吸收塔设计(附图).doc

山东理工大学化工原理课程设计

填料吸收塔课程设计说明书

专 业 应用化学
班 级 0704班
姓 名 李海涛
班 级 序 号 3

目录
一 前 言…………………………………………….…………..………2
二 设计任务………………………………….……………………………2
三 设计条件………………………………….….……………. ………… 2
四 设计方案………………………………………………….……………2
1流程图及流程说明
2填料塔的选择
五 工艺计算…………………………………………………...…………5
1物料衡算，确定塔顶，塔底的气、液流量和组成
2泛点的计算
3塔径的计算
4 填料层高度的计算
5 填料层压降的计算
6 液体分布装置
7分布点密度计算
8 液体再分布装置
9气体入塔分布
六 填料吸收塔的附属设备……………………………….……………5
1填料支撑板
2填料压板和床层限制版
七 设计一览表…………………………………………..……. …………6
八 课程设计总结……………………….......……………. ………………6
九 主要符号说明…………………………………………………………6
十 参考文献………………………………...……………………………9
十一 附图………………………………………….......... ……………….13

前 言

塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小结构简单、设备取材面广等。
塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。板式塔的研究起步较早，具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点。
填料塔由填料、塔内件及筒体构成。填料分规整填料和散装填料两大类。塔内件有不同形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置及气体分布装置等。与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等优点。
水吸收NH3填料塔设计

一 设计任务
1000m³∕h含NH3空气填料吸收塔的设计
①1000m³∕h（标准状况下）含5％（体积比）氨气，其他组分视为惰性气体，气体进口温度为40℃，吸收后尾气中氨含量50μg／m³；
②用清水吸收，清水进口温度为35℃；
③操作压力为塔顶表压为0.2atm；
④填料采用乱堆式拉西环
二 吸收工艺流程的确定
采用常规逆流操作流程．流程如下。

三 物料计算
(l). 进塔混合气中各组分的量
近似取塔平均操作压强为101.3kPa，故：
混合气量＝ 1249（）× ＝ 49.42kmol／h
混合气中NH3量＝49.42×0.0213 ＝1.16 kmol／h
＝ 1.16×49.42＝67.28kg／h
查附录，35℃饱和水蒸气压强为5623．4Pa，则相对湿度为70％的混合
气中含水蒸气量＝=0.0404 kmol（水气）/ kmol（空气十丙酮）
混合气中水蒸气含量＝＝1.92kmol／h（《化工单元操作及设备》P189 16-23）
＝1.92×18＝34.56kg／h
混合气中空气量＝49.42－1.16-1.92＝46.34kmol／h
＝46.34×29＝1344kg／h
(2)．混合气进出塔的（物质的量）成
＝0.0234,则
==0.0024
（3）．混合气进出塔（物质的量比）组成
若将空气与水蒸气视为惰气，则
惰气量＝46.34十1.92＝48.26kmol／h
＝1344＋34.56＝1378.56kg／h
Y1==0.024kmol(丙酮)/kmol(惰气)
Y2==0.0024kmol(丙酮)/kmol(惰气)
（4）．出塔混合气量
出塔混合气量=48.26+1.16×0.1=48.376kmol/h
=1378.56+67.28×0.1=1385.3kg/h
四 热量衡算
热量衡算为计算液相温度的变化以判明是否为等温吸收过程。假设丙酮溶于水放出的热量全被水吸收，且忽略气相温度变化及塔的散热损失(塔的保温良好)。
查《化工工艺算图》第一册，常用物料物性数据，得丙酮的微分溶解热(丙酮蒸气冷凝热及对水的溶解热之和)：
=30230＋10467.5=40697.5 kJ／kmol
吸收液(依水计)平均比热容＝75.366 kJ／kmol·℃，通过下式计算

对低组分气体吸收，吸收液浓度很低时，依惰性组分及比摩尔浓度计算较方便，故上式可写为：

依上式，可在x＝0．000~0.009之间，设系列x值，求出相应x浓度下吸收液的温度，计算结果列于表1第l，2列中。由表中数据可见，浓相浓度x变化0.001时，温度升高0.54℃，依此求取平衡线。

