化工原理填料塔课程设计

化工原理课程设计 设计题目 清水吸收氨气的填料塔装置设 计 专 业 应用化学 学生姓名 学生学号 院 级 班 指导老师 前言 课程设计是比较综合性和实践性较强的教学环节 是理论联系 实际的桥梁 是使学生体察工程实际问题复杂性 学习化工设计基 本知识的初次尝试 通过课程设计 要求学生能综合利用本课程和 前修课程的基本知识 进行融会贯通的独立思考 在规定的时间内 完成指定的化工设计任务 从而得到化工工程设计的初步训练 通 过课程设计 要求学生了解工程设计的基本内容 掌握化工设计的 程序和方法 培养学生分析和解决工程实际问题的能力 同时 通 过课程设计 还可以使学生树立正确的设计思想 培养实事求是 严肃认真 高度责任感的工作作风 课程设计是增强工程观念 培 养提高学生独立工作能力的有益实践 经过学习 我知道 填料塔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 这次课程设计 我把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 目录 第一章 绪论 5 第二章 填料塔的设计内容和设计条件 6 2 1 填料塔的主体结构与特点 6 2 3 填料塔的设计任务 6 2 3 填料塔的设计条件 6 第三章 填料塔的设计方案 7 3 1 吸收剂的选择 7 3 2 装置流程图的确定及流程说明 7 3 3 填料的类型与选择 8 3 3 1 填料种类的选择 8 3 3 2 填料规格的选择 8 3 3 3 填料材质的选择 9 3 3 4 填料尺寸的选择 9 3 4 基础物性数据 9 3 4 1 液相物性数据 9 3 4 2 气相物性数据 10 3 4 3 气液平衡数据 10 第四章 填料塔的工艺计算 10 4 1 物料衡算 确定塔顶 塔底的气液流量和组成 11 4 2 塔径的计算 12 4 3 填料层高度的计算 14 4 4 填料层压降的计算 16 第五章 填料塔内件的类型及设计 17 5 1 塔内件类型 17 5 2 塔内件的设计 17 5 2 1 填料支撑件的设计 17 5 2 2 填料床层压板和限制器的设计 17 5 2 3 液体分布器的设计 18 5 2 4 液体收集再分布器的设计 19 第六章 吸收塔塔体材料的选择 19 6 1 吸收塔塔体材料 19 6 2 吸收塔的内径 19 6 3 壁厚的计算 19 6 4 强度校核 20 第七章 封头的选型依据 材料及尺寸规格 20 7 1 封头的选型 标准的椭圆封头 20 7 2 封头材料的选择 20 7 3 封头的高 20 7 4 封头的壁厚 21 第八章 液体的喷淋装置 21 第九章 除沫装置 22 9 1 设计气速的计算 22 9 2 丝网盘的直径 22 9 3 丝网层厚度 H 的确定 22 第十章 管结构 23 10 1 气体和液体的进出的装置 23 10 2 填料卸出口 23 10 3 塔体各开孔补强设计 23 第十一章 填料塔高度的确定 除去支座 24 11 1 吸收高度 25 11 2 支持圈高度 25 11 3 栅板高度 25 11 4 支持板高度 25 11 5 液体再分布装置高度 25 11 6 液体喷淋装置高度 25 11 7 塔底除雾沫器高度 25 11 8 塔底段高度 25 11 9 封头高度 26 第十二章 塔体总设备总质量 26 12 1 塔体的质量 26 12 2 封头的质量 26 12 3 填料质量 26 12 4 内部结构及其它附件总质量 27 12 5 水压试验的质量 27 第十三章 容器的支座与焊接 27 第十四章 设计一览表 27 第十五章 主要符号说明 28 第十六章 总结 29 第十七章 参考文献 30 第一章 绪论 填料塔属于化工单元操作中蒸馏 精馏 吸收等的过程设备 物料在填 料塔中的传质 分离主要是分散在填料表面进行 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 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 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 规整填料塔的分离性能取决于内件 即填料 分布器 收集器等 同 时也取决于许多参数 如气体负荷 液体负荷 物料性质 操作压力 填料湿 润性能和液体分布不均匀等等 至今不能由填料的几何形状来精确计算塔的分 