填料塔—化工原理課程設計

1、<p><b>　　設計方案的確定</b></p><p><b>　　填料塔的結構</b></p><p>　　填料塔的主要構件為包括：填料、液體分布器、填料支承板、液體再分布器、</p><p>　　氣體和液體進出口管等。其塔體為一圓形筒體，筒體內(nèi)分層裝有一定高度的填料。液體由塔頂自上而下沿填料的表面成膜狀流

2、下。如填料層較高，一般設有液體再分布器，以減弱壁流現(xiàn)象帶來的不良影響。氣液兩相在塔內(nèi)進行接觸傳質。其填料塔的結構見圖如下：</p><p><b>　　吸收劑的選擇</b></p><p>　　對于SO2的吸收，常用的吸收劑有濃碳酸、亞硫酸鹽水溶液、檸檬水溶液，水，鑒于水對SO2具有一定程度的溶解度，蒸氣壓不高、粘度適中、不易發(fā)泡，具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，

3、不易燃、不易爆，安全可靠。而且水平常易得，經(jīng)濟成本較低，吸收后的溶液相對較易處理，再生和循環(huán)性較好，易于實現(xiàn)無害化處理。因而選擇清水作為吸收SO2的吸收劑。</p><p><b>　　吸收操作條件的確定</b></p><p>　　吸收條件也即吸收塔的操作溫度和操作壓力。在本設計中，清水的溫度為20℃，氣體的進口溫度為25℃，吸收溫度為20℃，為等溫吸收。操作壓力為

4、常壓操作，也即101.325kPa。</p><p><b>　　吸收操作流程</b></p><p>　　氣、液兩相在塔內(nèi)的流動有逆流和并流兩種方式。在逆流操作條件下，兩相</p><p>　　傳質平均推動力最大，可以減少設備的尺寸，提高吸收率和吸收劑的使用效率，因而逆流操作優(yōu)于并流操作。但是，如果處理的氣體溶解度大，并流和逆流的操作推動力相

5、差不大，采用并流操作可以不受泛液的限制，提高操作氣速，增大生產(chǎn)能力。</p><p>　　對于SO2而言，當水溫為20℃時，查《化工原理》（化學工業(yè)出版社）P187圖5-2，可得20℃時SO2在水中的溶解度大約為8，也即SO2在水中的溶解度不大，此時應該選擇逆流操作。吸收流程如附圖所示。</p><p><b>　　填料塔吸收工藝計算</b></p>&

6、lt;p><b>　　物料衡算</b></p><p>　　吸收劑（水）的流量計算</p><p>　　該設計中，礦石焙燒爐送出的氣體流量為1800+9510=2750 m3/h惰性氣</p><p><b>　　體流量為</b></p><p>　　G=××（1-0.00

7、5）=106.85kmol/h</p><p>　　y1=0.005，Y1=y1/(1-y1)</p><p>　　吸收效率 η=1-Y2/Y1=0.96，Y2=（1-0.96）Y1=2.10×10-3</p><p><b>　　x2=0，X2=0</b></p><p>　　查表（《化工原理》P189表5-

8、1）得SO2水溶液在20℃時的亨利系數(shù)為</p><p><b>　　E=3550kPa</b></p><p>　　m=E/p==35.04</p><p>　　其汽液相平衡近似服從亨利定律，則</p><p>　　Y1=mX1*，X1*=Y1/m=×10-3</p><p><

9、b>　　最小液氣比為</b></p><p>　?。ǎ﹎in==33.67</p><p>　　取 =1.3（）min=1.3×33.67=43.77</p><p>　　L=43.77G=4676.82kmol/h</p><p>　　= X1==1.15×10-3</p>&

10、lt;p><b>　　操作線方程為</b></p><p><b>　　Y=</b></p><p><b>　　塔徑的計算</b></p><p>　　吸收塔的吸收為等溫吸收，其溫度為20℃。設計壓力取為它的操作壓</p><p>　　力101.325kPa。</

11、p><p><b>　　塔徑的計算公式為</b></p><p><b>　　D= ， </b></p><p>　　式中 Vs——氣體體積流量，m3/h；</p><p>　　——適宜的空塔氣速。m/s。</p><p><b>　　泛點氣速的計算</b&

12、gt;</p><p>　　采用Bain-Hougen（貝恩-霍根）關聯(lián)式來計算，即</p><p><b>　　㏒=A-1.75</b></p><p>　　式中 ——干填料因子，m-1；</p><p>　　——氣、液相的密度，kg/m3；</p><p>　　——液相粘度，mPas；<

