洗涤塔设计.docx

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洗涤塔设计

（一）设计任务…………………………………………………………………………1

（二）设计简要…………………………………………………………………………2

2.1填料塔设计的一般原则…………………………………………………………2

2.2设计题目与要求…………………………………………………………………2

2.3设计条件…………………………………………………………………………2

2.4工作原理…………………………………………………………………………2

（三）设计方案…………………………………………………………………………2

3.1填料塔简介………………………………………………………………………2

3.2填料吸收塔的设计方案…………………………………………………………3

.设计方案的思考……………………………………………………………3

.设计方案的确定……………………………………………………………3

.设计方案的特点……………………………………………………………3

.工艺流程……………………………………………………………………3

（四）填料的类型………………………………………………………………………4

4.1概述………………………………………………………………………………4

4.2填料的性能参数…………………………………………………………………4

4.3填料的使用范围…………………………………………………………………4

4.4填料的应用………………………………………………………………………5

4.5填料的选择………………………………………………………………………5

（五）填料吸收塔工艺尺寸的计算……………………………………………………6

5.1塔径的计算………………………………………………………………………6

5.2核算操作空塔气速u与泛点率…………………………………………………7

5.3液体喷淋密度的验算……………………………………………………………8

5.4填料层高度的计算………………………………………………………………8

5.5填料层的分段……………………………………………………………………8

5.6填料塔的附属高度………………………………………………………………9

5.7液相进出塔管径的计算…………………………………………………………9

5.8气相进出塔管径的计算…………………………………………………………9

（六）填料层压降的计算………………………………………………………………10

（七）填料吸收塔内件的类型与设计…………………………………………………10

7.1填料吸收塔内件的类型…………………………………………………………10

7.2液体分布简要设计………………………………………………………………12

（八）设计一览表………………………………………………………………………13

（九）对设计过程的评述………………………………………………………………13

（十）主要符号说明……………………………………………………………………14

参考文献…………………………………………………………………………17

（二）设计简要

（1）填料塔设计的一般原则

填料塔设计一般遵循以下原则:

①:

塔径与填料直径之比一般应大于15：

1，至少大于8：

1；

②：

填料层的分段高度为：

金属:

6.0-7.5m，塑料：

3.0-4.5；

③：

5-10倍塔径的填料高度需要设置液体在分布装置，但不能高于6m；

④：

液体分布装置的布点密度，Walas推荐95-130点/m2,Glitsh公司建议65-150点/m2

⑤：

填料塔操作气速在70%的液泛速度附近；

⑥：

由于风载荷和设备基础的原因，填料塔的极限高度约为50米

（2）设计题目与要求

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%（摩尔分数，下同），混合气流量为3000m3/h，吸收剂用量为最小用量的1.3倍，气体总体积吸收系数为200kmol/m3.h，氨的回收率为95%。

请设计填料吸收塔。

要求：

综合运用《化工原理》和相关先修课程的知识，联系化工生产实际，完成吸收操作过程及设备设计。

要求有详细的工艺计算过程（包括计算机辅助计算程序）、工艺尺寸设计、辅助设备选型、设计结果概要及工艺设备条件图。

同时应考虑：

①：

技术的先进性和可靠性

②：

过程的经济性

③：

过程的安全性

④：

清洁生产

⑤：

过程的可操作性和可控制性

（3）设计条件

①：

设计温度：

常温（25℃）

②：

设计压力：

常压（101.325kPa）

③：

吸收剂温度：

20℃

（4）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。

在物理吸附中，溶质和溶剂的结合力较弱，解析比较方便。

填料塔是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，增大气液接触面积，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。

（三）设计方案

（1）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。

（2）填料吸收塔的设计方案

.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。

.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。

.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。

.工艺流程

混合气在常温常压下进入吸收塔底后，进过气体分布装置，与塔顶下来的由泵提升的吸收剂逆流接触，将氨吸收。

出塔的净化气回收净化利用，吸收了氨的吸收液由泵提升进入解吸塔，与过热蒸汽逆流接触后，分离解吸出来的氨并回收利用，塔底流出的液体进入吸收塔循环利用。

（四）填料类型的选择

概述

填料是填料塔内气-液两相接触的核心元件。

填料类型和填料层的高度直接影响传质效果，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素。

填料的种类很多，根据填装方式的不同，可分为散装填料盒规整填料两大类。

规整填料是将金属丝网或多孔板压制成波纹状并叠成圆筒形整块放入塔内。

这种填料不但空隙率大，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，全塔填料层内的液体分布良好，克服大塔的放大效应，传质性能高。

