1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生課程設(shè)計說明書題目：丙酮填料吸收塔學(xué)生姓名：黃也學(xué) 號：1266115209專業(yè)：化學(xué)工程與工藝班 級：化工12-2指導(dǎo)教師：赫文秀教授摘要氣液兩相的分離是通過它們密切的接觸進(jìn)行的，在正常操作下，氣相為連續(xù)相而液相為分散相，氣 相組成呈連續(xù)變化，氣相中的成分逐漸被分離出來，屬微分接觸逆流操作過程。填料塔具有較高的 分離效率，因此根據(jù)丙酮和空氣的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)分析，應(yīng)該采用填料塔來分離氣相中的丙酮。 本次設(shè)計任務(wù)是針對二元物系的吸收問題進(jìn)行分析、設(shè)計、計算、核算、繪圖，是較完整的吸收設(shè) 計過程，并通過對填料塔及其填料的計算，可以得出填料塔和填料及附屬設(shè)備的各種設(shè)計參數(shù)。由

2、 于此分離技術(shù)較成熟分離效率也很高所以在工程應(yīng)用上特別廣。關(guān)鍵詞：純水；丙酮；填料；填料塔；填料層高度目錄第一章概述與設(shè)計方案的確定1.1 概述-3 -1.2 填料塔簡述-4 -1.3 設(shè)計方案的確定-4 -1.3.1 裝置流程的確定-4 -1.3.2 填料的選擇-5 -1.3.3 吸收劑的選擇 -6 -第二章設(shè)計計算-7 -2.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)-7 -2.1.1 液相物性數(shù)據(jù)-7 -2.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)-7 -2.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)-8 -2.2 物料衡算-8 -2.3 填料塔的工藝尺寸的計算2.3.1 塔直的計算-9 -2.3.2 填料層高度計算-11 - 18 -2.3.3 填料

3、塔總壓降計算 -15 第三章填料塔的附屬設(shè)備選型3.1 液體分布器的選擇-18 -3.1.1 液體分布器簡要概述-183.1.2 液體分布器的選型-183.1.3 分布點密度的計算-183.2 吸收塔的主要接管尺寸的計算-19 -3.2.1 氣相管徑-20 -3.2.2 液相管徑-20 -3.3 輔助設(shè)備的選型-20-3.3.1 填料支承設(shè)備-20-3.3.2 填料壓緊裝置-21-3.3.3 除沫裝置-21 -3.3.4 離心泵的選擇-21-3.4 塔高的確定 -21-3.4.1 塔附屬高度的計算 -21 -3.4.2 塔底液體保持管高度-21 -3.4.3 塔的高度 -21 -參考文獻(xiàn) -2

4、2 -結(jié)束語-23 -第一章概述與設(shè)計方案的確定1.1概述化工生產(chǎn)過程中所處理的原料、中間產(chǎn)物、粗產(chǎn)品等幾乎都是混合物，而且大部分都是均相物系。為了進(jìn)一步加工和使用這些混合物，就需要把其中的某一組分或幾個組分分離開來，從而得到較為 純凈或者幾乎純態(tài)的物質(zhì)。對于均相物系必須要造成一個兩項物系，利用兩物系中各組分之間某物 性的差異而使其中某個組分從一相轉(zhuǎn)到另一相，以達(dá)到分離的目的。分離氣體混合物，氣體中的一 個或者幾個組分溶解于液體中，不能溶解的組分仍保留在氣相中，于是的混合物得到了分離。這種 利用各組分在溶液中溶解度的差異使氣體中不同組分分離的操作稱為吸收。在化學(xué)工業(yè)中，經(jīng)常需將氣體混合物中的各

5、個組分加以分離，其目的是：1 .回收或捕獲氣體混合物中的有用物質(zhì)，以制取產(chǎn)品；2 .除去工藝氣體中的有害成分，使氣體凈化，以便進(jìn)一步加工處理；或除去工業(yè)放空尾氣中的有害 物，以免污染大氣。實際過程往往同時兼有凈化與回收雙重目的。氣體混合物的分離，總是根據(jù)混合物中各組分間某種 物理性質(zhì)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)不同的分離方法。吸收操 作僅為其中之一，它根據(jù)混合物各組分某種溶劑中溶解度的不同而達(dá)到分離的目的。用于吸收的設(shè)備類型很多，如常見的填料塔、板式塔、鼓泡塔和噴灑塔等。工業(yè)吸收操作中更多的 使用填料塔，填料塔是企業(yè)呈連續(xù)性接觸的氣液傳質(zhì)設(shè)備，這是由于填料塔具有結(jié)構(gòu)