表1 各液相浓度下的吸收液温度及相平衡数据
X
t
E
m
Y*×103
0
25
211.5
2.088
0
0.001
25.54
217.6
2.148
2.148
0.002
26.08
223.9
2.210
4.420
0.003
26.62
230.1
2.272
6.816
0.004
27.16
236.9
2.338
9.352
0.005
27.7
243.7
2.406
12.025
0.006
28.24
250.6
2.474
14.844
0.007
28.78
257.7
2.544
17.808
0.008
29.32
264.96
2.616
20.928
0.009
29.86
272.27
2.909
24.192
注：（1）气相浓度相平衡的液相浓度X1＝0.0049，故取＝0.009；
（2）平衡关系符合亨利定律，与液相平衡的气相浓度可用y*＝mX表示；
（3）吸收剂为清水，x＝0，X＝0；
（4）近似计算中也可视为等温吸收。
五 气液平衡曲线
当x＜0.01，t＝15~45℃时，氨气溶于水其亨利常数E可用下式计算：
1gE＝9.171－[2040／(t十273)]
由前设X值求出液温℃，依上式计算相应E值，且m＝，分别将相应E值及相平衡常数m值列于表1中第3、4列。由y*＝mX求取对应m及X时的气相平衡浓度y*，结果列于表1第5列。
根据X—y*数据，绘制X—Y平衡曲线OE如附图所示。
六 吸收剂(水)的用量Ls
由图1查出，当Y1＝0.024时,X1*=0.0089,计算最小吸收剂用量
=48.26×＝117.1 kmol／h（《化工单元操作及设备》P204 16-43a）
取安全系数为1.8，则
Ls＝1.8×117.1＝210.8kmol／h
＝210.8×18＝3794kg/h
七 塔底吸收液浓度X1
依物料衡算式：
()＝（）
=48.26×=0.0049
八 操作线
依操作线方程式
=X+0.0024
Y=4.368X+0.0024
由上式求得操作线绘于附图中。
九 塔径计算
塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气35℃)，101.325kPa，查表1，吸收液27.16℃计

图2 通用压降关联图

算。
u =（0.6~~0.8）（《化工单元操作及设备》P206 16-45）
（1）.采用Eckert通用关联图法(图2)计算泛点气速
①有关数据计算
塔底混合气流量V`S＝1344＋67.28＋34.56＝1446kg／h
吸收液流量L`＝3794＋1.16×0.9×58＝3855kg／h
进塔混合气密度＝×＝1.15kg／ (混合气浓度低，可近似视为空气的密度)
吸收液密度＝996.7kg/
吸收液黏度＝0.8543mPa·s
经比较，选DG50mm塑料鲍尔环(米字筋)。查《化工原理》教材附录可得，其填料因子=120，比表面积A＝106.4
②关联图的横坐标值
()1/2=()1/2 =0.090
③由图2查得纵坐标值为0.13
即0.2=0.2=0.0137=0.13
故液泛气速==3.08m/s
(2)．操作气速
u＝0.7＝0.7×3.08 ＝2.16 m/s
(3).塔径
== 0.453 m=453mm
取塔径为0.5m(＝500mm)
(4)．核算操作气速
U==1.768m/s<
(5)．核算径比
D/d＝500/50＝10，满足鲍尔环的径比要求。
(6)．喷淋密度校核
依Morris等推专，d＜75mm约环形及其它填料的最小润湿速率(MWR)为0.08／(m·h),由式（4-12）：
最小喷淋密度＝0.08×106.4＝8.512 /(m2·h)
因 ＝＝19.7/(m·h)
故满足最小喷淋密度要求。
十 填料层高度计算
计算填料层高度，即
Z＝
(1)．传质单元高度计算
=，其中=|
（《化工单元操作及设备》 P209 16-7）
本设计采用（恩田式）计算填料润湿面积aw作为传质面积a，依改进的恩田式分别计算及，再合并为和。
①列出备关联式中的物性数据
气体性质(以塔底35℃，101.325kPa空气计)：＝1.15 kg/ (前已算出)；＝0.01885× (查附录)；＝1．09×（依翻Gilliland式估算)；
液体性质(以塔底27．16℃水为准)：＝996.7 kg/；＝0.8543×Pa·s；=1.344× (以式计算)(《化学工程手册》 10-89)，式中为溶质在常压沸点下的摩尔体积，为溶剂的分子量，为溶剂的缔合因子。＝71．6×N／m(查化工原理附录)。
气体与液体的质量流速：
LG`==5.5
VG`==2.0
塑料鲍尔环(乱堆)特性：＝50mm＝0.05m;A＝106.4;=40dy/cm=40×10-3 N/m;查《化学工程手册，第12篇，气体吸收》，有关形状系数，=1.45（鲍尔环为开孔环）
②依式

