【正文】 布。填料內(nèi)氣、液兩相呈逆 流流動(dòng)，相際間的傳質(zhì)通常是在填料表面的液體與其相距的界面上進(jìn)行，兩項(xiàng)的 組成沿塔高連續(xù)變化 [1]。通過(guò)填料材質(zhì)的選擇，可處理腐蝕性材料。但是，液體捕沫器填料壓板塔殼填料填料支承板液體再分布器填料壓板填料支承板氣體氣體液體填料塔的造價(jià)通常高于板式塔，對(duì)于含有懸浮液的料液，易于聚合的物系則不能適用，而且對(duì)于有側(cè)線出料的場(chǎng)合等也不大適宜。 設(shè)計(jì)步驟：（ 1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計(jì)方案 。 填料塔的設(shè)計(jì)條件及操作條件 1. 氣體混合物成分：空氣和氨 2. 空氣中氨的含量 : % （體積含量即為摩爾含量） 3. 混合氣體流量 5800m3/h 4. 操作溫度 298K 5. 混合氣體壓力 6. 回收率 98 % 7. 采用清水為吸收劑 8. 填料類型：采用聚丙烯鮑爾環(huán)填料 第二章 填料塔主體設(shè)計(jì)方案的確定 裝置流程的確定 本次設(shè)計(jì)采用逆流操作：氣相自塔低進(jìn)入由塔頂排出 ，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出，即逆流操作 [2]。 該填料塔中，氨氣和空氣混合氣體，經(jīng)由填料塔的下側(cè)進(jìn)入填料塔中，與從填料塔頂流下的水逆流接觸，在填料的作用下進(jìn)行吸收。 逆流操作的特點(diǎn)是：傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。 吸收劑的選擇 吸收過(guò)程是依靠氣體溶質(zhì)在吸收劑中的溶解來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，吸收劑性能的優(yōu)劣，是決定吸收操作效果的關(guān)鍵之一 . 吸收劑對(duì)溶質(zhì)的組分要有良好地吸收能力，而對(duì)混合氣體中的其他組分不吸收，且揮發(fā)度要低。水廉價(jià)易得，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，選擇性好，符合吸收過(guò)程對(duì)吸收劑的基本要求。 21 工業(yè)常用吸收劑 溶質(zhì) 溶劑 溶質(zhì) 溶劑 氨 水、硫酸 丙酮蒸汽 水 氯化氫 水 二氧化碳 水、 堿液 二氧化硫 水 硫化氫 堿液、有機(jī)溶劑 苯蒸汽 煤油、洗油 一氧化碳 銅氨液 填料的類型與選擇 填料性能評(píng)價(jià) 填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求 [3]，通常考慮一下幾個(gè)方面 : (1)傳質(zhì)效率 傳質(zhì)效率即分離效率，它有兩種表的方法：一是以理論級(jí)進(jìn)行計(jì)算的表示方法，以每個(gè)理論級(jí)當(dāng)量的填料層高度表示，即 HETP 值；另一方面是以傳質(zhì)速率進(jìn)行計(jì)算的表示方法，以每個(gè)傳質(zhì)單元相當(dāng)高度表示，即 HTU 值。對(duì)于常用的 工業(yè)填料，其 HEYP(或 HTU 值 )可由有關(guān)手冊(cè)或文獻(xiàn)中查到，也可以通過(guò)一些經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算。因此在選擇填料種類時(shí)，在保證具有較高傳質(zhì)效率的前提下，應(yīng)選擇具有較高泛點(diǎn)氣速或氣相動(dòng)能因子的填料。 (3)填料層的壓降 填料層的壓降是填料的主要應(yīng)用性能，填料層的壓降越低，動(dòng)力消耗越低，操作費(fèi)用越小。比較填料的壓降 (4)填料的操作性能。所選填料應(yīng)具有較大的操作彈性，以保證塔內(nèi)氣、液負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)維持操作穩(wěn)定。 此外，所選的填料要便于安裝、拆卸和檢修。 散裝填料 散裝填料是一個(gè)個(gè)具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?，F(xiàn)介紹幾種典型的散裝填料。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。 (2)鮑爾環(huán)填料。