范永霞的填料塔.doc

环境工程课程设计山东农业大学资源与环境学院课程设计题目： 二氧化硫填料吸收塔的设计学 院：资源与环境学院专业：环境工程班级：10级2班姓名：范永霞学号：20105911第2节 课程设计的意义与目的二、设计任务及操作条件（一）题目（二）设计条件（三）设计内容（四）设计要求（交纸质的设计说明书和设计图）（五）设计任务三、设计方案的确定及流程的选择四、物料计算（一）相关基础物性数据(二)物料衡算五、填料塔的工艺尺寸的计算（一）填料塔直径的计算（二）传质单元的计算（三）高度的计算（四）填料层压降的计算（一）液体分布器计算六、塔内件设计3、 填料塔内件的选择（3）填料支撑板目录第一章 前言- 2 -第一节 填料塔的主体结构与特点- 2 -第二节 填料塔的设计任务及步骤- 2 -第三节 填料塔设计条件及操作条件- 3 -第二章 吸收塔主体设计方案的确定- 3 -第一节 吸收剂选择- 3 -第二节 填料的类型与选择- 3 -第三章 吸收塔的工艺计算- 4 -第一节 基础物性数据- 4 -一、液相物性数据- 4 -二、气相物性数据- 4 -三、气液相平衡数据- 5 -第二节 物料衡算- 5 -第四章 填料塔的工艺尺寸的计算- 6 -第一节 填料塔直径的计算- 6 -一、 确定空塔气速- 7 -二、塔径计算：- 7 -三、塔径校核- 8 -第二节 传质单元的计算- 9 -一、传质单元数计算- 9 -二、传质单元高度计算- 9 -第三节 高度的计算- 12 -一、填料层高度的计算- 12 -二、塔附属高度的计算- 13 -第四节 填料层压降的计算- 13 -第五章 塔内件设计- 15 -第一节 液体分布器计算- 15 -一、液体分布器- 15 -二、布液孔数- 15 -第二节 填料塔内件的选择- 15 -一、液体分布器- 15 -二、液体再分布器- 16 -三、 填料支撑板- 16 -四、填料压板与床层限制板- 17 -五、气体进出口装置与排液装置- 17 -附录一 ：工艺设计计算结果汇总- 18 -附录二：主要符号说明- 19 -附录三：二氧化硫填料塔设计图（单位：mm）- 21 -第一章 前言第一节 填料塔的主体结构与特点结构：图1-1 填料塔结构图填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造， 适用于处理量少，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。第二节 填料塔的设计任务及步骤设计任务：清水吸收混合气中二氧化硫。 设计步骤：（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、填料的分层、塔高的确定。（4）流体力学特性的校核：液气速度的求取，喷淋密度的校核，填料层压降P的计算。（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。第三节 填料塔设计条件及操作条件1、混合气：空气+二氧化硫；2、处理量：1000 m3/h；3、进塔混合气中含二氧化硫（体积分数）： 8.0%；4、进塔吸收剂（清水），温度293K；5、二氧化硫的吸收率：95%；6、操作压力：101.3KPa；7、所选填料：乱堆塑料阶梯环，规格自定。第二章 吸收塔主体设计方案的确定第一节 吸收剂选择吸收剂的选择是吸收操作的关键，吸收剂的选择与吸收方法的选择有一定的联系。选择吸收剂时，首先要考虑吸收过程在整个生产流程中的作用和前后工序所提供的工艺条件和要求；其次从吸收过程的基本原理出发，按照各项技术经济要求加以分析和选择。本设计按照要求，用水吸收混合气中SO2，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，且SO2不作为产品，故采用纯溶剂。第二节 填料的类型与选择对于水吸收SO2的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好。阶梯环是对鲍尔环的改进。与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。几种国产主要塑料阶梯环如下表：表2.1 几种国产塑料阶梯环主要参数：规格DN/mm径高厚DH(mmmmmm)比表面积/空隙率堆积个数n/(个、m2)堆积重量m/Kg/m3干填料因子/3/m-116168.91.137085299136135.6602.6252512.51.4228908150097.8312.83838191132.5912720057.5175.85050251.5114.292.71074054.8143.176763739092.9342054.5112.3100100502.57893.216505598.5经对比，DN50塑料阶梯环具有较大比表面积，较高的孔隙率，较大的填料银子数，且重量较小，价格相对较低。