水吸收氨气填料吸收塔的课程设计dfgsWord格式.doc

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选择吸收剂的基本要求:

1.吸收剂应具有较大溶解度，以提高吸收速率减少吸收剂用量，降低输送与再生的能耗。

2.选择性好，吸收剂对混合气体的溶质要有良好的吸收能力，而对其它组分不吸收或吸收甚微。

以提高吸收速率，减小吸收剂用量。

3.操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以为离开吸收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。

4.粘度要低，以利于传质与输送；

有利于气液接触，提高吸收速率。

5.具有较好的化学稳定性及热稳定性，以减少吸收剂的降解和变质，尤其在使用化学吸收剂时。

6.其它，所选用的吸收剂还应满足无毒性，无腐蚀性，不易燃易爆，不发泡，冰点低，廉价易得以及化学性质稳定等要求。

因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。

2.3填料的选择

2.3.1填料层

填料塔内充以某种特定形状的固体填料以构成填料层。

填料层是塔实现气、液接触的主要部位。

填料的主要作用是：

①填料层内空隙体积所占比例很大，填料间隙形成不规则的弯曲通道，气体通过时可达到很高的湍动程度；

②单位体积填料层内提供很大的固体表面，液体分布于填料表面呈膜状流下，增大了气、液之间的接触面积。

填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。

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。

2.3.2填料种类的选择

所选择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较低。

填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：

（1）传质效率要高一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料

（2）通量要大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的填料

（3）填料层的压降要低

（4）填料抗污堵性能强，拆装、检修方便

2.3.3填料规格的选择

填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。

（1）散装填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、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，通量减少，填料费用也增加很多。

而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。

因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。

（2）规整填料规格的选择工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格，同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显增加。

选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又具有经济合理性。

应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型不同规格的填料；

可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；

有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。

设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。

2.3.4填料材质的选择

填料的类型

1拉西环填料

优点：

易于制造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用。

缺点：

由于高径比大，堆积时填料间易形成线接触，因此液体在填料层流动时，常存在严重的沟流和壁流现象。

且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高

2阶梯环填料（Stairring）

填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错45°

的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。

这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。

阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。

3鲍尔环填料

在拉西环的基础上发展起来的鲍尔环是在的侧壁上开一层或两层长方形小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。

同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使环内壁面充分利用。

比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。

鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广泛。

可由陶瓷、金属或塑料制成。

金属英特洛克斯（Intalox）填料

将环形结构与鞍形结构的特点集于一体而形成的一种独特结构的填料，具有生产能力大、压降低、液体分布性能好、传质速率高及操作弹性大等优良性能，因而获得广泛应用，在减压蒸馏中其优势更为显著。

网体填料（Wiregauzepackings）

上述几种形式的填料属实体填料，与之对应的另一类金属丝网制成的填料称为网体填料。

网体填料也有多种形式，如网环和鞍型网等。

因网丝细密，填料的空隙很高，比表面积很大。

由于毛细管作用，填料表面润湿性能很好。

故网体填料气体阻力小，传质速率高。

造价很高，故多用于实验室中难分离物系的分离。

规整填料规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。

使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。

空隙大，故生产能力大，压降小，且因流道规则，所以只要液体初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。

造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。

第三章吸收塔的工艺计算

3.1基础物性数据

3.1.1液相物性数据

3.1.2气相物性数据

混合气体平均密度：

空气黏度：

273K，101.3Kpa.氨气在空气中扩散系数：

3.2物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成

20℃，101.3Kpa下氨气在水中的溶解度系数

进塔气相摩尔比：

出塔气相摩尔比：

Y2=0.0002/（1–0.0002）=0.000211

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成：

混合气体流量：

V1=（3500*273）/（293*22.4）=145.584kmol/h

进塔惰性气体流量：

V=145.584*（1–0.05）=138.305kmol/h

吸收过程属于底浓度吸收，平衡关系为直线，最小气液比可按下式计算：

取操作气掖比为最小气液比的1.5倍，可得吸收剂用量为：

L=1.5*0.751*138.305=155.801kmol/h

根据全塔物料衡算式:

V*（Y1–Y2）=L*（X1–X2）

X1=V*（Y1–Y2）/L+LX2=（0.0526–0.0002）/（0.751*1.5）=0.0685

液气比：

Wl/Wv=（155.801*18）/（3500*1.181）=0.678

3.3塔径的计算

3.3.1塔径的计算

考虑到填料塔内塔的压力降,塔的操作压力为101.3

采用贝恩----霍夫泛点关联式:

=-0.59

取泛点率为0.6.即u=0.6uf=0.6*4.535=2.721m/s

D=[4*VS/（π*ｕ）]0.5=[4×

3500÷

（3600×

3.14×

2.721）]0.5=0.675m

圆整后取D=0.7m=700mm

3.3.2泛点率校核

ｕ=4*V÷

（π*D2）=2.528m/s

u/uf=2.721÷

4.535=60%

在（50%--80%）之间,所以符合要求.

3.3.3填料规格校核

根据要求应选择环形填料中的塑料阶梯环.由于所选用的塔径为700,又根据填料与塔径的对应关系及实际操作要求,区尺寸为38的塑料阶梯环,此填料规格如下:

公称直径:

38孔隙率:

0.92

比表面积a:

72填料因子:

170填料常数A:

0.0942

所以有D/d=700/38=18.4,即符合要求.见下图：

3.3.4液体喷淋密度校核

最小的喷淋密度t=72

=0.08*72=5.76m3/（m2*h）

=155.801*18/（998.2*0.785*0.72）=7.304m3/（m2*h）

故满足最小喷淋密度的要求

3.4填料层高度计算

3.4.1传质单元高度计算

273K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数.由,则293K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数

293K，101.3kpa下，氨气在水中的扩散系数（查化工原理附录）

Y1*=mX1=0.754*0.0685=0.051649

脱吸因数为：

S=mV/L=0.754/（0.751*1.5）=0.700

气相总传质单元数为：

=12.24

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

液体质量通量为:

UL=WL/（0.785*D2）=155.801*18/（0.785*0.72）=7290.83kg/（m2.h）

气体质量通量为：

UV=WV/（0.785*D2）=3500*1.181/（0.785*0.72）=10746.13kg/（m2.h）

故=0.9812

气膜吸收系数：

=0.1009

液膜吸收系数

=0.4761

查表得=1.45故

=0.10090.981272=10.727

=0.47610.981272=39.024

0.59>

0.5

以下公式为修正计算公式：

=10.185

=24.576

则（H为溶解度系数）=6.579

由=138.305/（7.679*101.3*0.785*0.72）

=0.462m

3.4.2填料层高度的计算

由Z=HOG×

NOG=0.462×

12.24=5.655m

取上下活动系数为1.5

故Z’=1.5Z=1.5*5.655=8.48m故取填料层高度为9m.

查散装填料分段高度推荐值查得：

塑料阶梯环h/d8～15

取h/d=8得h=8700=5600m

计算得填料层高度为9000mm，，故不需分段

3.5填料层压降的计算

填料层压降:

气体通过填料层的压降采用Eckert关联图计算,

其中横坐标为：

=0.0234查得

纵坐标为

（2.5282921.45/9.81）=0.103

查图得

Eckert图

填料层压力降△P=790*9=7110m

第四章塔附属设备工艺计算

4.1塔附属高度的计算

取塔上部空间高度可取1.5m,塔底液相停留时间按5min考虑,则塔釜所占空间高度为

h1=[（5*60*155.801*18）/（0.72*0.785*3600*998.2）]=0.609m

考虑到气相接管所占的空间高度,空间高度可取2.5m,所以塔的附属高度可以取4.0m.填料层在中间高度取0.7m.