6、簡單、容易加 工，便于用耐腐蝕材料制造，以及壓強小、吸收效果好、裝置靈活等優(yōu)點，尤其使用于小塔徑的場 合。1.2 填料塔簡述塔設(shè)備在化工、石油化工、生物化工、醫(yī)藥、食品等生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用的汽液傳質(zhì)設(shè)備。其作用 實現(xiàn)氣一液相或液一液相之間的充分接觸，從而達(dá)到相際間進(jìn)行傳質(zhì)及傳熱的過程。根據(jù)塔內(nèi)氣液 接觸部件的結(jié)構(gòu)形式，可將塔設(shè)備分為兩大類：板式塔和填料塔。板式塔內(nèi)沿塔高度裝有若干層塔板，液體靠重力作用由頂部逐板流向塔釜，并在各塊板面上形成流 動的液層，氣體靠壓強差推動，由塔底向上依次穿過各塔板上的液層而流向塔頂。氣液兩相在塔內(nèi) 進(jìn)行逐級接觸，兩相組成沿塔高呈階梯式變化。填料塔則在塔體內(nèi)裝填填料

7、，液體由上而下流動中 在填料上分布匯合，氣體則在填料縫隙中向上流動。填料為氣液傳質(zhì)提供了較大的氣液接觸面積。 填料塔的基本特點是結(jié)構(gòu)簡單，壓力降小，傳質(zhì)效率高，便于采用耐腐蝕材料制造等，對于熱敏性 及容易發(fā)泡的物料，更顯出其優(yōu)越性。過去，填料塔多推薦用于0.60.7m以下的塔徑。近年來，隨 著高效新型填料和其他高性能塔內(nèi)件的開發(fā)，以及人們對填料流體力學(xué)、放大效應(yīng)及傳質(zhì)機(jī)理的深 入研究，使填料塔技術(shù)得到了迅速發(fā)展。1.3 設(shè)計方案的確定1.3.1 裝置流程的確定氣液兩相在塔內(nèi)流動，一般有兩種方式，分別是逆流和并流。通常采用逆流操作，氣體自塔低 通入，液體從塔頂灑下，因此溶液從塔底流出前與剛進(jìn)入塔

8、的氣相接觸，可使溶液的濃度盡量提高， 經(jīng)吸收后的氣體從塔頂排除前與剛?cè)胨囊后w接觸，又可使出塔氣體中溶質(zhì)濃度盡量降低。在逆流操作下，在相同的進(jìn)出口組成條件下，逆流吸收流程具有較大的平均傳質(zhì)推動力，可以減少 設(shè)備尺寸，提高吸收率和吸收劑使用效率，可以實現(xiàn)多級理論級操作，氣體凈化程度較高，常在工 業(yè)上應(yīng)用。而并流吸收流程是氣液兩相均從塔頂流向塔底，只有一個理論級操作，氣體凈化程度不 很高，但卻可以避免塔的液泛現(xiàn)象。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。通常用于已下情況：當(dāng)吸收劑用量較小，為提高塔的液體噴淋密度；

9、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。該流程特別適宜于平衡常數(shù)m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。液體再。塔頂取祥 分布等百及A排入地溝Txn塔底取樣圖1-1吸收工藝流程圖根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，再根據(jù)以上介紹，綜合考慮，本設(shè)計選擇逆流吸收流程。1.3.2 填料的選擇填料塔的基本特點是結(jié)構(gòu)簡單，壓力降小，傳質(zhì)效率高，便于采用耐腐蝕材料制造等，對于熱 敏性及容易發(fā)泡的物料，更顯出其優(yōu)越性。填料的選擇包括填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。所選的填 料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備投資和操作費用低。填料類型分為散裝填料和規(guī)整填料。 一、散裝填料散裝填料是一個個具

10、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?，F(xiàn)介紹幾種較為典型的散裝填料：拉西環(huán)填料、鮑爾環(huán)填料、階梯環(huán)填料、弧鞍填料、 矩鞍填料、金屬環(huán)矩鞍填料、球形填料。（一）、拉西環(huán)填料拉西環(huán)填料于1914年由拉西（F. Rashching）發(fā)明，為外徑與高度相等的圓環(huán)。拉西環(huán)填料的氣液 分布較差，傳質(zhì)效率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已較少應(yīng)用。（二）、鮑爾環(huán)填料鮑爾環(huán)填料是對拉西環(huán)的改進(jìn)，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