13、;/p><p>　　——氣、液相流體的質量流量，;</p><p>　　A——常數(shù)，與填料形狀和材質有關。</p><p>　　標準狀況下，查（《化工原理》P334附錄九）得SO2的密度為</p><p>　　=2.927kg/h，則有</p><p><b>　　==</b></p>

14、<p>　　=(29/22.4)</p><p>　　查得（《化工原理》P328附錄三）水溫在20℃時，·s。</p><p>　　選用塑料鮑爾環(huán)（亂堆）Dg25mm，查表（《化工原理》P224表5-4）得以下其參數(shù)：</p><p>　　查《常用化工單元設備設計》P114表3-9得，當填料為塑料鮑爾環(huán)時，A=0.0942。</p>

15、<p>　　經(jīng)計算得出的Bain-hougen關聯(lián)式的各項參數(shù)為</p><p>　　將所得數(shù)據(jù)代入Bain-hougen關聯(lián)式，得</p><p><b>　　㏒=</b></p><p><b>　　解之得</b></p><p>　　取安全系數(shù)為0.8，得</p>&

16、lt;p><b>　　塔徑的計算</b></p><p><b>　　D==</b></p><p>　　取塔徑圓整 D=900mm</p><p>　　D/d=900/25=36＞10，故符合要求。</p><p><b>　　核算氣速</b></p>

17、;<p><b>　　，符合要求。</b></p><p><b>　　核算噴淋密度</b></p><p>　　當填料直徑＜75mm時，（）min=0.08，有</p><p>　?。綰min，滿足要求。</p><p>　　填料層高度及塔高的計算</p><p&

18、gt;<b>　　填料層高度計算公式</b></p><p>　　式中 Z——填料層高度，m；</p><p>　　HOG——氣相的總傳質單元高度，m；</p><p>　　NOG——氣相的總傳質單元數(shù)；</p><p>　　V——惰性氣體流量，kmol/h;</p><p>　　KYa——氣相

19、的體積吸收總系數(shù)，kmol/(m3·s)；</p><p>　　Y*——氣相平衡濃度，摩爾比；</p><p>　　——塔截面積，m2。</p><p><b>　　傳質單元高度計算</b></p><p>　　由恩田等人的準數(shù)關聯(lián)式有</p><p>　　式中 ——單位體積填料層的濕

20、潤表面積</p><p>　　——液體的表明張力及填料材質的臨界表面張力，N/m；</p><p>　　LG——液體通過空塔截面的質量流速，kg/(m·s)；</p><p>　　——液體的粘度，Pa·s；</p><p>　　——液體的密度，kg/m3;</p><p>　　g——重力加速度，m/

21、s。</p><p>　　查《常用化工單元設備設計》P109表3-3，得=33×10-3N/m，查P110表3-5，有=1.45，查P114表3-8，得塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子為，查《化工原理》P328附錄三，當水溫為20℃時，水的表面張力L=726.9×10-4N/m。</p><p>　　將數(shù)據(jù)代入恩田等人的準數(shù)關聯(lián)式，有</p><p>&

22、lt;b>　　=0.629</b></p><p>　　查《化學工程手冊》有，20℃時SO2在水中的分子擴散系數(shù)為DL=1.47×10-9m/s,在空氣中的分子擴散系數(shù)為DG=1.08×10-5m/s，由恩田修正式，有</p><p><b>　　=0.0095</b></p><p><b>　

23、　=3.862</b></p><p><b>　　=0.237</b></p><p>　　=2.409×10-5kmol/(m3·s·kPa)</p><p><b>　　則有</b></p><p>　　kLa=kLaW=3.862×10-4

24、×131.46=0.0508s-1</p><p>　　kGa=kGaW=2.409×10-5×131.46=3.167×10-3kmol/(m2·s·kPa)</p><p><b>　　計算KYa</b></p><p><b>　　KYa=pKGa</b>&

25、lt;/p><p><b>　　而 </b></p><p>　　則 KYa=pKGa=101.325×6.50×10-4=0.0659 kmol/(m3·s)</p><p><b>　　又 </b></p><p><b>　　傳質單元數(shù)的

