填料吸收塔的设计

1、内蒙古科技大学课程设计说明书摘 要 本次课程设计内容为：洗油吸收苯煤气填料吸收塔的简单设计；吸收塔是用于进行吸收操作的设备完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分，在此文献就针对吸收塔进行一个设计。工业吸收塔应具备：塔内液体和气体应有足够接触时间和接触面积；气液两相应有足够强烈扰动，减少传质阻力，提高吸收效率；设备阻力小，能耗低；结构简单，便于制造和检修的特点。近年来，大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产过程中，对于吸收过程，能够完成分离任务的塔设备有多种。课程设计是化工原理课程中综合性和实践性较强的一个环节，通过化工原理课程设计，要求学生能综合运用所学课程的基本知识，进行融会贯通。关键词：填料吸

2、收； 设计； 实践；效率；- 0 -Abstract The design content of this course is simple: Design of wash oil absorb Benzene Gas packed absorption tower; absorption tower is used to absorb the equipment operation. The absorption process should be included in the integrated absorption and desorption of the two part, in

3、 this literature is in the absorption tower for a design. Industrial absorption tower: Tower of liquids and gases should have sufficient contact time and the contact area of the gas-liquid two; have a strong enough disturbance, reduce the mass transfer resistance, to improve the absorption efficienc

4、y; small resistance, low energy consumption, simple structure, convenient; manufacturing and maintenance. In recent years, large-scale absorption equipment has been widely used in the actual production process, for the absorption process, there are many able to complete the task of separating tower

5、equipment. Curriculum design is the principle of chemical engineering course in comprehensive and practical step, through the principle of chemical engineering course design, basic knowledge of students can use the course, mastery.Keywords: the absorption efficiency; design; practice;- 0 -字母与符号说明-泛点

6、气速，m/s；-重力加速度, m/s2；-干填料因子，其中，分别为比表面积 ，孔隙率；R-气体常数，8.314kj/(kmol.k)N-开孔数目,-分别为气，液相密度 kg/m；-液相粘度，,-分别为气，液相流体的质量流量，-操作条件下混合气体的体积流量，m/s-与填料形状和材质有关的常数，-单位体积填料层的润湿表面积，-单位体积填料层的总表面积，-分别为液体的表面张力计填料层材质的临界表面张力，-液体的黏度，-液体的密度， kg/m-重力加速度，9.81-最小喷淋密度，m3/m2h；-填料的比表面积，-开孔上方的液位高度，m KG-气膜吸收系数kmol/(m2s.2目录第一章 绪 论11.1

7、吸收塔设备11.2吸收塔对设备的设计步骤11.3吸收塔对设备的发展概况21.4 课程设计的重要性3第二章 设计流程及说明42.1 设计方案的确定42.1.1 吸收技术概况42.1 .2流程布置42.1.3流程方案5第三章 吸收塔的工艺计算63.1 基础物性数据计算63.1.1 物料衡算63.1.2 液气比的计算73.1.3 吸收剂的用量73.2 塔径的计算及校核73.2.1 填料类型的选择83.2.2 填料规格的选择93.2.3 泛点气速、塔径的计算93.2.3 数据校核113.3 填料层高度的计算133.3.1 传质单元高度计算133.3.2 传质单元数的计算163.3.3 总高度的计算17

8、3.4 流体力学参数计算183.4.1 吸收塔的压力降183.5 吸收塔辅助设备计算及选型213.5.1液体初始分布器21IV3.5.2 液体再分布器213.5.3 填料支承装置223.5.4填料压紧装置22V第一章 绪 论1.1吸收塔设备吸收塔是用于进行吸收操作的设备，利用气体混合物在液体吸收剂中的溶解度的不同，使易溶组分溶于吸收剂中，并与其它组分分离的过程称为吸收，操作时，从塔顶喷淋的液体吸收剂与由塔底上升的气体混合物在塔中各层填料或塔盘上密切接触，以便进行吸收。吸收塔按气液相接触形态分为三类。实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分，