11、成內(nèi)伸的舌葉，諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭。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，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比， 鮑爾環(huán)的氣體通量可增加50%以上，傳質(zhì)效率提高30%左右。鮑爾環(huán)是一種應(yīng)用較廣的填料。（三）、矩鞍填料填料矩鞍填料 將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料 堆積時不會套疊，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，均已被瓷矩鞍填料所取代。（四）、階梯環(huán)填料階梯環(huán)填料是對鮑爾環(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

12、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)械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣 不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，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)，成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的 一種。（五）、金屬環(huán)矩鞍填料金屬環(huán)矩鞍填料環(huán)矩鞍填料是兼顧環(huán)形和鞍形結(jié)構(gòu)特點而設(shè)計出的一種新型填料，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)點集于一 體，其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán)。二、規(guī)整填料規(guī)整填料是按一定的幾

13、何構(gòu)形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可 分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。（一）、格柵填料格柵填料是以條狀單元體經(jīng)一定規(guī)則組合而成的，具有多種結(jié)構(gòu)形式。工業(yè)上應(yīng)用最早的格柵 填料為木格柵填料。目前應(yīng)用較為普遍的有格里奇格柵填料、網(wǎng)孔格柵填料、蜂窩格柵填料等，其 中以格里奇格柵填料最具代表性。格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負(fù)荷大及防堵 等場合。（二）、波紋填料波紋填料目前工業(yè)上應(yīng)用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填料，它是由許多波紋薄板組成的圓盤狀 填料，波紋與塔軸的傾角有30°和45°兩種，組裝時相鄰兩波紋板反向靠疊。各盤填料垂直裝于塔內(nèi)，

14、相鄰的兩盤填料間交錯90°排列。波紋填料按結(jié)構(gòu)可分為網(wǎng)波紋填料和板波紋填料兩大類，其材質(zhì)又 有金屬、塑料和陶瓷等之分。金屬絲網(wǎng)波紋填料是網(wǎng)波紋填料的主要形式，它是由金屬絲網(wǎng)制成的。 金屬絲網(wǎng)波紋填料的壓降低，分離效率很高，特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分離物系、 熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。盡管其造價高，但因其性能優(yōu)良仍得到了廣泛的應(yīng)用。波紋 填料的缺點是不適于處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料，且裝卸、清理困難，造價高。（三）、脈沖填料脈沖填料是由帶縮頸的中空棱柱形個體，按一定方式拼裝而成的一種規(guī)整填料。脈沖填料組裝 后，會形成帶縮頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收縮

15、和擴(kuò)大，氣液兩相通過時產(chǎn)生強烈的湍動。 在縮頸段，氣速最高，湍動劇烈，從而強化傳質(zhì)。在擴(kuò)大段，氣速減到最小，實現(xiàn)兩相的分離。流 道收縮、擴(kuò)大的交替重復(fù)，實現(xiàn)了“脈沖”傳質(zhì)過程。脈沖填料的特點是處理量大，壓降小，是真空 精餾的理想填料。三、填料材質(zhì)常見得填料材質(zhì)有陶瓷填料、塑料填料及金屬填料等。（一）、陶瓷填料陶瓷填料具有很好的耐腐蝕性及耐熱性，陶瓷填料價格低廉，具有很好的表面濕潤性能，質(zhì)脆、 易碎是其最大缺點。（二）、塑料填料在溫度較低時塑料能長期操作而不發(fā)生變形，價格低廉，性能良好。一般多采用聚丙烯材質(zhì)。 可耐一般無機(jī)酸、堿和有機(jī)溶劑腐蝕。質(zhì)輕具有良好的韌性，耐沖擊不易碎，可以制成薄壁結(jié)構(gòu)。

16、 通量大壓降低，但表面濕潤性差，可以通過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚韥砀纳破浔砻鏉駶櫺阅堋＃ㄈ?、金屬填料一般耐高溫，但不耐腐蝕，能在高溫、高壓及高沖擊強度下使用，應(yīng)用范圍廣通量大，氣體阻力小 但價高且不容易清理。本設(shè)計任務(wù)書中要求選用的填料陶是瓷拉西環(huán)。1.3.3 吸收劑的選擇吸收是氣體溶質(zhì)在吸收劑中溶解的過程。因此，吸收劑性能的優(yōu)劣往往是決定吸收效果的關(guān)鍵。選 擇吸收劑應(yīng)注意以下幾點：1 .溶解度吸收劑對溶質(zhì)組分的溶解度越大，這樣對于一定量的混合氣體所需的吸收劑的用量可以 少，同時因溶解度大，溶質(zhì)的平衡分壓低，吸收過程的推動力大，傳質(zhì)速率高，吸收設(shè)備尺寸可以 減少。2 .吸收劑應(yīng)對溶質(zhì)具有良好的選擇性，

