填料塔的设计

目录

前言

世界卫生组织和联合国环境组织发表的一份报告说：“空气污染已成为全世界城市居民生活中一个无法逃避的现实;”如果人类生活在污染十分严重的空气里,那就将在几分钟内全部死亡;工业文明和城市发展,在为人类创造巨大财富的同时,也把数十亿吨计的废气和废物排入大气之中,人类赖以生存的大气圈却成了空中垃圾库和毒气库;因此,大气中的有害气体和污染物达到一定浓度时,就会对人类和环境带来巨大灾难,对有害气体的控制更必不可少;

一．设计任务书

1.设计目的

通过对气态污染物净化系统的工艺设计,初步掌握气态污染物净化系统设计的基本方法;培养学生利用所学理论知识,综合分析问题和解决实际问题的能力、绘图能力、以及正确使用设计手册和相关资料的能力;

2.设计任务

试设计一个填料塔,常压,逆流操作,操作温度为25℃,以清水为吸收剂,吸收脱除混合气体中的NH 3,气体处理量为1500m 3/h,其中含氨%体积分数,要求吸收率达到

99%,相平衡常数m=;

3.设计内容和要求

1研究分析资料;

2净化设备的计算,包括计算吸收塔的物料衡算、吸收塔的工艺尺寸计算、填料层压降的计算及校核计算;

3附属设备的设计等;

4编写设计计算书;设计计算书的内容应按要求编写,即包括与设计有关的阐述、说明及计算;要求内容完整,叙述简明,层次清楚,计算过程详细、准确,书写工整,装订成册;设计计算书应包括目录、前言、正文及参考文献等,格式参照学校要求;

5设计图纸;包括填料塔剖面结构图、工艺流程图;应按比例绘制,标出设备、零部件等编号,并附明细表,即按工程制图要求;图纸幅面、图线等应符合国家标准；图面布置均匀；符合制图规范要求;

6对设计过程的评述和有关问题的讨论;

二．设计资料

1.工艺流程

采用填料塔设计,填料塔是塔设备的一种;塔内填充适当高度的填料,以增加两种流体间的接触表面;例如应用于气体吸收时,液体由塔的上部通过分布器进入,沿填料表面下降;气体则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上,与液体密切接触而相互作用;结构较简单,检修较方便;广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作;

2.进气参数

进气流量: 1500m 3/h

进气主要成分：NH 3

空气粘度系数：h m kg s pa V ⋅=⋅⨯=-/065.01081.15μ

298K,下,氨气在空气中的扩散系数D V =s;

298K,下,氨气在水中的扩散系数D L =10-9m 2/s

25℃时,氨在水中的溶解度为H=m 3kpa

3.吸收液参数

采用清水为吸收液,吸收塔进口液相吸收质浓度为0;

液相密度：3/1000m kg L =ρ

液相粘度：2/1m s mN L ⋅=μ

液膜传质分系数k L =×10-4m/s

4.操作条件

操作温度25°C ,气压1atm

5.填料性能 矩鞍环采用连续挤出的工艺进行加工,与同种材质的拉西环填料相比,矩鞍环具有通量大、压降低、效率高等优点;矩鞍环填料床层具有较大的空隙率;矩鞍环的形状介于环形与鞍形之间,因而兼有两者之优点,这种结构有利于液体分布和增加气体通道;矩鞍环填料分为陶瓷和塑料和金属,现将规格列于下表1,以便于计算需要;

表1.国内矩鞍环填料特性参数

三．设计计算书

1．填料塔主体的计算

图1是稳定操作状态下的逆流接触吸收塔内的物流和组成;

图1 稳定操作状态下的逆流接触吸收塔内的物流和组成

V 、L 分别表示流经塔内任一单位截面的气、液通量,kmol/ ；V 1、V 2分别表示流经塔

底和塔顶单位截面上的气体,kmol/ ；L 1、L 2分别表示流经塔底和塔顶单位截面上的

液体通量,kmol/ ；y1、y2分别表示流经塔底、塔顶气体中溶质A 的摩尔分率,kmolA/kmol 气体 ；x1、x2分别表示流经塔底、塔顶液体中溶质A 的摩尔分率,kmolA/kmol 溶液 ;

