化學(xué)專業(yè)論文定稿--水吸收氨過程填料吸收塔的設(shè)計(jì)

1、化學(xué)專業(yè)論文定稿-水吸收氨過程填料吸收塔的設(shè)計(jì) 分類號 單位代碼 11395密 級 學(xué) 號0706210156 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目水吸收氨過程填料吸收塔的設(shè)計(jì)作 者院 系化學(xué)與化工學(xué)院專 業(yè)化學(xué)工程與工藝指導(dǎo)教師劉俠答辯日期2011年5月21日榆 林 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠信責(zé)任書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，

2、均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）與資料若有不實(shí)，愿意承擔(dān)一切相關(guān)的法律責(zé)任。論文作者簽名: 年月日摘 要本設(shè)計(jì)任務(wù)是用20清水吸收空氣中混有的氨氣以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，空氣中氨的體積含量為5%，水吸收過程屬于低含量氣體吸收過程，為提高傳質(zhì)效率選逆流吸收流程。填料選擇DN50mm，聚丙烯階梯環(huán)填料。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件首先對相關(guān)物性數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，然后對填料吸收塔的塔徑、填料層高度、填料層壓降、進(jìn)出口壓降、液體分布器布液能力以及填料主要接管尺寸進(jìn)行了計(jì)算。然后對填料塔流體力學(xué)性能進(jìn)行了校核符合設(shè)計(jì)要求，最終確定了填料吸收塔的結(jié)構(gòu)和工藝尺寸。最后繪制了填料吸收塔的設(shè)備圖。關(guān) 鍵 詞：填料

3、塔，聚丙烯，吸收，逆流論文類型：工程設(shè)計(jì)ABSTRACTThis design task is uses 20 of water absorb ammonia in air to achieve emissions standards, the volume of ammonia in air is 5%, water absorption of ammonia in the air is a low concentration of gas absorption, to improve mass transfer efficiency, this design use counter-cur

4、rent absorption process. Select DN50mm, polypropylene ladder ring packingAccording to design task and design conditions, first to related to physical data were calculated, then calculate the diameter of packing absorbing column, the height of packing layer, the press drop of packing layer and entran

5、ce and exit, liquid distributor assign liquid ability and packing column mainly tube size was calculated. Then checks the fluid mechanics performance of packed column and meet the design requirement final ascertain the structure and technology dimension of packing absorbing column. Finally drafting

6、packing absorbing column equipment drawing.Key words: Packed column; Polypropylene; Absorb; CountercurrentThesis: Engineering Design目 錄1緒論11.1 簡述11.1.1塔設(shè)備簡述11.1.2吸收操作簡述11.1.3空氣中氨的危害21.1.4填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)簡述21.2 填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù)及步驟31.3 填料塔設(shè)計(jì)條件及操作條件32填料塔主體設(shè)計(jì)方案的確定52.1 裝置流程的確定52.2 吸收劑的選擇52.3 填料的類型與填料的選擇62.3.1填料性能評價(jià)62

7、.3.2填料種類的選擇72.3.3填料規(guī)格的選擇82.3.4填料材質(zhì)的選擇82.4 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)92.4.1液相物性數(shù)據(jù)92.4.2氣相物性數(shù)據(jù)102.4.3氣液相平衡數(shù)據(jù)102.4.4物料橫算103填料塔工藝尺寸的計(jì)算123.1 塔徑的計(jì)算123.2 填料層高度的計(jì)算及分段143.2.1傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算143.2.2傳質(zhì)單元高度計(jì)算153.2.3填料層的分段173.3 填料層壓降計(jì)算183.4 填料塔附屬高度計(jì)算194填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計(jì)204.1 塔內(nèi)件類型204.2 塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)及選用204.2.1液體分布裝置204.2.2液體收集及再分布裝置214.2.3填料支承裝置214.2.4填

8、料壓緊裝置224.2.5吸收塔主要接管尺寸選擇與計(jì)算234.3 其他附屬裝置選型23工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總與主要符號說明24結(jié)論27參考文獻(xiàn)28附錄29致謝301緒論1.1 簡述1.1.1塔設(shè)備簡述塔設(shè)備是石油、化工、醫(yī)藥、輕工等生產(chǎn)中的重要設(shè)備之一，在塔設(shè)備內(nèi)可進(jìn)行氣液或液液兩相間的充分接觸，實(shí)施相間傳質(zhì)，因此在生產(chǎn)過程中常用塔設(shè)備進(jìn)行精餾、吸收、解吸、氣體的增濕及冷卻等單元操作過程1。塔設(shè)備在生產(chǎn)過程中維持一定的壓力、溫度和規(guī)定的氣、液流量等工藝條件，為單元操作提供了外部條件。塔設(shè)備的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)能力和原材料消耗，以及三廢處理與環(huán)境保護(hù)等方面，都有重要影響。為了適應(yīng)生產(chǎn)的發(fā)展需