故采用DN50塑料阶梯环。第三章 吸收塔的工艺计算第一节 基础物性数据一、液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，20oC时水的有关物性数据如下： 密度为： 黏度 ：表面张力为：SO2在水中的扩散系数为：二、气相物性数据设进塔气体温度为：20oC混合气体的平均摩尔质量为：混合气体的平均密度为： 混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查手册得20oC空气的黏度为： 查手册得SO2在空气中的扩散系数为： 三、气液相平衡数据由手册查得，101.3KPa20oC时，SO2在水中的亨利系数为：相平衡常数为：溶解度系数为：第二节 物料衡算一、全塔物料衡算图31所示是一个定态操作逆流接触的吸收塔，图中各符号的意义如下： 惰性气体的流量；纯吸收剂的流量，；，进出吸收塔气体的摩尔比；，出塔及进塔液体中溶质物质量的比。注意：本课程设计中塔底截面一律以下标“l”表示，塔顶截面一律以下标“2”表示。进塔气体摩尔比：出塔气体摩尔比：进塔惰性气体摩尔流量：进塔惰性气体质量流量：2、 吸收剂（水）的用量由全塔的物料衡算 则吸收剂用量为 则吸收剂用量为 = 实际液气比取最小值，即为最小液气比的1.3倍，即；有 进塔液相摩尔流量：进塔液相质量流量：由，求得吸收液出塔浓度为：第四章 填料塔的工艺尺寸的计算第一节 填料塔直径的计算1、 确定空塔气速通常由泛点气速来确定空塔操作气速。泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作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/=0.50.85，贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式 ，即：其中：泛点气速，； 重力加速度，9.81；填料总比表面积，；填料层空隙率，；、气相、液相密度，；、液相、气相质量流量，；、关联常数；代入数据即：整理得：1.348取=0.7=0.943二、塔径计算：填料塔直径计算公式：代入数据：圆整塔径，取三、塔径校核1.泛点率校核由于泛点附近流体力学性能的不稳定性，一般较难稳定操作，故一般要求泛点率在50%-80%之间，而对于易起泡的物系可低于40%；=100=65.06符合要求。2. 根据填料规格校核D/d的推荐值列表表4.1填料种类D/d的推荐值拉西环D/d2030鞍环D/d15鲍尔环D/d1015阶梯环D/d8环矩鞍D/d8由于：D/d=1100/50=228根据表4-1可知，符合要求。3.液体喷淋密度的校核：(1) 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量。(2) 最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率为0.08。 经过以上校验，填料塔直径设计为D=1100mm合理.第3节 传质单元的计算一、传质单元数计算脱吸因数为： 气相总传质单元数为： 带入数值，即 二、传质单元高度计算干填料比表面积为 ，实际操作中润湿的填料比表面积为，由于只有在润湿的填料表面才可能发生气、液传质，故 值具有实际意义。下面介绍计算的恩田（ONDA）公式，该公式为： 式中：单位体积填料层的润湿面积，；填料的总比表面积，；液体表面张力，； 填料上液体铺展开的最大表面张力，； 液体通过空塔截面的质量流速，； 液体的粘度，； 液体的密度，；重力加速度，。查表得：。流体质量流量：代入数值，即：代入数值得：=0.653气膜吸收系数由下式计算：式中： 气体通过空塔截面的质量流速，; 气体的粘度，； 气体的密度，；通用气体常数，8.314气体质量通量为： 代入数值： 液膜传质系数由下式计算： 式中：液体的密度，；液体的质量流速，液相的黏度，；液体通过空塔截面的质量流速，；溶质在液相中的扩散系数， 。代入数值得： 由 ，查表:表4.2 常见填料塔的形状系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环值0.720.7511.191.45得则 因；=65.0650又需进行如下校正： 则第三节 高度的计算一、填料层高度的计算 根据设计经验，填料层的设计高度一般为 式中：设计时的填料高度，m； 工艺计算得到的填料层高度，m。