所以塔高为H=4.0+9+0.7=13.7m

4.2液体初始分布器和再分布器的选择与计算

4.2.1液体分布器

液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。

因而液体分布器的设计十分重要。

特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。

液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。

对液体分布器的选型和设计，一般要求：

液体分布要均匀；

自由截面率要大；

操作弹性大；

不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；

可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。

液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动

力或按结构形式分。

若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和溢流型。

其中，多孔型液体分布器又可分为：

莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。

溢流型液体分布器又可分为：

溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。

根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应依据所用填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越高所需的喷淋点密度越大这一规律。

分布点密度计算：

按Eckert建议值，D≈750时，喷淋点密度为170点／m2，所以设计取喷淋点密度为170点／m2。

总布液孔数n=0.785*0.72*170=65.40。

取布液孔数为：

48点

布液计算：

由LS=155.801*18/（3600*998.2）=6.808*10-4m3/s

取=0.60，△H=0.2m

3.63*10-3m取d0=4mm

由计算得，设计布液点数为48点，直径为4mm

4.2.2液体再分布器

液体在乱堆填料层内向下流动时，有一种逐渐向塔壁流动的趋势，即壁流现象。

为提高塔的传质效果，当填料层高度与塔径之比超过某一数值时，填料层需分段。

为改善壁流造成的液体分布不均，在各段填料层之间安设液体再分布器，以收集来自上一填料层来的液体，为下一填料层提供均匀的液体分布。

在填料层中每隔一定高度应设置一液体再分布器。

在通常情况下，一般将液体收集器与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。

液体收集再分布器的种类很多，大体上可分为两类：

一类是液体收集器与液体再分布器各自独立，分别承担液体收集和再分布的任务。

另一类是集液体收集和再分布功能于一体而制成的液体收集和再分布器。

液体再分布器有与百叶窗式集液器配合使用的管式或槽盘式液体再分布器、多孔盘式再分布器和截锥式液体再分布器。

最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器，其结构简单，安装方便，一般多用于直径小于0.6m的填料塔中，以克服壁流作用对传质效率的影响。

由于此次设计填料层高度为10m需分段，根据实际情况选取多孔盘式液体再分布器。

为防止上一填料层来的液体直接流入升气管，应于升气管上设盖帽。

4.2.3塔底液体保持管高度

塔底液体保持管高度可以根据液体的流率及布液孔的直径选定。

：

塔底液位保持管高度与所需的布液孔直径两者之间的关系如下

布液孔直径为4mm,液体保持管高度为

=0.096m

k为孔流系数，其值由小孔液体流动雷诺数决定，在雷诺数大于1000的情况下,可取0.60-0.62。

液位高度的确定应和布液孔径协调设计,使各项参数均在一定范围。

对于重力式排管液体分布器，液位保持管的高度由液体最大流率下的最高液位决定，一般取最高液位的1.12-1.15倍。

4.3其它附属塔内件的选择

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，还有封头、管法兰、筒体等。

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。

4.3.1填料支撑装置

填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量，同时保证气液两相顺利通过。

支承若设计不当，填料塔的液泛可能首先发生在支承板上。

为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。

此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。

自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。

增加压强降，降低效率，甚至形成液泛。

由于填料支承装置本身对塔内气液的流动状态也会产生影响，因此作为填料支承装置，除考虑其对流体流动的影响外，一般情况下填料支承装置应满足如下要求：

（1）足够的强度和刚度，以支持填料及所持液体的重量（持液量），并考虑填料空隙中的持液量，以及可能加于系统的压力波动，机械震动，温度波动等因素。

（2）足够的开孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在支撑处发生液泛；

（3）结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大于20Pa）；

（4）结构简单，便于加工制造安装和维修。

（5）要有一定的耐腐蚀性。

常用的填料支承装置有栅板形和驼峰形及各种具有气升管结构的支承板。

由设计条件，本次设计中选用栅板形支承板。

4.3.2填料压紧装置

为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，保持操作中填料床层为一恒定的固定床，从而必须保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，故需在填料层上方设置填料压紧装置。

填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类。

对于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定；

对于规整填料，通常选用压紧栅板。

设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应大于70﹪。

填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧，它适用于陶瓷、石墨制成的散装填料。

它的作用是在高气速（高压降）和负荷突然波动时，阻止填料产生相对运动，从而避免填料松动、破损。

由于填料易碎，当碎屑淤积在床层填料的空隙间，使填料层的空隙率下降时，填料压板可随填料层一起下落，紧紧压住填料而不会形成填料的松动、降低填料塔的生产能力及分离效率。