26、計算</b></p><p><b>　　則 </b></p><p>　　設計填料層高及塔高的計算</p><p><b>　　6.195m</b></p><p>　　取21%的余量，則有</p><p>　　由填料塔的分段高度推薦值，對于塑料鮑爾環(huán)，有

27、</p><p><b>　　取</b></p><p>　　顯然，該填料塔需要分層，對于塑料環(huán)，其填料分段高度不宜超過3~4.5m，則可將填料分兩層安裝，其分段高度分別為4.0+3.5=7.5m。</p><p>　　塔頂應該有足夠的高度以使隨氣流攜帶的液滴能夠從氣相中分離出來，減少塔頂出口氣體中液體的夾帶，這段高度一般取1.2~1.5m，在

28、這里取=1.2m；</p><p>　　塔底空間高度，取液體停留時間為1min，所需的液封高度為</p><p>　　此外，塔底液面到填料層底部之間還應留有空間以滿足安裝進氣管的要求，</p><p>　　進氣管的位置應該在填料層以下約一個塔徑的距離，且高于塔底液面300mm以上，則塔底空間高度可取=900mm+300mm+2300mm=3.5m，留有足夠的空間以滿

29、足安裝進氣管的要求。</p><p><b>　　故實際塔高為：</b></p><p><b>　　填料層壓降的計算</b></p><p>　　在?？颂仃P聯(lián)圖上，取橫坐標</p><p>　　當操作氣速為時，鮑爾環(huán)的壓降填料因子為時，</p><p>　　查得每米填料層壓

30、降為</p><p>　　219.81=206.01Pa/（m填料）</p><p>　　全塔壓降為 =Z×206.01=7.5×206.01=1575.08Pa</p><p>　　填料塔的附屬裝置確定</p><p><b>　　填料支承裝置</b></p><p>

31、;　　填料支承結構是用于支承塔內(nèi)及其所持有的氣體和液體的重量之裝置。由于填料塔的直徑D=900mm，而且設計中的液體流量較大，經(jīng)比較，可知柵板式支承板較符合該填料塔的要求。為便于裝卸，柵板可以分為三塊。柵板支承裝置有碳鋼和不銹鋼兩種，由于水吸收SO2所得溶液具有一定的腐蝕性，故應選擇不銹鋼材質的支承裝置，其支承板結構特尺寸等參數(shù)如下表：</p><p>　　其柵板的結構圖如下：</p><p&

32、gt;<b>　　液體噴淋裝置</b></p><p>　　由于處理溶液體積流量為</p><p>　　流量較大，而且填料塔的塔徑為900mm，經(jīng)綜合比較，可知選擇盤式分布器較為合適。盤式分布器結構較簡單，液體通過時的阻力較小，其分布比較均勻，適合直徑800mm以上的塔。</p><p>　　分布盤上開篩孔時，孔數(shù)n、孔徑d0、液體流量L、和盤

33、上液體高度H的關系如下：</p><p>　　其中，，取，取d0=5mm。</p><p><b>　　代數(shù)據(jù)，可以得出</b></p><p>　　即在分布盤上開146個篩孔，盤徑約為0.75D=675mm。</p><p>　　盤式分布器的結構如下：</p><p><b>　　液體

34、再分布器</b></p><p>　　填料塔內(nèi)當液體沿填料層下流時，往往會產(chǎn)生壁流現(xiàn)象，使塔中心填料得不到良好的接觸，減少了氣液接觸的有效面積。為克服這種現(xiàn)象，可在兩段填料之間安裝液體再分布器。由于所設計的填料塔的直徑D=900mm，故應采用槽型再分布器，其結構圖如下：</p><p>　　氣體和液體的進出口裝置</p><p>　　流體的進出口管口直徑

35、設計公式為：</p><p>　　式中 ——流體的體積流量，m3/s；</p><p>　　——適宜流體流速，氣體可取10~20m/s；液體可取0.5~1.5m/s。</p><p>　　在這里，液體取1.5m/s，氣體取20m/s。則有</p><p>　　分別取圓整，得=150mm，dG=225mm由此查表（《化工原理課程設計》化學

36、工業(yè)出版社P353附錄7）可取輸送液體的無縫鋼管直徑為，輸送氣體的無縫鋼管的直徑為。</p><p><b>　　核算流速</b></p><p>　　對于液體，有 ,符合要求。</p><p>　　對于氣體，有 ，符合要求。</p><p>　　3.4.2 氣液進出口裝置</p&

