是利用混合气体中各组分在液体中的溶解度的差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。在化工生产中主要用于原料气的净化，有用组分的回收等。 气液两相

2、的分离是通过它们密切的接触进行的，在正常操作下，气相为连续相而液相为分散相，气相组成呈连续变化，气相中的成分逐渐被分离出来。填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，属微分接触逆流操作过程。塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。填料层的空隙率超过90%，一般液泛点较高，单位塔截面积上填料塔的生产能力较高，研究表明，在压力小于0.3MPa时，填料塔的分离效率明显优于板式塔。 这次课程设计的任务是用水吸收空气中的二氧化硫，然后再进行解吸处理得到二氧化硫。要求设计包括塔径、填料塔高度、塔管的尺寸等，需

3、要通过物料衡算得到所需要的基础数据，然后进行所需尺寸的计算得到各种设计参数，为图的绘制打基础，提供数据参考。 I 内蒙古科技大学课程设计说明书 目录 摘要 . I 目录 . II 第一章 设计方案的内容 . 1 1.1流程方案 . 1 1.2设备方案 . 1 第二章 设计方案的确定 . 2 2.1吸收流程选择 . 2 2.1.1吸收工艺流程的确定 . 2 2.1.2流程装置的确定 . 3 2.2吸收剂的选择 . 3 2.3吸收剂再生方法的选择 . 4 2.4操作温度和压力的确定 . 4 2.4.1操作温度的确定 . 4 2.4.2操作压力的确定 . 5 第三章 吸收塔设备及填料类型与选择 .

4、6 3.1吸收塔设备的选择 . 6 3.2填料类型的选择 . 6 3.3填料规格的选择 . 7 3.4填料材质的选择 . 7 第四章 吸收塔工艺条件的计算 . 8 4.1基础物性数据 . 8 4.1.1液相物性数据 . 8 4.1.2气相物性数据 . 8 4.2确定气液平衡的关系 . 9 4.3吸收剂及操作线的确定 . 9 4.3.1吸收剂用量的确定 . 9 4.3.2操作线方程的确定 . 10 4.4塔径计算 . 11 4.4.1采用Eckert通用关联图法计算泛点速率 . 11 4.4.2操作气速： . 13 4.4.3塔径计算： . 13 4.4.4单位高度填料层压降的校核 . 14 4

5、.5填料层高度计算 . 14 4.5.1传质系数的计算 . 14 4.5.2 填料层高度 . 17 4.6填料塔附属高度的计算 . 18 第五章 填料吸收塔附属装置的选型 . 19 5.1液体分布器的简要设计 . 19 5.1.1液体分布器的选型 . 19 II 内蒙古科技大学课程设计说明书 5.1.2分布点密度及布液孔数的计算 . 20 5.2.塔底液体保持管高度的计算 . 21 5.3其它附属塔内件的选择 . 22 5.3.1 填料支撑板 . 22 5.3.2 填料压紧装置与床层限制板 . 22 第六章 辅助设备的选型 . 23 6.1管径的选择 . 23 6.1.1进液管管径 . 23

6、6.1.2出液管管径 . 23 6.1.3进气管管径 . 24 6.1.4出气管管径 . 24 6.2泵的选取： . 24 6.3风机的选型： . 26 第七章 关于填料塔设计的选材 . 27 参考文献 . 28 附录 . 29 致谢 . 34 III 内蒙古科技大学课程设计说明书 第一章 设计方案的内容 1.1流程方案 指完成设计任务书所达的任务采用怎样的工艺路线，包括需要哪些装置设备，物料在个设备间的走向，哪些地方需要有观测仪表、调节装置，那些取样点以及是否需要有备用设备等，按上述内容绘制流程图。 1.2设备方案 根据设备要求，确定选用什么形式的设备。如吸收塔选用板式塔还是填料塔，为什么选

7、用填料塔。若选用填料塔，塔内填料的形式、尺寸和材质如何选定。方案的确定需要加以论证在技术上可行的基础上考虑经济性。 1 内蒙古科技大学课程设计说明书 第二章 设计方案的确定 2.1吸收流程选择 2.1.1吸收工艺流程的确定 工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同的角度进行分类，从所用的吸收剂的种类看，有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两部吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程很多塔吸收流程，从塔内气液两相得流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程。 一步吸收流程和两部吸收流程 一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同