床层限制板用于金属散装填料、塑料散装填料及所有规整填料。

它的作用是防止高气速高压降或塔的操作突然波动时填料向上移动而造成填料层出现空洞，使传质效率下降。

由于金属及塑料填料不易破碎，且有弹性，在装填正确时不会使填料下沉，故床层限制板要固定在塔壁上。

为了便于安装和检修，填料压紧装置不能与塔壁采用连续固定方式，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。

本次设计的填料塔采用押金网板，设置自由截面积为85%。

采用支耳固定。

4.3.3气体的进出口装置

填料塔的气体进口装置尽量使气体分散均匀，同时还能防止塔内下流的液体流入气体管路中。

常用的办法是使进气管伸至塔的中心线位置,管端为向下的45o切口或向下的缺口。

这样气体从切口或缺口处折转向上。

由于这种进气管不能使气体分布均匀，所以只能用于直径在500㎜以下的塔中。

对于直径较大的塔，进气管的末端为向下的喇叭口，对于直径更大的塔，则应采取气体均布措施。

气体的出口装置既要保证气流畅通，又要能除去被气体夹带的液体液雾。

目前常用的除雾装置有折板除雾器和丝网除雾器。

折板除雾器，这种装置较简单，除雾效果较好。

丝网除雾器，这种装置效率高，可除去直径大于5um的液滴。

4.3.4液体的出口装置

填料塔的出口装置既能使液体通畅引（排）出外，还要保证形成对塔内气体的液封，并能防止液体夹带气体。

常用的液体出口装置可采用水封。

本设计中塔内外压差较大时，可采用倒U形管密封装置。

4.3.5除沫装置

由于气体在塔顶离开填料塔时，带有大量的液沫和雾滴，为回收这部分液相，经常需要在顶设置除沫器。

常用的除沫器有以下几种：

折流板式除沫器，它是一种利用惯性使液滴得以分离的装置，一般在小塔中使用。

旋流板式除沫器，由几块固定的旋流板片组成，气体通过时，产生旋转运动，造成一个离心力场，液滴在离心力作用下，向塔壁运动实现了气液分离。

适用于大塔径净化要求高的场合。

丝网除沫器，它由金属丝卷成高度为100-150的盘状使用。

安装方式多种多样，气体通过除雾沫器的压强降约为120-250Kp，丝网除沫器的直径由气体通过丝网的最大气速决定。

根据本吸收特点及要求，本吸收操作选用金属丝网除沫器。

4.4吸收塔的流体力学参数计算

吸收塔的流体力学参数主要包括气体通过填料塔的压力降、泛点率、气体动能因子等，此外，还应了解塔内液体和气体的分布状况。

4.4.1吸收塔的压力降

由离心泵的选择计算全塔压降

4.4.2吸收塔的泛点率

填料塔的泛点率是指塔内操作气速与泛点气速的比值。

操作气速是指操作条件的空塔气速，泛点气速采用贝恩—霍根关系式计算。

尽管近年来，有些研究者认为填料塔在泛点附近操作时，仍具有较高的传质效率，但由于泛点附近流体力学性能的不稳定性，一般较难稳定操作，故一般要求泛点在之内，而对于易起泡的物系可低至。

吸收塔操作气速为2.528m/s，泛点气速为4.535m/s所以泛点率为

ｆ==2.528÷

对于散装填料，其泛点率的经验值为：

=0.5～0.85所以符合。

4.4.3气体动能因子

气体动能因子是操作气速与气相密度平方根的乘积，简称F因子，其定义为

故吸收塔内气体动能因子为

2.528*1.1810.5=2.747气能因子在常用的范围内。

从以上的各项指标分析，该吸收塔的设计合理，可以满足吸收操作的工艺要求。

4.5其他附属设备的计算与选择

4.5.1吸收塔的主要接管尺寸的计算

1、气体进料管