37、gt;<p>　　氣體進口裝置的設計，應能防止淋下的液體進入管內(nèi)，同時還要使氣體分散均勻。因此應該使氣流的出口朝下，使氣流折轉向上。對于直徑在500mm以上1.5m以下的塔，管的末端可制成向下的喇叭形擴大口。</p><p>　　氣體的出口裝置，要求既能保證氣體暢通，又能盡量除去被夾帶的霧沫，可在氣體出口前加裝除沫擋板，當氣體夾帶較多霧滴時，需加裝除沫器。 </p><p>

38、　　液體的進口管直接通向噴淋裝置。此處選用彎管式液體進口裝置。</p><p>　　液體出口裝置的設計應該便于塔內(nèi)液體的排放，防止破碎的瓷環(huán)堵塞出口，并且要保證塔內(nèi)有一定的液封高度，防止氣體短路。</p><p><b>　　3.5 泵的選型</b></p><p>　　3.5.1 管路總長度估算</p><p>　

39、　估算得垂直管路長度L1=13m，水平以及彎管長度L2=2m，L總=15m。</p><p>　　3.5.2 摩擦系數(shù)的確定</p><p>　　由上面3.4.1求得，管路的直徑為d=150mm，管路輸送液體的速度為u=m/s，液體的密度為求管路輸送液體時的雷諾數(shù)為：</p><p>　　查教材《化工原理》（化學工業(yè)出版社）P34表1-1得新的無縫鋼管的絕對粗糙度

40、，則其相對粗糙度為</p><p>　　查莫狄圖得其管路的摩擦系數(shù)約為</p><p>　　輸送吸收劑管路所需壓頭計算</p><p>　　對輸送管路液體進口和液體出口的兩截面列伯努利方程，由3.5.1所得，因為整個輸送管路所用無縫鋼管的管徑都一致，所以可知，由2.4所得，則有其壓頭為</p><p>　　且 &l

41、t;/p><p>　　將所求數(shù)據(jù)代入伯努利方程，有</p><p><b>　　泵功率的計算</b></p><p>　　由3.2計算所得，液體的體積流量為 </p><p><b>　　則泵的軸功率為：</b></p><p>　　查看化學工業(yè)出版社出版的《化工原理》P351附

42、錄二十二之IS型單級吸離心泵規(guī)格（摘錄），可知，在滿足軸功率要求的前提下，轉速n=2900r/min，型號為IS2100-80-125的離心泵流量符合要求，出液口離地面的高度約為13m，此型號的離心泵的揚程H=20m，符合要求。其各項性能參數(shù)如下表</p><p>　　3.6 通風機的選擇</p><p>　　易得空氣入口和出口之間的壓差即為填料層的壓降和阻力損失的總和，且由2.4求得△

43、p =1575.08Pa，則其壓差大約為2000Pa。又因為混合氣體的體積流量</p><p>　　為Vs=2750m3/h。查風機型號參數(shù)，可知型號為Y6-41-11.4.5C較適合。其主要性能參數(shù)如下：</p><p>　　轉速：2925r/min</p><p>　　流量：3600m3/h</p><p>　　全風壓：2204Pa<

44、;/p><p>　　電機功率：4.0kW </p><p>　　3.7 填料卸出口</p><p>　　根據(jù)填料塔的特點，需要有填料卸出口，以便于檢修時將填料卸出。因為塔徑為D=900mm，所以可選擇標準手孔，其值可取d卸料=250，也即DN250。</p><p><b>　　3.8 儀表接口</b></p>

45、;<p>　　填料塔上主要的儀表接口有壓力計接口、分析取樣口和液位計接口等，壓力計接口及分析取樣口可采用DN15~25帶法蘭的接管，并附法蘭蓋；溫度計接口可采用DN32或者DN40帶法蘭的接管，并附法蘭蓋；液位計可按標準查看。</p><p><b>　　3.9 橢圓形封頭</b></p><p>　　取內(nèi)徑為公稱直徑的封頭，其橢圓形封頭的各種參數(shù)標準如

46、下表（摘自《常用化工單元設備設計》P236附表1）：</p><p><b>　　壓力容器法蘭</b></p><p>　　采用甲型平焊法蘭結構，由于該吸收裝置為常壓操作，則可選取PN=0.25MPa下的法蘭標準。則可得其尺寸如下表（摘自華南理工出版社《常用化工單元設備設計》P242附表2）：</p><p><b>　　管法蘭<