={-1.45（）0.75（）0.1（）-0.05（）0.2}
={-1.45（0.646）（1.51）（1.49）（0.33）}
=（-0.695）=0.501
故==0.501×106.4=53.3
③依式
KL=0.0051()2/3()1/\3()1/3(atdp)0.4
=0.0051()2/3()1/3()1/3(5.32)0.4
=0.0051×24.4×0.0396×0.02033×1.95=1.95×10-4 m/s
④依式
kG= 5.23()0.7()1\3()(atdp)
= 5.23()0.7()1/3()(5.32)
=5.23(125.6)(1.146)(4.529×10-7)(5.32)
=1.814×10-3kmol/(m2·S·kPa)
故=1.61××53.3=1.04×10-2 (m/s)
=1.814×10-3×53.3=9.67×10-2
(2)计算
＝，而，H=（（《化工单元操作及设备》 P189 16-21a）。由于在操作范围内，随液相组成和温度的增加，m (E)亦变，故本设计分为两个液相区间，分别计算(I)和(II)
区间I X＝0．0049~0.002(为(I))
区间II X＝0.002~0 (为(II))
由表1知
＝2．33×kPa , ＝==0.238
=2.18× kPa, ===0.254
=＋＝414.34
==2.41×10-3
=.P=2.41×10-3×101.3=0.244
=＋=389
=2.57×10-3
=0.00257×101.3=0.26
(3)计算
===0.269m
== =0.263m
(4)．传质单元数计算
在上述两个区间内，可将平衡线视为直线，操作线系直线，故采用对数平均推动力法计算。两个区间内对应的X、Y、Y*浓度关系如下：

I
II
X
0.0049~0.002
0.002~0
Y
0.024~0.0111
0.0111~0.0024
Y*
0.01176~0.00442
0.00442~0
NOG=（《化工单元操作及设备》 P209 16-54a）
（《化工单元操作及设备》 P212 16-26）
=0.00916
=1.41m
=0.00419
=2.07m
3．填料层高度z计算
Z＝Z1十Z2＝HOG（I）NOG（I）+ HOG（II）NOG（II）
＝0.269×1.41十0.26×2.07＝0.93m
取25％富余量，则完成本设计任务需Dg50mm塑料鲍尔环的填料层高度z＝1．25×0.93=1.2m。
十一 填料层压降计算
取图2(通用压降关联图)横坐标值0.105(前已算出)；将操作气速(＝1．425m/s) 代替纵坐标中的查表，DG50mm塑料鲍尔环(米字筋)的压降填料因子＝125代替纵坐标中的．则纵标值为：
×()×(0.8543)0.2=0.031
查图2(内插)得
P=24×9.81=235.4Pa/m 填料
全塔填料层压降 =1.2×235.4=282.5Pa
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。关于吸收塔的物料计算总表和塔设备计算总表此处从略。
十二 填料吸收塔的附属设备
1、填料支承板
分为两类：气液逆流通过平板型支承板，板上有筛孔或栅板式;气体喷射型，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷射型支承板。
2、填料压板和床层限制板
在填料顶部设置压板和床层限制板。有栅条式和丝网式。
3、气体进出口装置和排液装置
填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制 成下弯的锥形扩大器。气体出口既要保证气流畅通，又要尽量除去夹带的液  沫。最简单的装置是除沫挡板（折板），或填料式、丝网式除雾器。
液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。
注：(1)本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分布器。
(2)塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。
十三 课程设计总结
1、通过本次课程设计，使我对从填料塔设计方案到填料塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识。它相当于实际填料塔设计工作的模拟。在课程设计过程中，基本能按照规定的程序进行，先针对填料塔的特点和收集、调查有关资料，然后进入草案阶段，其间与指导教师进行几次方案的讨论、修改，再讨论、逐步了解设计填料塔的基本顺序，最后定案。设计方案确定后，又在老师指导下进行扩初详细设计，并计算物料守衡，传质系数，填料层高度，塔高等；最后进行塔附件设计。
2、此次课程设计基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互联系，讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问题。理论的数据计算不难，困难就在于实际选材，附件选择等实际问题。这些方面都应在以后的学习中得以加强与改进。
以上足本次课程设计的指导过程中的心得与体会以及对课程设计完成情况的总结，希望在以后的学习当中能扬长避短，以取得更好的教学效果。
十四 主要符号说明
E—亨利系数， —气体的粘度，
—平衡常数 —水的密度和液体的密度之比
—重力加速度， —分别为气体和液体的密度，
—分别为气体和液体的质量流量，
—气相总体积传质系数，
—填料层高度， —塔截面积，
—气相总传质单元高度， —气相总传质单元数
—以分压差表示推动力的总传质系数，
—单位体积填料的润湿面积
—以分压差表示推动力的气膜传质系数，
—溶解度系数，
—以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，
—气体通过空塔截面的质量流速，
—气体常数， —溶质在气相中的扩散系数，
十五 参考文献
1 王明辉编著 《化工单元过程课程设计》 化学工业出版社 2007.8
2南京工业大学 化工原理精品课程 http://jpkc-
3 时钧、汪国鼎、余国琮、陈敏恒编著 《学工程手册》化化学工业出版社 1996.1
4 冷士良、陆清、宋志轩编著 《化工单元操作及设备》 化学工业出版社 2007.8
6 涂晋林、吴志泉编著 《化工工业中的吸收操作》 华南理工大学出版社 1994.12

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