化工原理课程设计--吸收塔.doc

目录
引言 1
1.流程的说明 2
2.吸收塔工艺计算 4
2.1基础物性数据 4
2.1.1 液相物性数据 4
.2.1.2气相物性数据 4
2.2物料衡算 4
2.3填料塔的工艺尺寸计算 5
2.3.1塔径计算 5
2.3.2传质单元高度的计算 7
2.3.3 传质单元数的计算 7
2.3.4填料层高度的计算 8
2.4塔附属高度的计算 9
2.5填料层压降的计算 9
2.6其他附属塔内件的选择 10
2.6.1液体分布器的选择： 10
2.6.2布液计算 11
2.6.3液体再分布器的选择 12
2.6.4填料支承装置的选择 12
2.6.5填料压紧装置 12
2.6.6塔顶除雾器 13
2.7吸收塔的流体力学参数计算 13
2.7.1 吸收塔的压力降 13
2.7.2 吸收塔的泛点率校核 13
2.7.3 气体动能因子 13
3.1吸收塔主要接管的尺寸计算 13
3.2离心泵的计算与选择 14
3.3风机的选取 15
4.总结 16
附录一 吸收塔设计计算用量符号总表 17
参考文献 19

19

引言
气体吸收过程是利用混合气体中，根据各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，使其在气液两相接触是发生传质，实现气液混合物的分离。在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离，其目的是：①回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取有利有价值的产品；②除去混合气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理；或除去工业放空尾气中的有害物质，以免污染大气。运用填料塔吸收有害气体是减少大气污染的有效方法之一
实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。
气体混合物的分离，总是根据混合物中各组分间某种物理和化学性质的差异而进行的。根据不同性质上的差异，可以开发出不同的分离方法。吸收操作仅为其中之一，它利用混合物中各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触时发生传质，实现气液混合物的分离。
一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。在化工生产过程中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体，保护环境等方面都要用到气体吸收过程。填料塔作为主要设备之一，越来越受到青睐而且与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：（1）生产能力大；（2）分离效率高；（3）压降小；（4）操作弹性大；（5）持液量小。，填料塔还具有结构简单、压降低、填料医用服饰材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。二氧化硫填料吸收塔，以水为溶剂，经济合理，净化度高，污染小。此外，由于水和二氧化硫反应生成硫酸，有很大的利用。

1.流程的说明
工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同的角度进行分类，从所用的吸收剂的种类看，有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两部吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程很多塔吸收流程，从塔内气液两相得流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程。吸收用塔设备的要求，是用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，便于安装、操作和维修等。
但是吸收过程，一般具有液气比大的特点，因而更适用填料塔。其优点是：填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能。所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。填料塔的工艺设计内容是在明确了装置的处理量，操作温度及操作压力及相应的相平衡关系的条件下，完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内件设计
1填料塔的选择
单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程，如过程无特别需要，则一般采用单塔吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程（通常是双塔吸收流程）
2逆流吸收与并流吸收
吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质推动力大，分离效率高（具有多个理论级的分离能力）的显着优点而 广泛应用。工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。
本设计采用单塔逆流操作。
3.填料的选择
1.散堆填料 目前散堆填料主要有环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料。所用的材质有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金属等
（1）拉西环填料拉西环填料于1914年由拉西（F. Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环，如图片拉西环所示。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。
（2） 鲍尔环填料如图片鲍耳环所示，鲍尔环是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。
（3） 阶梯环(Stairs wreath)填料如图片阶梯环所示，填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45°的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。
（4） 矩鞍填料如图片矩鞍填料所示，将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。
（5） 金属环矩鞍填料如图片金属换环聚鞍填料所示，环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。
填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价本设计选用瓷质鲍尔环。

填料采用乱堆形式，因为乱堆形式能使气液相对充分接触，而且填料时省时省工。
4．液体分布器的选择
根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应应依所用填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越所需的喷淋点密度越大这一规律。
5液体再分布器的选择
升气管式再分布器适用于直径0.6m以上的塔，而且可以分段卸下填料，更换填料方便，所以本设计选用升气管式再分布器。