8、时过程的分离要求不高，选用一种吸收剂即可完成任务的情况。若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以用一步吸收达到规定的吸收要求，但过 程的操作费用较高，从经济性的角度分析不够适宜时，可以考虑采用两步吸收流程。 单塔吸收流程和多塔吸收流程 单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程，如过程无特别需要，则一般采用单塔吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程 逆流吸收与并流吸收 吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质推动力大，分离效率高的显着优点而 广泛应用。工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。

9、部分溶剂循环吸收流程 由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，当液相喷淋量过小时，将降低填料塔的分离效率，因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时，可以采用部分溶剂循环吸收流程，以提高液相喷淋量，改善塔的操作条件。 本设计采用单塔逆流操作。 2 内蒙古科技大学课程设计说明书 2.1.2流程装置的确定 常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循环操作、多塔串联操作、串联并联操作，根据设计任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点，采用常规逆流操作的流程，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收及利用率高。流程如下图： 图2.1工艺流程图 2.2吸收剂的选择 吸收

10、剂的选择应考虑以下几方面： (1)溶解度: 吸收剂对溶质的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。 (2)选择性: 吸收剂对溶质组分有良好的溶解能力，对其他组分不吸收或甚微。 (3)挥发度：操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收和再生过程的挥损失。 (4)粘度: 吸收剂在操作温度下粘度要低，流动性要好，以提高传质和传热速率。 (5)其他： 所选用的吸收剂尽量要无毒性、无腐蚀性、不易爆易燃、不发泡、点低、廉价易得及化学性质稳定 一般来说，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用是要针对具体情况和主要因素，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。 本设计采用水作为吸收剂，二氧化硫作为溶质。 3

11、 内蒙古科技大学课程设计说明书 2.3吸收剂再生方法的选择 依据所用的吸收剂不同可以采用不同的再生方案，工业上常用的吸收剂再生方法主要有减压再生、加热再生及气提再生等。 A. 减压再生 吸收剂的减压再生是最简单的吸收剂再生方法之一。在吸收塔内，吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔并减压，使得融入吸收剂中的溶质得以再生。该方法最适用于加压吸收，而且吸收后的后续工艺处于常压或较低压力的条件，如吸收操作处于常压条件下进行，若采用减压再生，那么解吸操作需要在真空条件下进行，则过程可能不够经济 B. 加热再生 加热再生也是吸收剂再生最常用的方法。吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔内并加热使其升温，溶入吸收

12、剂中的溶质得以解吸。由于再生温度必须高于吸收温度，因而，该方法最适用于常温吸收或在接近于常温的吸收操作，否则，若吸收温度较高，则再生温度必然更高，从而，需要消耗更高品位的能量。一般采用水蒸气作为加热介质，加热方法可依据具体情况采用直接蒸汽加热或采用间接蒸汽加热。 2.4操作温度和压力的确定 2.4.1操作温度的确定 对于物理吸收而言,降低操作温度,对吸收有利.但低于环境温度的操作温度因其要消耗大量的制冷动力而一般是不可取的,所以一般情况下,取常温吸收较为有利.对于特殊条件的吸收操作方可采用低于或高于环境的温度操作. 对于化学吸收,操作温度应根据化学反应的性质而定,既要考虑温度对化学反应速度常数

13、的影响,也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反应具有适宜的反应速度. 对于再生操作,较高的操作温度可以降低溶质的溶解度,因而有利于吸收剂的再生. 而对本设计而言，由吸收过程的气液关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应有吸收系统的具体情况决定。依据本次设计要求，操作温度定为20。 4 内蒙古科技大学课程设计说明书 2.4.2操作压力的确定 操作压力的选择根据具体情况的不同分为三种： 对于物理吸收,加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率,另一方面,也可以减小气体的体积流率,减小吸收塔径.所以操作十分有利.但工程上,专门为吸收操作而为气体

