填料塔课程设计.doc

目 录

1. 前言……………………………………………………(4)
2. 设计任务………………………………………………(6)
3. 设计方案说明…………………………………… (6)
4. 基础物性数据………………………………………… （6）
5. 物料衡算………………………………………… (6)
6. 填料塔的工艺尺寸计算……………………………… （8）
7. 附属设备的选型及设备………………………………（14）
8. 参考文献…………………………………………… (19)
9. 后记及其他……………………………………………（20）

1.前 言
填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，它是化工类企业中最常用的气液传质设备之一。而塔填料塔内件及工艺流程又是填料塔技术发展的关键。聚丙烯材质填料作为塔填料的重要一类，在化工上应用较为广泛，与其他材质的填料相比，聚丙烯填料具有质轻、价廉、耐蚀、不易破碎及加工方便等优点，但其明显的缺点是表面润湿性能。
1.1填料塔技术
填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。
  当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。
填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。
1.2 填料的类型
填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。
散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。
规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。
根据设计的费用和分离要求来考虑，本设计采用散装填料。
1.3填料的几何特性
填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。
1.4填料的性能评价
填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低
填料塔的流体力学性能
1.5填料塔的流体力学性能
主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。
1.6填料的选择
填料的选择包括填料种类的选择、填料规格的选择（散装填料规格的选择、规整填料规格的选择）、填料材质的选择等，所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。在填料的选择中，我选用DN50填料。因为设计任务的年产量比较小，塔径为800mm，不适合用尺寸大的填料。而在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多。而DN50填料正处于两者之间。是理想的填料类型。
1.7填料塔的内件
填料塔的内件主要有填料支承装置、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。

2. 设计任务
•  原料气组成: 丙酮－空气双组分混合气体
丙酮含量 14.0%（体积%）　　
•  处理量: 1.3×107 ~ 4.1Χ107 Nm 3 /a （标准体积流量）
年吸收能力1.2×10m，年开工3600小时
•  操作条件: 连续常压操作 ( t = 20~30 ℃ )
•  尾气要求: 出塔气体中丙酮含量不大于原料气中丙酮含量的0.5%.
•  吸收剂: 清 水

3．设计方案的说明
用水吸收丙酮溶解的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程，因用水作为吸收剂，且丙酮不作为产品，故采用纯溶剂。
对于水吸收的丙酮过程，操作温度及操作压力较低，故此用塑料阶梯环DN50填料。

4．基础物性数据
4.1液相物性数据
20ºC时水的有关物性数据如下：
密度为
粘度为
表面张力为
丙酮在水中的扩散系数为
4.2气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为

混合气体的平均密度为

混合气体的粘度可近似取空气的粘度，查手册的20 ℃空气的粘度为

丙酮在空气中的扩散系数为 　
4.3气相中平衡数据
常压下20 ℃ 时,
在水中的享利系数为E=161.6KPa; 相平衡常数为m=E/P=1.5949

5．物料衡算
进塔气相摩尔比为

出塔气相摩尔比为：

进塔惰性气相流量为 (1.2×10)/3600=3333.3

该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为

取操作液气比为：

表1 全塔物料衡算总表

进塔
出塔
气相中丙酮的量
惰性气体的量
水中丙酮气的量
水的量
∑INPUT
气相中丙酮气的量
惰性气体的量
水中丙酮的量
水的量
∑OUTPUT
从上表可知进出塔的物料总量基本相等，结果差异主要是由于用尾气吸收公式算的理论水中丙酮的量比实际吸收丙酮的量要大。

6．填料塔的工艺尺寸的计算
6.1塔径的计算
采用Eckert 通用关联图计算泛点气速。
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Eckert图得

查表得陶瓷拉西环矩鞍泛点填料因子平均值为

圆整塔径，取D=0.8m=800mm
泛点率校核：

在0.5~0.85的允许范围内，合格
填料规格核算

液体喷淋密度核算
取最小润湿速率为

查表得拉西环矩鞍DN50的比表面积
=

U=> U
经以上核算可知，选用D=800mm合理

图1 填料层的泛点和压强降的通用关联图（ECKERT图）
6.2 填料层高度计算
Y =mX =
Y=mX=0
脱吸因数为
S=
气相总传质单元数为

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算

查常见材质的临界表面张力值表

液体质量通量为

则

=0.5062
得=47.0766

气膜吸收系数由下式计算

气体质量通量为

则：

液膜吸收系数由下式计算：

则：

由

查常见填料的形状系数表得：

>
所以需要按下式进行校正：

H=
Z=HN=0.87493.8540=3.3719m
取=
取
对拉西环填料，
取则
h=
计算，故需要分两段。
6.3 填料层压降的计算
采用Eckert通用关联图计算填料层压降。
横坐标为
查表得陶瓷拉西环压降填料因子平均值为：

纵坐标为
查Eckert通用关联图得：

则填料塔的压强降为 =，
7．辅助设备的选型及设备
7.1 液体分布器
7.1.1液体分布器的选型
该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器。
7.1.2分布点密度计算
根据Eckert的散装填料塔分布布点密度推荐值，D=750mm时取喷射点密度为170点/m，现D=800mm,取喷射点密度为180点/m
则布液点数为

取130点.
按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：二级槽共设五道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm，槽高度为210mm，两槽中心矩为160mm。分布点采用三角形排列，实际设计点数n=92点，如下图所示：