离性能 需要通过填料塔的理论和不同条件下通过试验塔来测定准确数据 可 根据资料以一级近似程度确定塔的尺寸和需要的填料高度 1 规整填料 2 支撑栅板 3 液体收集器 4 集液环 5 多级槽式液体分布器 6 填料压圈 7 支撑栅板 8 蒸汽入口管 9 塔底 10 至再沸器循环管 11 裙座 12 底座环 第二章 填 料 塔 的 设 计 内 容和 设 计 条 件 2 1填料塔的主体结构与特点 结构 图 1 1 填料塔结构图 填料塔不但结构简单 且流体通过填料层的压降较小 易于用耐腐蚀材料 制造 所以她特别适用于处理量肖 有腐蚀性的物料及要求压降小的场合 液 体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部 并在填料的表面呈膜状流下 气体从 塔底的气体口送入 流过填料的空隙 在填料层中与液体逆流接触进行传质 因气液两相组成沿塔高连续变化 所以填料塔属连续接触式的气液传质设备 2 2填料塔的设计任务 设计任务 完成填料塔的工艺设计与计算 有关附属设备的设计和选型 绘制吸 收系统的工艺流程图和填料塔装置图 编写设计说明书 2 3填料塔的设计条件 设计条件 1 气体混合物成分 空气和氨 2 氨的含量 4 5 体积 3 混合气体流量 4000m3 h 4 操作温度 293K 5 混合气体压力 101 3KPa 6 回收率 99 8 液 体 捕 沫 器填 料 压 板塔 壳填 料填 料 支 承 板液 体 再 分 布 器填 料 压 板填 料 支 承 板气 体气 体液 体 第三章 填料塔的设计方案 填料塔具有结构简单 容易加工 生产能力大 压降小 吸收效果好 操 作弹性大等优点 所以在工业吸收操作中被广泛应用 在这次课程设计中 有 很多操作条件 所以我们需要准确的设计好填料塔的每一部分 3 1吸收剂的选择 因为用水做吸收剂 故采用纯溶剂 如下工业常用吸收剂 溶质 溶剂 溶质 溶剂 氨 水 硫酸 丙酮蒸汽 水 氯化氢 水 二氧化碳 水 碱液 二氧化硫 水 硫化氢 碱液 有机溶剂 苯蒸汽 煤油 洗油 一氧化碳 铜氨液 3 2装置流程图的确定及流程说明 装置流程图的确定 本次设计采用逆流操作 气相自塔低进入由塔顶排出 液相自塔顶进入由 塔底排出 即逆流操作 逆流操作的特点是 传质平均推动力大 传质速率快 分离效率高 吸收 剂利用率高 工业生产中多采用逆流操作 流程说明 该填料塔中 氨气和空气混合后 经由填料塔的下侧进入填料塔中 与从 填料塔顶流下的清水逆流接触 在填料的作用下进行吸收 经吸收后的混合气 体由塔顶排除 吸收了氨气的水 由填料塔的下端流出 如下图所示 3 3填料的类型与选择 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两大 类 填料的选择主要根据以下几个方面来考虑 1 比表面积要大 有较高的传质效率 2 有较大的通量 3 填料层的压降小 4 填料的操作性能好 5 液体的再分布性能要好 6 要有足够的机械强度 7 价格低廉 填料的选取包括确定其种类 规格 及材质等 3 3 1 填料种类的选择 颗粒填料包括拉稀环 鲍尔环 阶梯环等 规整填料主要有波纹填料 格 栅填料 绕卷填料等 本次课程设计采用散装填料 鲍尔环是目前应用较广的 填料之一 本次选用鲍尔环 3 3 2 填料规格的选择 工业塔常用的散装填料主要有 Dn16 Dn25 Dn38 Dn76 等几种规格 同类料 尺寸越小 分离效率越高 但阻力增加 通量减小 填料费用也增加很多 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 常用填料的塔径 与填料公称直径比值 D d 的推荐值列于 如下表 填料种类 D d 的推荐值 拉西环 D d 20 30 鞍环 D d 15 鲍尔环 D d 10 15 阶梯环 D d 8 环矩鞍 D d 8 3 3 3 填料材质的选择 工业上 填料的材质分为陶瓷 金属和塑料三大类 塑料材质主要有聚乙 烯 聚丙烯 聚氯乙烯等 其特点是耐腐蚀性能好 质量轻 价格适中 但耐 温性及湿润性较差 金属材质有碳钢 铝钢和铝合金等 多用于操作温度较高 而无显著腐蚀性的操作 陶瓷材质的材料耐腐蚀性较好 耐湿性强 价格便宜 但易破损 由于聚丙烯填料在低温 低于 0 度 时具有冷脆性 在低于 0 度的 条件下使用要慎重 所以本次课程设计我们选耐低温性能良好的聚氯丙烯填料 综合以上 选择塑料鲍尔环散装填料 Dn50 