填料吸收塔的设计课程设计

课程设计题 目： 填料吸收塔的设计 教 学 院： 化学与材料工程学院 专 业： 应用化工技术2010级（1）班 学 号： 201030820139 学生姓名： 曹婧婕 指导教师： 屈媛老师 2012年 6 月 3 日 课程设计任务书 2011 2012 学年第 2 学期学生姓名： 曹婧婕 专业班级： 10应用化工技术 指导教师： 屈 媛 工作部门： 化材学院化工教研室 一、课程设计题目填料吸收塔的设计二、工艺条件1处理能力：1500m3/h混合气（空气、SO2）2年工作日：300天3混合气中含SO2： 3%（体积分数）4SO2排放浓度：0.165操作压力：常压操作6操作温度：20 7相对湿度：70% 8填料类型：自选 (塑料鲍尔环，陶瓷拉西环等)9平衡线方程： (20)三、课程设计内容1设计方案的选择及流程说明； 2工艺计算； 3主要设备工艺尺寸设计； （1）塔径的确定； （2）填料层高度计算； （3）总塔高、总压降及接管尺寸的确定。 4辅助设备选型与计算。 四、进度安排1课程设计准备阶段：收集查阅资料，并借阅相关工程设计用书；2设计分析讨论阶段：确定设计思路，正确选用设计参数，树立工程观点，小组分工 协作，较好完成设计任务；3计算设计阶段：完成物料衡算、流体力学性能验算及主要设备的工艺设计计算；4. 课程设计说明书编写阶段：整理文字资料计计算数据，用简洁的文字和适当的图表 表达自己的设计思想及设计成果。五、基本要求1格式规范，文字排版正确；2. 主要设备的工艺设计计算需包含：物料衡算，能量衡量，工艺参数的选定，设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算；3工艺流程图：以2号图纸用单线图的形式绘制，标出主体设备与辅助设备的物料方向，物流量、能流量，主要测量点；4. 填料塔工艺条件图：以2号图纸绘制，图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；5. 按时完成课程设计任务，上交完整的设计说明书一份。 教研室主任签名： 年 月 日 第一章 概 述1.1设计依据本课程设计从以下几个方面的内容来进行设计1、 填料的选择由于水吸收S02的过程、操作、温度及操作压力较低，工业上通常选用所了散装填料。在散装填料中，金属鲍尔环填料的综合性能较好，故此选用DN38金属鲍尔环填料。2、吸收塔的物料衡算3、填料塔的工艺尺寸计算主要包括：塔径，填料层高度，填料层压降。4、设计液体分布器及辅助设备的选型5、绘制有关吸收操作图纸1.2设计任务及要求1、原料气处理量：1500m3/h混合气（空气、SO2）2、年工作日：300天3、混合气中含SO2:3(体积分数)4、SO2排放浓度：0.165、操作压力：常压操作6、操作温度：207、相对湿度：708、填料类型：金属鲍尔环9、吸收剂：清水10、平衡线方程：y=66.76676x(20)第二章 设计方案的简介2.1塔设备的选型塔设备是化工、石油化工、生物化工制药等生产过程中广泛采用的气液传质设备，它是关键的设备。例如在气体吸收、液体精馏（蒸馏）、萃取、吸附、增湿中、离子交换等过程中都有体现。根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。其中填料塔是最常用的气液传质设备之一，它广泛应用于蒸馏、吸收、解吸、汽提、萃取、化学交换、洗涤和热交换等过程。它是一个圆筒塔体，塔内装载一层或多层填料，气相由下而上，液相由上而下接触，传热和传质主要在填料的表面进行，填料的选择是填料塔的关键。填料塔制造方便，结构简单，采用材料可是耐腐蚀的材料或者是金属以及塑料，在塔径较小的情况较有效，使用金属材料省，一次投料较少，塔高较低。表1 填料塔与板式塔的比较序号填料塔板式塔1800mm以下，造价低，直径大则价高600mm以下时，安装困难2用小填料时，小塔的效率高，塔径增大，效率下降，所需高度急增效率较稳定。大塔板效率比小塔板有所提高3空塔速度（生产能力）低空塔速度高4大塔检修费用高，劳动量大检修清理比填料塔容易5压降小。对阻力要求小的场合较适用（如：真空操作）压降比填料塔大6对液相喷淋量有一定要求气液比的适应范围大7内部结构简单，便于非金属材料制作，可用于腐蚀较严重的场合多数不便于非金属材料的制作8持液量小持液量大选塔的基本原则：1、 生产能力大，有足够的弹性。2、 满足工艺要求，分离效率高。3、 运行可靠性高，操作、维修方便，少出故障。4、 结构简单，加工方便，造价较低。5、 塔压降小。综上考虑，吸收1500m3/h含3%的生产任务不是很大，由于它结构简单，造价较低，便于采用耐蚀材料使得寿命较长，我们采用填料吸收塔完成该项生产任务。2.2填料吸收塔方案的确定1、 装置流程的确定装置流程的主要有以下几种：逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相由塔顶流入由塔底流出，其传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用此操作。并流操作 气液两相均由塔顶流向塔底，其系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，液流对推动力影响不大；易溶气体的吸收或吸收的气体不需吸收很完全；吸收剂用量很大，逆流操作易引起液泛。吸收剂部分循环操作 在逆流操作过程中，用泵将吸收塔排除的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，通常以下情况使用：当吸收剂用量较少，为提高塔的喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温度升高，需取出一部分热量。该流程特别适用于相平衡常数m较小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的利用率。需注意吸收剂的部分再循环较逆流操作费用的平均推动力较小，且需设置循环泵，操作费用提高。由于二氧化硫在水中的溶解度很大。逆流操作时平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。逆流操作是完成该项任务的最佳选择。2.3吸收剂的选择吸收过程是依靠气体溶质在溶剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂的性能的和优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择时有以下考虑方面：溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。