其結(jié)構(gòu)為在拉西環(huán)的側(cè)壁上開(kāi)出兩排長(zhǎng)方形的窗孔，被切開(kāi)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，形成內(nèi)伸的舌葉，諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭，可用陶瓷、塑料、金屬等材質(zhì)制造。與拉西環(huán)相比，其通量可增加 50%左右。 (3)階梯環(huán)填料。由于高徑比減少，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(guò)填料層的阻力。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。弧鞍填料屬鞍形填料的一種，其形狀如同馬鞍，一般采用瓷質(zhì)材料制成。其缺點(diǎn)是易發(fā)生套疊，致使一部分填料表面被重合，使傳質(zhì)效率降低。 (5)矩鞍填料。矩鞍填料堆積時(shí)不會(huì)套疊，液體分布較均勻。目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)應(yīng)用瓷拉西環(huán)的場(chǎng)合，均已被矩鞍填料所取代。環(huán)矩鞍填料是兼顧環(huán)形和鞍形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)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。下圖為幾種實(shí)體填料： 拉西環(huán) 鮑爾環(huán) 階梯環(huán) 弧鞍形填料 矩鞍形填料 圖 幾種實(shí)體填料 規(guī)整填料 規(guī)整填料是按一定的幾何圖形排列，整齊堆砌的填料。工業(yè)上應(yīng)用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填料。 金屬絲網(wǎng)波紋填料是網(wǎng)波紋填料的主要形式，是由金屬絲網(wǎng)制成的。盡管其造價(jià)高，但因性能優(yōu)良仍得到廣泛使用。該填料的波紋板片上沖壓有許多mmmm 6~4 ?? 的小孔，可起到粗分配板片上的液體，加強(qiáng)橫向混和作用。金屬孔板波紋填料強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，特別適用于大氣直徑塔及氣、液負(fù)荷較大的場(chǎng)合。其缺點(diǎn)是不適用于處理黏度大、易聚合或有懸浮物的材料，且裝卸、清理困難，造價(jià)高。 鮑爾環(huán)是目前應(yīng)用較廣的填料之一，本次選用鮑爾環(huán) 。 工業(yè)塔常用的散裝填料主要有 Dn16\Dn25\Dn38\ Dn76等幾種規(guī)格。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會(huì)產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低。 常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值 D/d 的推薦值列 于。 表 國(guó)內(nèi) 鮑爾 環(huán)特性數(shù)據(jù) 材質(zhì) 外徑 d， mm 外徑 高 厚 d H δ 比表面積 at， m2/m3 空隙率 ε， m3/m3 個(gè)數(shù) n，個(gè) /m3 堆積密度 ρ p， kg/m3 干填料因子 at/ε 3， m1 塑 料 25 38 50 76 25 25 38 38 50 50 76 76 213 151 100 72 483002015800 6300 1830 85 82 76 73 285 200 130 92 填料材質(zhì)的選擇 [5] 工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類 (1)陶瓷填料。 陶瓷填料因其質(zhì)脆、易碎，不易在高沖擊強(qiáng)度下使用。 (2)金屬填料。碳鋼填料造價(jià)低，且具有良好的表面濕潤(rùn)性能，對(duì)于無(wú)腐蝕或低腐蝕性物系應(yīng)優(yōu)先考慮使用；不銹鋼填料耐腐蝕性強(qiáng)，一般能耐 cl ? 以外常見(jiàn)物系的腐蝕，但其造價(jià)較高；鈦材、特種合金鋼等材質(zhì)制成 的填料造價(jià)級(jí)高，一般只在某些腐蝕性極強(qiáng)的物系下使用。 (3)塑料填料。塑料填料的耐腐蝕性能較好，可耐一般的無(wú)機(jī)酸、堿和有機(jī)溶劑的腐蝕。