14、加压,从过程的经济性角度看是不合理的,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下,一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力. 对于化学吸收,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学反应过程控制,则操作压力对过程的影响不大,可以完全根据前后工序的压力参数确定吸收操作压力,但加大吸收压力依然可以减小气相的体积流率,对减小塔径仍然是有利的. 对于减压再生(闪蒸)操作,其操作压力应以吸收剂的再生要求而定,逐次或一次从吸收压力减至再生操作压力,逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效果. 本设计中由吸收过程的气液平衡可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随

15、着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加，综合考虑，采用常压101.325kPa。 5 内蒙古科技大学课程设计说明书 第三章 吸收塔设备及填料类型与选择 3.1吸收塔设备的选择 对于吸收过程，能够完成其分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备中选择合适的类型是进行工艺设计得首要工作。而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后，并经多方案对比方能得到较满意的结果。一般而言，吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，即用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，易于制造、安装、操作和维修等。

16、在液体流率很低难以充分润湿填料，或塔径过大，使用填料塔不很经济的情况下，以采用板式塔为宜。但作为吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能，所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。 本次吸收塔设计选择填料吸收塔。 3.2填料类型的选择 工业上填料按形状和结构可分为散装填料和规整填料两类： (1) 散装填料 以随机的方式堆积在塔内，以下是几种典型的散装填料： 拉西环填料 最早的工业填料，但因性能较差，目前工业上已经很少使用 鲍尔环填料 是在拉西环基础上的改进，利用率有了很大提高 阶梯环填料 对鲍尔环的改进，为目前所使用的环形填料最为优良的

17、一种 弧鞍 填料 一般采用瓷质材料，易碎，工业中不常用 环矩鞍填料 集环型与鞍型优点，是工业应用最广的一种金属散装填料 (2) 规整填料 以一定的几何形状，整齐堆砌，工业用多为波纹填料，其优点是结构紧凑、传质效率高、处理量大，但不易处理粘度大或有悬浮物的物料，且造价高。 根据分离工艺的要求，考虑以下因素： (1)传质效率 在满足工艺条件的前提下，选用传质效率高，即HETP(或HTU)低的填料。 6 内蒙古科技大学课程设计说明书 (2)通量 保证较高的传质效率前提下，选用有较高泛点或气相动能因子的填料。 (3)填料层压降 压降越小，动力耗费越少，操作费用越小。 (4)操作性能 填料具有较大操作弹

18、性，且具有一定的抗污堵、抗热敏能力等。 3.3填料规格的选择 (1)散装填料 常用主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。 一般推荐： D300时，选25mm的填料；300mmD900mm时，选2538mm的填料; D900mm时，选用50-70mm的填料，但一般大塔中常用50mm的填料。 (2)规整填料 从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。 3.4填料材质的选择 (1)陶瓷 具有耐腐性及耐热性，但质脆、易碎，不宜高冲击强度下使用。 (2)金属 碳钢对低腐蚀无腐蚀物系优先考虑，不锈钢耐Cl-以外

19、物系腐蚀，特种合金钢价格高，只在特殊条件下使用 (3)塑料 主要包括PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、 PVC(聚氯乙烯)等，一般采用PP(聚丙烯)材质。塑料耐腐蚀性、耐低热性好，但具有冷脆性，表面润湿性较差。 一般讲，操作温度较高但无显著腐蚀性时，选用金属填料；温度较低选用塑料填料；物系具有腐蚀性、操作温度高，宜采用陶瓷填料 综上所述考虑到本设计是利用清水吸收SO2，吸收液显弱酸性，有一定的腐蚀性，同时考虑到经济的合理性及吸收的效率，故先选用DN=50mm聚乙烯阶梯环，是否合理在下面的计算中进行核算校验 。 7 内蒙古科技大学课程设计说明书 第四章 吸收塔工艺条件的计算 4.1基础物性数据 4

20、.1.1液相物性数据 对于低浓度的吸收过程，溶液的物性数据可以近似取纯水的物性数据 20时水的有关物性数据如下密度rL=998.2(kg/m3) 粘度mL=0.001004(Pa.S)=3.6kg/(m.h) 表面张力dL=72.6(dyn/cm)=940896(kg/h2) SO2在水中的扩散系数DL=1.4710-5(2/s)=5.2910-6(m2/h) 4.1.2气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 Mvm=0.0564.06+0.9529=30.75混合气体的平均密度为 ： rG=101.330.75=1.257(kg/m3) 8.314(273.15+20)混合气体的粘度可近似取