得:设计取填料层高度为：查：表4.3 散装填料分段高度推荐值填料类型h/DHmax/m拉西环2.54矩鞍586鲍尔环5106阶梯环8156环矩鞍5156对于阶梯环填料，分段高度推荐值，则h=81100151100=880016500 mm计算得出，填料层高度=7700mm120042根据物质性质可选用管式液体分布器，取布液点数为 二、布液孔数总布液孔数为点第二节 填料塔内件的选择一、液体分布器液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供塔内气液均匀分布的先决条件，也是使填料达到预期分离效果的保证。为此，分布器设计中应注意以下几点：（1） 、为保证液体在塔截面上均布，颗粒型（散装）填料的喷淋点数为4080个/m2（环形填料自分布性能差应取高值），此外，为减少壁流效应，喷淋孔的分布应使近塔壁520区域内的液体流量不超过总液量的10。（2）、喷淋孔径不宜小于2，以免引起堵塞，孔径也不宜过大，否则液位高度难维持稳定。1.多孔型液体分布器多孔型液体分布器系借助孔口以上的液层静压或泵送压力使液体通过小孔注入塔内。2.直管式多孔分布器根据直管液量的大小，在直管下方开24排对称小孔，孔径与孔数依液体的流量范围确定，通常取孔径26，孔的总面积与及进液管截面积大致相等，喷雾角根据塔径采用30或45，直管安装在填料层顶部以上约300。此形分布器用于塔径600800，对液体的均布要求不高的场合。根据要求，也可以采用环形管式多孔分布器。3.排管式多孔分布器支管上孔径一般为35，孔数依喷淋点要求决定。支管排数、管心距及孔心距依塔径和液体负荷调整。一般每根支管上可开13排小孔，孔中心线与垂直线的夹角可取15、22.5、30或45等，取决于液流达到填料表面时的均布状况。主管与支管直径由送液推动力决定，如用液柱静压送液，中间垂直管和水平主管内的流速为0.20.3m/s，支管流速取为0.150.2m/s；采用泵送液则流速可提高。二、液体再分布器当塔顶喷淋液体沿填料层下流时，存在向塔壁流动的趋势，导致壁流增加。此外，塔体倾斜、保温不良等也会加剧壁流现象。为提高塔的传质效果，当填料层高度与塔径之比超过某一数值时，填料层需分段。在各段填料层之间安设液体再分布器，以收集自伤以填料层来的液体，为下一填料层提供均匀的液体分布。4、 填料支撑板填料支撑板用于支撑塔填料及其所特有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及其体均布作用。故要求支撑板上气液流动阻力太大，将影响塔的稳定操作甚至引起塔的液泛。支撑板大体分为两类，一类为气液逆流通过的平板支撑板，板上有筛孔或为栅板式；另一类斯气体喷射型，可分为圆柱升气管式的气体喷射型支撑板和梁式气体喷射型支撑板。平板型支撑板结构简单，但自由截面分率小，且因气液流同时通过板上筛孔或栅缝，故板上存在液位头。气体喷射性支撑板气液分道，即有利于气体的均匀分配，又避免了液体在板上聚集。梁式结构强度好，装卸方便，可提高大于塔截面的自由截面，且允许气液负荷较大，其应用日益受到重视。当塔内气液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击，破坏塔的正常操作甚至损坏填料，为此，一般在填料层顶部设压板或床层限制板。四、填料压板与床层限制板填料压板系藉自身质量压住填料但不致压坏填料；限制板的质量轻，需固定于塔壁上。一般要求压板或限制板自由截面分率大于70。五、气体进出口装置与排液装置填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用其它均布气流的装置。气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽量除去被夹带的液沫。最简单的装置是在气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾器。液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。常压塔气体进出口管气速可取1020m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口气速可取0.81.5m/s（必要时可加大些）管径依气速决定后，应按标准管规定进行圆整。主要参考文献1化工原理下册，陈敏恒等.化学工业出版社出版，2006年2化工制图，张淑荣、王守发.延边大学出版社，1979年3化工原理课程设计指导书，贾绍义、柴诚敬.天津大学出版社，2002年4化工单元过程及设备课程设计，匡国柱、史启才.化学工业出版社，2002年5化工原理课程学习指导，柴诚敬、王军等.天津大学出版社，2005年6化工原理课程学习指导与训练，张鹏、曾庆荣等.吉林人民出版社，2004年7化工原理，杨祖荣，刘丽英，刘伟.化学工业出版社，20048化工原理，管国峰.北化学工业出版，2003附录一 ：工艺设计计算结果汇总工艺设计计算汇总表序号项目数值备注1混合气体处理量U（m3/h）30002进塔气相摩尔比Y10.113出塔气相摩比Y20.00