图2为槽式液体分布器布液点设计图
7.1.3分液计算

取孔流系数，开孔上方的液位高度分别为：
则，
设计取 d=4mm
7.2 填料支撑结构
填料支承结构应满足3个基本条件：①使起液能顺利通过.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，并考虑填料孔隙中的持液重量。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、塔体及填料的材质、气液流率等。本设计根据需要，选择栅条式支承装置。
7.3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。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。本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装了填料压紧栅板。
7.4 液体再分布器装置
液体在乱堆填料层内向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，偏流往往造成塔中心的填料不被润湿，降低表面利用率。根据再分布器各种规格的使用范围，最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。
7.5除沫装置
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。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，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。

7.6接管口尺寸的计算
为防止流速过大引起管道冲蚀，磨损，震动和噪音，液体流速一般不超过3m/s ，气体流速一般不超过10-30m/s。管径计算公式：，由于该填料塔吸收在底浓度下进行，故气液体进出空的管径相同。
（1） 丙酮与空气混合气体：取u=30 m/s所以由公式：
（2） 圆整取 213mm
（3） 查表（GB8163-87）管子规格表，可选取219mm×9.5mm的无缝钢管，内径为：219-2×9.5=200mm
在对气体流速进行校核：
<u,所以，管子选取合格
（4） 对于液体进出口，取液体流量为2m/s
同理查表（GB8163-87）管子规格表，可选取219mm×9.5mm的无缝钢管，内径为：219-2×9.5=200mm
在对液体流速进行校核：
<u,所以，管子选取合格

表2 计算结果总表
项目
数据
操作压强P/kPa
101.325
各段平均温度t/℃
20
塔径D/mm
800
填料分段高度h/mm
2000
填料层高度mm
5000
空塔流速(m/s)
1.843
填料层压强ΔP/Pa
6082.2
气相总传质单元数N
3.854
气相传质单元高度H/mm
874.9
布液点数n/点
92
孔径d /mm
4
气体进出管道的尺寸mm
2199.5
液体进出管道的尺寸mm
2199.5

8.参考文献
[1].陈敏恒等.化工原理.下册.北京:化学工业出版社,2000
[2].上海医药设计院编.化工工艺设计手册.北京:化学工业出版社,1996
[3].匡国柱,史启才主编.化工单元过程及设备课程设计.北京:化学工业出版社,2002
[4].王树楹主编.现代填料塔技术指南.北京:中国石化出版社,1998
[5].刘乃鸿主编.工业塔新型规整填料应用手册.天津:天津大学出版社，1993
[6].贺匡国主编.化工容器及设备设计简明手册.北京:化学工业出版社,2002
[7].王松汉主编.石油化工设计手册.第3卷.化工单元过程.北京:化学工业出版社,2002
[8].倪进方.化工过程设计.北京:化学工业出版社,1999
[9].谭蔚主编.化工设备设计基础.天津:天津大学出版社,2000
[10].化学工程手册编辑委员会.化学工程手册.第3卷第十篇.气体吸收.北京:化学工业出版社，1989
[11].Perry’s Chemical Engineer’s Handbook. Sixth edition.Section 18.1984
[12].Lange’s Handbook of Chemistry.15th ed，1999
[13].化学工程手册编辑委员会.化学工程手册.第3卷第十三篇.气液传质设备.北京:化学工业出版社,1989
[14].时钧,汪家鼎,余国琮，陈敏恒主编.化学工程手册.第二版上卷.北京：化学工业出版社，1996

9. 后记 ：设计过程的心得体会
经过了两周多时间的课程设计，现在终于完成了这次的课程设计要求，有了一点的心得。
在上学期，我们学习了《化工原理》这一课程，《化工原理》是化学工程专业的一门重要的专业基础课，它的内容是讲述化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。化工单元操作是组成各种化工生产过程、完成一定加工目的的基本过程，其特点是化工生产过程中以物理为主的操作过程，包括流体流动过程、传热过程和传质过程。在这里面，我们主要学习了流体输送、流体流动、机械分离、传热、传质过程导论、吸收、蒸馏、气-液传质设备，以及干燥等。
这次我的课程设计题目是水吸收丙酮过程填料塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。
本设计中，开始的时候我们是采用Eckert通用关联图计算泛点气速，但是我发现用查图的方法来计算出泛点气速之后进行液体喷淋密度校核时，无论取哪种规格的填料都很难使其符合要求，最后由液体喷淋密度校核这一步往回推导时，我发现差不多要把处理量提高到很高才有可能符合设计要求。后来我参考了其他的一些资料上的算法发现也有用贝恩（Bain）——霍根（Hougen）关联式计算泛点气速的，当我应用这个关联式计算时发现计算出的结果与查图算出的相差很大，这一步的计算我们认为查关联图不是很准确。
 在填料的选择中，我几乎是用排除法来选择的，就是一种一种规格的算，后来认为DN50计算得的结果比比较好。虽然在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多。用DN50计算所得的D/d值也符合拉西环的推荐值。
 我们一组五个同学都是这一个题目，我们大家在一起共同探讨在其中发现的问题，一起查阅相关的资料，最后完成了任务。虽然我们五人是同一个题目，但我们大家在很多情况还是需要自己的独立见解，因为我们大家每一个人都有自己的不同思想，这是很好锻炼自己独立丝毫一个问题的机会。通过这次的课程设计，让我从中体会到很多。课程设计是我们在校大学生必须经过的一个过程，通过课程设计的锻炼，可以为我们即将来的毕业设计打下坚实的基础！
为此，我感觉能圆满完成这次课程设计任务，给我带来了很大的信心，让我对自己的将来充满了自信！将来一定是美好的！

附录：
丙酮吸收填料塔CAD流程图A4图纸一张
丙酮吸收填料塔A1图纸一张

- 20 -