17、即對溶質(zhì)的溶解度大，而對混合氣中其他組分的溶解度小。3 .混合氣中溶質(zhì)的濃度不同。應(yīng)選用不同的吸收劑。當(dāng)溶質(zhì)濃度較高時可選用物理吸收劑，溶解其 中的大部分溶質(zhì)；當(dāng)溶解度較低時可選用一種不與溶質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)吸收劑；當(dāng)溶質(zhì)濃度更 低時，應(yīng)選用一種能與溶質(zhì)發(fā)生不可逆反應(yīng)的化學(xué)吸收劑，但是其價格較貴，還可以產(chǎn)生固體物質(zhì)。4 .吸收劑的揮發(fā)度要小，以減少吸收過程中的損耗。5 .若吸收液不是產(chǎn)品，則其中的吸收劑應(yīng)易分解再生，從而進(jìn)行循環(huán)使用。6 .吸收劑的黏度要小，便于氣液兩相良好接觸，提高傳質(zhì)速率。7 .吸收應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，不易燃，無腐蝕性，無毒，價廉等優(yōu)點。本設(shè)計任務(wù)書中要求選用的吸收劑是清水

18、。第二章設(shè)計計算2.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)2.1.1 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)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊1得，25時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度為 p L=997.043kg/m3黏度為 R L=0.8937mPa-s =3.217 kg/（m-h）表面張力為。L =71.97dyN/cm=932731.2kg/h2查手冊丙酮在水中的擴(kuò)散系數(shù)為D L=1.276義 10一9 m2/s=4.594x 10-6 m2 /h2.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為=yiM. =0.08 x 58+0.92 x 29=31.32 kg/kmol混合氣體的平均密度為PM 101.

19、33 x 31.32P Vm=備m=8.314 x (275.15 + 25) =1.280 kg/m3混合氣體的粘度可近似取為空氣的黏度，由化工原理（上冊）附錄63查得25空氣的粘度為R v=1.835 x 10-5 Pa - s =0.066 kg/（m h ）查手冊得丙酮在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為D v=0.109cm 2 /s=0.03924m 2 /h2.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)當(dāng)x<0.01, t=1545時，丙酮溶于水的亨利系數(shù)E可以用下式計算:lgE=9.171-2040/（t+273.15）（2.1）計算得 E=211.53 kPa相平衡常數(shù)為E 211.53m= =2.088P

20、 101.33溶解度系數(shù)H = 4EMS997.043.211538 =0.262kmol/(kPa .m3)2.2物料衡算進(jìn)塔氣相摩爾比為Y =ry= 00 =0.0871 1- y 1-0.08出塔氣相摩爾比為Y2=Y1（1-G=0.087x （1-0.925）=0.0065式中甲a丙酮的回收率（92.25%）進(jìn)塔惰性氣相流量為2000273.15V=x c c -L x （1 0.08） =75.25kmol/h22.4 273.15 + 25該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計算，即L Y Y（）=12V min Y / m 一 X12對于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液

21、相組成為（2.2）X2=0L 0.087 - 0.0065(-).=1.932V min 0.087 0 2.088根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，一般情況下吸收劑用量為最小用量的1.12.0倍較為適宜，L =91" ）mm取吸收劑為最小用量的1.5倍（2.3）=1.5(L) , = 1,5x 1.932=2,898 V y min吸收劑進(jìn)塔流量L=2.898 x 75.25=1098.98 kmol/hV（Y1-Y2）=L（X1-X2）出塔液相組成(2.4)75.25 x (0.87 0.0065)218.07=0.0278吸收塔的操作線方程：丫 二X+ 丫2-X 21(2.5)數(shù)據(jù)代入式得操作

22、線方程為Y=2.898X+0.00652.3填料塔的工藝尺寸的計算2.3.1 塔直的計算氣相質(zhì)量流量為wy =2000 x 1.280 = 2560kg /h液相品質(zhì)流量可近似按純水的流量計算，即叱=18 x 218.075 = 3925.35kg /h目前工程上常采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖或Bian-Hougen關(guān)聯(lián)式計算uF。本設(shè)計采用Bain-hougen關(guān)聯(lián) 式，既：1U2 ,a、/PW、I / P x 1lg（T）（ A ）*2 = A （ ）14（ A ）13（2.6）g £ 3 p LW PLVL式中UF泛點氣速，m/s；g重力加速度，9.81m/s2 ；at填料總比表