2.吸收塔工艺计算
2.1基础物性数据
2.1.1 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水的物性数据。由手册查得，20℃时水的有关物性数据如下：
密度
黏度
表面张力为
SO2在水中的扩散系数为

.2.1.2气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为:

混合气体的密度为：
混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查资料得20℃空气的黏度为：

查得SO2在空气中的扩散系数为：

2.2物料衡算
进口气体的体积流量：
二氧化硫的摩尔分数为：
进塔气相摩尔比为:
效率:
出塔气相摩尔比 ：
进塔惰性气相流量 ：

出口液体中溶质与溶剂的摩尔比 ： X2=0
查表知20℃时
最小液气比：
取液气比 ：
故

2.3填料塔的工艺尺寸计算
2.3.1塔径计算
该流程的操作压力及温度适中，避免二氧化硫腐蚀，故此选用型的陶瓷鲍尔环填料。
其主要性能参数为：
比表面积：
空隙率：
形状修正系数：
填料因子平均值：
吸收液的密度近似看成20度水的密度：

采用Eckert关联式计算泛点气速：
气相质量流量为：

液相质量流量为：

选用型的陶瓷鲍尔环 填料因子
比表面积

查乱堆填料泛点线图知：
代入数值得：
取空塔气速：
塔径
圆整塔径，取

(50%-80%为经验值，所以在允许范围之内)
(合格)
液体喷淋密度校核：
填料表面的润湿状况是传质的基础，为保持良好的传质性能，每种填料应维持一定的液体润湿速率（或喷淋密度）。
依Morris等推荐，的环形及其它填料的最小润湿速率（）min为
最小喷淋密度 ：
喷淋密度：

经以上校核可知，填料塔直径选用合理。
2.3.2传质单元高度的计算

2.3.3 传质单元数的计算

液体质量通量：

气体质量通量：

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：
气膜吸收系数：
液膜吸收系数：
查表知：

继续修正：

2.3.4填料层高度的计算
由
填料有效高度取：
设计取填料层高度为 ：
对于乱堆鲍尔环 ： ,
取
计算得填料层高度为6.1m需要分层

2.4塔附属高度的计算
塔的附属高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，塔的底部空间高度等。
塔的上部空间高度是为使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来而留取的高度，可取1.0m（包括除沫器高度）。设塔定液相停留时间为40s，则塔釜液所占空间高度为

考虑到气相接管的空间高度，底部空间高度取为1.1米，升气管式再分布器高度取0.2m,那么塔的附属空间高度可以取为2.3m。吸收塔的总高度为

2.5填料层压降的计算
取 Eckert (通用压降关联图)；将操作气速(＝0.8688m/s) 代替纵坐标中的查表，DG50mm陶瓷鲍尔环的压降填料因子代替纵坐标中的．
则纵标值为：
横坐标为：

查图得：
全塔填料层压降 ：

填料塔泛点气速及气体压力降计算用关联图

2.6其他附属塔内件的选择
2.6.1液体分布器的选择：
液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。
液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。
液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动
力或按结构形式分。若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。
根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应应依所用填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越所需的喷淋点密度越大这一规律。
按Eckert建议值，，
按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。
设计结果为：盘式分布器（筛孔式）：
分布盘直径：600mm
分布盘厚度：4mm

2.6.2布液计算
由
点
按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：二级槽共设七道，槽侧面开孔，槽宽度为80mm,槽高度为210mm,两槽中心矩为160mm,分布点采用三角形排列。实际设计布5点数为n=132点，(见示意图)
布液计算：
L: 液体流量 m3/s
n: 开孔数目
: 孔流系数，取
d0: 孔径，m
: 开孔上方的液位高度，m
取，，
根据物质性质取分布点数取100

设计取

2.6.3液体再分布器的选择
除塔顶液体的分布之外，填料层中的液体的再分布是填料塔中的一个重要问题。往往会发现，在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后雁塔壁下流，塔中心处填料得不到好的湿润，形成所谓“干椎体”的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。因此每隔一定距离必须设置液体再分布器，以克服此种现象。
升气管式再分布器适用于直径0.6m以上的塔，而且可以分段卸下填料，更换填料方便，所以本设计选用升气管式再分布器。