吸收剂用量的计算

进入吸收塔气体的摩尔体积为：

进塔气体中氨的浓度为：

出塔气体中氨的浓度：

进塔清水的浓度：

假设平衡关系符合亨利定律,则最小气液比为：

则： h kmol L L /825.1018.1min =⨯=

吸收液浓度可依全塔物料衡算求出：

塔径的计算

吸收过程中,混合气体流量随塔减少因吸收质不断进入液相,故计算塔径时,一般以塔底气量为依据计算;计算塔径关键在于适宜的空塔气速;如何确定适宜的空塔气速,是气液传质设备的流体力学问题;刚出现液泛时的气速,为泛点气速；泛点气速是填料塔操作的极限气速,达到或超过此气速,填料塔即不能正常运行;操作气速或空塔气速均低于泛点气速,对不同填料,有不同参考数据;由资料可知：矩鞍形填料u=～uF,因此需计算泛点气速;

烟气的平均流量：

炉气的质量流量：

烟气的密度：

清水密度：

洗涤水耗用量：

由化工手册查得mm mm mm 8.03038⨯⨯矩鞍环乱堆的调料因子,02.821-=m φ水的粘度2/1m s mN L ⋅=μ,干填料因子3εa

为. 查表2的金属环矩鞍的A 值为.

表2. 不同填料的A,K 值

故用经验公式算F u 为：

将数值带入得F u =s;

求u ：

塔径为：

进行圆整,D=

核算液体喷淋密度：

因填料尺寸小于75mm,取)/(08.0)(3min h m m L W ⋅=,又由表二查出该填料的比表面积32/112m m =σ;

则： )/(96.811208.023min h m m U ⋅=⨯=

操作条件下的喷淋密度U:

计算可知：U>U min,所用填料符合要求;

圆整塔径后操作气速为： 校核：

65.024.312.2==F u u ,符合u=～uF 要求; 816.13038

.05.0>==d D ,所以符合要求; 填料层高度的计算

由于填料层高度=传质单元高度传质单元数,即OG OG N H h ⨯=;

用脱吸因素法,可得：

因为S<~之间为宜,所以S 符合要求;

传质单元数为：

气体总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

由化工手册查得,金属填料的临界表面张力

2223/972000/36001075/75h kg h kg m mN c =⨯⨯==-σ

25℃时水的临界表面张力为

h kg h kg m N L /933120/3600102.7/102.72222=⨯⨯=⨯=--σ

液体质量通量：

气体质量通量：

空气粘度系数：h m kg s pa V ⋅=⋅⨯=-/065.01081.15μ

298K,下,氨气在空气中的扩散系数D V =s;

298K,下,氨气在水中的扩散系数D L =10-9m 2/s

气膜吸收系数： 液膜吸收系数：

3938.0)10001027.16.3()3600

1001.210006.3()6.35572.011212.9340(0095.0)()()(0095.0318

219323

1

2132=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==---L

L L L L L w L L g D a U k ρμρμμ

由表查得填料的形状系数：19.1=ψ 因为65.024

.312.2==F u u > 所以要使用下式进行修正：

25℃时,下,根据氨在水中的溶解度曲线查得H=m 3kpa

则气膜总传质系数：

=+='+'=9930.2616590.1211111

a Hk a k a K L G G

采用上述方法计算出填料高度后,还应留出一定的安全系数,根据设计经验,填料层的设计高度一般为：

安全系数选用,所以m Z 6.332.1=⨯=';圆整后填料层高度为4m;

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;成填料层气液分布不均匀,使传质效率降低;因此,设计中,每隔一定高度,需要设置液体收集再分布装置,即将填料层分段;

由表可知,矩鞍环m h D

h h m D h o o o 48,6,8~5max ==≤=，则假定,与计算值相符,所以不需要分段;