23、面積，m2 /m3 ；£填料層空隙率，m3 /m3 ；PV、PL氣相、液相密度，kg/m3；N L液體黏度，mPa s ；wV、WL 氣相、液相質(zhì)量流量，kg/h；關(guān)聯(lián)常數(shù)。由式（2.6）計算泛點氣速誤差在15%以內(nèi)。拉西環(huán)填料是最早提出的工業(yè)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。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，價格低廉，機(jī)械強度高，但拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質(zhì)效率低，阻力大，通量小。瓷質(zhì)拉西環(huán)特性參數(shù)（亂堆）見下表。表2-1瓷質(zhì)拉西環(huán)特性參數(shù)（亂堆）外徑 (d) /mm高乂厚 (Hxb) /mmxmm比表面積(a J /(m2/m3)空隙率 （&#

24、163;）/ （m3/m3）個數(shù) （n）/ m - 3堆積密度 （P P） /（kg/m3）干填料因 子（a/）/ m -1填料因子（p）/m -12525x2.51900.78490本設(shè)計采用的填料是陶瓷拉西環(huán)，相關(guān)參數(shù)查表2-1d=25mm a t=190 m2/m3 £ =0.78m3 /m3表2-2貝恩-霍根關(guān)聯(lián)式中關(guān)聯(lián)常數(shù)A值散裝填料類型A瓷拉西環(huán)0.022由表2-2查得關(guān)聯(lián)常數(shù)A=0.022將數(shù)據(jù)代入式（2.6）得U2lg4 X (9.81190078)x (4997.043)x 32170.2 = 0.022 -(3925.352560)14 X (解得 UF=4.35

25、8 m/s對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值為u二（0.60.8） UF取安全系數(shù)為0.65,得u=0.65 , =0.65x4.358=2.834 m/s塔徑可由下式計算：八4vD =i（2.7）冗u將數(shù)據(jù)代入式（2.7）得D=Y4 x衛(wèi)四 36003.14 x 2.834=0.499 m圓整塔徑，取塔徑校核1.泛點率校核D=0.5m=500mm4V u =S nE22000H° = 2.831m/s3.14 x 0.52u 2.831U F 4.358x 100 %=64.96%泛點率在允許范圍內(nèi)，校核合格。2 .填料規(guī)格校核d 25=20 >20填料規(guī)格滿足條件。3 .液體噴

26、淋密度校核對液體噴淋密度直徑不超過75mm的散裝填料,取最小潤濕速(L ) i = 0.08 m3/(m2 h)最小噴淋密度：U = (L ) a = 0.08 x 190 = 15.2 m3/m2 . h min W min tWLU =-L-D 2 43925.35 x 43.14 x 0.52 x 997.043=20.06 > U .= 15.2 m3/m2 - h故噴淋密度校核合格。綜上所述，填料塔直徑選用D=500mm合理。4 .3.2填料層高度計算填料層高度的計算分為傳質(zhì)單元數(shù)法和等板高度法。在工程設(shè)計中，對于吸收、解吸及萃取等 過程中的填料塔的設(shè)計，多采用傳質(zhì)單元數(shù)法。在

27、此，本設(shè)計選擇傳質(zhì)單元數(shù)來求填料高度。1.氣相總傳質(zhì)單元數(shù)N°gY * = mX =2.088x0.0278=0.058Y * = mX =0脫吸因子為m V 2.088 x 75.25218.075=0.72氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為N = -OG 1 - SY - Y *In (1-S)-a + SY - Y *L 221 - 0.72X ln(1-0.72)X 黑 + O'2=5.3462.氣相總傳質(zhì)單元高度HOG氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田公式計算，修正的恩田公式為:k g = 0.237(四 1 a D)0.7 (-) 13 ( t V )p D RT(2.9 )a 1

28、 = 1 - expat-1.450.75UL-a |HtL、0.1J05 ( UL 丫21P Lg(2.10)式中a卬填料的濕潤比表面積，m2 /m3;a t填料的總比表面積，m2 /m3;g重力加速度，9.81m/s2 = 1.27 x 108m/h ；o液體的表面張力，kg/h3; Lo c填料材質(zhì)的臨界表面張力，kg/h3 ；R通用氣體常數(shù)，8.314m3. kPa/ (kmol. K);T系統(tǒng)溫度，K；Uv、UL 氣體、液體的質(zhì)量通量，kg/(m2 . h)；N v、N L氣體、液體黏度，kg/(m - h)；PV、PL氣體、液體密度，kg/m3 ；DV、DL溶質(zhì)在氣體、液體中的擴(kuò)散

