填料塔课程设计

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1、环境工程原理课程设计题目：水吸收丙酮填料塔设计学 院 化学工程学院 专业班级 环境工程11级1班 学生姓名 陈冬冬 学生学号 11034103 指导教师 张颖 2014年3月3日2014年6月20日目 录一设计任务及操作条件.4二设计内容.4三设计要求.4四设计计算过程.4 1.吸收流程的确定.5 2.填料的选择.6 3.基础物性数据整理.7 4.物料衡算.8 5.填料塔的工艺尺寸的计算.10 6.填料塔压降计算.13 7.塔内辅助装置的选择和计算.147.1液体分布器147.2填料塔附属高度.157.3填料支撑板167.4填料压紧装置167.5液体进、出口管177.6液体除雾器177.7筒体

2、和封头187.8手孔197.9法兰.197.10液体再分布装置.217.11裙座.21附录1.23 附表225环境工程原理课程设计任务书设计题目：水吸收丙酮填料塔设计（一） 设计任务及操作条件 混合气（空气、丙酮）处理量：1900 m3/h进塔混合气含丙酮（体积分数）： 2.2%进塔吸收剂（清水）温度：25, 吸收剂的用量为最小用量的1.5倍丙酮回收率： 99%操作压力：常压每天工作24小时，一年300天（二） 设计内容（1）确定吸收流程（2）物料衡算，确定塔顶塔底的气液流量和组成（3）选择填料、计算塔径、填料层高度、填料分层、塔高（4）流体力学特性校核：液气速度的求取、喷淋密度校核、填料层压

3、降计算（5）附属装置的选择与确定：液体喷淋装置、液体再分布器、气体进出口及液体进出口装置、栅板（三） 设计要求(1) 设计说明书内容目录和设计任务书流程及流程说明计算（根据计算需要做粗话必要的草图，计算中所采用的数据和经验公式应注明其来源）设计计算结果总汇表对设计成果的评价及讨论参考文献（2） 设计图：绘制填料塔设计图（四） 设计计算流程 一.吸收流程的确定 根据气、液两相流动方向的不同，分为逆流操作和并流操作两类，工业上常采用逆流操作。除了少数情况只需单独进行吸收外，一般需对吸收后的溶液继以脱吸，使溶剂再生，循环使用。因此，除了吸收塔以外，还需与其他设备一道组成一个完整的吸收-脱吸流程。 小

4、结n 根据题目条件，采用清水做吸收剂n 为提高传质效率，选用逆流吸收n 采用单塔吸收、部分溶剂循环的吸收流程 二.填料的选择 1.填料的几何特性n 比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以 a表示，其单位为m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。n 空隙率 单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以 e表示，其单位为m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。 填料因子 填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/e3，称为填料因子，以 f表示，其单位为1

5、/m。填料因子分为干填料因子与湿填料因子，填料未被液体润湿时的 a/e称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a和e均发生相应的变化，此时的a/e3 称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能，f值越小，表明流动阻力越小。(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

6、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。 由于本设计操作温度较低且无腐蚀性，压强采用常压，所以选用DN38聚丙烯阶梯环填料。 三基础物性数据整理 1.液相物性数据 对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，20时水的有关物性数据如下： 密度： 粘度：mpa.s=3.2173kg/(m.h) 表面张力：L=932731.2 kg/h2 丙酮在水中的扩散系数：DL=4.656 2. 气相物性数据n 混合气体的平均摩尔质量： M=0.02258+0.97829=31.254g/moln 混合气体的平

7、均密度： n 混合气体的粘度可近似取空气的粘度，查手册得20空气的粘度为： V=1.832 10-5Pas=0.066kg/(mh)n 查手册得25摄氏度丙酮在空气中的扩散系数为： 3. 气液相平衡数据 由手册查得：常压下20时SO2在水中的亨利系数： 在纯吸收剂条件下，且t=15-45时，丙酮-水体系的亨利系数计算式：，计算得E=213.5KPa 相平衡常数为： m= 溶解度系数为： 四.物料衡算 3. n 进塔气相摩尔比： n 出塔气相摩尔比： n 进塔惰性气相流量： V=1900/22.4*273/(273+25)*(1-0.022)=75.996kmol/hn 该过程属低浓度吸收，平衡