表3. 散装填料分段高度推荐值

填料塔的总塔高主要取决于填料层h,此外还需要考虑塔顶空间,塔底空间及再分布器的布置等;填料塔的总塔高H 可由下式进行计算：

式中：h '为安全系数调整后的填料层高度,m;

f H 为装配液体再分布器的空间高度,m ；

d H 为塔顶空间高不包括封头部分,m,一般取~；

b H 为塔底空间高不包括封头部分,m,一般取~;

取b H =,d H =,则H=+4+=;

.填料塔压降的计算

通用关联图的横坐标为5.0)(L V V L ρρωω,纵坐标为2.02)(L L

V g u μρρφϕ; 横坐标：

纵坐标：

通过查图二得:

所以

图2 埃克特通用关联图

2.填料塔附属结构的类型与设计

塔的辅助构件包括填料支承板、填料压紧装置、液体分布器、液体再分布器、除雾装置及排液装置等;填料塔操作性能的好坏与塔内辅助构件的选型和设计紧密相关;合理的选型与设计可保证塔的分离效率、生产能力及压降要求;

支承板

填料的支承结构应该满足三个基本条件：①使气液能顺利通过,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,并考虑填料空隙中的持液重量;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、塔内及填料的材质、气液流率等;本设计根据需要,选择用扁钢做成栅板形式;

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送动和跳动;填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类;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,不能采用连续式的塔圈固定,对于小塔可用螺钉固定于塔壁,而大塔则用支耳固定;由于本设计的填料是金属矩鞍环,故填料塔在填料装填后于其上方安装了床层限制板;

液体分布器装置

填料塔设计中一般考虑每平方米塔板上有30个以上的喷淋密度点;常见的结构型式有：

（1） 管式喷淋器

（2） 莲蓬式喷淋器：一般用于直径600mm 以下的塔;

（3） 盘式分布器：适用于800mm 以上的塔;

（4） 槽式分布器：适用于大塔径的分布器

本次填料塔设计直径为,选择莲蓬式喷洒器;

分布点密度计算:按Eckert 建议: D=500时,取喷淋点密度为270点/2m ,布液

点数为： 532705.04

2=⨯⨯=πn

按分布点几何均匀与流量均匀的原则,进行布点设计

多孔型布液器布液能力的计算公式：

取φ=,∆H=140mm,s m L S /00051.01000360018825.1013=⨯⨯=

0d =75.01018.41408.9256.05300051.0424-⨯=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛∆πφπH g n L s m 在计算时0d =71018.4-⨯m. 液体分布器的高度计算

一般液体分布器离塔顶的距离通常大于一倍塔径,液体分布器离填料层的距离要使液体刚好全部润湿填料,可取,即400mm;

除雾装置

设置除雾器可用于分离塔顶进出口气体中夹带的液滴,以保证传质效率,减少有价值物料的损失及改善下游设备的操作条件;

由于氨气溶于水中易于产生泡沫,为了防止泡沫随出气管排出,影响吸收效率,采用除沫装置;同时由于所设计填料塔操作气速过大,气体中带有较多雾滴,所以需在塔顶的喷淋设置上方设置除雾器;

气体分布装置

气体进口装置应能使气体分布均匀,同时还能防止液体流入进气管;常见的方式是使进气管伸入塔的中心线位置,计算塔径为,塔径小于时,向下开缺口的分布性能最好,弯管次之,斜口最差;因此,该设计中采用向下开缺口式的;

排液装置

液体从塔内排出时,一方面要能使液体顺利排出,另一方面应保证塔内气体不会从排液管排出,应选用常压操作的液封结构;

防腐蚀设计

由于氨气对材料基本没有腐蚀,所以只考虑空气中氧气对设备的腐蚀和进出料液对设备的冲蚀,为了提高填料塔的使用寿命和从长远的经济利益考虑,填料塔体选用Q235刚,塔体外壁用涂层进行防护,塔体内壁用衬里进行防腐,塔内件的设计选用奥氏体耐蚀钢,塔内各种连接部件也选用此种钢,避免电偶腐蚀;在塔内件安装时要检查是否有锈,如果有应除去铁锈再安装,避免点蚀;进出气液管也选用Q235钢,在管道转折处应尽量有一定弯曲度,减小进出气液时对管壁的冲蚀,在塔体各种开孔处用补强圈补强;适当增加腐蚀余量;填料选用的是矩鞍环,基本没有腐蚀;填料塔使用一定时间后应检修一次,保证安全和提高使用寿命;