但其造价较高，易被杂物堵塞并且清洗困难。

散装填料常见的有：

拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料、弧鞍形填料、矩鞍形填料、环矩鞍填料等等。

图-Ⅳ各种填料示意图

填料的性能参数

①：

比表面积a单位m2/m3填料应具有尽可能多的表面积以提高液体铺张，形成较多的气液接触界面。

对同种填料，小尺寸填料具有较大的比表面积，但填料过小不但造价高而且气体流动的阻力大。

②：

孔隙率ε流体通过颗粒层的阻力与孔隙率ε密切相关。

为了减少气体的流动阻力，提高填料塔的允许气速（处理能力），填料层应有尽可能大的孔隙率ε。

③：

填料因子f其单位1/m填料因子是比表面积与空隙率三次方之比。

它表示填料的流体力学性能，f值越小，表明流动阻力越小。

填料性能通常根据效率、通量及压三要素衡量。

表-Ⅰ填料的使用范围

表-Ⅰ填料的使用范围

填料的材质一般的使用范围备注

上釉或不上釉的瓷质或耐酸陶质除氢氟酸以外的中性、酸性介质和溶剂，不宜超过21.1℃除要求低吸附表面的特殊情况外，一般用不上上釉的。

强碱性介质时使用特种陶瓷。

瓷质环比陶质环强度大，同时叫耐酸。

碳质热强碱，除硝酸外所有的酸类，不适用于氧化介质可承受温度的波动，质量轻

塑料由树脂的性质决定，用于碱、盐、水溶液和各种酸类质量较轻

钢或其他小标号金属钢可用于热强碱，其他用途需根据金属性质而定可能比陶瓷重，价格也较贵

表-Ⅱ各种填料的应用

表-Ⅱ各种填料的应用

填料应用特性

拉西环填料填料中最普通的类型，通常比较便宜，但有时效率较低。

可用各种材料制造以适应使用要求，常用湿法乱堆或干法乱堆方式装入塔内。

较大的填料有时用手工整砌。

壁厚和某些尺寸在制造厂之间有所不同；有效面积随壁厚而改变，对塔壁形成很大的侧压力。

常有较多的内部沟流并导致较多的液体流向塔壁。

弧鞍形填料在大部分应用中比拉西环效率要高，但价格较贵。

填料可叠在一起，在床层中造成“紧密”点，促进了沟流的形成，但不如拉西环那样多，产生的侧压力比拉西环的低，由较低的传质单元高度和单元压力降，液泛点比拉西环高。

在填料床中比拉西环易破碎。

鲍尔环填料压力降比拉西环低一半还多，传质单元高度也较低（在某些物系中比弧鞍填料还要低），而液泛点较高。

液体分布情况好，容量大。

对塔壁有相当大的侧压力。

可用金属、陶瓷或塑料制造。

矩鞍形填料效率最高的填料之一，但价格较贵。

叠在一起阻塞床层截面的可能性非常小床层较均匀。

液泛点比拉西环或弧鞍形填料得高，而压力降则较低；对于大多数常见的物系来说，有较低的传质单元高度值。

在填料床中比拉西环易破碎。

Teller花环填料可用塑料制造，与拉西环和弧鞍形填料相比有较低的压降和传质单元高度，液泛点较高。

单位质量较小，侧压力也不大。

Flexipac填料高效，通常压降低，适用于清洁操作的蒸馏系统，塔板高度较低等。

Lessing填料没有很多的操作数据可供参考，但一般来说比拉西环要好些，压降稍高些。

侧压力也较高。

（5）填料的选择

填料规格：

是指填料的公称尺寸或比表面积。

工艺塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。

同种填料，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。

而尺寸大的填料应用于小直径塔中，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要有一规定，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。

结合填料塔设计的一般要求，综合分析各种填料的规格、材质以及本次设计的具体情况，本设计选用DN50。

表-Ⅲ塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值

填料种类D/d的推荐值填料种类D/d的推荐值

拉西环≥20-30阶梯环＞8

鞍形环≥15环矩鞍＞8

鲍尔环≥10-15

结合后面塔径的计算，本设计选DN50

填料吸收塔工艺尺寸的计算

（1）塔径的计算

已知数据：

气体体积流量：

VS3000m3/h进塔混合气中氨的摩尔分数：

y10.1

氨的回收率：

95%（L/G）1.3（L/G）min

常压：

P101.325kPa常温：

T298.15K

以DN50塑料阶梯环为填料的散装填料其泛点填料因子平均值φF为127m-1

表-Ⅳ塑料阶梯环的特性参数

特性参数AK比表面积a空隙率ε干填料因子f

塑料阶梯环0.2041.75114.2m2/m30.927m3/m3143.11/m

常温常压下，E=99.8KPa,故m=E?