21、为空气的粘度，查手册粘度为 的20空气的mG=1.8110-5(Pas)=0.065kg/(mh) SO2在空气中的扩散系数为 DG=0.10810-4(m2/s)=0.039(m2/h) 8 内蒙古科技大学课程设计说明书 4.2确定气液平衡的关系 有表4.1若干气体水溶液的亨利系数查的20下SO2亨利系数为 表4.1SO2气体水溶液的亨利系数 气体 10 20 30 ： SO2 0.245 0.355 0.485 E=3.55103kPa 设计为常压：P=101.3kPa E3.5510335.04 相平衡常数：m=P101.33查化工原理附录密度：rl=998.2kg/m3 摩尔质量：MS

22、=18.02mol/kg 得20时水的有关物理数据如下： 溶解度系数为： H=rlEMs=998.23=0.0156kmol/(kpam) 33.551018.02该系统的相平衡关系可以表示为y*mX=35.04X 4.3吸收剂及操作线的确定 4.3.1吸收剂用量的确定 y10.05=0.0526； 1-y11-0.05进塔气相摩尔比为：Y1=出塔气相摩尔比为：Y2=Y1(1-j)=0.0526(1-0.95)=0.00263 进塔惰性气体流量为： 9 内蒙古科技大学课程设计说明书 V=VST0P2200273.15(1-y1)=(1-0.05)=85.48kmolh-1 22.4TP022.

23、4298.15该吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下使计算， Y1-Y2Y1-Y2L= *Y1VminX1-X2-X2m对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为： X2=0 Y1-Y20.0526-0.00263L=33.28 Y0.0526Vmin135.04m一般情况下取吸收剂用量为最小用量的倍时较为适宜。 取操作液气比为： LL=1.5 VminVL=1.533.28=49.92 V吸收剂用量：L=49.9285.48=4267.16kmolh V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1=V(Y1-Y2)85.48(0.0526-0.00263)+X2=+0=0.0010 L

24、4267.164.3.2操作线方程的确定 如图3-1 对逆流操作吸收塔在任一截面m-n与塔底间列物料衡算： Y=LLX+Y-X 2V2VY2-LX2=0.00263 V吸收塔操作线方程式为：Y=79.92X+0.00263 10 内蒙古科技大学课程设计说明书 4.4塔径计算 4.4.1采用Eckert通用关联图法计算泛点速率u f图4.1填料塔泛点和压降的通用关联图 ） 对于水吸收二氧化硫的过程，操作温度及压力较低，工业用塑料散装填料，其中阶梯环填料综合性能较好，故选用DN50聚乙烯阶梯环填料。 相关数据：由化工原理附录查200C下水的有关数据如下页）： 黏度:m水100.510-5Pas=3

25、.6kg(mh)； 密度:r水998.2kgm-3 塔底混合气体的平均摩尔质量 ： Mvm=yiMi=0.0564.06+0.9529=30.75 11 根据以上选择知选取 d=50mm的塑料阶梯环。 查 化工原理表3-6 ，知f=143m-1 ，t=114.2m2m-3 u20.2f14311.2571.005=0.023 ()9.81998.2uf=12 0.023grl0.0239.81998.2=1.119ms-1 0.20.2jyrvuL14311.257(1.005)内蒙古科技大学课程设计说明书 4.4.2操作气速： 填料塔塔径的大小是根据生产能力与空塔气速来计算。空塔气速有下面经

26、验公式来确定。对于散装填料，泛点率的经验值为取u=0.7uf=0.71.119=0.783ms-1 4.4.3塔径计算： VSu2200=0.997m 0.7830.7853600u=0.50.8 ufD=p=4圆整后 取： D=1000mm 泛点率校核： u=p4VSD2=2200=0.7785ms-1 20.78536001u0.7785=100%=69.57%(在允许的范围内0.5-0.8) uF1.119填料规格的校核： D1000=208 d50液体喷淋密度U校核： 取最小喷淋密度： (Lw)min=0.08m3mh 查 化工原理表3-6 知，s=114.2m2/m3 Umin=(L