气体进料管

取气体进出口流速为15m/s,则可求得气体进出口内径：

根据查的国际无缝钢管的规格,选定mm mm 10190⨯φ的热轧无缝钢管,则

由结果知,u '=在15~20之间,所以符合标准;

气体进口压降：

气体出口压降：

进气管到塔底的空间高度D H )7.1~5.1(= ,该设计中取750mm;

液体进料管：

常压下液体进出口管速为~3m/s,取液体进出口流速为2m/s,则

根据查的国际无缝钢管的规格,选定mm mm 119⨯φ的热轧无缝钢管,则

由结果知,在~之间,所以符合标准;

封头的选择

选择标准的椭圆形封头是较常见的填料塔的设计,且制造比较容易;由于填料塔的直

径为500mm,由下表可知,应选择曲面高度为125mm,直边高度选择25mm;

表5. 标准椭圆形封头尺寸

总塔高计算

填料塔的总塔高主要取决于填料层h,此外还需要考虑塔顶空间,塔底空间及再分布器的布置等;填料塔的总塔高H 可由下式进行计算：

式中：h '为安全系数调整后的填料层高度,m;

f H 为装配液体再分布器的空间高度,m ；

d H 为塔顶空间高不包括封头部分,m,一般取~；

b H 为塔底空间高不包括封头部分,m,一般取~;

取b H =,d H =,则H=+4+=;

由于封头的选择,曲面高度为125mm,直边高度选择25mm,

所以塔体总高度为：m h H H n h H H b f d 7.6)1(=++-+'+=

3.填料塔设计参数汇总

表6. 填料塔设计参数汇总

四．填料塔装配图见附录

五．总结

通过本次课程设计,我对填料塔的相关知识有了更为扎实的掌握,学会更好的走出课本,将课堂所学的知识运用到实践当中去,同时,我的计算能力经受了考验,得到了提高;

这次课程设计对我们的资料搜集整理能力以及计算能力要求较高,总体并不难,但需要我们查阅大量的资料,并仔细观察分析;在一开始的研究过程中,只查出了大量陶瓷以及塑料矩鞍环的相关参数,然而将我判断为可行性较高的参数代入塔径计算公式,进行校核时,发现均不符合要求;于是,无奈之下我选取了拉西环填料,在对塔径等参数进行了计算并得到了接近规定的数据后,因为考虑到科学的严谨性,我翻阅了化工手册并发现了金属矩鞍环的参数,惊喜之下,我应用金属矩鞍环的参数再次进行了塔径等相关参数的计算;然而,计算结果仍偏大,此时,考虑到所运用的泛点气速是在通用关联图上选取了较高时读出的,并未考虑实际运行情况与这不符;于是,经与同学讨论,我们一致决定改用经验公式对泛点气速进行计算;经历了一系列艰苦的计算,尤其是恩田公式,因计算量较大较繁复,在为了保证计算正确性的前提下,我更是进行了不下十次的计算,最终,皇天不负有心人,我终于得出了正确的结论;

每次的课程设计,对我来说,或是对思考能力,或是对科学态度,或是计算能力,都是一次挑战;互联网的应用固然使我们获取知识变得更为方便,然而,获取的材料未必就是就是正确的,需要我们学会甄选,有严谨的科学态度,方能完美完成每一次的科研;

以上,便是我对本次课程设计进行的总结;

六．参考文献

1 赵毅.李守信有害气体控制工程,化学工业出版社,2001.

2 王志魁. 化工原理第三版,化学工业出版社,2004.

3 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计化工传递与单元操作课程设计,天津大学

出版,2002.

附录