3 3 4填料尺寸的选择 径比 D d 有一个下限值 一般为 10 若径比低于此下限值时 塔壁附近 的填料层孔隙率大而不均匀 气流易走短路 液体壁流加剧 综上 由于该过程处理量不大 所用的塔直径不会太大 可选用 38mm 聚 丙烯阶梯环塔填料 其主要性能参数如下 比表面积 a 132 5 32 m 空隙率 0 91 填料因子 15 3 4 基础物性数据 3 4 1 液相物性数据 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 1 998 2Kg 3 2 粘度 0 001Pa s 3 6Kg m h 3 72 6dyn cm 940896Kg 2 4 20 H 0 725Kmol kpa 3 3 5 20 7 34 h 3 10 6 2 6 20 0 225c s h 3 2 0 081 2 3 4 2 气相物性数据 1 混合气体的平均摩尔质量为 0 617 340 928 1vmiMy 2 混合气体的平均密度 由 3 28 63149VvmPkgmRT 得 R 8 314 Kakmol 3 混合气体黏度可近似取为空气黏度 查手册得 20 时 空气的黏度C 551 73062810 vpskgh 注 1Pa s 1kg m s2 Nkg 21 PaNs 3 4 3 气液相平衡数据 由手册查得 常压下 20 时 NH 在水中的亨利系数为 E 76 3kpa0C3 在水中的溶解度 H 0 725kmol m032HC时 相平衡常数 0 7532 EmP 溶解度系数 398 2 761 020 LSHEMkmolpa 第四章 填料塔的工艺计算 概述 整个工艺计算过程包括以下几点 1 确定气液平衡关系 若为非等温吸收 各物性参数随组成变化而变化 求取时应取平均值 计算时应注意这一点 2 确定吸收剂用量及操作线方程 3 填料的选择 4 确定塔径及塔的流体力学性能计算 5 填料层高度的计算 6 管路及辅助设备的计算 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 混合气体 的黏度可近似取为空气的黏度 空气和水的物性常数如下 空气 3 5 20 1 065 8mkghmkgsPa 水 sPaL 5 34 9 4 1物料衡算 确定塔顶 塔底的气液流量和组成 查表知 20 下氨在水中的溶解度系数C 725 03kpamkolH 亨利系数 SLME 相平衡常数 754 03102 875 9 PH mSL 进塔气相摩尔比为 4 1 Y 出塔气相摩尔比为 0942 05 98 2 对于纯溶剂吸收过程 进塔液相组成为 清水 2X 混合气体的平均摩尔质量为 46 89 045 1 7045 kmolgM 混合气体流量 382 164 293740 hkmol 惰性气体流量 95 05 8 16 lV 最小液气比 752 0754 0129 2121min XYYL 取实际液气比为最小液气比的 1 5 倍 则可得吸收剂用量为 23 79 89 75 0 hkmolL 04169 5 172 009424 211 LYVX 液气比 682 013 40 9 VL 4 2塔径的计算 混合气体的密度 3 33 18 2915 8046 0mkgRTMPG 采用贝恩 霍根泛点关联式计算泛点速度 smugaaguFLGtFLGtF 942 304 183 5132 98904 481 0 2 9813 183 40279 5 2 l 22 032 42 032 取泛点率为 0 6 即 uF 65 6 smVDS 736 0365 214 304 圆整后取 m80 泛点率校核 su 21 8 075 36 在允许的范围内 94 3 21F 填料规格校核 805 8 d D 液体喷淋密度校核 取最小润湿速率为 3minhLW 2513at 所以 6 10 08 23minmin hmUt min23622 104 8 075 9139 UhDLUh 经以上校核可知 填料塔直径选用 合理 m 4 3填料层高度的计算 填料层高度计算涉及物料横算 传质速率和相平衡关系 对于整个吸收塔 气 液的浓度分布都沿塔高变化 吸收速率在变化 所以要在全塔范围应用吸 收速率关系式 就要采用微分方法 然后积分得到填料层的总高度 选取传质单元数法求解填料层高度 原料气组成中氨气含 4 5 属于低 浓度吸收 查表知 0 101 3 下C kpa 在空气中的扩散系数3NHscmD 17 