填料塔的设计

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前言

世界卫生组织和联合国环境组织发表的一份报告说：“空气污染已成为全世界城市居民生活中一个无法逃避的现实。”如果人类生活在污染十分严重的空气里，那就将在几分钟内全部死亡。工业文明和城市发展，在为人类创造巨大财富的同时，也把数十亿吨计的废气和废物排入大气之中，人类赖以生存的大气圈却成了空中垃圾库和毒气库。因此，大气中的有害气体和污染物达到一定浓度时，就会对人类和环境带来巨大灾难，对有害气体的控制更必不可少。

一．设计任务书

1.设计目的

通过对气态污染物净化系统的工艺设计，初步掌握气态污染物净化系统设计的基本方法。培养学生利用所学理论知识，综合分析问题和解决实际问题的能力、绘图能力、以及正确使用设计手册和相关资料的能力。

2.设计任务

试设计一个填料塔，常压，逆流操作，操作温度为25℃，以清水为吸收剂，

，气体处理量为1500m3/h，其中含氨%（体积分数），吸收脱除混合气体中的NH

3

要求吸收率达到99%，相平衡常数m=。

3.设计内容和要求

1）研究分析资料。

2）净化设备的计算，包括计算吸收塔的物料衡算、吸收塔的工艺尺寸计算、填料层压降的计算及校核计算。

3）附属设备的设计等。

4）编写设计计算书。设计计算书的内容应按要求编写，即包括与设计有关的阐述、说明及计算。要求内容完整，叙述简明，层次清楚，计算过程详细、准确，书写工整，装订成册。设计计算书应包括目录、前言、正文及参考文献等，格式参照学校要求。

5）设计图纸。包括填料塔剖面结构图、工艺流程图。应按比例绘制，标出设备、零部件等编号，并附明细表，即按工程制图要求。图纸幅面、图线等应符合国家标准；图面布置均匀；符合制图规范要求。

6）对设计过程的评述和有关问题的讨论。

二．设计资料

1.工艺流程

采用填料塔设计，填料塔是塔设备的一种。塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。例如应用于气体吸收时，液体由塔的上部通过分布器进入，沿填料表面下降。气体则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上，与液体密切接触而相互作用。结构较简单，检修较方便。广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。

2.进气参数

进气流量: 1500m3/h

进气主要成分：NH

3

空气粘度系数：h m kg s pa V ⋅=⋅⨯=-/065.01081.15μ

298K,下，氨气在空气中的扩散系数D V =s;

298K,下，氨气在水中的扩散系数D L =*10-9m 2/s

25℃时，氨在水中的溶解度为H=m 3kpa

3.吸收液参数

采用清水为吸收液，吸收塔进口液相吸收质浓度为0。

液相密度：3/1000m kg L =ρ

液相粘度：2/1m s mN L ⋅=μ

液膜传质分系数k L =×10-4m/s

4.操作条件

操作温度25°C ,气压1atm

5.填料性能 矩鞍环采用连续挤出的工艺进行加工，与同种材质的拉西环填料相比，矩鞍环具有通量大、压降低、效率高等优点。矩鞍环填料床层具有较大的空隙率。矩鞍环的形状介于环形与鞍形之间，因而兼有两者之优点，这种结构有利于液体分布和增加气体通道。矩鞍环填料分为陶瓷和塑料和金属，现将规格列于下表1，以便于计算需要。

表1.国内矩鞍环填料特性参数

三．设计计算书

1．填料塔主体的计算

图1是稳定操作状态下的逆流接触吸收塔内的物流和组成。

图1 稳定操作状态下的逆流接触吸收塔内的物流和组成

V 、L 分别表示流经塔内任一单位截面的气、液通量，kmol/ )；V 1、V 2分别表示流经塔底和塔顶单位截面上的气体，kmol/ )；L 1、L 2分别表示流经塔底和塔顶单位截面上的液体通量，kmol/ )；y1、y2分别表示流经塔底、塔顶气体中溶质A 的摩尔分率，kmol(A)/kmol(气体 )；x1、x2分别表示流经塔底、塔顶液体中溶质A 的摩尔分率，kmol(A)/kmol(溶液 )。

吸收剂用量的计算

进入吸收塔气体的摩尔体积为：

进塔气体中氨的浓度为：

出塔气体中氨的浓度：

进塔清水的浓度：

假设平衡关系符合亨利定律，则最小气液比为：

则： h kmol L L /825.1018.1min =⨯=

吸收液浓度可依全塔物料衡算求出：

塔径的计算

吸收过程中，混合气体流量随塔减少（因吸收质不断进入液相），故计算塔径时，一般以塔底气量为依据计算。计算塔径关键在于适宜的空塔气速。如何确定适宜的空塔气速，是气液传质设备的流体力学问题。刚出现液泛时的气速，为泛点气速；泛点气速是填料塔操作的极限气速，达到或超过此气速，填料塔即不能正常运行。操作气速或空塔气速均低于泛点气速，对不同填料，有不同参考数据。由资料可知：矩鞍形填料u=（～）uF ，因此需计算泛点气速。

烟气的平均流量：

炉气的质量流量：

烟气的密度：

清水密度：

洗涤水耗用量：

由化工手册查得mm mm mm 8.03038⨯⨯矩鞍环（乱堆）的调料因子,02.821-=m φ水的粘度2/1m s mN L ⋅=μ，干填料因子3εa

为. 查表2的金属环矩鞍的A 值为.

表2. 不同填料的A,K 值

故用经验公式算F u 为：

将数值带入得F u =s 。

求u ：

塔径为：

进行圆整，D=

核算液体喷淋密度：

因填料尺寸小于75mm ，取)/(08.0)(3min h m m L W ⋅=，又由表二查出该填料的比表面积32/112m m =σ。

则： )/(96.811208.02

3min h m m U ⋅=⨯= 操作条件下的喷淋密度U:

计算可知：U>U min ，所用填料符合要求。

圆整塔径后操作气速为： 校核：65.024

.312.2==F u u ，符合u=（～）uF 要求。 816.13038

.05.0>==d D ，所以符合要求。