1 液體吸收塔裝置設(shè)計(jì)說明書 1 流程的說明 種流程的比較 吸收裝置的流程主要有以下幾種 (1) 逆流操作： 定義：氣相自塔底進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出的操作。 特點(diǎn)：傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。 適用情況：工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。 (2) 并流操作： 定義：氣液兩相均從塔頂流向塔底的操作。 特點(diǎn)：系統(tǒng)不受液流限制，可提高操作氣速，以提高生產(chǎn)能力。 適用情況：當(dāng)吸收過程的平衡曲線較平坦時(shí)，流向?qū)ν苿?dòng)力影響不大 ; 易溶氣體的吸收或處理的氣體不需吸收很完全 ;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： 定義：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)的操作。 適用情況：當(dāng)吸收劑用量較小，為提高塔的液體噴淋密度；對(duì)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。該過程特別適宜于相平衡常數(shù) m 值很小的情況，通過吸收液部分再循環(huán)，提高吸收劑的使用效率。應(yīng)予以指出，吸收及部分再循環(huán)操作較逆流操作的平均推動(dòng)力要低，且需設(shè)置循環(huán)泵，操作費(fèi)用增加。 (4) 多塔串聯(lián)操作： 如設(shè)計(jì)的填料層高度過大，或由于 所處理的物料等原因需經(jīng)常清理填料，為便于維修，可把填料層分裝在幾個(gè)串聯(lián)的塔內(nèi)，每個(gè)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。 (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)的噴淋密度過大，操作氣速勢(shì)必很小，塔的生產(chǎn)能力很低。實(shí)際生產(chǎn)中可采用氣相做串聯(lián)，液相做并聯(lián)的混合流程；若吸收過程處理的液量不大而氣相流量很大時(shí)，可采用液相做串聯(lián)，氣相做并聯(lián)的混合流程。 程的確定 裝置流程的確定：本填料吸收塔的設(shè)計(jì)任務(wù)是用水吸收 于中等溶解度的吸收過程 ，為提高傳質(zhì)效率，選用 逆流吸收 流程 . 2 2 填料的選擇 料的類型 填料是填料塔中氣液接觸的基本構(gòu)件，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要元素，因此，填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。 填料類型：填料種類很多，根據(jù)裝填方式的不同可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。 1. 散裝填料： 散裝填料是一個(gè)個(gè)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)的不同，又可分為環(huán)形填料，鞍形填料，環(huán)鞍形填料及球形填料等。 拉西環(huán)填料：拉西環(huán)為外徑與高度相等的圓 環(huán)，通常由陶瓷或金屬材料制成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，但堆積時(shí)相鄰環(huán)間易形成線接觸，填料層的均勻性差，致使傳質(zhì)效率低。而且流動(dòng)阻力大，操作范圍小。 鮑爾環(huán)：鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的壁上開一層或兩層長(zhǎng)方形窗口，窗孔的母材兩層交錯(cuò)地彎向環(huán)中心對(duì)接。這種結(jié)構(gòu)使填料層內(nèi)氣、液分布性能大為改善，尤其是環(huán)的內(nèi)表面得到充分利用。氣液通量得到提高而壓降僅為拉西環(huán)的一半，分離效果也得到提高。 階梯環(huán)：鮑爾環(huán)基礎(chǔ)上改造得出的。