选择性吸收剂对溶质组分要有良好的选择吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。挥发度要低操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，要减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发和损失。粘度吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。其他所选的吸收剂尽量的满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、廉价易得以及化学性质稳定等要求。在吸收空气中少量的二氧化硫时，水是最理想的溶剂，由于二氧化硫在水中的溶解度很大；常温常压下，水的挥发度很小；粘度较小；价格低廉等。2.4操作温度与压力的确定1、操作温度的确定由于吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度。即低温有利于吸收，当操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。2、操作压力的确定由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加因此需结合具体工艺的条件综合考虑，以确定操作压力。在该任务中，由于在常温常压下操作且在此条件下二氧化硫的溶解度很大，且受温度与压力的影响不大，在此不做过多的考虑。第三章 填料的类型与选择3.1 填料的类型填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。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。填料的种类很多，根据装填的方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。1、 散装填料散装填料是一个个具有一定集合形状和尺寸的颗粒体一般以随机的方式堆积在塔内的，又称为乱堆填料和颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、和环鞍的填料等。以下是典型的散装填料：拉西环填料拉西环填料是最早提出的工业填料，其结构为外径与高度相等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制成。拉西环填料的气液分布较差、传质效率低、阻力大、通量小，目前工业上用得较少。鲍尔环填料鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。其结构为在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗口，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶诸舌叶的侧边与环中间相搭，可用陶瓷、塑料、金属制造鲍耳环由于环内开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比通量可提高50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是目前应用较广的填料之一。阶梯环填料阶梯环是对鲍尔环的改进。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的翻边由于高径比减少，使得气体绕填料外外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅提高了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变为点接触为主，这样不但增加了填料层之间的空隙，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。2、规整填料规整填料是按一定的的几何图形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料。工业上使用的绝大多数规整填料为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料可用陶瓷、塑料、金属制造。波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大。其缺点是不适用于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清洗困难、造价高。3.2填料的选择1、 填料种类的选择：填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：传质效率要高 一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料通量要大 在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料填料层的压降要低填料抗污堵性能强，拆装、检修方便2填料规格的选择填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。（1）散装填料规格的选择 工业塔常用的散装填料主要有D16、D25、D38、D50、D76等几种规格。同类填料，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。而大尺寸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应大于或等于1015。（2）规整填料规格的选择 工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格，同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显增加。选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又具有经济合理性。应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。3. 