29、系數(shù)，m2/s。常見材質(zhì)的臨界表面張力值見表2-3。表2-3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/ mN/m55617333407520查表2-3常見材質(zhì)的臨界表面張力值表得。二61dyN /cm = 790560kg/h 2水表面張力為。L = 71.97dyN /cm =932731.2kg/h2水粘度為rL = 0.8937mPa - s = 3.217kg/(m- h)液體品質(zhì)通量為wL 兀 c-D 243925.35 x 4際樂T:20001.78kg/(m2 -h)將數(shù)據(jù)代入式(2.10)得awat二 1-expJ-1.45x 3%)0.75 x(I 9

30、32731.220001.78190 x 3.217)0.1 x ( 20001.782 乂 190 )-0.05997.0432 x 1.27x 10820001.782997.043 x 932731.2 x 190)0.2 wv 冗 cD 2413044.59k = 0.237 x ()0.7 x (.g190 x 0.0660.0661.280 x 0.03924、1190 x 0.03924、)13 x ()8.314 x 298.15=0.541填料的濕潤比表面積aw=190x0.541=102.79m2 /m3氣體通過空塔截面的質(zhì)量通量為2560 x 4314032 : 1304

31、4.59kg/(m2.h)氣膜吸收系數(shù)由式(2.8)計算，將數(shù)據(jù)代入式中得=0.101kmol/(m2'h - kPa)液膜吸收系數(shù)由式(2.9)計算，將數(shù)據(jù)代入式中得20001.78 、2 /k = 0.0095 x ()23 x (L102.79 x 3.2173.2173.217 x 1.27 x 108997.043 x 4.594 x 10-6997.043)13=0.410m/h(2.11)常見填料得形狀系數(shù)見表2-4。表2-4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)v值0.720.7511.191.45查表2-4拉西環(huán)的形狀系數(shù)=0.101 x 102.79 x

32、 1i.i = 10.382kmol /(m3-h - kPa)(2.12)當(dāng)U>。.5,時,需要按下式進(jìn)行校正,既k a = k a v 0.4LL w0.41 x 102.79 x 10.4 = 42.144L /h應(yīng)予指出,修正的恩田公式只適用于u<0.5,的情況kG a= 1 + 9.5(-0.5)1.4k g a(2.(13)kL a= 1 + 2.6(0.5)2,2k L a(2.(14)泛點率故，需要進(jìn)行校正:=64.96% >50% uFkGk'LHOGK aQK aPQYG（2.15）a = 1 + 9.5 x (0.6496 0.5)1.4 x 1

33、0.382=17.283 kmol/(m2-h kPa)a = 1 + 2.6 x (0.6496 0.5)2.2 x 42.144=43.821L/h氣相總傳質(zhì)單元高度H 0屋下式計算:（2.16）式中Q氣體，液體的黏度，kg/（m-h）；H溶解度常數(shù)，kmol/(kPa m3)；P總壓，kPa。將數(shù)據(jù)代入式(2.16)得=6.737kmol/(m3-h k P a)+17.283 0.26 x 42.144氣相總傳質(zhì)單元高度為HOG353.37 x 46.737 x 101.33 x 3.14 x 0.52=0.562 m傳質(zhì)單元數(shù)法計算填料層高度的基本公式為:Z = HogN0G(2.1

34、7)將數(shù)據(jù)代入式(2.17)得Z=0.562x5.346=3.00m應(yīng)予指出，采用傳質(zhì)單元數(shù)法計算出填料層高度后，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，填料層的設(shè)計高度一般為Z' = (1.2 1.5)Z(2.18)設(shè)計取安全系數(shù)為1.3,得Z = 1.3 x 3.00 = 3.9m取填料層高度為4m。填料類型h/Dh拉西環(huán)2.54m對于散裝填料，一般推薦的分段高度見表2-5,表中h/Z為分段高度與塔徑之比，hmax為允許的最大 填料高度。表2-5散裝填料分段高度推薦值由表2-5查得拉西環(huán)散裝填料分段高度推薦值h/D = 2.5 h = 4mmaxh = 0.5 x 2.5 = 1.25 < h = 4

