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1、皖西学院化学与生命科学系化工原理课程设计说明书题 目：设计一台填料塔用于吸收小合成氨厂精炼在生气中的氨 专 业： 应用化工技术班 级： 0702班学生姓名： 章文杰学 号： 20071160指导教师： 徐国梅设计成绩：完成日期： 2009年6月19日目 录一、文献综述4（一）、引言4（二）、填料塔技术5（三）、填料塔的流体力学性能8（四）、填料的选择9（五）、填料塔的内件10（六）、工艺流程的现状和发展趋势11二、设计方案简介12三、工艺计算 13（一）、基础物性数据131、液相物性的数据 132、气相物性数据 133、气液相平衡数据 134、物料衡算 14（二）、 填料塔的工艺尺寸的计算 1
2、51、塔径的计算 152、填料层高度计算 163、填料层压降计算 184、液体分布器简要设计 20四、辅助设备的计算及选型21五、 设计一览表24六、 心得体会 26七、 参考文献八、 主要符号说明九、 附图（带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图）文献综述关键词：填料塔；聚丙烯；吸收摘 要: 填料塔洗涤吸收净化工艺不单应用在化工领域 ,在低浓度工业废气净化方面也能很好地发挥作用。工程实践表明 ,合理的系统工艺和塔体设计 ,是保证净化效果的前提。本文简述聚丙烯阶梯填料应用于水吸收氨过程的工艺设计以及工程问题。（一） 引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
3、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。从塔填料、塔内件以及工艺流程,特别是塔填料三方面对填料塔技术的现状与发展趋势作了介绍,说明了塔填料及塔内件在填料塔技术中的重要性。与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：（1）生产能力大；（2）分离效率高；（3）压降小；（4）操作弹性大；（5）持液量小。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差。研究表明，聚丙烯填料的有效润湿面积仅为同类规格陶瓷填料的 40 % ，由于聚丙烯填料表面润湿性能
4、差，故传质效率较低，使应用受到一定的限制.为此，对聚丙烯填料表面进行处理，以提高其润湿及传质性能的研究日益受到人们的重视. 近年来，国内外一些学者做了该方面的研究工作，研究结果表明，聚丙烯填料经表面处理后，润湿及传质性能得到了较大的提高。聚丙烯阶梯环填料为外径是高度的两倍的圆环 ,在侧壁上开出两排长方形的窗孔 , 并在一端增加了一个锥形翻边，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 ,各舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔 ,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。阶梯环与鲍尔环相比 ,其高度减少了一半 ,并在一端增加了一个锥形翻边
5、。（二） 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
6、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 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。（1）散装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
7、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。现介绍几种较为典型的散装填料。其中有拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍环、矩鞍环、金属环矩鞍环、球形填料等。（2）规整填料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。在散装填料发展的同时出现了规整填料。60年代以后，生产规模大型化要求具有大通量，能改善液体均匀分布，以提高分离效率及克服放大效应，降低填料层阻力及持液量，以起到节能效果。规整填料在这方面有独特的优点，因此各种规整填料运应而生。规整填料在整个塔截面上，集合形
8、状规则、对称、均匀。它规定了气液流量，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小。在相同的能量和压降下，与散装填料相比，可以安排更大的表面积，因此效率高。由于起结构的规整性，合理的设计可以做到几乎无放大效应。经过短短的二十几年已经形成了比较完整的规整填料系列。2 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）比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a表示，其单位为m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。（2）空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以e 表示，其单位为m3
9、/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。 （3）填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/e3，称为填料因子，以f表示，其单位为1/m。填料因子分为干填料因子与湿填料因子，填料未被液体润湿时的a/e3称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a和e 均发生相应的变化，此时的a/e3称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能，f值越小，表明流动阻力越小。3 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
10、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。采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价，得出如表3-1所示的结论。可看出，丝网波纹填料综合性能最好，拉西环最差。（三）填料塔的流体力学性能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填料层的持液量填料层的持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以(m3液体)/(m3填料)表示。总持液量为静持液量和动持液量之和，即 。填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。一般来说，适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量过大，