填料材质的选择填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。(1)陶瓷填料 陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性及耐热性，陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，质脆、易碎是其 最大缺点。在气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程中应用较为普遍。(2)金属填料 金属填料可用多种材质制成，选择时主要考虑腐蚀问题。碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除Cl 以外常见物系的腐蚀，但其造价较高，且表面润湿性能较差，在某些特殊场合（如极低喷淋密度下的减压精馏过程），需对其表面进行处理，才能取得良好的使用效果；钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价很高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。一般来说，金属填料可制成薄壁结构，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，应用范围最为广泛。(3)塑料填料 塑料填料的材质主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC）等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100以下使用。塑料填料质轻、价廉，具有良好的韧性，耐冲击、不易碎，可以制成薄壁结构。它的通量大、压降低，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。塑料填料的缺点是表面润湿性能差，但可通过适当的表面处理来改善其表面润湿性能。综上对各种类型、各种规格填料的分析，对于在20，101.325KPa下吸收1500m3/h空气含3%的二氧化硫，由于操作温度及操作压力较低，工业上常用散装填料。故选用DN38金属鲍尔环填料。第四章 填料塔工艺尺寸4.1基础物性数据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水的物性数据：密度为 L=998.2kg/m3粘度为 L=1.005mpa.s表面张力 L =72.88dyn/cm=944524.8kg/h2SO2在水中的扩散系数为 =1.4710-5cm2/s=5.2910-m2/h2、气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为 MVm=0.0364.07+0.9729=30.05混合气体的平均密度m =1.250kg/m对于低浓度该气体粘度近似的取空气粘度。查手册地20空气的粘度为V=1.8110-5 Pas=0.065 kg/(mh)查手册得SO2在空气中的扩散系数为DV=0.108cm2/s=0.039m2/h3、气液相平衡数据由手册查得，常压下，20时，SO2在水中的亨利系数为E=3550kPa相平衡常数为m=E/P=3550/101.325=35.036溶解度系数为H=0.0156kmol/(KPah)4.2物料衡算进塔的气相摩尔比为Y1=0.0309出塔的气相摩尔比为Y2=0.0016进塔惰性气相流量为 G= (1-0.03)=60.522kmol/h该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为一条直线，最小液气比为()min=33.222取操作液气比为=1.5()min=1.533.222=49.833L=49.83360.522=3015.993kmol/h4.3填料塔的工艺尺寸的计算1、塔径计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速。气相的质量流量为qmG=15001.250=1875kg/h液相质量流量可近似按纯水的质量流量计算，即qmL=3015.99318.02=54348.1939kg/hEckert通用关联图的横坐标为X=()=1.025723查Eckert通用关联图得Y=L0.2=0.0225查表DN38金属鲍尔环填料泛点填料因子平均值为=165 m-1uf=2.493m/s取泛点率为0.7 u=2.4930.7=1.7451m/s由D=0.55圆整塔径，取D=0.6m泛点率校核：u=1.474m/s=100% =59.13 (在允许范围内)填料规格校核：=600/38=15.7910故选择填料适宜液体喷淋密度校核：取最小润湿率为(LW)min=0.08m3/(mh)查表得：DN38鲍尔环填料的比表面积 =146m2/m3=(LW)min =0.08146=11.68 m3/m2hU=192.66经校核 D=0.6m合理2、填料层高度的计算Y*=mX1=35.0360.000588=0.02066=0平均推动力求解法：Y1=Y1-Y1*=0.0309-0.0206=0.0103 Y2=Y2-Y2*=0.0016 Ym=(Y1-Y2)/ln(Y1-Y2)=(0.0103-0.0016)/ln(0.0103/0.0016)=0.004672NOG=(Y1-Y2 )/Ym=(0.0309-0.0016)/0.004672=6.2714气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：=1-exp-1.45()0.75()0.1()-0.05()0.2查表得：c =33dyn/cm=427680kg/h2液体的质量通量为=192314.911Kg/(m2h)=1-exp-1.45()0.75()0.1()-0.05*()0.2=0.908258气膜吸收系数由下式计算kG=0.237()0.7()1/3()气体质量通量为UV=6634.8195kG=0.237()0.7()1/3()=0.059749kmol/(m2 hkPa)液膜系数由下式计算kL=0.0095()2/3()-1/2()1/3=0.0095()2/3()-1/2()1/3=1.52981 kmol/(m2 hkPa)由kGa=kGa1.1查表得 =1.45则 kGa=kGa1.1 =0.0597490.9082581461.451.1=11.92333kmol/(m2hkPa)kLa=kLa0.4 =1.529810.9082581461.450.4=235.3677 kmol/(m2hkPa)=1.474/2.493=59.1350%由k/Ga=1+9.5（-0.5）1.4kGa=1+9.5（0.5913-0.5）1.4 11.92333=15.89324 kmol/(m2hkpa)k/La=1+2.6（-0.5）1.4kLa=1+2.6(0.5913-0.5)2.2235.3677=238.5282 kmol/(m2hkpa)KGa=3.01512由HOG=0.701mZ=HOGNOG=0.7016.2714=4.3963mZ/=1.25Z=1.254.3963=5.4954m设计取填料塔的高度为Z/=6m表2 散装填料分段高度推荐值填料类型拉西环矩鞍鲍尔环阶梯环环矩鞍h/D2.558510815815/m46666查表，由散装填料分段高度推荐值得：对DN38鲍尔环填料 =7.5 hmax6m取=7.5，则h=7.5600mm=4500mm4.4 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X=()=1.025723查表，DN38金属鲍尔环填料因子平均值为P=165 m-1纵坐标为Y=L0.2=*（1.005*10-3）0.2=0.0167查Eckert关联图得P/Z=400Pa/m填料层压降为P=4006=2400Pa第五章 辅助设备的设计与计算5.1除雾沫器穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，SO2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。丝网除雾沫器：一般取丝网厚度H=100150 mm ，气体通过除沫器的压降约为120250 pa通过丝网除沫器的最大气速umax=k=0.085 =2.4m/s实际气速为最大气速的0.750.8倍 所以实际气速u=0.752.4=1.8 m/s所以丝网除沫器直径D=0.543m5.2液体分布器和气体分布器的简要设计5.2.1、液体分布器选择1、液体分布器的选型在选择液体分布器时，应考虑以下几方面：a.具有与塔填料相匹配的分液点密度，并保证分布均匀b.操作弹性较大，定位性好c.为气体提供最大的自由截面率，实现气体均布，而且阻力小d.抗污性能好，不易赌塞，不易产生物泡沫夹带和发泡e.结构合理，便于安装、调整和维护其结构形式有：a.管式喷淋器 其结构形式比较简单b.莲蓬式喷洒器 一般用于直径600mm以下的塔c.盘式分布器 适用于直径800mm以上的塔d.槽式分布器 对于大塔径的分布器可采用板式或槽式分布器该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低可采用槽式液体分布器。按Eckert建议值，D1200时，喷淋密度为42点/m2，因该塔液相负荷较大，设计取喷淋密度为120点/m2布液点数为n=0.7850.62120=33.91234点5.3填料支承装置填料支承结构用于支承塔内填料及所有的气体和液体的重量之装置。对填料的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；提供足够的自由截面以使气液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易卸装等。常用填料支承板油栅板式和气体喷射式。这里选用分块梁式支承板。表3 分块梁式支承板的设计参考数据塔公称直径/mm支承板外径/mm分块数支承圈宽度支承圈厚度近似重量/N1200116045050400 （梁型气体喷射式填料支承板）（分块式填料支撑）上图列出了集中常见的填料支撑装置。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。5.4管子、泵及风机的选用1、管子的选用(1) 液体管道的选用液体的质量流量为qmG=54348.1939kg/hVL=54348.1939/(998.23600)=0.015124m3/s取液体的流速为1.3m/s则di2=0.122m=122mm 取公称直径= 122mm壁厚 S=4.0mm外径为Dw= 130mm流速u=1.294m/s(2) 气体管道的选用=1500/3600=0.417 m3/s取气体的流速为8 m/s2=0.417/8=0.258m= 258mm取公称直径为=250mm壁厚 S=7mm外径为Dw=272mm流速u= =7.98m/s2、管子的阻力的计算(1)液体的管路计算Re=157583.8376（3103553402.083106）用顾硫珍公式：=0.0056+0.500/Re0.25=0.0307令管子的总长度为(l+)10mhf=()=0.0307=0.215mhe=Z+P/(g)+hf =6+0.215=6.215m (2)气体的管路计算Re=39. 593=64/Re=64/39.593=1.616令管路的总长(l+)=2.5mhf =()=1.616*=50.824mhe=Z+P/(g)+hf =6+50.824=56.824m3、离心泵的选用泵的选型由计算结果可以选用:IS100-80-125型泵第六章 塔体附件设计6.1塔的支座选用裙座为塔的支座，其座体为圆筒，上端与塔体的封头焊接，下端与基础环，肋板焊接。基础肋板间还组成螺栓座的结构，用以安装地脚螺栓，以将塔设备固定于基础上。它具有足够的强度和刚度，承受塔体操作重量，风力，地震等引力的载荷。裙座可选用碳素钢，也可选用铸铁。6.2其他附件（1）接管 接管采用标准的法兰连接。（2）人孔 人孔的直径选用450mm(3) 吊耳、吊柱、平台和爬梯等 按标准设计。附录主要符号说明英文字母at填料的总比表面积，；aw填料的润湿比表面积，；C计算umax时的负荷系数,;Cs气相负荷因子,;d填料直径,m;d0筛孔直径,m;D塔径,m;DL液体扩散系数,;DV气体扩散系数,;g重力加速度,9.81;h填料层分段高度,m;hmax允许的最大填料层高度,m;H塔高,m;HOG气相总传质单元高度,m;K稳定系数，无因次;Lh液体体积流量,;Ls液体体积流量,;LW润湿速率,;m相平衡常数，无因次;n筛孔数目;NOG气相总传质单元数;P操作压力,pa;压力降,pa;t筛孔的中心距,m;u空塔气速,;uF泛点气速,;u0气体通过筛孔的速度,;uo,min漏夜点气速,;U液体喷淋密度,;UL液体质量通量,;Umin最小液体喷淋密度,;UV气体质量通量,;Vh气体体积流量,;Vs气体体积流量,;q液体质