8、关系为直线，最小液气比可按下式计算，即： n 对于纯吸收过程，进塔液相组成为: 取操作液气比为： L=V*3.104=235.86kmol/h V 五.填料塔的工艺尺寸的计算1.1气相质量流量为： 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 Eckert通用关联图的横坐标为： 查图5-21得：查表5-11得：取u=0.7=0.72.485= 1.74m/s1.2塔径的计算与校核 ，调整到0.6m.（1） 泛点率校核 （2） 填料规格校准 （3） 液体喷淋密度校核 对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率为0.08/mh，则： 2.填料层高度的计算 2.1气相总传质单元高度的计算 查表知：

9、 液体质量通量：带入修正的恩田公式得： 气膜吸收系数：因为 同理，液膜吸收系数：由 ，若用开孔环，则。所以同理，因为，须修正：故所以：故填料层的计算高度为取对于阶梯环： h=600*8=4800mm, 所以可分为两层，每层4m。六.填料层压降计算 其横坐标为： 又知 故纵坐标 查Eckert关联图得：1000Pa/m ，则可行填料层压降为七塔内辅助装置的选择与计算 1.液体分布器 液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象

10、增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动力或按结构形式分。若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分

11、为多孔型和溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。1.1液体分布器的选择 该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较小，根据本吸收的要求和物系的性质可选用槽式液体分布器。1.2分布器密度计算塔径，mm分布点密度，塔截面D=400330D=750170D120042 按Eckert建议值，D=600mm，喷淋点密度为200点/m2。 布氏点数为n=0.7851.3布液计算 由则 2.填料塔附属高度塔上部高度1.2m1.5m，取1.5m。液体分布器11.5m，取

12、1m。塔底液相停留时间按3min考虑，则塔釜液所占空间高度为 考虑到气相接管所占空间高度，塔底空间高度可取1m。所以 塔的附属高度为1.5+1+1=3.5m 塔的实际高度为H=8+3.5=11.5m3.塔的支承板填料支承板分为两类：气液逆流通过平板型支承板，板上有筛孔或栅板式;气体喷射型，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷射型支承板。常用的填料支承装置有栅板型和驼峰型及各种具有气升管结构的支承板。4.填料塔压紧装置 为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同的类型。对于散装填料，可选用压紧网板，

13、也可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定。设计中为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应大于 70 %。 为了便于安装和检修，填料压紧装置不能与塔壁采用连续固定方式，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。在本次课程设计中，选用压紧栅板。5.液体进、出口管 根据查手册可知，常压气体进出口管气速可取1015m/s；液体进出口速度可取0.81.5 m/s。假设进口气速为15，液体流速为1.0 ，则： 对于气体， 已知 ，所以 ，进口管选用直径为210mm的无缝钢管。 对于液体，同理：，d圆整至40.故底液出口管径六.液

14、体除液器除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液滴。根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。标记：HG/T21618 丝网除沫器S1400-100 SP NS-80/316表3 DN600上装式丝网除沫器 公称直径DN主要外形尺寸重量（kg）HH1D丝网格栅及定距杆支承件6005011456013.2812.1810.35七筒体和封头 （1）筒体的设计选用标准：筒体（JB1153-73）表4 筒体的容积、面积及重量公称直径Dg(mm)一米高的容积V(m3)一米高的内裹面积Fg(m2)壁厚S(mm)一米高筒节钢板理论重量(kg)6000.3852.206105（2）封

15、头的设计选用标准：选取椭圆形封头（JB1153-73）表5 封头的参数公称直径Dg(mm)曲面高度h1(mm)直边高度h2(mm)厚度S(mm)重量G(kg)60017525628.28.手孔 选用标准：常压手孔（HG2160121604-98）标记：手孔 DN200 HG2160121604-98各尺寸见表6图4常压手孔示意图表6 常压手孔尺寸表密封面型式公称直径DNdwsDD1Bbb1b2H1H2螺栓螺母螺栓总质量(kg)数量直径长度全平面FF型20048065705152501410121609020M165042.49.法兰（1）管法兰的选择选用标准：HG20593-97 板式平焊钢制

16、管法兰（欧洲体系）图5 板式平焊钢制法兰（PL）表7 PN0.25MPa（2.5bar）板式平焊钢制管法兰 管子直径/mm法兰内径/mm螺栓孔中心圆直径/mm公称直径/mm螺栓孔直径/mm螺栓孔数量n法兰外径/mm法兰厚度/mm法兰理论重量kg气体进出口159270240150238280246.120液体进出口108205170100188215204.010标记：气体进出口：HG 20593 法兰 PL250-0.25 FF Q235-A液体进出口：HG 20593 法兰 PL200-0.25 FF Q235-A（2）容器法兰的选择选用标准：JB/T4701-2000 甲型平焊法兰标记：法