11、将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。2填料层的压降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的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降DP/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐标纸。3液泛在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液
12、泛。影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。4液体喷淋密度和填料表面的润湿填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。5返混在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同程度的返混。造成返混现象的原因很多，如：填料层内的气液分布不均；气体和液体在填料层内的沟流；液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动；塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。（四）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、
13、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。（五）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。1填料支承装置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如图片3-14所示的栅板型、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。2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。3液体分
14、布装置液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。4液体收集及再分布装置液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，这种现象称为壁流。壁流将导致填料层内气液分布不均，使传质效率下降。为减小壁流现象，可间隔一定高度在填料层内设置液体再分布装置。最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。截锥式再分布器结构简单，安装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径小于0.6m的塔中。在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。常用的液体收集器为斜板
15、式液体收集器。前已述及，槽盘式液体分布器兼有集液和分液的功能，故槽盘式液体分布器是优良的液体收集及再分布装置。（六） 工艺流程的现状和发展趋势填料塔技术用于各类工业物系的分离,虽然设计的重点在塔体及塔内件等核心部分,但与之相配套的外部工艺和换热系统应视具体的工程特殊性作相应的改进。例如在DMF回收装置的扩产改造项目中,要求利用原常压塔塔顶蒸汽,工艺上可以在常压塔及新增减压塔之间采用双效蒸馏技术,达到降低能耗、提高产量的双重效果，在硝基氯苯分离项目中;改原多塔精馏、两端结晶工艺为单塔精馏、端结晶流程,并对富间硝基氯苯母液进行精馏分离,获得99%以上的间硝基氯苯,既提高产品质量,又取得了降低能耗的
16、技术效果。综合考察各分离过程的优缺点：分离技术就是指在没有化学反应的情况下分离出混合物中特定组分的操作。这种操作包括蒸馏，吸收，解吸，萃取，结晶，吸附，过滤，蒸发，干燥，离子交换和膜分离等。利用分离技术可为社会提供大量的能源，化工产品和环保设备，对国民经济起着重要的作用。为了使填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计参数(如理论板数、热负荷等)和最优操作工况(如进料位置!回流比等),准确地计算出全塔各处的组分浓度分布(尤其是腐蚀性组分)、温度分布、汽液流率分布等,常采用高效填料塔成套分离技术。而且,20世纪80年代以来,以高效填料及塔内件为主要技术代表的新型填料塔成套分离工程技术在国内受到普遍重
17、视。由于其具有高效、低阻、大通量等优点,广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。二 设计方案简介在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。氨是化工生产中极为重要的生产原料，但是其强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，因此，为了避免化学工业产生的大量的含有氨气的工业尾气直接排入大气而造成空气污染
18、，需要采用一定方法对于工业尾气中的氨气进行吸收，本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收的方法来净化含有氨气的工业尾气，使其达到排放标准。设计采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行，而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。三、工艺计算（一）基础物性数据1 液相物性数对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，20水的有关物性数据如下：密度为 L=998.2 kg/m3粘度为 表面张力为NH3在水中的扩散系数为 D
19、L=2.0410-9 m2/s=2.0410-93600 m2/h=7.344 10-6m2/h2 气相物性数据：混合气体的平均摩尔质量为混气体的平均密度为混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20空气的粘度为: 查手册得 NH3在空气中的扩散系数为Dv=0.225 cm2/s=0.081 m2/h3 气相平衡数据 20时NH3在水中的溶解度系数为 H=0.725 kmol/(m3kPa),常压下20时NH3在水中的亨利系数为相平衡常数为 溶解度系数为4 物料衡算：进口混合气总量 进口混合气中量进塔惰性气相流量： 进塔气相摩尔比为： 出塔气相摩尔比为： 进塔惰性气相流量：该吸收过程属低浓