9、求，人們已經(jīng)研究出不同結(jié)構(gòu)的塔設(shè)備。根據(jù)生產(chǎn)的單元操作可以把塔設(shè)備分為吸收塔、解吸塔、精餾塔和萃取塔等，而目前最常用的分類是根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式把塔設(shè)備分為填料塔和板式塔1.1.2吸收操作簡述混合物的分離，總是根據(jù)混合物中各組分間某種物理和化學(xué)性質(zhì)的差異而進(jìn)行的。根據(jù)不同性質(zhì)上的差異，可以開發(fā)出不同的分離方法。吸收操作僅為其中之一，它根據(jù)混合物組分在某種溶劑中溶解度的不同而達(dá)到分離的目的2。混合氣體中，能夠溶解的組分稱為吸收物質(zhì)或溶質(zhì)，以A表示；不被溶解的組分稱為惰性組分或載體，以B表示；吸收操作所用的溶劑稱為溶劑，以S表示；吸收操作所得到的溶液稱為吸收液或溶液，其成分為溶劑S和溶質(zhì)

10、A；排出的氣體稱為吸收尾氣，其主要成分除惰性氣體B外，還含有未溶解的溶質(zhì)A3。根據(jù)處理氣體的濃度，氣體吸收一般分為低含量氣體的吸收和高含量氣體的吸收2氣體的吸收常在吸收塔中進(jìn)行，根據(jù)氣、液兩相的流動方向，分為逆流操作和并流操作兩類，工業(yè)生產(chǎn)中以逆流操作為主，吸收劑從塔頂加入自上向下流動，與從下向上流動的氣體接觸，吸收了吸收質(zhì)的液體從塔底排出，凈化后的氣體從塔頂排出。圖1.1為逆流操作的吸收塔示意圖。1.1.3空氣中氨的危害 氨在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，氨用于制造化肥；在化學(xué)纖維和塑料工業(yè)中，則以氨、硝酸和尿素作為氮元素的來源生產(chǎn)己內(nèi)酰胺、尼龍-6、丙烯腈等單體和脲醛樹脂等產(chǎn)品

11、。氨在常溫常壓下是無色氣體，具有特殊的刺激性臭味,能刺激人體感官粘膜，空氣中含氨大于0.02%時(shí)即會引起人體慢性中毒4?？梢姲笔腔どa(chǎn)中極為重要的生產(chǎn)原料，但是其強(qiáng)烈的刺激性氣味對于人體健康和大氣環(huán)境都會造成破壞和污染。（1）吸入氨的危害：輕度吸入氨中毒表現(xiàn)有鼻炎、咽炎、喉痛、聲音嘶啞。急性輕度中毒：咽干、咽痛、聲音嘶啞、咳嗽、咳痰，胸悶及輕度頭痛，頭暈、乏力。急性中度中毒上述癥狀加重，呼吸困難，有時(shí)痰中帶血絲，輕度發(fā)紺，眼結(jié)膜充血明顯，喉水腫，肺部有干濕性噦音。急性重度中毒：劇咳，咯大量粉紅色泡沫樣痰，氣急、心悸、呼吸困難，喉水腫進(jìn)一步加重，明顯發(fā)紺，或出現(xiàn)急性呼吸窘迫綜合癥、較重的氣胸和

12、縱隔氣腫等。嚴(yán)重吸入中毒可出現(xiàn)喉頭水腫、聲門狹窄以及呼吸道粘膜脫落，可造成氣管阻塞，引起窒息。吸入高濃度的氨可直接影響肺毛細(xì)血管通透性而引起肺水腫，可誘發(fā)驚厥、抽搐、嗜睡、昏迷等意識障礙。個別病人吸入極濃的氨氣可發(fā)生呼吸心跳停止。（2）氨對眼睛和皮膚的危害：低濃度的氨對眼和潮濕的皮膚能迅速產(chǎn)生刺激作用。潮濕的皮膚或眼睛接觸高濃度的氨氣能引起嚴(yán)重的化學(xué)燒傷。急性輕度中毒：流淚、畏光、視物模糊、眼結(jié)膜充血。皮膚接觸可引起嚴(yán)重疼痛和燒傷，并能發(fā)生咖啡樣著色。被腐蝕部位呈膠狀并發(fā)軟，可發(fā)生深度組織破壞5。因此，吸收空氣中的氨，防止氨超標(biāo)具有重要意義。1.1.4填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)簡述填料塔由塔體、液