47、;/b></p><p>　　管法蘭選取板式平焊鋼制管法蘭（HG20593-97）。分別根據(jù)管徑的不同選用不同公稱直徑的法蘭構件。選取公稱壓力PN0.6MPa下的管法蘭，其所用到的法蘭尺寸參數(shù)摘錄如下：</p><p><b>　　支座的選擇</b></p><p>　　常用的支座的類型有鞍式支座、耳式支座。在這里選用耳式，由于塔徑D=9

48、00mm，筒體的厚度為10mm，故可不要墊板。選用BN型耳式支座，可在《常用化工單元設備設計》P266附表查得其各項參數(shù)如下表：</p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　本次填料塔設備設計中，使用清水對焙燒爐的廢氣所含的SO2進行吸收，由于SO2水溶液本身呈酸性，對填料或者設備具有一定的腐蝕性，所以在這里，填料的選擇需要考慮到這個問題。在相對較

49、合理的塑料和瓷質填料之間，如果填料層過高，瓷環(huán)填料受力過大易碎，塑料填料易變形，所以在這個問題上，需要具體問題具體分析，從而在各方面的綜合中找出最優(yōu)的選擇。由于各方面的知識的缺乏，在設計中，屢屢會出現(xiàn)這樣或那樣的問題。以上的事例說明，在知識面沒有足夠的前提下，我們要學會查閱相關資料，找出在設計中需要用到的數(shù)據(jù)資料，從而對問題進行全面的評價分析，做出最佳的選擇與處理。</p><p>　　在物料衡算和工藝計算中，所

50、用到的公式很多，數(shù)據(jù)也比較龐雜，而且在計算時，數(shù)據(jù)的相關性很大，往往是牽一發(fā)而動全身，有點像骨諾牌效應般，一步錯，步步錯。由此，在數(shù)據(jù)的計算方面，我們應謹小慎微，細心兼且耐心，反復計算，在確定沒有錯誤的前提下再行計算下一步。</p><p>　　由于對畫圖軟件AutoCAD的不熟悉，我們不能不從零基礎一邊學習一邊畫圖，大量時間的投入和不斷重復，錯誤還是難免，充分暴露出自己大一的畫圖基礎并沒有打好，任何問題的解決，

51、離不開各方面知識和能力的支持，在這一刻的感覺特別強烈。雖說填料塔的裝配圖最終得以完成，但已投入較多時間與精力。在講求效率至上的這個年代，無論此時此刻如何的勤勉自覺，都始終不及以前認真負責地打好每一門課程的基礎來得實際。</p><p>　　本次的課程設計歷時兩周，最終得以完成，包括目錄、設計方案、物料衡算、附屬設備選型等等各個部分，歷經(jīng)相對充分的斟酌，在不斷優(yōu)化的情況下，力求做到最優(yōu)且切實可行。任何的化工企業(yè)不會

52、考慮僅在理論領域可行的方案抑或只會燒錢帶來麻煩的化工設備。不同的工業(yè)廢氣所含的有害氣體種類和數(shù)量不同，在針對性地作出最全面的評價之后，如何才能設計出最經(jīng)濟且最有效的吸收方案，這是作為環(huán)境專業(yè)學子的我們所需要考慮的問題。</p><p>　　此次的課程設計讓我收獲了很多。首先，在資料的查找方面，讓我真真正正地體會到了作為一所學校的靈魂，圖書館所具有的魅力。在查閱大量的資料后，也讓我對化工原理這一門基礎課程有了更清晰

53、、更深刻的認識。知識最具魅力的時候，就是在它運用到日常生活實踐活動的時候。在大部分人對自己所學課程的實用性存在懷疑的時候，實踐就是驗證這一門課程所具價值最行之有效的方法。</p><p>　　其次，人不是萬能的，如果僅憑自己一個人的力量，往往事倍功半。在設計中，我們要經(jīng)常跟別人交流，交流彼此之間的經(jīng)驗，成功或者失敗，在此時此刻對大家來說都是一種教訓。團隊合作的力量，往往大于每個人力量的總和，在實踐中，我們應該要有

54、團隊合作的意識，而不應單刀作戰(zhàn)。</p><p>　　化工原理的完成對于我來說具有不一般的意義，衷心感謝孫老師的全程指導以及在課程設計中各位同學的分享與交流。</p><p>　　由于本人的知識面有限，設計中難免會有許多不妥之處，希望老師予以批評指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[

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