P=99.8KPa/101.325KPa=0.985

由=1y_2/y_1，即95%=1y_2/0.1，得出塔时混合气中含氨摩尔分率y_2=0.005

吸收塔最小气液比

〖（L?

G）〗_min=〖y_1-y〗_2/（y_（1/m）-x_2）=（0.1-0.005）/（0.1/0.985-0）=0.94

实际气液比：

（L?

G）=1.3×〖（L?

G）〗_min=1.3×0.94=1.22

理想气体状态方程pV=nRT,定义摩尔体积V_m=V/n=RT/p,

则混合气摩尔流量G=G_v?

V_m

由定义得V_m=RT/p=（8.3145×298.15）/101.325=24.47m^3/kmol

混合气摩尔质量

（M_v）?

=（[（29×0.9+17×0.1）+（29×0.995+17×0.005）]）/2=28.37kg?

mol

混合气体摩尔流量

G=G_v?

V_m=3000?

24.47=123.60kmol?

h

混合气的质量流量

ω_v=G_v×（M_v）?

=123.60×28.37=3506.53kg?

h

液相的摩尔流量

L=1.3×〖（L?

G）〗_min×G=1.3×123.60×0.94=151.04kmol?

h

液相平均摩尔质量

（M_v）?

=18.37kg?

mol

液相的质量流量

ω_L=L×（M_L）?

=151.04×18.37=2774.59kg?

h

由pV=nRT，n=m?

M及ρ=m?

V推导出混合气的密度：

（ρ_v）?

=（P（M_v）?

）/RT=（101.325×28.37）/（8.3145×298.15）=1.16kg?

m^3

填料塔直径计算公式为D=√（4×V_s?

πu），V_s由设计任务给出，计算塔径的核心问题是确定空塔气速u。

空塔气速的确定有学多种方法，此设计采用空塔气速法:

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u?

u_F=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，本明天中水吸收氨不易起发泡，故取泛点率为0.80。

泛点气速用埃克特通用关联图查得：

横坐标

ω_L/ω_v×（ρ_v/ρ_L）^0.5=2774.59/3506.53×（1.16/1000）^0.5=0.031

经查表得纵坐标（u_F^2?

Ψ）/g×（ρ_v/ρ_L）μ_L^0.2=0.2

其中Ψ=ρ_水?

ρ_L=1，μ_L=1.005mPa?

s,g=9.81m?

s^2

取塑料阶梯环D：

50mm，?

?

=127

得u_F=3.64m?

s,泛点率0.8

则有u=0.8×u_F=0.8×3.64=2.92m?

s

由塔径公式得D=√（4×V_s?

πu）=√（（4×3000）/（3600×3.14×2.92））=0.603

取整700mm

（2）核算操作空气塔气速u与泛点率

D=0.7=√（4×V_s?

πu）=√（（4×3000）/（3600×3.14×u））得u=2.17

u?

u_F=2.17/3.64=59.5%在泛点率0.5～0.85范围之内

D/d=700/50=14>8满足塔径与填料公称直径的推荐比值。

（3）液体喷淋密度的验算

U=L_h/（0.785D^2）=（L×18.37）/（ρ_水×0.785×（0.7）^2）=7.23m^3/（m^2?

h）

式中U—液体喷淋密度，m^3/（m^2?

h）；

L_h—液体喷淋量，m^3/h；

D—填料塔直径，m.

为使填料塔能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限，此极限称为最小喷淋密度，以U_min表示。

对于散装填料，其最小喷淋密度通常采用下式计算

U_min=（L_w）_mina_t

式中U_min—最小喷淋密度，m^3/（m^2?

h）；

〖（L_w）〗_min—最小润湿速率，m^3/（m?

h）；

a_t—填料的总比表面积，m^2?

m^3.

对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿率〖（L_w）〗_min=0.08m^3/（m?

h）

经查表的填料的总比表面积a_t=114.2m^2?

m^3

因此U_min=（L_w）_mina_t=0.08×114.2=9.136m^3/（m^2?

h）

计算结果U>U_min故符合能使填料获得良好润湿的条件。

（4）填料层高度的计算

由物料衡算G（y_1-y_2）=L（x_1-x_2）

得液相出塔摩尔分率x_1=G/L（y_1-y_2）=（（0.1-0。

005））/（1.3×0.94）=0.078

传质单元高度

H_OG=G/K_y=123.60/（π/4（D）^2×200）=2.165m

平均推动力

?

y_m=（（y_1-mx_1）-y_2）/（ln（y_1-mx_1）/（y_2-mx_2））=（（0.1-0.985×0.067）-0.005）/（ln（0.1-0.985×0.067）/（0.005-0））=0.029/1.92=0.015

传质单元数N_OG=（y_1-y_2）/（?

y_m）=（0.1-0.005）/0.015=6.33

理论所需塔高

H=H_OG?