2.6.4填料支承装置的选择
填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量，同时保证气液两
相顺利通过。支承若设计不当，填料塔的液泛可能首先发生在支承板上。为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛。由于填料支承装置本身对塔内气液的流动状态也会产生影响，因此作为填料支承装置，除考虑其对流体流动的影响外，一般情况下填料支承装置应满足如下要求：
足够的强度和刚度，以支持填料及所持液体的重量（持液量），并考虑填料空隙中的持液量，以及可能加于系统的压力波动，机械震动，温度波动等因素。
足够的开孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在支撑处发生液泛；为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛[12]。
结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大于20Pa）。本设计运用的瓷质鲍尔环，孔隙率相对较大，升气管式支撑板能更好的克服支撑板的强度和自由截面之间的矛盾，耗能更好的适应高空隙率填料的要求，本设计选用升气管式支撑板。

2.6.5填料压紧装置
为保证填料塔在工作状态下填料床能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然变动时填料层发生松动，破坏填料层结构，甚至造成填料损失，必须在填料层顶部设置填料限定装置。填料限定可分为类：一类是将放置于填料上端，仅靠自身重力将填料压紧的填料限定装置，称为填料压板；一类是将填料限定在塔壁上，称为床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料发生移动撞击，造成填料破碎。床层限定板多用于金属和塑料填料，以防止由于填料层膨胀，改变其开始堆积状态而造成的流体分布不均匀的现象。一般要求压板和限制板自由截面分率大于70%。
本任务由于使用陶瓷填料，故选用床层限定板。

2.6.6塔顶除雾器
由于气体在塔顶离开填料塔时，带有大量的液沫和雾滴，为回收这部分液相，经常需要在顶设置除沫器。根据本吸收塔的特点，此处用丝网除雾器：

2.7吸收塔的流体力学参数计算
2.7.1 吸收塔的压力降
前面已经利用Eckert通用关联图计算出吸收塔的压强降为1260Pa。

2.7.2 吸收塔的泛点率校核
塔的操作气速为，泛点气速为
泛点率
(50%-80%为经验值，所以在允许范围之内)

2.7.3 气体动能因子
吸收塔内气体动能因子为

气体动能因子在常用的范围内。3.其他附属塔内件的选择

3.1吸收塔主要接管的尺寸计算
本设计中填料塔有多处接管，但主要的是气体和液体的进料口和出料口接管。在此分别以液体进料管和气体进料管的管径计算为例进行说明。气体和液体在管道中流速的选择原则为：常压塔气体进出口管气速可取10～20m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口流速可取0.8～1.5m/s（必要时可加大些）
1．液体进料接管
进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。本设计采用直管进料管，管径计算如下

选管内液体流速：
估算管内径：
管选用的普通焊接钢管，内径为156mm
管内实际流速：
2．气体进料接管
采用直管进料。取气速

取管径为
实际管内径为，则实际通过气体接管的气速为：

3.2离心泵的计算与选择

钢管的绝对粗糙度，相对粗糙度
查表得摩擦系数
泵入口管长：0.2m 喷头前管长0.5m
全程有一个截止阀（全开）： 三个90度弯头：
带滤水器的底阀（全开）： 吸入管伸进水里
出口突然扩大 进口突然缩小
以河面为1-1截面，出口处为2-2截面列伯努利方程：

选用IS100-80-125型 流量为 扬程为20m的泵
流量m3/h
扬程H/m
效率η/%
功率/kw
必需汽蚀余量
(NPSH)r /m
转速（r/min）
轴功率
电功率
100
20
78
7.00
11
4.5
2900
准备两个泵，一个备用

3.3风机的选取
本设计混合气体流量为2000m3/h，上面算的填料塔的全压降为1260Pa，所以选择
4-72-3.2A型离心式鼓风机 其参数如下
流量m3/h
全压Pa
转速r/min
功率Kw
电机型号
2100
1300
2900
2.2
Y90L-2
准备两个风机，一个备用