聚丙烯填料在低溫（低于 0℃）時(shí)具有冷脆性，在低于 0℃的條件下使 用要謹(jǐn)慎，可選用耐低溫性能好的聚氯乙烯填料。塑料填料的缺點(diǎn)是表面潤(rùn)濕性能較差，在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，需要對(duì)其表面進(jìn)行處理，以提高表面潤(rùn)濕性能。 聚丙烯填料在低溫（低于 0度）時(shí)具有冷脆性，在低于 0度的條件下使用要慎重，可選耐低溫性能良好的聚氯乙烯填料。由手冊(cè)查得 20 ℃ 水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 1. /l kg m? ? 2. 0. 00 1 . 3. 6 / .l pa s k g m h? ??黏 度 ： 3. 表面張力為 : 27 2 .6 / 9 4 0 8 9 6 /z d yn cm kg h? 4. 332 0 : 0 . 7 2 5 /C N H H km o l m kp a? ? ? 5. 6232 0 : 7 .3 4 1 0 /lC N H D m h?? ? ? 6. 2232 0 : 0 . 2 2 5 / 0 . 0 8 1 /vC N H D c m s m h? ?? 氣相物性數(shù)據(jù) 1. 混合氣體的平均摩爾質(zhì) 量為 0 .0 4 1 7 0 .9 6 2 9 2 8 .5 2v m i iM y m? ? ? ? ? ? ? (21) 2. 混合氣體的平均密度 由31 0 1 . 3 2 8 . 5 2 1 . 1 8 68 . 3 1 4 2 9 3VMvm PM kg mRT? ?? ? ?? (22) R= 3 /m KPa kmol K?? 3. 混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。即： 12m in 12/YYLV Y m X??? ??? ??? (28) 因?yàn)槭羌內(nèi)軇┪者^(guò)程，進(jìn)塔液相組成 2 0X? 所以 121m i n 20 . 0 4 1 7 0 . 0 0 0 8 3 4 0 . 7 3 80 . 0 4 1 70 . 7 5 3YYL YVXm? ??? ? ? ????? ? 選擇操作液氣比為m in1 .7 1 .2 5 4 6LLVV???????? （ 29） L==因?yàn)?V(Y1Y2)=L(X1X2) X1= V—— 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)吸收塔的惰性氣體量， kmol/s。 Y Y2—— 分別為進(jìn)塔及出塔氣體中溶質(zhì)組分的摩爾比， koml/koml。 第三 章 填料塔工藝尺寸的計(jì)算 填料塔工藝尺寸的計(jì)算包括塔徑的計(jì)算、填料能高度的計(jì)算及分段 塔徑的計(jì)算 1. 空塔氣速的確定 —— 泛點(diǎn)氣速法 對(duì)于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值 u/uf =~ 貝恩（ Bain） — 霍根（ Hougen）關(guān)聯(lián)式 [6]，即： 2 213lg VF LLuag ? ?????????????????????=AK 14 18VLVLww ?????????????? （ 31） 氣體質(zhì)量流量： h/ 8 7 81 8 8 0 0 ???VW 液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算，即： hkgW L / 2 3 9 0 ??? 填料總比表面積： 32 /100 mmat ? 水的黏度 smPaL ?? ? ρ V,ρ L—— 氣相、液相密度， 分別為 kg/m3 、 ； A,K—— 關(guān)聯(lián)常數(shù)。 g —— 重力加速度， 23t m / m? ?? 填 料 總 比 表 面 積 ， 33m / m? ?? 填 料 層 空 隙 率 μ L—— 液體粘度， mPa 取 泛點(diǎn)率為 u= Fu =4 4 5 8 0 0 0 . 7 9 03 . 1 4 3 . 2 6 3 6 0 0VsD ?? ?? ? ??? （ 32） D—— 塔徑， m； V—— 操作條件下混合氣體的體積流量， m3/s 。 (2) 最小潤(rùn)濕速率是指在塔的截面上，單位長(zhǎng)度的填料周邊的最小液體體積流 量 。 ? ? 32m i n m i n 0 . 0 8 1 0 0 8 /wtU L m m h?? ? ? ? ? （ 33） 225 2 3 0 . 2 6 1 0 . 4 3 8 m i n0