9、因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。 工业吸收塔应具备以下基本要求：1 塔内液体和气体应有足够接触时间和接触面积。2 气液两相应有足够强烈扰动，减少传质阻力，提高吸收效率。3 操作范围宽，运行稳定，4 设备阻力小，能耗低，5 具有足够的机械强度和耐腐蚀能力。6 结构简单，便于制造和检修。1.2吸收塔对设备的设计步骤 塔型的合理选择是做好塔设备设计环节的首要环节，选择时需要考虑物料性质，操作条件，塔设备性能，以及塔设备的制造，安装，运转和维修等方面的因素。 填料吸收塔设计步骤为： 1 确定吸收过程的平衡关系，装置的气液负荷，物性参数及特性。 2 选择填料。 3 计算塔径,

10、高度，压强降。 4 填料吸收塔附属设备的选型和结构设计。1.3吸收塔对设备的发展概况近年来，由于填料塔研究工作已日益深入，填料结构的形式不断更新，填料性能也得到了迅速的提高。大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产过程中，对于吸收过程，能够完成分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备中选择合适类型是进行工艺设计的首要任务。一般而言，吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，便于安装、操作和维修等。但是吸收过程，一般具有液气比大的特点，因而更适用填料塔。此外，填料塔阻力

11、小，效率高，有利于过程节能。所以对吸收过程来说，以采用填料塔居多。近年来随着化工产业的发展，大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产当中。具有了很高的吸收效率，以及在节能方面也日趋完善。填料塔的工艺设计内容是在明确了装置的处理量，操作温度及操作压力及相应的相平衡关系的条件下，完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内件设计。在今后的化学工业的生产中，对吸收设备的要求及效率将会有更高的要求，所以日益完善的吸收设备会逐渐应用于实际的工业生产中。近年来，在蒸馏和吸收领域，最突出的变化就是新型填料。特别是规整填料在大只径的采用，它标志着塔填料。塔内件及塔设备的综合设计已进入一个新的阶段。1.4 课程设计的重要性课程设

12、计是化工原理课程中综合性和实践性较强的一个环节，它是理论联系实际的桥梁是使学生体察工程实际问题的复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求学生能综合运用所学课程的基本知识，进行融会贯通、独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，具有初步进行工程设计的能力；达到熟悉工程设计的的基本内容，掌握化工设计的主要程序和方法；提高和进一步培养分析和解决工程实际问题的能力；树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的科学工作精神。第二章 设计流程及说明2.1 设计方案的确定2.1.1 吸收技术概况 实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部

13、分，因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作：（1）根据给定的分离任务，确定吸收方案；（2）根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；（3）依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计；（4）绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；（5）编写工艺设计说明书。2.1 .2流程布置 吸收塔是实现吸收操作的设备，按气液相接触形态分为三类。第一类是气体以气泡形态分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收塔；第二类是液体以液滴状分散在气相中的喷射器、文氏管、

14、喷雾塔；第三类为液体以膜状运动与气相进行接触的填料吸收塔和降膜吸收塔。常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、单塔或多塔串联操作，根据设计任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点，逆流操作时传质平均推动力大，传质速率快，分离程度高，吸收剂利用率高，所以本设计采用常规逆流操作的流程。逆流操作，吸收剂以塔顶加入自上而下流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。2.1.3流程方案 吸收塔操作流程如图所示：图 2.1 洗油吸收苯煤气流程图 流程说明：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。气体从塔底送出，经气体分布装置分布

15、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。第三章 吸收塔的工艺计算3.1 基础物性数据计算 基础数据的计算包括最小液气比的计算及吸收剂用量的计算。3.1.1 物料衡算 进口气相组成摩尔分数 ： 出口气相组成摩尔分数 ： 进口气相组成 ： kmol（苯）/kmol（煤气） 出口气相组成 ： kmol（苯）/kmol（煤气） 塔底出口液体浓度最低要求 ： 吸收塔液相进口的组成应低于其平衡浓度，该系统的相平衡关系可以表示为 ： 吸收塔进口液相的平衡浓度为 ： 吸收剂入口浓度应低于吸收塔进口液相的平衡浓度， 对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成 入口气体混合物的平均分子量

16、为： kg/kmol kmol/h （3-1） kg/h3.1.2 液气比的计算 最小液气比:溶剂与惰性气体摩尔流量的比值，反应单位气体处理量的溶剂耗用量大小，该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系近似为直线： （3-2）3.1.3 吸收剂的用量 吸收剂用量的大小，从设备费用和操作费用两方面影响到生产过程的经济利益，应权衡利弊，选择适宜的液气比，是两种费用之和最小，根据生产实践经验，一般情况下取吸收剂用量为最小用量的的1.1-2.0倍，这里取1.4倍则： kg/h m3/h kmol/h3.2 塔径的计算及校核 工艺计算包括塔径的计算，填料层高度的计算，总高度的计算。 物性数据： 取P=101.32