13、體分布器、填料壓緊裝置、塔填料、液體在分布器、填料支撐裝置等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)見圖1.2填料塔是化工分離過程的主體設(shè)備之一，與板式塔相比，具有生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓降小、操作彈性大、塔內(nèi)持液量小等突出特點(diǎn)，因而在化工生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用6。由于填料塔填料易于用耐腐蝕材料制造，使填料塔在處理腐蝕性物料時(shí)具有很大優(yōu)勢。近年來填料塔洗滌吸收凈化工藝不但應(yīng)用在化工領(lǐng)域，在低濃度氣體吸收方面也能很好地發(fā)揮作用。填料塔是最常用的一類氣液傳質(zhì)設(shè)備，其具有分離效率高、處理能力大、壓降小、耐腐蝕等特點(diǎn),因此選用填料塔作為吸收設(shè)備7。1.2 填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù)及步驟設(shè)計(jì)任務(wù)：用水吸收空氣中混有的氨氣以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

14、設(shè)計(jì)步驟：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計(jì)方案;（2）針對物系及分離要求，選擇適宜填料；（3）確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸（考慮噴淋密度）；（4）計(jì)算塔高、及填料層的壓降；（5）塔內(nèi)件設(shè)計(jì)。1.3 填料塔設(shè)計(jì)條件及操作條件（1）氣體混合物成分：空氣和氨（2）空氣中氨的含量:：5.0% （體積含量即為摩爾含量）（3）混合氣體流量9000m3/h（4）操作溫度293K（5）混合氣體壓力101.3KPa（6）回收率99 %（7）采用清水為吸收劑（8）填料類型：采用聚丙烯階梯環(huán)填料2填料塔主體設(shè)計(jì)方案的確定2.1 裝置流程的確定吸收裝置的流程主要有以下幾種。（1）逆流操作 氣相自塔底進(jìn)入塔頂排

15、出，液相自塔頂進(jìn)入塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特點(diǎn)是，傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。（2）并流操作 氣液兩相均從塔頂流向塔底，此即并流操作。并流操作的特點(diǎn)是，系統(tǒng)不受液流限制，可提高操作氣速，以提高生產(chǎn)能力。并流操作通常用于以下情況：當(dāng)吸收過程的平衡曲線較平坦時(shí)，流向?qū)ν苿恿τ绊懖淮?；易溶氣體的吸收或處理的氣體不需要吸收很完全；吸收劑用量特別大，逆流操作易引起液泛。（3）吸收劑部分再循環(huán)操作 在逆流操作系統(tǒng)中，用泵將吸收塔排出液體的一部分冷卻后與補(bǔ)充的新鮮吸收劑一同送回塔內(nèi)，即為部分再循環(huán)操作。通常用于以下情況：當(dāng)吸收劑用量較小，為提

16、高塔的液體噴淋密度；對于非等溫吸收過程，為控制塔內(nèi)的溫升，需取出一部分熱量。該流程特別適宜于相平衡常數(shù)m值很小的情況，通過吸收液的部分再循環(huán)，提高吸收劑的使用效率。應(yīng)予指出，吸收劑部分再循環(huán)操作較逆流操作的平均推動力要低，且需要設(shè)置循環(huán)泵，操作費(fèi)用增加。（4）多塔串聯(lián)操作 若設(shè)計(jì)的填料層高度過大，或由于所處理物料等原因需要經(jīng)常清理調(diào)料，為便于維修，可把填料層分裝在幾個串聯(lián)的塔內(nèi)，每個吸收塔通過的吸收劑和氣體量都相等，即為多塔串聯(lián)操作。此種操作因塔內(nèi)需要留較大空間，輸液、噴淋、支承板等輔助裝置增加，使設(shè)備投資加大。（5）串聯(lián)?并聯(lián)混合操作 若吸收過程處理的液量很大，如果用通常的流程，則液體在塔內(nèi)

17、的噴淋密度過大，操作氣速勢必很?。ǚ駝t易引起塔的液泛），塔的生產(chǎn)能力很低。實(shí)際生產(chǎn)中可采用氣相作串聯(lián)、液相作并聯(lián)的混合流程8。用水吸收空氣中的氨氣屬低濃度氣體吸收，為提高傳質(zhì)效率，本設(shè)計(jì)選用逆流吸收流程。2.2 吸收劑的選擇吸收操作是氣液兩相之間的接觸傳質(zhì)過程，吸收操作的成功與否在很大程度上決定于溶劑的性質(zhì)。評價(jià)溶劑的優(yōu)劣的主要依據(jù)包括以下幾點(diǎn)：溶劑應(yīng)對混合氣體中被分離組分（下稱溶質(zhì)）有較大的溶解度；溶劑對混合氣體中其他組分的溶解度要小，即溶劑應(yīng)具有較高的選擇性；溶質(zhì)在溶劑中的溶解度應(yīng)對溫度的變化比較敏感，即不僅在低溫下溶解度要大，平衡分壓要小，而且隨溫度升高，溶解度應(yīng)迅速下降，平衡分壓迅速上