35、m故填料層不需分層。2.3.3填料塔總壓降計算填料塔的壓力降為：AP = Ap +Ap +Ap +Z Ap(2.19)1.采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算填料層壓降A(chǔ)圖2-1 Eckert通用關(guān)聯(lián)圖式中v、匕氣相、液相質(zhì)量流量，Kg/s；NL液相粘度，mPa.s；。填料因子，1/m ；g重力加速度，m/s2；P v、P L氣體、液體的密度，Kg/m 3 ；v 液相密度校正系數(shù)，v = 2H笠；PLu空塔氣速，m/so代入數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)為W ,p ._ 3925.35 / 1.28、L- ( V-) 0.5 X ()0.5 0.055W p 2560997.043V L應(yīng)予指出，用Eckert通用關(guān)

36、聯(lián)圖計算填料層壓降時，所需的填料因子為操作狀態(tài)下的濕填料因子，稱為壓降填料因子，以。表示。壓降填料因子。與噴淋密度有關(guān)，為了工程設(shè)計得方便，常采用與液體噴淋密度無關(guān)的壓降填料因子平均值。表2-6列出了部分散裝填料因子平均值5 o表2-6散裝填料壓降填料因子平均值填料填料因子/m -1類型DN16DN25DN38DN70DN76瓷拉西環(huán)18-查表2-6散裝填料壓降填料因子平均值表得，瓷拉西環(huán)的壓降填料因子。=576m-iU2 枷 P “0,V- |Ll。2 p LL代入數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為28312 X576*1XL28 X3.2170.29.81 x 997.043=0.142根據(jù)橫、縱坐標(biāo)在?？颂?/p>

37、通用關(guān)聯(lián)圖中確定操作點，此點位于寸/ Z = 1500P a/m與 AP/Z = 2000Pa/m兩條等壓線之間，用內(nèi)插法估值可求得每米填料層的壓力降為21700Pa/m， 既AP / Z = 1700P a/m填料層壓降為AP = Z x 1700 = 4 x 1700 = 6800Pa12 .氣體進(jìn)口壓力降A(chǔ) P2取氣體出口接管的內(nèi)徑為210mm，則氣體的進(jìn)出流速為:=17.69m/s4 x 20003.14 x 0.22 x 3600進(jìn)口壓力降為AP = 1 p U2 =1X 1.28 X 17.692 = 200.34Pa22 V 23 .氣體進(jìn)口壓力降A(chǔ) P3出口壓力降為AP =1

38、AP = 1 x 200.34 = 100.17Pa3 22 2其他塔內(nèi)件的壓力降Z AP較小，因此可以忽略。4 .吸收塔的總壓力降將數(shù)據(jù)代入式(2.19)在中，吸收塔的總壓降為A P = 6800+200.34+100.17=7100.51Pa第三章填料塔的附屬設(shè)備選型3.1 液體分布器的選擇3.1.1 液體分布器簡要概述填料塔的傳質(zhì)過程要求塔內(nèi)任一截面上氣液兩相流體均勻分布，從而實現(xiàn)密切接觸、高效傳質(zhì)，其中的流體的初始分布至關(guān)重要。在填料塔的工程設(shè)計中，對液體分布裝置的基本要求是：具有 與填料相匹配的分液點密度和均勻的分布質(zhì)量，填料比表面積越大，分離要求越精密，則分布點密 度應(yīng)越大；操作彈

39、性較大，適應(yīng)性好；為氣體提供盡可能大的自由截面率，實現(xiàn)氣體的均勻分 布，且阻力??；結(jié)構(gòu)合理，便于制造、安裝、調(diào)整和檢修。3.1.2 液體分布器的選型液體負(fù)荷218.075 x 43.14 x 0.52=1111.2 m3/m2 - h本設(shè)計的液相負(fù)荷較大，而氣相負(fù)荷相對較小且塔徑小于600mm，根據(jù)本吸收的要求和物系的性質(zhì) 可選用噴頭式液體分布器。3.1.3 分布點密度的計算液體分布器分布點密度的選取與填料類型及規(guī)格、塔徑大小、操作條件等有關(guān)，塔徑越大，分布點 密度越??；液體噴淋密度越小，分布點密度越大。對于散裝填料，填料尺寸越大，分布點密度越小。 表3-1列出了散裝填料塔分布點密度推薦值。表