N_OG=2.165×6.33=13.70m

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，填料的设计高度为理论值的（1.2～1.5）倍，取1.34倍。

固有H×1.34=13.7×1.34=18.36m

（5）填料层的分段

液体沿填料层下流时，有逐渐向塔壁方向集中的趋势，形成壁流效应。

壁流效应造成填料层气液分布不均匀，使传质效率降低。

因此，设计中每隔一定的填料高度，需要设置液体手机再分布装置，即将填料层分段。

对于散装填料，一般推荐的分段高度值见下表，表中h/D为分段高度与塔径之比，h_max为允许的最大填料层高度。

散装填料分段高度值推荐值

填料类型h/Dh_max/m填料类型h/Dh_max/m

拉西环2.5▁（>）4阶梯环8～15▁（>）6

矩鞍5～8▁（>）6环矩鞍8～15▁（>）6

鲍尔环5～10▁（>）6

故填料应分为三段，每段6m。

段间设置两个液体分布器。

h/D=6/0.7=8.6在8～15之间

（6）填料层的附属高度

填料塔的上方空间高度取1.1m，取每一分布器的高度为0.5m，则液体在分布器的总高度为1m

填料塔塔底液相的停留时间按5min计算，则填料塔釜液所占空间高度的计算式为：

h_l=1×60×（4×L_s）/（π×D^2）=0.9m

其中L_s=L_m?

ρ_l=151.04×18.37/1000=2.77

底部空间高度取：

1m

所以填料塔附属高度取：

h_附=3m

（7）液相进出塔管径的计算

液相进出塔管径的计算：

d_内=√（（4V_L）?

（（πμ_液）））

初选吸收剂流速为：

μ_液=2m/s

则：

d_内=√（（4×2.8）/（3600×3.14×2））=0.0223m

取?

30×1.5的无缝钢管，合适。

（8）气相进出塔管径的计算

管径的计算式为d_内=√（（4×V_s）/（π×μ_气））

选择气体流速为：

μ_气=16m/s

则：

d_内=√（（4×V_s）/（π×μ_气））=√（（4×3000）/（3.14×3600×16））=0.26

取?

?

325×13的无缝钢管

常用管道的公称通径、外径、壁厚

公称通径（mm）管子外径（mm）常用碳钢管壁厚（mm）

10143

15183

20253

25323.5

40453.5

1081174.5

2192306.9

32529913

由此计算实际流速为：

μ_气=4×3000/（3.14×3600×〖0.26〗^2）=15.7m/s

选气速流量为：

μ_气=15.7m/s

则：

d_内=√（（4×3000）/（3.14×3600×15.7））=0.26，符合

填料层压降的计算

填料层压降通常用单位高度填料层的压降?

p/Z表示。

设计时，根据有关参数，由通用关联图先求得每米填料层的压降值，然后再乘以填料层高度，即得出填料层的压力降。

散装填料压降由埃克特通用关联图计算。

横坐标

ω_L/ω_v（ρ_v/ρ_L）^0.5=0.031

DN50塑料阶梯环散装填料压降填料因子平均值?

_p为89m-1

计算得，纵坐标

（u_F^2?

Ψ）/g×（ρ_v/ρ_L）μ_L^0.2=0.09

通过作图得出交点为?

p/Z=80×9.81Pa/m=784.8Pa/m

即每米填料层压降为784.8Pa/m

所以填料层的总压降为：

?

P=18×784.8=14126.4Pa

填料塔内件的类型与设计

塔内件的类型

塔内件是填料塔的组成部分，它与填料及塔体共同构成一个完整的填料塔。

所有塔内件的作用都是为了使气液在塔内更好地接触，以便发挥填料塔的最大效率和最大生产能力，所以塔内件设计的好坏直接影响到填料性能的发挥和整个填料塔的操作运行。

另外，填料塔的“放大效应”除了填料本身固有因素外，塔内件对它的影响也很大。

塔内件主要包括以下几个部分：

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。

下图为几种高性能的填料塔内件及填料塔内部构造。

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，每类又有不同的型式。

填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。

它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。

床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。

床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。

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。

液体由半球形喷头的小孔喷出，小孔直径为3～10mm，作同心圈排列，喷