02 o 由 则 293 101 3 下 在空气中的扩散系2 3 ooTPDG kpa3NH 数为 sc 189 0 739 1022 o 液相扩散系数 mDL 29 液体质量通量为 56 418 075 21922 hkgU 气体质量通量为 79 3422V 00314 46752211 mXY 脱吸因数为 684 05 172 L VS 气相总传质单元数为 425 1 68 00942 71 684 01 684 01 21 LnSYSNOG 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算 5 1exp 2 005 21 075 0 tLLtLtLctw aUgaaUa 查表知 4268 3hkmdync 所以 29 0 5 132940862 1027 985 364 351 97 exp 1 81 075 0 twa 气膜吸收系数可由下式计算 1095 29314 8060532 360189 013 5 065 32794187 4147 317 0kpahmkol RTDaaUVtVvtVG 液膜吸收系数由下式计算 398 0 2 981076 3 018 2963 6 35129 64 5 0 3219231132 LLLwL gDaU 查表得 4 则 ha kpamkolwLG 1935 745 1329 038 2615 04 0 3 1 5 61 Fu 由 得 aua uLFL GFG 5 0 6 21 9 2 4 1 ha kpahmkolLG 1034 895 17 5 061 21 6736592 34 则 8097 403 18725 068 71 13kpahmkolaHaLG 由 mPaV KHGYO 648 0 785 03 18097 492 由 NZOG426 m 5 20 1 设计取填料层高度为 Z1 查表 对于阶梯环填料 hDh6 8ax 将填料层分为两段设置 每段 6m 两段间设置一个液体再分布器 4 4填料层压力降的计算 采用 Eckert 通用关联图计算填料层压降 横坐标为 0235 98 13 1402379 5 05 0 LV 查表得 16 mP 纵坐标为 068 04 12 98381 92 2 02 LVPgu 查图得 mpaZ 6 45 填料层压降为 kpaP86 5132 至此 吸收塔的物科衡算 塔径 填料层高度及填料层压降均已算出 第五章 填料塔内件的类型及设计 5 1塔内件类型 填料塔的内件主要包括填料 填料支撑件 支撑板 支撑栅等 填料层 压环 填料层限位器 液体 气体 分布器 液体收集再分布器 破旋涡器等 合理的选择和设计塔内件 对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重 要 5 2塔内件的设计 5 2 1填料支撑件的设计 填料支撑器对于保证填料塔的操作性能具有重大作用 其作用是用于支撑 塔填料及所特有的气体 液体的质量 同时起着气液流道及气体均布作用 大 体可分为两类 1 平板形支撑板 2 气体喷射型 填料支撑器采用结构简 单 自由截面较大 金属耗用量较小的栅板作为支撑板 为了改善边界状况 可采用大间距的栅条 然后整砌一 二层按正方形排列的瓷质十字环 作为过 渡支撑 以取得较大的孔隙率 由于采用的是 的填料 所以可用m38 的十字环 m75 塔径 设计栅板由两块组成 且需要将其搁置在焊接于塔壁的D80 支持圈或支持块上 分块式栅板 每块宽度为 400mm 每块重量不超过 600N 以便从人孔进行装入 取出 5 2 2填料床层压板和限制器的设计 填料床层压板和限制器的作用是使填料塔在操作中保持填料床层为一恒定 的固定床 从而使塔横截面上填料层的自由截面 空隙率 始终保持均匀一致 保证塔的稳定操作 由于塔径 D 800mm 填料床层压板可以采用分块式栅板 每块宽度为 400mm 每块重量不超过 600N 以便于从人孔中装入 取出 由于塔径 D 800mm 填料床层限制器可选用梁形气体喷射式限制器 采用卡子 K10B K14B JB 1119 1981 5 2 3液体分布器的设计 液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供塔内气液均匀分布的先决条件 也 是使填料塔达到预期分离效果的保证 选型与设计要求 1 液体分布要均匀 2 自由截面率要大 3 操作弹性大 4 不易堵塞 