17、5Kpa kg/m3 液相密度可以近似取为：kg/m3 液体黏度为：mPas3.2.1 填料类型的选择常见的几种填料类型 填料类型的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面： （1）单位体积填料表面积和孔隙率要大； （2）能提供大量的立体通量；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。 （3）有较好的液体分布性能，对吸收剂有较好的润湿 （4）气体通过阻力小，并且填料层能均匀分布气体，压降均衡 （5）制造容易，耐腐蚀 （6）对气体和液体有较好的化学稳定性 3.2.2 填料规格的选择 填料规格是指填料的公称尺寸或表面积，有DN16； / DN25； DN38；

18、DN50 ；DN76等几种规格，同类填料尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加。由于生产能力不大，所选用的塔直径不会太大，出初步计算，填料选用38mm的聚丙烯阶梯环塑料阶梯环，而填料材质与塔径有很大关系，表3.1 38mm聚丙烯阶梯的环物性参数比表面积 堆密度积 孔隙率 填料A值 临界表面张 个数/ 个 132.5 57.5 0.91 0.204 54 272003.2.3 泛点气速、塔径的计算 利用Bain-hougen（贝恩-霍根) 关联式计算泛点气速： （3-3）式中：-泛点气速，m/s； -重力加速度, m/s2； -干填料因子，其中，分别为比表面积 ，孔隙率；

19、,-分别为气，液相密度 kg/m； -液相粘度， ,-分别为气，液相流体的质量流量， -操作条件下混合气体的体积流量，m/s -与填料形状和材质有关的常数，常见填料的值见下表。表 3.2 常数的数值矩鞍环鲍尔环阶梯环陶瓷金属塑料金属陶瓷塑料金属0.1760.06230.09420.1000.02940.2040.106依计算得： 其中： a=132.5 m2/m3 ， =0.91 代入计算可得： m/s 液泛气速是操作气速的最大极限速度，所以操作气速必须小于液泛气速，一般取操作气速是液泛气速的0.5-0.8倍，即。 若泛率小，操作气速小，压降小，能耗低，操作弹性大但管径大，设备投资高，生产能力

20、低，同时不利于气液同时接触，致使分离效率低，此次操作取u=0.6； m/s 表3.2 填料塔的一般气速操作范围表 吸收系统 操作气速（m/s） 气体溶解度很大的吸收过程 1-3气体溶解度中等或稍小的吸收过程 1.5-2.0气体溶解度很低的吸收过程 0.3-0.8纯碱吸收的吸收过程 1.5-2.0 塔径的计算，根据圆形管道内的流量公式计算，且在吸收过程中，由于吸收质不断进入液相，故混合气体量由塔底至塔顶逐渐减小，在计算时，一般以塔底气量为依据，故可得： m/s m （3-4）塔的直径有一定规格，需对计算结果进行圆整，才可以投入使用，现将计算结果与表对比，结果如下： 表3.3 塔径圆整规格 塔径D

21、（mm） 圆整间隔 举例 700 50或100 600 650 700 700-1000 100 700 800 900 1000 200 1200 1400 1600 圆整后取塔径 D=600mm.3.2.3 数据校核 实际气速: （3-5） 泛点率校正: 对于散装填料，其泛点率的经验值为，故经较核满足填料要求。表3.4填料规格 填料种类 的推荐值 拉西环 20-30鞍环 15鲍尔环 10-15阶梯环 8环矩鞍 8 填料规格校核: D/d=600/38=15.7915（满足径比条件）喷淋量的校核: 在吸收剂的用量及塔径确定以后，还要校核喷淋密度，填料的喷淋密度为单位时间内单位塔截面积上的喷淋