18、升。這樣，被吸收的氣體容易解吸，溶劑再生方便；溶劑的蒸氣壓要低，以減少吸收和再生過程中溶劑的揮發(fā)損失；溶劑應(yīng)具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，以免使用過程中發(fā)生變質(zhì)；溶劑應(yīng)有較低的黏度，且吸收過程中不易產(chǎn)生泡沫，以實(shí)現(xiàn)吸收塔內(nèi)良好的氣液接觸和塔頂?shù)臍庖悍蛛x；溶劑應(yīng)盡可能滿足廉價(jià)、易得、無毒、不易燃燒等經(jīng)濟(jì)和安全條件。實(shí)際上很難找到一個理想溶劑能滿足所有這些要求，因此，應(yīng)對可供選擇的溶劑做全面的評價(jià)，以便做出經(jīng)濟(jì)、合理的選擇2。表2.1給出幾種工業(yè)常用吸收劑。表2.1幾種工業(yè)常用吸收劑溶質(zhì)吸收劑氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氫水二氧化碳水、堿液、碳酸丙烯酯二氧化硫水硫化氫堿液、砷堿液、有機(jī)溶劑苯蒸汽煤油、洗油丁二

19、烯乙醇、乙腈二氯乙烯煤油一氧化碳銅氨液綜上所述，考慮吸收劑的選用要求可以看出水最適合作溶劑，水廉價(jià)易得，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，選擇性好，符合吸收過程對吸收劑的基本要求。所以，本設(shè)計(jì)選擇水作溶劑，且氨氣不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?.3 填料的類型與填料的選擇填料的種類很多，性能上各有差異。根據(jù)填料的結(jié)構(gòu)及其使用方式可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。本設(shè)計(jì)選擇散裝填料。2.3.1填料性能評價(jià)塔填料是填料塔的重要組成部分，是提供他內(nèi)氣液聯(lián)想接觸的場所，填料塔對填料的要求具體表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）比表面積要大。比表面積是指單位堆積體積填料所具有的表面積m2/m3。（2）能提供大的流體通量。即所選用的填料

20、結(jié)構(gòu)要敞開，使屬于死角區(qū)域的空間小，有效的空隙率大。（3）液體的再分布性能好，具體要求有以下四個方面：填料在塔內(nèi)裝填之后，整個床層結(jié)構(gòu)均勻；填料在塔內(nèi)的堆放形式應(yīng)有利于液體向四周均勻分布；填料本身的結(jié)構(gòu)要保證同一截面上的填料在接受上面流下的液體之后，不僅能垂直往下傳遞，而且能橫向傳遞；減輕液體向壁面的偏流。（4）要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。（5）重量輕，來源易，價(jià)格低廉9。實(shí)際使用上，一般是從氣液相通量、分離效率、壓力降及抗堵塞能力方面評價(jià)填料性能，其基本規(guī)律如下（1）分離能力 同一系列填料中，小尺寸的填料比表面積大，具有較高的分離能力；（2）處理能力和壓力降 同一系列填料中，空隙

21、率大者具有較小的壓力降，和較大的處理量，金屬和塑料材質(zhì)的填料與陶瓷填料相比，具有較小的壓力降和較大的處理量；（3）抗堵塞能力 比表面積小的填料具有較大的空隙率，具有較強(qiáng)的抗堵塞能力；金屬和塑料材料的填料抗堵塞能力優(yōu)于陶瓷填料6。2.3.2填料種類的選擇散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。現(xiàn)介紹幾種典型的散裝填料（1）拉西環(huán)填料 其結(jié)構(gòu)為外徑與高度相等的圓環(huán)，可用陶瓷、塑料、金屬等材質(zhì)制造。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質(zhì)速率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已

22、很少用了。（2）鮑爾環(huán)填料 鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得。其結(jié)構(gòu)為在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉，諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭，可用陶瓷、塑料、金屬等材質(zhì)制造。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率，氣體阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，其通量可增加50%左右。鮑爾環(huán)是目前應(yīng)用較廣的填料之一。（3）階梯環(huán)填料 階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進(jìn)，與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半，并在一端增加了一個錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機(jī)

23、械強(qiáng)度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點(diǎn)接觸為主，這樣不但增加了填料間的間隙，同時(shí)成為液體沿填料表面流動的匯集分散點(diǎn)，可以促進(jìn)液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。（4）弧鞍填料 弧鞍填料屬鞍形填料的一種，其形狀如同馬鞍，一般采用瓷質(zhì)材料制成?；“疤盍系奶攸c(diǎn)是表面全部敞開，不分內(nèi)外，液體在表面來那個側(cè)均勻的流動，表面利用率高，流道呈弧形，流動阻力小。其缺點(diǎn)是易發(fā)生套疊，致使一部分填料表面被重合，使傳質(zhì)效率降低?；“疤盍蠌?qiáng)度較差，容易破碎，工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用不多。（5）矩鞍填料 將弧鞍填料兩端的弧形面改成矩形面，且兩面大小不等，即成