引起雾沫夹带及起泡等 5 可用多种材料制作 且制造安装方便 容易调整水平 液体分布器的选型 液体在塔顶的初始均匀喷淋 是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件 液体分布器的安装位置 须高于填料层表面 200mm 以提供足够的自由空间 让上升气流不受约束地穿过分布器 根据该物系性质 可选用目前应用较为广 泛的多孔型布液器中的排管式喷淋器 多孔型布液器能提供足够均匀的液体分 布和空出足够大的气体通道 自由截面一般在 70 以上 也便于制成分段可拆 结构 液体引入排管喷淋器的方式采用液体由水平主管一侧引入 通过支管上的 小孔向填料层喷淋 由于液体的最大负荷低于 按照设计参考数据可提供良好的 2523hm 液体分布 主管直径 50mm 支管排数 5 排管外缘直径 760mm 最大体积 流量 12 5 hm 3 排管式喷淋器采用塑料制造 分布点密度计算 为了使液体初始分布均匀 原则上应增加单位面积上的喷淋点数 但是 由于结构的限制 不可能将喷淋点设计得很多 根据 Eckert 建议 当 时 每 塔截面设一个喷淋点 则总布液孔数为 mD750 260c8473 108 75 42 n 布液计算 由 HgndLoS 242 得 smsS 72 1 983601 733 取 60 则 m HgnLdSo036 16 08 926 084757124 5 2 4液体收集再分布器的设计 实践表明 当喷淋液体沿填料层向下流动时 不能保持喷淋装置所提供的 原始均匀分布状态 液体有向塔壁流动的趋势 因而导致壁流增加 填料主体 的流量减小 影响了流体沿塔横截面分布的均匀性 降低传质效率 所以 设 置再分布装置是十分重要的 可选用多孔盘式再分布器 分布盘上的孔数按喷 淋点数确定 孔径为 3 6mm 为了防止上一填料层来的液体直接流入升气管 应在升气管上设帽盖 它的设计数据如下 分布盘外径 785mm 升气管数量 6 第六章 吸收塔塔体材料的选择 6 1吸收塔塔体材料 Q235 B 依据 我们的操作压力是 101 3kpa 最大的操作温度为 293k 并且所要分离的 物质是氨和空气 对材料的腐蚀性不大 在满足条件的材料中 Q235 B 的价格 相对便宜 所以选择 Q235 B 6 2吸收塔的内径 D 800mm 6 3壁厚的计算 Q235 B 当 在 3 4mm 的范围内时 操作压力 MPat13 kpaPc3 10 设计压力为 选取双面焊无损检测的比Kpkpapc 4 043 1 例为全部 所以 计算壁厚 取 2121 43 0138 2 CCp Dtid 1C 0 2 1 所以 圆整后取 因为 Q235 B 材料的设备md59 1 0395 mn 最少壁厚为 3mm 即 3in 6 4强度校核 求水压试验时的应力 因为 Q235 B 的屈服极限 所以MPas235 1 Ttp MPas 5 2139 0 eiTtDp 2 8 Cne PaT 79 248 1 0 43 0 9Ts 水压试验满足要求 第七章 封头的选型依据 材料及尺寸规格 7 1封头的选型 标准的椭圆封头 选型依据 从工艺操作 考虑 对封头形状无特殊要求 球冠形封头 平板封头都存 在较大的边缘应力 且采用平板封头厚度较大 故不宜采用 理论上应对各种 凸形封头进行计算 比较后 再确定封头形状 但由定性分析可知 半球形封 头受力最好 壁厚最薄 但深度大 制造较难 中 低压小设备不宜采用 碟 形封头的深度可通过过渡半径 r 加以调节 但由于碟形封头母线曲率不连续 存在局部应力 故受力不如椭圆形封头 标准椭圆形封头制造比较容易 受力 状况比碟形封头好 故可采用标准椭圆形封头 7 2封头材料的选择 封头材料的选择 Q235 B 7 3封头的高 因为长轴 短轴 2 即 所以2 ihDm Dhii204 其中 iD 吸收塔的内径ih 封头的高 直边高度为 25m 查 JB T4337 95 可知 7 4封头的壁厚 计算壁厚 对于标准椭圆封头 K 1 取封头是由整块钢板冲压而成 所以1 59 20143 051328 5 021 CpDtid 圆整后取 mn3 强度校核 校核筒体与封头水压试验强度 根据式 0 92TiespD 式中 8 1 2 0 3 Cne eiTt Dp2 1 5TtP Mas23 MPaT 79 248 12 0 43 0 9Ts 满足条件 且 01 3 Cne mDsiT 2 1 585 所以 e i满足条件 第八章 液体的喷淋装置 