22、的液体体积(m3/m2h) .吸收剂的喷淋密度: U=L/S m3/m2h 对于直径小于75mm的拉西环及其他环形填料，可取最小润湿率为： L=0.08m3/（mh ） 式中：-最小喷淋密度，m3/m2h； -填料的比表面积，； m3/m2h （3-6） 为使填料能获得良好的润湿，应保证塔内液体的喷淋密度高于某一个下限值。满足最小喷淋密度要求， 经以上校核可知填料塔塔径选用600mm可以满足填料要求。3.3 填料层高度的计算填料层的高度是保证填料塔能够完成分离任务的重要尺寸，填料层高度的计算利用物料衡算，传质速率和相平衡关系进行，计算公式可分为两部分：传质单元数和传质单元高度。3.3.1 传质

23、单元高度计算传质单元高度的计算主要涉及传质系数的求解，传质系数不仅与流体的物性，气液两相流率，填料类型，全塔液体分布有关。塔内的液相及气相物性数据如下 ：表面张力：=54dyn/cm=0.054N/m ； 粘度 ：=1.210-3Pas。 表1.4 一些物质在空气中的扩散系数（0，101.3kPa） 扩散物质 扩散系数（） 扩散物质 扩散系数（） H2N2O2CO2HClSO2SO3NH3 0.6110.1320.1780.1380.1300.1030.0950.170 H2OC6H6C7H8CH3OHC2H5OHCS2C2H5OC2H5 0.2200.0770.0760.1320.1020.

24、0890.078 苯在煤气中的扩散系数近似取苯在空气中的扩散系数： m2/s 苯在洗油中的扩散系数查表得：m2/s 气相的流速： (kg/m2s) 液相的流速： (kg/m2s) 气相传质系数: （3-7) 表3.5 常见填料的形状系数 填料类型 棒形 拉西环 弧鞍 开孔环 阶梯环 值 0.75 1 1.19 1.45 1.47 此处取阶梯环填料的形状系数=1.47 解得气相传质系数为： Kmol/m2sPa 填料润湿表面积的计算： 式中： -单位体积填料层的润湿表面积， -单位体积填料层的总表面积， -分别为液体的表面张力计填料层材质的临界表面张力， -液体的黏度， -液体的密度， kg/m

25、 -重力加速度，9.81由下表可查得填料材质的临界表面张力值:表3.7 填料材质的临界表面张力值材质钢陶瓷聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯 dyn/cm7561333340 由公式得 ： 则： m2/m3液相传质系数： (3-9)由公式可得： m/s将传质系数换算成以摩尔分数差为推动力的传质系数： (3-10) Kmol/m3s Kmol/m3s 传质单元高度： (3-11) m 对于常用的填料吸收塔，传质单元高度的数值范围在之间，可根据填料类型和操作条件计算。3.3.2 传质单元数的计算 求解传质单元数法有解析法和对数平均推动力法，在此处介绍对数平均推动力法。 全塔的物料衡算方程为： (3-12) 吸收

26、塔底洗油中苯的组成： 该塔的塔底、塔顶以及平均传质推动力分别为： 此处，是塔顶与塔底两截面上吸收推动力与的对数平均值，称为对数平均推动力。传质单元数是全塔范围内某相组成变化与按该相组成差计算的对数平均值推动力的比值。 填料层高度： (3-13) 则填料层高度： m 考虑到计算公式的偏差 :() 这里取 即：Z=1.36.386=8.302m 圆整后实 表3.6 常见散堆填料分段要求填料种类 填料高度/塔径 最大高度/m 阶梯环 815 6鲍尔环 510 6拉西环 2.53 6矩鞍环 58 6实际填料层高度取为9m. 依据阶梯环填料的分段要求 ： 由于 Z/D=510 可将填料分为两段,每段4.

27、5m，两段间设置一个液体再分布器。3.3.3 总高度的计算 塔的附属高度包括上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，塔底部空间高度和塔裙座高度。塔的底部空间高度包括：釜液所占高度和釜液上方的气液分离高度两部分，塔上部空间高度可取为1.2m，液体再分布器的空间高度约为1m。塔底液相停留时间按5min考虑，则塔釜液所占高度为： m 塔内塔釜液到填料支撑板的高度可取为1.2m，裙式支座的高度可取为2.5m， 所以塔的总高度为： h=h0+h+1.2+1+1.2+2.5=9+1.34+1.2+1+1.2+2.5=16.24m3.4 流体力学参数计算3.4.1 吸收塔的压力降 (1) 填料层压力降：