其高徑比較小，氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了阻力。喇叭口一邊，不僅增加機(jī)械強(qiáng)度，而且使填料之 間為點(diǎn)接觸，有利于液膜的匯集與更新，提高了傳質(zhì)效率。目前所使用的環(huán)型填料中最為優(yōu)良的一種。 弧鞍型：表面全部敞口，不分內(nèi)外，液體在表面兩側(cè)均勻流動(dòng)，表面利用率高，流動(dòng)呈弧形，氣體阻力小。但容易產(chǎn)生溝流， 強(qiáng)度差，易破碎，故應(yīng)用較少。 矩鞍型：矩鞍形填料結(jié)構(gòu)不對(duì)稱堆積時(shí)不重疊均勻性更高。該填料氣流阻力小，處理能力大，構(gòu)造簡(jiǎn)單，是一種性能優(yōu)良的填料。 環(huán)矩鞍：兼具環(huán)型、鞍型填料的優(yōu)點(diǎn)。敞開的側(cè)壁有利于氣體和液體通過，減少了填料層內(nèi)滯液死區(qū)。填料層內(nèi)流體孔道增多，使氣液分布更加均勻，傳質(zhì)效率高。 2規(guī)整填料 規(guī)整填料是由許多相同尺寸和形狀的材料組成的填料單元，以整砌的方式裝填在塔體中。規(guī)整填料主要包括板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料、格利希格柵、脈沖填料等，其中尤以板波紋填料和絲網(wǎng)波紋填料所用材料主要有金屬絲網(wǎng)和塑料絲網(wǎng) 料材質(zhì)： （ 1）陶瓷材料 陶瓷材料具有良好的耐腐蝕性及耐熱性，對(duì)強(qiáng)堿介質(zhì)，可以選用耐堿配方制造的耐堿陶瓷材料。陶瓷材料因其質(zhì)脆，易碎，不宜在高沖擊強(qiáng)度下使用。在工業(yè)上，主要用于氣體吸收，氣體洗滌和液體萃取等過程。 (2)金屬填料 金屬填料可用多種材質(zhì)制成，金屬材質(zhì)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，且具有良好的表面潤(rùn)濕性能，對(duì)于無腐蝕或低腐蝕性物系應(yīng)優(yōu)先考慮使用。 (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。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)溶劑的腐蝕且耐溫性良好。塑料填料具有質(zhì)輕、價(jià)廉、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。 3 料的的選擇 綜合考慮以上因素在本次設(shè)計(jì)中采用散裝填料，因?yàn)轷U爾環(huán)填料的分離效果不錯(cuò)，綜合性能較好所以選擇 50 50 鮑爾環(huán)亂堆填 料。 4 3 吸收塔的工藝計(jì)算 礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 相物性數(shù)據(jù) 對(duì)于低濃度的吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可以近似取純水的物性數(shù)據(jù) 20時(shí)水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 L=998.2(kg/ 粘度 L= 表面張力 L=941803(kg/L=10 2/s)=10-6(m2/h) 相物性數(shù)據(jù) 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量 為 29=合氣體的平均密度為 kg/ 混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊(cè)的 25 C 空氣的粘度為)(G s） 2空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為 (24G m2/s) 液兩相平衡時(shí)的數(shù)據(jù) 常壓下 20 2水中的亨利系數(shù)為相平衡常數(shù)為 溶解度系數(shù)為 33 /mk m )/(G 5 料衡算 y y 進(jìn)塔氣相摩爾比為 11 出塔氣相摩爾比為 0 0 2 5 2 5 2 5 22 進(jìn)塔惰性氣相流量為 00 衡曲線可近似為直線，最小液氣比可按下式計(jì)算，即 2121m 