24、為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時(shí)不會套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質(zhì)材料制成，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。目前國內(nèi)絕大多數(shù)應(yīng)用瓷拉西環(huán)的場合，均已被矩鞍填料所取代。（6）環(huán)矩鞍填料 環(huán)矩鞍填料是兼顧環(huán)形和鞍形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)出的一種新型填料該填料一般以金屬材質(zhì)制成，故又稱為金屬環(huán)矩鞍填料。環(huán)矩鞍填料將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點(diǎn)集于一體，其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán)，是工業(yè)應(yīng)用最為普遍的一種金屬散裝填料8。幾種常見實(shí)體填料如圖2.1：對于不同類型的散堆填料，同樣尺寸、材質(zhì)的鮑爾環(huán)在同樣的壓力降下，處理量比拉西環(huán)大50%以上，分離效率可以提高30%以上；在同樣的操作條件下，階梯環(huán)的處理量可以比鮑爾環(huán)大2

25、0%左右，效率比鮑爾環(huán)高5% 10%；而弧鞍，矩鞍型填料則具有更大的處理量和分離效率。若以拉西環(huán)的處理量進(jìn)行對比，則在相同的壓力降下幾種散堆填料的處理能力如表2.2所示6。表2.2 常用散堆填料的相對處理能力填料尺寸253850拉西環(huán)100100100矩鞍132120123鮑爾環(huán)155160150階梯環(huán)170176165弧鞍205202195綜合考慮填料的處理能力、壓力降、分離效率以及經(jīng)濟(jì)因素，本設(shè)計(jì)選擇階梯環(huán)填料。2.3.3填料規(guī)格的選擇工業(yè)塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費(fèi)用也增加

26、很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小塔徑中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低8。填料規(guī)格的選擇是一個較為復(fù)雜的問題，因?yàn)槟軌驖M足設(shè)計(jì)要求的塔填料不止一種，要在眾多的塔填料中選擇出最適宜的塔填料，需做出全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)以較少的投資獲得最佳的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。由于涉及的因素太多，因而這是一項(xiàng)繁重而復(fù)雜的工作，一般做法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選出幾種可能選用的填料，然后進(jìn)行全面評價(jià)，最終做出選擇。本設(shè)計(jì)處理量不大，所用的塔直徑不會太大，可選用DN50mm。2.3.4填料材質(zhì)的選擇工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類.（1）陶瓷填料 陶瓷填料具有良好的耐腐蝕性及耐熱性，一般能耐除氫氟酸以外的常見的

27、各種無機(jī)酸、有機(jī)酸的腐蝕，對強(qiáng)堿介質(zhì)，可以選用耐堿配方制造的耐堿陶瓷填料。陶瓷填料因其質(zhì)脆、易碎，不易在高沖擊強(qiáng)度下使用。陶瓷填料價(jià)格便宜，具有很好的表面潤濕性，工業(yè)上，主要用于氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程。（2）金屬填料 金屬填料可用多種材質(zhì)制成，金屬材料的選擇主要根據(jù)物系的腐蝕性和金屬材質(zhì)的耐腐蝕性來綜合考慮。碳鋼填料造價(jià)低，且具有良好的表面濕潤性能，對于無腐蝕或低腐蝕性物系應(yīng)優(yōu)先考慮使用；不銹鋼填料耐腐蝕性強(qiáng)，一般能耐以外常見物系的腐蝕，但其造價(jià)較高；鈦材、特種合金鋼等材質(zhì)制成的填料造價(jià)級高，一般只在某些腐蝕性極強(qiáng)的物系下使用。金屬填料可制成薄壁結(jié)構(gòu)（0.21.0mm），與同種類型

28、、同種規(guī)格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強(qiáng)度下使用，工業(yè)應(yīng)用主要以金屬填料為主。（3）塑料填料 塑料填料的材質(zhì)主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，國內(nèi)一般多采用聚丙烯材質(zhì)。塑料填料的耐腐蝕性能較好，可耐一般的無機(jī)酸、堿和有機(jī)溶劑的腐蝕。其耐溫性良好，可長期在100以下使用。聚丙烯填料在低溫（低于0）時(shí)具有冷脆性，在低于0的條件下使用要謹(jǐn)慎，可選用耐低溫性能好的聚氯乙烯填料。塑料填料具有輕質(zhì)、廉價(jià)、耐沖擊、不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。塑料填料的缺點(diǎn)是表面潤濕性能較差，在某些特殊應(yīng)用場合，需要對其表面進(jìn)行處理，

29、以提高表面潤濕性能8。所以本設(shè)計(jì)選用聚丙烯填料。綜上所述選用50mm聚丙烯階梯環(huán)塔填料，查化工手冊得其主要性能參數(shù)：比表面積at：114.2空隙率：0.927干填料因子：填料因子：壓降填料因子：2.4 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)2.4.1液相物性數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得，20時(shí)水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：（1）密度： （2）黏度： （3）表面張力為: （4）20下氨氣在水中的溶解度系數(shù): （5）20下氨氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)： （6）20下氨氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)： 2.4.2氣相物性數(shù)據(jù)（1）混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為（2.1）（2）混合氣體的平均密度（2.2）R8.314