喷淋装置的作用是为了能有效的分布液体提高填料表面的有效利用 本设 计考虑到填料塔的直径为 800mm 则选用的是盘式分布器 溢流盘式分布器是目前最广泛应用的分布器 特别适用于大型的填料塔 他的 优点是操作弹性大 不易堵塞 操作可靠 由分布盘和进口管两部分组成 以下是分布盘结构参考数据 塔径 D 分布盘直径 D2 分布盘厚度 缓冲管尺寸 700mm 560mm 800mm 640mm 900mm 740mm 4 6 108 4mm 本设计取填料塔 D 800mm 分布盘的直径为 640mm 分布盘的厚度为 5mm 以下分布盘边缘锯齿的结构 名称 齿高 齿宽 齿距 板厚 数值 10 20 10 20 10 20 30 第九章 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 本设计 采用丝网除雾器 丝网除雾器是一种分离效率较高阻力较小 重量较轻 所占 空间不大的除雾器 可除去含有大于 5um 的雾滴 效率可达到 98 99 压力 降不超过 250Pa 丝网除雾器的设计计算如下 9 1设计气速的计算 气体通过除雾器的速度是影响除雾器取得高效率的重要因素 设计气速可 通过下式求取 LGuK 式中 u 气速 m s K 系数 可去 0 08 0 11 密度 kg m3 9 2丝网盘的直径 丝网盘的直径取决于气体的处理量 可按下式计算 mu VD736 0365 214 30 式中 气体处理量 圆整到 0 8mV ms 9 3丝网层厚度 H的确定 对于金属丝网 当丝网直径为 0 076 0 4mm 时 在适宜气速下 丝网层的 厚度取为 100 150mm 时 就能把气体中的绝大部分雾滴分离下来 当合成纤维 丝网直径为 0 005 0 03mm 时 丝网厚度一般取 H 150mm 则 H1 226mm 第十章 管结构 10 1气体和液体的进出的装置 流体的进出口结构设计 首先要确定的是管道口径 根据管口所输气体 或液体的流量大小 由下式计算管口的直径 4SVdu 气体进出口装置 气体进口装置的设计 应能防止淋下的液体进入管内 同时要使气体分 散均匀 因此 不宜使气体直接由接管口或水平管冲入塔内 而应使气体的出 口朝向下方 使气流折转向上 工业上 一般气体进料流速为 10 20m s 厚度为 8mm 所以取外径为 0 325m mu VDSi 3096154 3 液体进出口装置 工业上 一般液体进料流速为 0 5 1 5m s 厚度为 4mm 所以取外径 45mm mu VDSi 0 3760 14 38 液体出口装置的设计应便于塔内液体的排放 防止破碎的环塞住出口 并 且要保证塔内有一定的液封高度 防止气体断路 本设计选用的是弯管式液体 的出口装置 10 2填料卸出口 根据填料塔的特点 需要有填料卸出口 以便于检修时将填料卸出 填料 卸出口的结构与人孔或手孔类似 10 3塔体各开孔补强设计 1 开孔补强设计方法 a 适用的开孔范围 圆筒当内径 150iDm 时 开孔最大直径 2 iDd 且 50dm 凸形 封头的开孔最大直径 2 id b 内压容器开孔所需补强的面积 内压容器的圆筒 椭圆形封头开孔够所需的补强面积为 21etrAdf 2m 式中 开孔直径 圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量 mm 壳体开孔处的计算厚度 et 接管有效厚度rf 强度削弱系数 等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之 比值 当该比值大于 1 0 时 取 1 0rf c 壳体开孔所需补强面积 壳体开孔处的计算壁厚按以下公式计算 圆筒 2 itpD 椭圆形封头 0 5 iitKp 2 开孔补强结构 a 补强形式 采用外加强接管 依据 外加强接管结构简单 加工方便 又能满足补强要求 特别适用于中低压 容器的开孔补强 b 补强结构 采用整段件补强 依据 这种结构是将接管与壳体连同加强部分作成整体锻件 然后与壳体焊在一 起 其优点是补强金属集中于开孔应力最大部分 应力集中现象得到大大缓和 第十一章 填料塔高度的确定 除去支座 首先对塔体的尺寸的设计 塔体总有效高度 不包括裙座 由下列关系计 算 塔高 H 吸收段高度 支持圈高度 栅板高度 支1H2H3H 持板高度 液体再分布装置高度 液体喷淋装置高度 塔底4 5 6 除雾沫器高度 塔底段高度 封头尺寸 其他附属高度 78910 11 