對(duì)于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為 02 X 5 2 0 2 5 2 i n 取操作液氣比 6 L=h) )()( 2121 211 L + 0251)/+0 =料塔的工藝尺寸計(jì)算 徑的計(jì)算 采用 用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速，液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算，即 h 氣相質(zhì)量流量為 800 268kg/h 6 用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為 9 8 . 21 . 2 6(22686 3 2 08 . 7 5)( 0 5查 用關(guān)聯(lián)圖得0 2 3 式中： 泛點(diǎn)氣速 m/s L ：液體粘度 s g：重力加速度 1F m：試驗(yàn)填料因子， ；水密度與液體密度之比: （ 12 ） G， L ：氣相，液相密度 kg/次設(shè)計(jì)選用的是 5050鮑爾環(huán)料亂堆填料。 查表 5 填料因子 1130 7 泛點(diǎn)氣速： 對(duì)于散裝填料，泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值為 0 0 ， 泛點(diǎn)率的選擇，對(duì)于加壓操作，選擇較高的泛點(diǎn)率，減壓操作選擇較低的泛點(diǎn)率， 8 2 1 6 0 0/1 8 0 044 標(biāo)準(zhǔn)塔徑有 400500； 600； 700800； 1000； 1200； 圓整塔 D 取 800 點(diǎn)率校核和填料規(guī)格 泛點(diǎn)率校核 600/1800 2 % 0 01 7 9 在允許范圍內(nèi) ) 填料規(guī)格校核 有 81650800 體噴淋密度校核 取最小潤(rùn)濕速率為： /m 工原理課程設(shè)計(jì)（化工傳遞與單元操作課程設(shè)計(jì)）附錄五得 32 / w 23m i nm i n /13208.0 m i U 故滿足最小噴淋密度的要求。 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用 D=800理 8 料層高度計(jì)算 質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 11 0* 22 0 1 7 5 5 0 2 32121 0 2 5 2 21 質(zhì)單元高度的計(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 )()()()( 查表 (常見材質(zhì)的臨界表面張力值 ) y 4 2 7 6 8 0/33 ，941803/ 液體質(zhì)量通量為)./(L 25813()941803427680(1 26 8 0.0 氣體質(zhì)量通量為)./(G 9 氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算 )()()( )./(20273(p m o l 液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算 ()()(0 0 9 )/( 5 8 1 3( 由 1.1，查附 5表 得， 則 )./( k p m o )/( 因?yàn)?%50%故需要校正。 由 得 )./( 34.1 k p m o )/( 1 2.2 則有 )./( k p mo 由 10 料層高度的計(jì)算 2 根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，填料層設(shè)計(jì)高度一般為 Z 因此取 所以設(shè)計(jì)取填料層高度為 查附 5表 ，對(duì)于瓷鮑爾環(huán)填料， h/D=5 10,h m 取 0 08 0 08,8 則 計(jì)算得填料層高度為 5000不需要分段。 料塔附屬高度的計(jì)算 塔上部空間高度， 通過相關(guān)資料可知，可取為 底液相停留時(shí)間按 慮，則塔釜液所占空間高度為： )/(0 1 7 5 83 6 0 2 0 83 6 0 0 3 )( 1 7 5 01 221 考慮到氣相接管所占空間高度，底部空間高度可取 以塔的附屬空間高度可以取為 。 