17、兰P 1400-0.25 JB/T4701-2000图4-7 甲型平焊法兰平面密封面（代号P）表8 PN0.25MPa甲型平焊法兰的结构尺寸 （mm）公称直径DN，mm法兰，mm螺柱DD1D2D3D4d规格数量6008608107207757242624M242229.910.液体再分布装置 随液体流经的填料层厚度的增加，偏流程度增加，液体的大尺度不良分布就越严重。解决方法：每隔一定高度设置一液体再分布器。为使流向塔壁的液体能重新流回塔中心部位，一般在液体流过一定高度的填料层后装置一个液体再分布器。液体再分布器形状如漏斗，在液体再分布器侧壁装有若干短管，使近塔壁的上升气流通过短管与中心气流汇合

18、，以利气流沿塔截面均匀分布。11.裙座圆筒型裙座：（1）顶部空间高度取 【1】（P215） （2）选材：Q2356 结构：圆锥形 高度：裙座筒体上端面至塔釜封头切线距离：h1=33mm；【4】（P314） 直进料管高度：； 【1】（P105） 弯进料管高度：； 【1】（P327） 检查孔中心高度：； 【4】（P320） 裙座高度H2=2m。参考文献【1】王卫东主编化工原理课程设计2011.9版 P105 【2】刘光启，马连湘，刘杰 主编 化学化工数据手册无机卷2011-08-08出版 (1) P3 表1.2.1 (2) P12表1.3.1（3） P15 1.4.1 【3】时钧、汪家鼎、余国琮、

19、陈敏恒主编化学工程手册1996年出版。（1） P150表6.13（2）P149【4】刘光启, 马连湘, 项曙光主编化学化工物质手册2008年版（1） P71表2.3,.1（2）P147表6-12【5】刘光启化工物性算图手册2003.10版P694【1】 匡国柱、史启才主编化学单元过程及设备课程设计2008年2月出版 （1）P148 表5-19 （2）P139 表4-10 （3）P425 表9-14（4）P199 附录1主要符号说明 ：液体密度 ：气体的粘度， E：亨利系数， ：混合气体平均摩尔质量 ，g/mol ：混合气体的密度，kg/m3 ：液体的粘度， ：溶质在液相、气相中的扩散系数， ：

20、溶解度系数，：相平衡常数 ：水的密度和液体的密度之比 ：重力加速度， ：液体的密度， y：气相摩尔分数 Y：气体摩尔比x：液相摩尔分数 X：液相摩尔比 ：惰性气相流量， ：吸收剂流量，、：分别为气体和液体的质量流量，D：塔径，m ：泛点填料因子,u：空塔气速，m/s 泛点气速，m/s ：填料的总比表面积，/m3 U液体喷淋密度，m3/（m2h） 最小液体喷淋密度，m3/（m2h） 气体质量通量，/（m2h） UL液体质量通量，/（m2h）：以分压差表示推动力的气膜传质系数，：以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，：气相总体积传质系数， h、：填料层高度， ：塔截面积， ：气相总传质单元高度，

21、m ：气相总传质单元数：以分压差表示推动力的总传质系数，：单位体积填料的润湿面积 ：气体常数， A：吸脱因数 ：填料材质的临界表面张力，/h2 ;：液体表面张力 ：压降填料因子， ：液体密度校正系数或填料形状系数，无因次附表2填料塔尺寸计算结果汇总计算内容计算结果单位液体密度997.08kg/m3液体粘度0.8937mPas液体表面张力932731.2kg/m2丙酮在水中的扩散系数4.65610-6m2/h混合气体平均摩尔质量31.254kg/kmol混合气体平均密度1278kg/m3混合气体粘度18.32Pas丙酮在空气中的扩散系数0.03924m2/h相平衡常数m2.09亨利系数E211.5kPa溶解度系数H0.2619kmol/（kPam3）进塔气相摩尔比0.0225出塔气相摩尔比0.000225最小液气比2.0691进塔惰性气相流量87.56kmol/h进塔液相摩尔流量235.86kmol/h气相质量流量2428.2kg/h液相质量流量4250.2kg/h操作液气比1.5填料的泛点气速2.485m/s气速1.74m/s塔径600mm填料层高度8m脱吸因子0.673气相总传质单元数10.727气相总传质单元高度0.570m填料塔的压力降3920Pa26