1吸收高度 通过化工原理相应知识的运用计算得 吸收段的高度为 12m 同时将填1H 料吸收段划分为三段 11 2支持圈高度 支持圈采用圆环式支持圈 支持圈厚度应当考虑在塔高之中 以保证填料 段的吸收效果 本设计中选用厚度为 10mm 的支持圈 11 3栅板高度 本设计选用栅板式支撑板 栅板式的支撑结构较为常用 由竖立的扁钢制 成 栅板可以制成整块式或分块式的 针对于本设计中塔径为 700mm 所以将 栅板设定为整块 栅板的运用起到了对吸收过程中 吸收效果的恒定和维持的 重要作用 本设计中选用厚度为 10mm 的栅板 11 4支持板高度 支持板对于支撑支持圈 同时为支撑填料起着至关重要的作用 本设计中 选用支持板上段高度为 10mm 的支持板 11 5液体再分布装置高度 填料塔内当液体沿填料层下流时 往往会产生壁流现象 使塔中心填料得 不到良好的润湿 减少了气液接触的有效面积 为了克服这种现象 当填料层 过高时 应将填料层分段装填 并在塔内每两段填料之间安装液体再分布装置 是液体重新分布 本次设计使用分配锥形再分布器 高度为 80mm 11 6液体喷淋装置高度 液体喷淋装置的作用是为了能有效地分布液体 提高填料表面的有效利用 率 液体喷淋装置的安装位置 通常需高于填料层表面 150 300mm 本设计取 250mm 提高足够的自由空间 让上升气流不受约束地穿过喷淋器 11 7塔底除雾沫器高度 对于金属丝网 当丝网直径为 0 076 0 4mm 时 在适宜气速下 丝网层的 厚度取为 100 150mm 时 就能把气体中的绝大部分雾滴分离下来 当合成纤维 丝网直径为 0 005 0 03mm 时 丝网厚度一般取 H 150mm 则 H1 226mm 11 8塔底段高度 塔底空间高度具有中间贮槽的作用 塔釜料液最好能在塔底有 5 8 分钟的 储量 以保证塔底料液不致排完 本设计选用 8 分钟的储存时间则高度为 塔底空间高度一般取 1 0 1 5m 本设计去 1 2m 加之塔底液体的储备高度 则塔底段高度取 2 544m 11 9封头高度 本设计中选用椭圆封头 根据填料塔的筒体尺寸为 800m 则椭圆的深度取 为 200mm 直边高度 25mm 其他附属高度 3 77m 综上所述的介绍 则填料的总高度取为 19 83m 第十二章 塔体总设备总质量 塔设备的总质量 54321mmM 式中 M 代表塔设备得总质量 kg 代表塔体的质量 kg 1 代表封头的质量 kg 2 代表填料的质量 kg 3m 代表内部结构及其它附件总质量 4 12 1塔体的质量 DN 800mm 直边高度 的椭圆形封头 其每米质量为 79kg 则179158mqLkg 12 2封头的质量 因为填料塔的 DN 800mm 直边高度为 25mm 其质量为 23 9qkg 则 223 947 8mqkg 12 3填料质量 填料堆积密度 填料高度为 h 12m 3 8 76mkgp 则 kgVmp 49 5 0412 23 12 4内部结构及其它附件总质量 m5 600kg 12 5水压试验的质量 kg109 4 37 2985 则塔的大体质量约为 kgmmM29 3754321 第十三章 容器的支座与焊接 本设计选用裙式支座 也称裙座 裙座设计主要包括裙座圈 基础环厚度 的确定 地脚螺栓个数 公称直径的确定及螺栓座几何尺寸的确定等 1 裙座常用材料为 Q235 B 的圆筒形裙座和圆锥形裙座 本次设计采用圆 筒形 群座的上端与塔体的底封头焊接 下端与基础环 筋板焊接 距地面一 定高度处出料孔 裙座体上放开直径为 50mm 的排气孔 在底部开设排液孔 以 便液体随时排出液体 由于本次设计的裙座直径为 800mm 所以无需开人孔 只 需开两个手孔 工业上裙座的高度一般取 3 5m 本次设计选用 4m 的裙座 材料为 Q235 B DN 800mm 厚度为 8mm 的裙座 本次设计地脚螺栓选择螺栓圆直径为 60 寸 螺栓数为 12 个 2 裙座体与塔体的焊接形式有搭接焊缝与对接焊缝 本次设计采用对接焊 缝 要求裙座与塔体直径相等 两者对接在一起 两边焊 可承受较大的轴向 载荷 3 封头与塔体的焊接形式为对接焊 4 手孔与塔体的连接方式为角焊缝连接 第十四章 设计一览表 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 4000m 3 h 工艺参数 名称 物料名称 清水 氨气 操作压力 kPa 101 3 101 3 操作温度 20 20 