27、w)minat=0.08114.2=9.136m3m2h 单位时间内每立方米塔截面上的吸收剂用量： LM水U=LnrL4267.16=98.02m3m2hUmin 2220.785D0.785D0.7851经以上的校核可知，填料塔直径选用D=1000mm合理。 13 内蒙古科技大学课程设计说明书 DP4.4.4单位高度填料层压降的校核 由在E-ckert关联图计算填料层压强降 横坐标为WLWVP-1V=0.98672,由表 3.2查的fP=89m PL0.21.11928911.2571.0050.2=0.1432 mL=9.81998.212u2jyr纵坐标为fPVgrLDP=439.81=

28、421.83pa mZDP因为 145pa50%,需要校正 uF1.1191.4m由kGa=1+9.5m-0.5kGa F1.43 =1+9.5(0.6957-0.5)4.027=7.926kmolmhkPa 16 内蒙古科技大学课程设计说明书 2.2m kLa=1+2.6m-0.5kLa F2.2 =1+2.6(0.6957-0.5)114.698=126.12h-1 则KGa=111+kGaHkLa=111+7.9260.0156126.120=1.576kmol(m3hkPa) 气相传质单元高度 HOG=VV85.48=0.682m 2KYaWKGaPW1.576101.30.7851传

29、质单元数Z: Y1*=mX1=35.040.0010=0.03504 Y2*=mX2=0 脱吸因数为： S=mV35.0485.48=0.7019； L4267.16气相总传质单元数为： NOGY1-Y2*1=ln(1-S)+S 1-SY2-Y2*10.0526-0ln(1-0.7019)+0.7019=6.3638 1-0.70190.001052-0 =4.5.2 填料层高度 由Z=HOGNOG=0.6826.3638=4.340m， 根据设计经验，填料层的设计高度一般为Z=(1.2-1.5)Z所以取 Z=1.2Z=1.24.3405200mm 查附表5，对于阶梯环填料，取h=815,hm

30、ax6m Dh=9则h=91000=9000mm，计算得填料层高度为5200mm，故不需要分段。 D17 内蒙古科技大学课程设计说明书 4.6填料塔附属高度的计算 塔上部空间高度，通过相关资料可知，可取为1.3m，塔底液相停留时间按1.5min考虑，则塔釜液所占空间高度为： VS= h1=wL76894.22=0.021398(m3/s) rL36003600998.21.560VS1.5600.021398=2.453(m) 220.78510.7851 考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取2.5m，所以塔的附属空间高度可以取为1.3+2.5=3.8(m)。 因此塔的实际高度取H=5

31、.2+3.8=9 (m) 18 内蒙古科技大学课程设计说明书 第五章 填料吸收塔附属装置的选型 5.1液体分布器的简要设计 5.1.1液体分布器的选型 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。工业应用以管式、槽式、及槽盘式为主。 性能优良的液体分布器设计时必须满足以下几点： 液体分布均匀 评价液体分布均匀的标准是：足够的分布点密度；分布点的几何均匀性；降液点间流量的均匀性。 分布点密度。液体分布器分布点密度的选取与填料类型及规格、塔径大小、操作条件等密切相关，各种文献推荐的值也相差较大。 大致规律是：塔径越大，分布点密度越小；液体喷淋密度越小，分布点密度越大。对于散装填料，填料尺寸越大，分布点密度越小。表5.1列出了散装填料塔的分布点密度推荐值。 表5.1 Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值 塔径，mm D=400 D=750 D1200 分布点密度，点/m塔截面 330 170 42 2分布点的几何均匀性。分布点在塔截面上的几何均匀分布是较之分布点密度更为重要的问题。设计中，一般需通过反复计算和绘图排列，进行比较，选择较佳方案。分布点的排列可采用正方形、正三角形等不同方式。 降夜点间流量的均匀性。为保证各分布点的流量均匀，需要分布器总体的合理设计、精细的制作和正确的安装。高性能的液体分布器，要求个