30、（3）混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得20時(shí)，空氣的黏度注：2.4.3氣液相平衡數(shù)據(jù)對于稀溶液來說：亨利系數(shù)（2.3）相平衡常數(shù)： （2.4） E?亨利系數(shù)；H?溶解度系數(shù)；Ms?溶劑的相對摩爾質(zhì)量；m?相平衡常數(shù)。2.4.4物料橫算（1）進(jìn)塔氣相摩爾比為（2.5）（2）出塔氣相摩爾比為（2.6）（3）進(jìn)塔混合氣體流量（2.7）（4）進(jìn)塔惰性氣體流量（2.8）因?yàn)樵撐者^程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比按下式計(jì)算。即：（2.9）（2.10）對于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為：清水最小液氣比：（2.11）取操作液氣比為最小液氣比的1.7倍（2.12）則可得吸收劑用量為：（2.1

31、3）則：（2.14）G?單位時(shí)間內(nèi)通過吸收塔的惰性氣體量， L?單位時(shí)間內(nèi)通過吸收塔的溶解劑， Y1、Y2?分別為進(jìn)塔及出塔氣體中溶質(zhì)組分的摩爾比， , X1、X2?分別為進(jìn)塔及出塔液體中溶質(zhì)組分的摩爾比， , 3填料塔工藝尺寸的計(jì)算填料塔工藝尺寸的計(jì)算包括塔徑的計(jì)算、填料層高度的計(jì)算及分段和填料層壓降的計(jì)算。3.1 塔徑的計(jì)算（1）空塔氣速的確定?泛點(diǎn)氣速法有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算氣體質(zhì)量流量：（3.1）液相質(zhì)量流量可近似為純水的質(zhì)量流量，即（3.2）液體密度校正系數(shù)： 對于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值 貝恩（Bain）?霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式 ，即：（3.3）A,K? 關(guān)聯(lián)常數(shù)?？捎杀?.1查取表

32、3.1不同類型填料的A，K值散裝填料類型AK規(guī)整填料類型AK塑料鮑爾環(huán)0.09421.75金屬階梯環(huán)0.1061.75金屬鮑爾環(huán)0.11.75瓷矩鞍0.1761.75塑料階梯環(huán)0.2041.75金屬環(huán)矩鞍0.062251.75查得A0.204；K1.75即：所以：計(jì)算得：取則（3.4）（2）計(jì)算塔徑（3.5）D?塔徑，m；?操作條件下混合氣體的體積流量，；?空塔氣速，即按空塔截面積計(jì)算的混合氣體線速度，；根據(jù)國內(nèi)容器公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)JB 1153-71，直徑在1m以下間隔為100mm，直徑在1m以上時(shí)，間隔為200mm9。因此圓整塔徑后 D1.0m（3）泛點(diǎn)率校核：（3.6）（3.7）則在允許范圍

33、內(nèi)（4）填料規(guī)格校核：（3.8）根據(jù)表3.2符合表 3.2 塔徑與填料公稱直徑的比值D/d推薦值填料種類D/d的推薦值 拉西環(huán) 鞍環(huán) 鮑爾環(huán) 階梯環(huán) 環(huán)矩鞍（5）液體噴淋密度的校核：填料塔的液體噴淋密度是指單位時(shí)間、單位塔截面上液體的噴淋量；最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤速 。為使填料能獲得良好的潤濕，塔內(nèi)液體噴淋量應(yīng)不低于某一極限值，此極限值稱最小噴淋密度，以表示。（3.9）所以（3.10）式中?液體噴淋密度，；?液體噴淋量，；D?填料塔直徑，m。經(jīng)過以上校核可知，填料塔設(shè)計(jì)為1.0m合理。3.2 填料層高度的

34、計(jì)算及分段（3.11）（3.12）3.2.1傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算用吸收因數(shù)法計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)（3.13）對于相平衡關(guān)服從足亨利定律的情況對上式進(jìn)行積分，積分結(jié)果可整理為（3.14）式中 稱為解吸因數(shù)，用S表示；A為吸收因數(shù)。（3.15）（3.16）傳質(zhì)單元數(shù)為：3.2.2傳質(zhì)單元高度計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算：（3.17）常見材質(zhì)的臨界表面張力值見表3.3表3.3 常見材質(zhì)的臨界表面張力值材質(zhì) 碳瓷 玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 鋼 石蠟表面張力，566173 33 407520查表 3-3 得液體質(zhì)量通量為（3.18）氣相傳質(zhì)系數(shù)由下式計(jì)算：（3.19）氣體質(zhì)量通量為（3.20）液相