40、3-1 Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值塔徑/mm分布點密度/（點加2截面積）D=400D=750D>120033017042查表3-1，由Eckert推薦值可知，D=400mm時，噴淋點密度為330點/m2，因為本設(shè)計的液相負(fù)荷較大，塔徑為500mm，本設(shè)計取噴淋點密度為280點/m2。布液點數(shù)n = n * 0.52x280 = 54.95 點4取n=55點按分布點幾何均勻和流量均勻原則進(jìn)行布點設(shè)計，設(shè)計結(jié)果為：噴頭共4排布液點，以中心點的同 心圓分布設(shè)計1、8、16、32點，所以實際布液點數(shù)為57點。布液計算公式如下：L = d2 n e'2 g (竺)(3.1)S

41、 4 o Tp L g式中d 0小孔直徑，m；n布液點個數(shù)，點；。孔流系數(shù)(雷諾數(shù)大于1000的情況下，可取0.600.62)g重力加速度，m/s2；AP 分布器的工作壓力差，Pa。L =巴=3925.35 = 0.001094m3/s s p 3600 x 997.043L取巾=0.62，則孔徑d0 二 s =AP、 nn。2g()P L g12 =0.001094 x 43.14 x 57 x 0.62 xt ：2 x 9.81 x (7100.51997.043 x 9.8112 = 0.0033 mm設(shè)計孔徑 d0 = 0.004m = 4mm3.2吸收塔的主要接管尺寸的計算 管路的內(nèi)

42、徑可選用圓形管路流量公式:(3.2)流體輸送管路得直徑可根據(jù)流量公式和流速用式(3.2)計算，流量一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。若流速過大， 管徑雖然可以減小，但流體通過管道的阻力增大，消耗的動力就大，操作，所以選擇合適的流速十 分關(guān)鍵費用隨之增加；反之，流量選的過小，操作費用可以相應(yīng)減小，但管徑增大，管路得基建費 用增加，所以選擇合適的流速十分關(guān)鍵。某些流體在管道中的常用流速范圍列于表3-2中6：表3-2某些流體在管道中的常用流速范圍流體的類別及情況流速范圍/(cm/s)水及低黏度液體(1 x 1051 x 10 6)1.53.0一般氣體（常壓）10203.2.1 氣相管徑常壓氣體的流速可參考表3-2

43、,選取u v = 15m/s將數(shù)據(jù)代入式（3.2）得:4x2000d = .J= 0.217 m = 217 mm3.14 x 15 x 3600根據(jù)化工原理（上冊）附錄19管子規(guī)格，選用。219mm x 6mm的無縫鋼管，其內(nèi)徑為 d = 219-6 x 2 = 207mm = 0.207m重新核算流速，既=15.52m/s4 x 20003.14 x 0.2072 x 3600氣相管徑合理。3.2.2液相管徑因吸收劑的物性與水的物性相近，參考表3-2,選取流速u l = 2m/s將數(shù)據(jù)代入式（3.2）得=0.026m = 26mm,:4 x 3925.35d 二.3.14 x 15 x 3

44、600 x 997.043根據(jù)化工原理（上冊）附錄19管子規(guī)格，選用。27mmx 0.5mm的無縫鋼管，其內(nèi)徑為d = 27 - 0.5 x 2 = 26mm = 0.026m重新核算流速,既4 x 3925.35, ,u 二二 2m / sl3.14 x 0.0262 x 997.043 x 3600液相管徑合理。3.3 輔助設(shè)備的選型3.3.1 填料支承設(shè)備填料支承板分為兩類：氣液逆流通過平板型支承板，板上有篩孔或柵板式；氣體噴射型，分為圓 柱升氣管式的氣體噴射型支承板和梁式氣體噴射型支承板。常用的填料支承裝置有柵板型和駝峰型 及各種具有氣升管結(jié)構(gòu)的支承板。如圖3-1：u n r IF J

45、 J rjm, I ri njle fi r b a e l：/j,XJ ii IJ 111J二二；口通二二：,”Ml標(biāo).|南|”fL 笳 iT.“圖3-1填料支撐裝置（a）柵板型；（b）孔管型；（c）駝峰型本設(shè)計選用柵板型支承板。3.3.2 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，改變其初始堆積狀態(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%。本設(shè)計的填料是陶瓷拉西環(huán)，因此選擇填料壓板。3.3.3 除沫裝置除沫裝置安裝在液體再分布器上方，用以除去出氣口氣流中的液滴。由于氨氣溶于水中易于產(chǎn)生泡 沫為了防止泡沫隨出氣管排出，影響吸收效率，采用除沫裝置，根據(jù)除沫裝置類型的使用范圍，本 設(shè)計填料塔選取絲網(wǎng)