因此塔的實(shí)際高度取 H=.8(m) 料層壓降 P 的計(jì)算 氣體通過填料層的壓力降采用 聯(lián)圖計(jì)算，有前面計(jì)算可知 空塔氣速 u= m/s =130坐標(biāo)為： 2 橫坐標(biāo)為： 9 8 . 21 . 2 6(22686 3 2 08 . 7 5)( 0 5交點(diǎn)在每米填料壓力降 P=450等壓線上。故氣體通過每米填料的壓力降為 450 P 總 = P Z=450 5=225011 點(diǎn)率 吸收塔操作氣速為 %0 017 4 f 對(duì)于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值為： 所以該塔的泛點(diǎn)率合適。 12 4 輔助設(shè)備的選用 填料塔的附屬設(shè)備有填料支承板、液體分布裝置、液體再分布裝置、氣體和液體進(jìn)出口裝置以及除霧器等。填料塔附屬裝置的選型和設(shè)計(jì)對(duì)于保證塔的正常操作及性能的發(fā)揮至關(guān)重要。以下簡(jiǎn)要介紹幾種常用的附屬結(jié)構(gòu)。 料支承裝置 填料支撐結(jié)構(gòu)是用于支承塔內(nèi)填料及其所特有的氣體和液體的重量之裝置。對(duì)填料支承結(jié)構(gòu)的基本要 求是：有足夠的強(qiáng)度以支承填料的重量；提供足夠的自由截面以使氣、液兩相流體順利通過，防止產(chǎn)生液泛；有利于液體的再分布；耐腐蝕，易制造，易裝卸等。 常用的填料支承板主要有柵板式和氣體噴射式等結(jié)構(gòu)。 1、 柵板式支承板 柵板式的支承結(jié)構(gòu)較為常見，由豎立的扁鋼制成。柵板可以制成整塊式或分塊式的。一般直徑小于 500徑為大于 600以根據(jù)情況將柵板分成若干塊，每塊寬度在 300400間，以便于裝卸。柵條間距為填料外徑的 直徑較大的塔中，當(dāng)填料環(huán)尺寸較小時(shí)， 也可采用間距較大的柵板、 2、氣體噴射式支承板 氣體噴射式支承板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：為氣體和液體提供了不同的通道，氣體易于進(jìn)入填料層，液體也可自由排出，避免了因液體積聚而發(fā)生液泛的可能性，并有利于液體的均勻再分配。氣體噴射式支承板有圓柱升氣管式和梁式，而以梁式較為優(yōu)越，梁式支承板用于小塔可制成整體式，用于大塔則分塊制作或塔內(nèi)組裝。它可提供超過 90%的自由截面（有時(shí)甚至達(dá)到 100%），保證氣體通量大，阻力小。因此，在新型填料塔中廣泛采用了這種結(jié)構(gòu)。 綜上所述選用 柵板式支承板 體噴淋裝置 液體噴淋裝置 的作用是為了能有效的分布液體，提高填料的有效利用率。選擇液體噴淋裝置的原則是能使液體均勻的分散開來，使整個(gè)塔截面的填料表面很好的潤(rùn)濕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和檢修方便。 液體噴淋裝置的機(jī)構(gòu)形式很多，常見的噴淋器結(jié)構(gòu)有如下幾種：管式噴淋器、蓮蓬頭式噴淋器、齒槽式分布器、盤式分布器、沖擊式噴淋器等。對(duì)于各種類型的塔，應(yīng)根據(jù)塔徑的不同，選擇不同的噴淋結(jié)構(gòu)。 由于塔徑 D=800槽式分布器 . 體再分布裝置 填料塔內(nèi)當(dāng)液體沿填料層下流時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生壁流現(xiàn)象，使塔中心填料得不到良好的潤(rùn)濕，減少了氣液接觸的有效面 積。為了克服這種現(xiàn)象，當(dāng)填料層過高時(shí)，應(yīng)將填料層分段裝填，并在塔內(nèi)每?jī)啥翁盍现g安裝液體再分布裝置，使液體重新分布。液體再分布器的形式有多種，常用的結(jié)構(gòu)有截錐式在分布器和槽型在分布器等。 頂除霧沫器 穿過填料層的氣體有時(shí)會(huì)夾帶液體和霧滴，因此有時(shí)需在塔頂氣體排出口前設(shè)置除霧沫器，以盡量除去氣體中被夾帶的液體霧沫，常用的型式有填料除霧器、折流板式除霧器、絲網(wǎng)除霧器這幾類 13 5 附屬設(shè)備的計(jì)算與選擇 收塔主要接管的尺寸計(jì)算 本設(shè)計(jì)中填料塔有多處接管，但主要的是氣體和液體的進(jìn)料口和出料口接管。在此分別以液體進(jìn)料管和氣體進(jìn)料管的管徑計(jì)算為例進(jìn)行說明。