20、度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算,即 对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X2=0，则：取操作液气比为 因此有: 所以由全塔物料衡算式可得：（二）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通用关联图得查表可得 取 由 圆整塔径，取 泛点率校核: (在允许范围内)填料规格校核：液体喷淋密度校核：故取最小润湿速度为查常用散装填料的特性参数表，得经以上校核可知，填料塔直径选用D=500mm是合理的2 填料层高度计算：脱吸因数为 气相总传质单元数为：气相
21、总传单元高度采用修正的思田关联式计算：查表1.1得 ：s 表1.1常见材质的临界表面张力材质碳瓷玻 璃聚丙烯聚氯乙烯钢石 蜡表面张力56617333407520液体质量通量为则 气体质量通量为气膜吸收系数由下式计算：液膜吸收系数有下式计算由查表1-2得 =1.45查表1.2 常见填料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则由，可得：则由由设计取填料高度为_对于该填料塔，由于塔径为500mm，为了防止壁流、沟流现象的发生，提高填料塔的效率，故将其分为三段，每段平均_。3 填料层压降计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标为 查表5-18得
22、，纵坐标为查Eckert通用关联图得所以填料层压降为4液体分布器简要设计（1）液体分布器的选型该吸收塔的塔径为_mm，因此，根据各种液体分布器的适用范围选取槽式分布器。（2）分布点密度计算按Eckert建议值，D1200时，喷淋点密度为60点/m2，所以，塔径为3200mm时，布液点数为： n=0.7853.2260=482.3483点按分布点几何均匀与流量均匀原则进行布点设计，设计结果为：二级槽工设15道，在槽面开孔，槽宽为80mm，两槽中心距为160mm，分布点采用三角形排列，实际设计布点数为480点。（3） 布液计算：由取 设计取d0= mm四、 辅助设备的计算及选型1填料支撑结构填料支
23、承结构应满足3个基本条件：使起液能顺利通过.设计时应取尽可能大的自由截面。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。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如图片3-14所示的栅板型、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，选择孔管型支承装置。2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，每类又有不同的型式，图片3-15中列出了几种常用的填料压紧装置。填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将
24、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。3. 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。对于此填料塔而言，由于塔径为3200mm，填料层高度为8000mm，为了提干塔效率，故将其填料分为三层，每层填料约为2700mm，根据再分布器各种规格的使用范围，最
25、简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。如图片3-17（a）所示。截锥式再分布器结构简单，安装方便。4. 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。5填料塔接管尺寸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100m/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）氨气与空气混合气体：由于气体流量为1.0105 m/s，取u=90 m/s所以由公式：
26、圆整取D=650mm查表（GB8163-87）管子规格表，可选取600mm9mm的无缝钢管，内径为：650-29=632mm在对气体流速进行校核：对于液体进出口，取液体流量为2.5m/s， 所以：查表（GB8163-87）管子规格表，可选取108mm8mm的无缝钢管，内径为：108-24=100mm在对液体流速进行校核：（2）泵的选型就计算的结果可以选用：50-32-125型的泵。六、填料吸收塔设计一览表吸收塔类型：聚丙烯阶梯环吸收填料塔混合气处理量：10万m3/h工艺参数名称物料名称清水氨气操作压力，kPa8585操作温度，2020流速，m/s3.75液体密度，kg/m3998.20.991
27、流量，kg/h80226.8499102.35塔径，mm3200填料层高度，mm8000压差，KPa85操作液气比1.345分布点数480黏度，kg/(m*h)3.60.065表面张力，kg/h940896七、主要符号说明- 16 -a填料的有效比表面积，/m3at填料的总比表面积，/m3aw填料的润湿比表面积，/m3d 填料直径，md0筛孔直径，mD塔径，mDL液体扩散系数，m2/sDV气体扩散系数，m2/sE亨利系数，kPah填料层分段高度，mH开孔上方的液位高度，mH溶解度系数，kmol/（m3kPa）HOG气相总传质单元高度，mNOG气相总传质单元数kG气膜吸收系数，kmol/（m2h
28、kPa）kL液膜吸收系数，m/hK稳定系数，无因次Mave混合气体的平均摩尔质量，kmol/kgLh液体体积流量，m3/hLs液体体积流量，m2/hLw润湿速率，m3/（mh）m相平衡常数，无因次n筛孔数目（分布点数目）P操作压力，Pa 标准状况下的压力，PaP压力降，Pau空塔气速，m/suF泛点气速，m/sU液体喷淋密度，m3/（m2h）UL液体质量通量，/（m2h）Umin最小液体喷淋密度，m3/（m2h）Uv气体质量通量，/（m2h）Vh气体体积流量，m3/hwL液体质量流量，/hwV气体质量流量，/hX液相摩尔比y气相摩尔分数Y气体摩尔比Z填料层高度 ，mV惰性气相流量，kmol/hS吸脱因数R通用气体常数，8.314（m3kPa）/（kmolK）T温度，KT 标准状况下温度，K塔的截面积，m2P压降填料因子，m-1L液体的粘度，kg/（mh）V混合气体的粘度，kg/（mh）ave混合气体的平均密度，kg/m3L液体的密度，kg/m3L液体的表面张力c填料材质的临界表面张力，/h2（1dyn/cm=12960/h2）液体密度校正系数或填料形状系数，无因次空隙率，无因次下标max最大的min最小的L液相V气相平均