35、傳質(zhì)系數(shù)由下式計(jì)算：（3.21）由（3.22）式中為填料形狀系數(shù)，常見填料的形狀系數(shù)見表3.4表 3.4 常見填料的形狀系數(shù)填料類型球 形棒 形拉西環(huán)弧 鞍 開孔環(huán)值0.720.75 11.19 1.45查表3-4得則由修正的恩田公式計(jì)算出后，可按下式計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度HOG ：（3.23）其中（3.24）式中H?溶解度系數(shù)，:；?塔截面積，m2。因?yàn)?，修正的恩田公式需按下式校正，即（3.25）（3.26）所以由（3.27）式中?設(shè)計(jì)時(shí)的填料高度，m；?工藝計(jì)算得到的填料層高度，m取安全系數(shù)為1.2設(shè)計(jì)時(shí)取填料層高度為3.2.3填料層的分段為使填料層內(nèi)氣液兩相能夠處于良好的分布狀態(tài)，每經(jīng)

36、過一定高度的填料層以后應(yīng)對液體進(jìn)行收集并進(jìn)行再分布。否則，塔內(nèi)塔內(nèi)流體的不良分布將會使填料效率下降。對于散裝填料，一般推薦的分段高度值見表3.5表3.5 散裝填料分段高度推薦值填料類型拉西環(huán)2.5矩鞍鮑爾環(huán)階梯環(huán)環(huán)矩鞍取 則（3.28）設(shè)計(jì)填料高度為：9000mm因此將填料層分為兩段設(shè)置，每段4.5m，兩段間設(shè)置一個液體再布器。3.3 填料層壓降計(jì)算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降橫坐標(biāo)為（3.29）已知壓降填料因子 將操作氣速代替得縱坐標(biāo)（3.30）查圖3.1得（3.31）3.4 填料塔附屬高度計(jì)算液體流量（3.32）塔上部空間高度可取1.8m，其中液體分布器高度約為1.6m，塔底液

37、相停留時(shí)間按3min考慮，則塔釜液所占空間高度為（3.33）考慮到氣相接管所占空間高度，底部空間高度可取0.6m，所以塔的附屬空間高度因此，填料塔總高度4填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計(jì)4.1 塔內(nèi)件類型填料塔的內(nèi)件主要有填料支承裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理的選擇和設(shè)計(jì)塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。4.2 塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)及選用4.2.1液體分布裝置液體分布器的作用：液體分布裝置設(shè)于填料層頂部，用于將塔頂液體均勻分布在填料表面上，液體的分布裝置性能對填料塔效率影響很大，特別是大直徑、低填料層的填料塔，尤其需要性能良好的液體分布裝置。由于液體在填料塔內(nèi)

38、分布均勻，可以增大填料的潤濕表面積，以提高分離效果。因此，液體在塔頂?shù)某跏季鶆驀娏?，是保證填料塔達(dá)到預(yù)期分離效果的重要條件。從噴淋密度考慮，應(yīng)保證每60的塔截面上約有一個噴淋點(diǎn)，這樣，可以防止塔內(nèi)壁流和溝流現(xiàn)象常用的液體分布裝置有蓮蓬式、盤式、齒槽式及多孔管式分布器等。蓮蓬式噴淋器 液體經(jīng)半球形噴頭的小孔噴出。小孔直徑為310m，做同心圓排列，噴灑角不超過。這種噴淋器結(jié)構(gòu)簡單，但只適用于直徑小于600mm的塔中，且小孔易堵塞。盤式分布器 盤低開有篩孔的稱為塞孔式，盤底裝有垂直短管的稱為溢流管式。液體加至分布盤上，經(jīng)篩孔或溢流短管流下。篩孔式的 液體分布效果好，而溢流管式自由截面積較大，且不易堵

39、塞。盤式分布器常用于直徑較大的塔中，基本可保證液體分布均勻，但其制造較麻煩。 齒槽式分布器 液體先經(jīng)過主干齒槽向其下個條形做第一級分布，然后再向填料層上面分布。這種分布自由截面積大，不易堵塞，多用于直徑較大的填料塔。多孔環(huán)管式分布器 由多孔圓形盤管、聯(lián)接管及中央進(jìn)料管組成。這種分布器氣體阻力小，特別使用于液量小而氣量大的填料吸收塔。 液體在塔頂?shù)某跏季鶆驀娏?，是保證填料塔達(dá)到預(yù)期分離效果的重要條件。近年來的實(shí)踐表明，大直徑填料塔的放大問題主要是保證液體初始分布均勻，若能保證單位塔截面的噴淋點(diǎn)數(shù)目與小塔相同，大型填料塔的傳質(zhì)效率將不會低于小型塔。液體分布裝置的安裝位置，須高于填料層表面200mm