4.总结
经过两周时间顺利完成化工原理课程设计，这段时间里，我真实体会到理论与实践结合的困难，同时也认识到要用所学的有限的理论知识去解决实际过程中的问题的不易。在初步设计的时候，没有真正认识到课程设计的难度，认为只需运用所学的化工原理知识就能轻松完成设计，当设计进一步展开时，才认识到仅仅运用所学的有限的化工原理知识还不能完全解决课程设计中遇到的全部问题，要紧过查阅大量的文献，搜集资料，并结合课堂所学的知识，加以综合才能解决，而这绝不是一个轻松的事情。及时改变，将将大量的精力投入到课程设计中。
在平时做化工原理有关填料塔高的计算中没有充分认识到其重要性，在设计过程中我慢慢发现吸收单元的操作型设计与塔告的计算，在工业生产中起着非常重要的作用，要求也很严格，设计合理与实用性好是必须的。
本着成本低廉、操作简单的原则，认真选取工艺材质并对有些需要改进（如塔填料）进行简单改进。同时也要注意相关附属设备的选择，如选泵，要从多方面考虑，管道的直径，管中流速，流量等。在设计过程中，空塔气速取泛点气速的百分比时，取值70%以下校核时超出经验值，设计取了80%。在计算出填料层高度后，就如何确定塔高问题，查阅文献，上网搜索，最终得以解决。
此过程是艰辛的，也是快乐的。艰辛是由于缺少这方面的知识和经验，从一开始的不知所措，到现在数据的基本完成，一路走来是坎坎坷坷。快乐是因为在这次设计中，加强了同学们之间的合作和默契，得到了同学的帮助和鼓舞，并且学到了知识，增加了实践经验。
经过这次课程设计我充分认识到，在平时要尽力开拓自己的知识面。更重要的是，我明白了理论和实践之间的差别，对我来说，它们之间的距离太大了。因此在设计过程中也出现了不少问题，有设备的选择上的，也有软件应用方面的。出现问题时，同学们给了我很大的帮助，也非常感谢老师给我们一个锻炼自己的机会！对我来说，这不仅是理论和实践的结合，也是一种心理的磨炼！

附录一 吸收塔设计计算用量符号总表
符号表
项目
符号
混合气体处理量

进塔气相摩尔比

出塔气相摩尔比

进塔液相摩尔分率

出塔液相摩尔分率

最小液气比

混合气体的平均摩尔质量

混合气体的平均密度

吸收剂用量

气相质量流量

液相质量流量

塔径
D
填料层高度
Z
填料塔下部空间高度

塔高
H
传质单元高度

传质单元数

总压降
ΔP
空塔气速

泛点率

泛点填料因子

吸收因子或填料常数

填料的比表面积

20℃101.3Kpa水中扩散系数

20℃S101.3Kpa空气中扩散系数

重力加速度

气体摩尔流速

气体膜吸收系数

液膜吸收系数
液相摩尔流速

泛点气速

符号续表
项目
符号
气体流速

液相体积流量

气相体积流量

液体质量流量

气体质量流量

液体密度

混合气体密度

混合气的粘度

水的粘度

空隙率

填料材质的临界表面张力

水的表面张力

填料的润湿比表面积

气体动能因子

最小喷淋密度

最小润湿速率

液体喷淋密度

气体的质量通量

液体的质量通量

参考文献
[1] 王志魁. 化工原理. 第三版. 北京: 化学工业出版社, 2004

[2] 冷一欣. 化工原理课程设计. 北京: 中国石化出版社, 2011

[3] 陈敏恒. 化工原理. 北京: 化学工业出版社, 2000

[4] 郭仁东. 水利学. 北京: 人民交通出版社, 2006

[5] 申迎华,郝晓刚. 化工原理课程设计. 北京: 化学工业出版社, 2009

[6] 王国胜. 化工原理课程设计. 第二版. 大连: 大连理工大学出版社, 2005

[7] 姚仲鹏,王瑞君，张习军. 传热学. 北京：北京理工大学出版社，1995