流速 m s 液体密度 kg m3 998 2 0 991 流量 kg h 塔径 mm 800 填料层高度 mm 12000 压降 KPa 5 86 操作液气比 0 682 分布点数 84 黏度 kg m h 3 6 0 065 表面张力 kg h 940896 第十五章 主要符号说明 a 填料的有效比表面积 m 3 at 填料的总比表面积 m 3 aw 填料的润湿比表面积 m 3 d 填料直径 m d0 筛孔直径 m D 塔径 m DL 液体扩散系数 m 2 s DV 气体扩散系数 m 2 s E 亨利系数 kPa h 填料层分段高度 m H 开孔上方的液位高度 m H 溶解度系数 kmol m 3 kPa HOG 气相总传质单元高度 m N OG 气相总传质单元数 kG 气膜吸收系数 kmol m 2 h kPa k L 液膜吸收系数 m h K 稳定系数 无因次 M ave 混合气体的平均摩尔质量 kmol kg Lh 液体体积流量 m 3 h Ls 液体体积流量 m 2 h Lw 润湿速率 m 3 m h 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 Pa P 压力降 Pa u 空塔气速 m s u F 泛点气速 m s U 液体喷淋密度 m 3 m 2 h U L 液体质量通量 m 2 h Umin 最小液体喷淋密度 m 3 m 2 h U v 气体质量通量 m 2 h Vh 气体体积流量 m 3 h wL 液体质量流量 h wV 气体质量流量 h X 液相摩尔比 y 气相摩尔分数 Y 气体摩尔比 Z 填料层高度 m V 惰性气相流量 kmol h S 吸脱因数 R 通用气体常数 8 314 m 3kPa kmol K T 温度 K T 标准状况下温度 K 塔的截面积 m 2 P 压降填料因子 m 1 L 液体的粘度 kg m h V 混合气体的粘度 kg m h ave 混合气体的平均密度 kg m 3 L 液体的密度 kg m 3 L 液体的表面张力 c 填料材质的临界表面张力 h2 1dyn cm 12960 h 2 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 avg 平均 第十六章 总结 这次我的课程设计题目是水吸收氨过程填料塔的设计 这是关于吸收中填 料塔的设计 填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备 填料塔的结构较简单 压降低 填料易用耐腐蚀材料制造等优点 本设计中 开始的时候我打算采用 Eckert 通用关联图计算泛点气速 但是我发现用查图的 方法误差很大 同时参考了其他的一些资料上的算法发现也有用贝恩 Bain 霍根关联式计算泛点气速的 所以最后采用了关联式来计算泛点速度 在填 料的选择中 我几乎是用排除法来选择的 后来认为 DN38 计算得的结果比比较 好 虽然在同类填料中 尺寸越小的 分离效率越高 但它的阻力将增加 通 量减小 填料费用也增加很多 用 DN38 计算所得的 D d 值也符合阶梯环的推荐 值 解决了上面的问题之后就是通过查找手册之类的书籍来确定辅助设备的选 型 我选择栅板支承装置作为填料支撑 本设计我们所设计的填料塔产能大 分离效率高 持液量小 填料塔结构 较为简单 造价适合 不过 它的操作范围小 填料润湿效果差 当液体负荷 过重时 易产生液泛 不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料等 课程设计是我们在校大学生必须经过的一个过程 通过课程设计的锻炼 可以 为我们即将来的毕业设计打下坚实的基础 通过这次课程设计 确定了填料塔的主体尺寸为塔径 800mm 填料塔总高 1200mm 同时完成了设计任务 达到了设计要求 第十七章 参考文献 1 朱有庭 曲文海 于浦义 化工设备设计手册 上下卷 化学工业出版社 2 中国石化集团上海工程有限公司 化工工艺设计手册 上下册 化学工业出 版社 3 蔡诚敬 王军 陈常贵 郭翠梨 化工原理课程学习指导 天津大学出版社 4 匡国柱 史启才 化工单元过程及设备课程设计 化学工业出版社 5 路秀林 王者相等编 塔设备 化学工业出版社 6 柴诚敬 化工 上 下册 北京 高等教育出版社 2006 7 夏青 陈常贵等 化工原理 下册 修订版 天津 天津出版社 2005 8 谭蔚 化工设备设计基础 天津大学出版社