氣體和液體在管道中流速的選擇原則為： 常壓塔氣體進(jìn)出口管氣速可取 10 20m/s；液體進(jìn)出口流速可取 s。 1液體進(jìn)料接管 進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進(jìn)料管、彎管進(jìn)料管、 設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管，管徑計(jì)算如下 液液設(shè)計(jì)取進(jìn)料管管內(nèi)徑取查 輸送流體用地縫鋼管： 知， 可選用熱軋無縫鋼管管徑為 。則實(shí)際管內(nèi)徑為 s / 1 . 0 2 0 844 22 液。 2氣體進(jìn)料接管 采用直管進(jìn)料。取氣速 s 600/1800442 氣設(shè)計(jì)取進(jìn)料管管徑 所以 查 輸送流體用地縫鋼管： 知 取管徑為 219 實(shí)際管內(nèi)徑為 206實(shí)際通過氣體接管的氣速為： m/ 600/180042 s 氣 3吸收劑輸送管路直徑及流速計(jì)算 根據(jù)管材規(guī)范，選擇 型的熱軋無 縫管道，其內(nèi)徑為 145實(shí)際流速為 。 14 心泵的計(jì)算與選擇 a) 流量 8 2 0 8 3 b) 流量所需的揚(yáng)程 2122 ff 中 : Z 兩截面處位頭差； 1直管阻力； 兩截面處靜壓頭之差； 2管件、閥門局部阻力； 兩截面處動(dòng)壓頭之差； 根據(jù)前面設(shè)計(jì)資料對(duì)上述公式各項(xiàng)進(jìn)行估算： 管路總阻力和所需壓頭計(jì)算根據(jù)管路的平立面布置，計(jì)算所得雷諾數(shù)為： 3 5 3 20 0 1 0 0 （湍流） 利用柏拉修斯關(guān)系式有： 根據(jù)填料塔高及泵的大體位置，管路長(zhǎng) 取 16 米 選用三個(gè) 90。 彎頭，三個(gè)截止閥全開 f 6 22 考慮到安全系數(shù)，查得流量的安全系數(shù)為 程的安全系數(shù)為 1.1 3 1m 因?yàn)樵撐找郧逅疄槲談x用離心泵型號(hào) 為： 12 15 其性能參數(shù)如 轉(zhuǎn)速（ r/ 流量 m3/h 揚(yáng)程 H /m 效率 /% 軸功率 電機(jī)功率 必需汽蝕余量 (r /m 2900 100 200 78% 1 機(jī)的選擇 氣體流量為 1800m3/h 選 管徑為 219 實(shí)際管內(nèi)徑為 206實(shí)際通過氣體接管的氣速為： m / 600/180042 s =氣 本設(shè)計(jì)混合氣體流量為 1800m3/h，上 面算的填料塔的全壓降為 2250以選擇 離心式鼓風(fēng)機(jī) 其參數(shù)如下 流量 m3/h 全壓 速 r/率 機(jī)型號(hào) 1800 2300 3500 16 設(shè)計(jì)結(jié)果列表 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)和物料衡算結(jié)果匯總：表 目 符號(hào) 數(shù)值與計(jì)量單位 吸收劑（水）的密度 L 998.2(kg/溶劑的粘度 L 溶劑表面張力 L 941803(kg/二氧化硫在 水中擴(kuò)散系數(shù) 10 2/s)=10-6(m2/h) 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量 混合氣體的平均密度 G 二氧化硫在空氣中擴(kuò)散系數(shù) 10-4(m2/s)=m2/h) 亨利系數(shù) E 103 氣液相平衡常數(shù) m 解度系數(shù) H (m 二氧化硫進(jìn)塔摩爾比 氧化硫出塔摩爾比 小氣液比 (L/G)作液氣比 L/G 性氣體摩爾流量 G h ; 吸收劑摩爾流量 L 3507.7 h 液相進(jìn)口摩爾比 液相出口摩爾比 17 填料塔工藝尺寸計(jì)算結(jié)果表： 表 目 符號(hào) 數(shù)值與計(jì)量單位 氣相質(zhì)量流量 2268kg/h 液相質(zhì)量流量 h 塔徑 D 800塔氣速 u 泛點(diǎn)率 噴淋密度 U 氣相總傳質(zhì)單元數(shù) 體質(zhì)量通量 ( 2 氣體質(zhì)量通量 ( 2 氣膜吸收系數(shù) m.液膜吸收系數(shù) m/h) 氣相總吸收系數(shù) (校正后 ) 液相總吸收系數(shù)（校正后） l