28、 在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层压强降。填料塔的流体力学验算主要是校核流体通过填料层高度的压降是否满足要求。 气体通过填料层的压力降采用Eckert关联图，Eckert关联图如图所示： 图 3.1 Eckert关联图 填料层的总压降等于每米填料层压降乘以填料层的高度，则全塔总压降为填料层压降及气体通过各附属部件的压降的总和。进而，根据气体的处理量和塔的总压降，可以计算气体通过填料塔的总耗能，作为选择适宜的动力设备的依据。 Eckert关联图横坐标： (3-14)Eckert关联图纵坐标： 式中：-液体校正系

29、数 -填料因子 表 3.7 压降填料因子平均值填料类型填料因子, 1/m填料尺寸DN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环 306-11498-金属环矩鞍 -13893.47136金属阶梯环 -11882-塑料鲍尔环 34323211412562塑料阶梯环 -17611689-瓷矩鞍环 700215140160-瓷拉西环 1050576450288- 散装填料因子平均值则： 查Ecker图得： 填料层的总压降等于每米填料层压降乘以填料层高度，则全塔总压降为填料层的压力降，及气体通过各附件的压降总和，填料层的压力降为： Pa(2) 气体进口压强降： 管径的选择根据化工设备机械基础（GB8

30、163-87），进气管管径，取 u=2m/s 气相体积流量： 液相体积流量： 则 ：取壁厚=2.5mm,管径 , 圆整后取管径规格322.5mm核算u： 则气体进口压强降： Pa(3) 气体进出压力降 管径的选择根据化工设备机械基础（GB/T14976-94）选取无缝不锈钢管： 取u=15m/s 则： 核算U实 ； m/s 取壁厚=6mm,管径，圆整后取管径规格24912mm 核算u： m/s 则气体出口压强降： Pa (4) 其他塔内件的压力降 其他塔内件的压力降较小，在此可以忽略 ,于是得吸收塔的总压力降为： Pa3.5 吸收塔辅助设备计算及选型3.5.1液体初始分布器(1) 该吸收塔直径

31、为600mm,而多孔直管式液体分布器适用于范围为,并且其液体负荷为中等以下，所以选择多孔直管式喷淋器。(2) 布液孔数 根据Ecker建议值，D=600mm时，喷淋点密度为246点/, 布液点数： n=（点） (3) 布液能力： 通常取值在0.550.60之间 ， 这里取，160。 孔径的计算： 3.5.2 液体再分布器 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 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。 液体收集器：选择遮版式液体收集器，因为此装置在收集液体的同时，可以液相采出，具有收集完全，气相阻力小的特点。 液体再分布器：选择槽型液体再分布

32、器，槽型液体再分布器的结构是截锥筒的上方加设支承板，截锥下面要隔一段距离再放填料，当考虑需分段卸出填料时，可采用这种再分布器。3.5.3 填料支承装置 填料支承装置对保证填料塔的操作性能具有重大作用，若支承装置设计不当，液泛将提前到来，使塔的生产能力降低。因此，设计合理的支承结构是非常重要的。填料支承结构应满足三个基本条件：（1） 使气液能顺利通过，设计时应取尽可能大的自由截面。（2）要有足够的强度的，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。本设计根据需要选择栅板支承装置：因为栅板的结构与尺寸根据：塔径，塔体椭圆度，填料直径，填料层高度，栅板 加工制造及安装拆卸

33、。此设计塔径为600mm，由于塔径D=600800mm,栅板由两块组成。3.5.4填料压紧装置 为防止在上方气流的作用下填料层发生松动或者跳动，需要在填料层上方设置填料层压紧装置。对任何一个填料塔，均需安装填料压板或者床层限制板，若没有填料压紧装置，将会产生以下情况： 对于陶瓷填料：填料层顶部的填料将发生移动、跳跃或撞击，严重时会使填料破碎，填料破碎后碎片会淤积在床层内，导致压力降增加，效率降低，生产能力下降。 对于金属或塑料填料：引起重量较轻，在流体压力差和冲击作用下，填料层逐渐膨胀升高，以致改变填料层的初始堆积状态。这样，当填料层不均匀膨胀后，流体将主要流经阻力较小的区域，因而沟流现象增加，降低了塔的效率，有时顶层的填料还可能被气流带出塔外。 为此，对陶瓷填料需安装填料压板，对金属或塑料填料需安装床层限制板。因为本设计为塑料填料，所以填料压紧装置选用床层限制板。吸