40、,以提供足夠的自由空間，讓上升氣流不受約束地穿過分布器10。（1）本設(shè)計(jì)任務(wù)液相負(fù)荷不大且氨氣極易溶解，可選用重力型排管式液體分布器，排管式液體分布器能提供足夠均勻的液體分布和空出足夠大的氣體通道（自由截面一般在70%以上），也便于制成分段可拆結(jié)構(gòu)。取布液孔數(shù)為100個/m2，則總布液孔數(shù)為（4.1）（2）液體分布器布液能力計(jì)算（4.2）式中?液體流量， ；?開孔數(shù)目；?孔流系數(shù)，通常??；?孔徑，m；?開孔上方的液位高度，m。?。?.3）4.2.2液體收集及再分布裝置實(shí)踐表明，當(dāng)噴淋液體沿填料層向下流動時(shí)，不能保持噴淋裝置所提供的原始均勻分布狀態(tài)，液體有向塔壁流動的趨勢。因而導(dǎo)致壁流增加、填料

41、主體的流量減小、塔中心的填料不被潤濕，影響了流體沿塔橫截面分布的均勻性，降低傳質(zhì)效率。所以，設(shè)置再分布裝置是十分必要的。對于此塔可采用百葉窗式液體收集器與管式液體分布器組合使用，其所用的管式液體分布器與液體初始分布器具有相同結(jié)構(gòu)。4.2.3填料支承裝置填料支承裝置的作用是支承填料以及填料層內(nèi)液體的重量，由于填料支承裝置本身對塔內(nèi)氣液的流動狀態(tài)也會產(chǎn)生影響，因此作為填料支承裝置，除考慮其對流體流動的影響外，一般情況下填料支承裝置應(yīng)滿足如下要求：（1）有足夠的強(qiáng)度和剛度，以支持填料及所持液體的重量（持液量）；（2）有足夠的開孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在支撐處發(fā)生液泛；（3）結(jié)構(gòu)上應(yīng)

42、有利于氣液相的均勻分布，同時(shí)不至于產(chǎn)生較大的阻力（一般阻力不大于20Pa）；（4）結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造安裝和維修6。用豎扁鋼制成的柵板作為支承板最為常用，如圖4.1中的a。柵板可以制成整塊或分塊的。一般當(dāng)直徑小于500mm時(shí)可制成整塊；直徑為600800mm時(shí)，可以分成兩塊；直徑在9001200mm時(shí)，分成三塊；直徑大于1400mm時(shí)，分成四塊；使每塊寬度約在300400mm之間，可以通過人孔進(jìn)行裝卸。柵板條之間的距離應(yīng)約為填料環(huán)外徑的0.60.7。在直徑較大的塔中，當(dāng)填料環(huán)尺寸較小的，也可采用間距較大的柵板，先在其上布滿尺寸較大的十字分隔瓷環(huán)，再放置尺寸較小的瓷環(huán)。這樣，柵板自由截面較大，

43、如圖4-1c所示a 柵板 b 升氣管式 c 十字隔板環(huán)層圖4.1 填料支承板當(dāng)柵板結(jié)構(gòu)不能滿足自由截面要求時(shí)，可采用如圖4-1b所示的升氣管式支承板。氣相走升氣管齒縫，液相由小孔及縫底部溢流而下。這類支承板，有足夠齒縫時(shí)，氣相的自由截面積可以超過整個塔的橫截面積，所以絕不會在此造成液泛。本設(shè)計(jì)塔徑D1000mm，采用結(jié)構(gòu)簡單、自由截面較大、金屬耗用量較小，由豎扁鋼制成的柵板作為支承板，將其分成三塊，每塊寬333.33mm且需要將其擱置在焊接于塔壁的支持圈或支持塊上，柵板條之間的距離約為24.7mm。為了改善邊界狀況，可采用大間距的柵條，然后整砌一、二層按正方形排列的瓷質(zhì)十字環(huán)，作為過渡支承，以

44、取得較大的孔隙率。由于采用的是50mm的填料，所以可用75mm的十字環(huán)4.2.4填料壓緊裝置為保證填料塔在工作狀態(tài)下填料床能夠穩(wěn)定，防止高氣相負(fù)荷或負(fù)荷突然變動時(shí)填料層發(fā)生松動，破壞填料層結(jié)構(gòu)，甚至造成填料損失，必須在填料層頂部設(shè)置填料限定裝置。填料限定可分為類：一類是將放置于填料上端，僅靠自身重力將填料壓緊的填料限定裝置，稱為填料壓板；一類是將填料限定在塔壁上，稱為床層限定板。填料壓板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料發(fā)生移動撞擊，造成填料破碎。床層限定板多用于金屬和塑料填料，以防止由于填料層膨脹，改變其開始堆積狀態(tài)而造成的流體分布不均勻的現(xiàn)象。一般要求壓板和限制板自由截面分率大于70%11。本設(shè)計(jì)任務(wù)由于使用聚丙烯填料，故選用床層限定板。4.2.