化工原理课程设计说明书(附流程图和设计图)

徐州工程学院

化工原理课程设计说明书设计题目水吸收氨过程填料吸收塔设计

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目录

第一节前言 (4)

1.1填料塔的设计任务及步骤

4

1.2填料塔设计条件及操作条件

4

第二节精馏塔主体设计方案的确定 (4)

2.1装置流程的确定

4

2.2 吸收剂的选择 (4)

2.3填料的类型与选择 (4)

2.3.1填料种类的选择 (4)

2.3.2填料规格的选择 (4)

2.3.3填料材质的选择 (5)

2.4 基础物性数据 (5)

2.4.1液相物性数据 (5)

2.4.2气相物性数据 (5)

2.4.3物料横算 (6)

第三节填料塔工艺尺寸的计算 (6)

3.1 塔径的计算 (6)

3.2 填料层高度的计算及分段 (8)

3.2.1传质单元数的计算 (8)

3. 填料层的分段 (10)

3.3 填料层压降的计算 (10)

第四节填料塔内件的类型及设计 (10)

4.1 塔内件类型 (10)

4.2 塔内件的设计 (10)

液体分布器设计的基本要求：（1）液体分布均匀（2）操作弹性大（3）自由截面积大

（4）其他 (10)

液体分布器布液能力的计算 (10)

1填料塔设计结果一览表 (11)

2 填料塔设计数据一览 (11)

附件一：塔设备流程图 (12)

第一节前言

1.1填料塔的设计任务及步骤

设计任务：用水吸收空气中混有的氨气。

设计步骤：（1）根据设计任务和工艺要求，确定设计方案;

（2）针对物系及分离要求，选择适宜填料；

（3）确定塔径、填料层高度等工艺尺寸（考虑喷淋密度）；

（4）计算塔高、及填料层的压降；

（5）塔内件设计。

1.2填料塔设计条件及操作条件

1. 气体混合物成分：空气和氨

2. 空气中氨的含量: 5.0%（体积分数)，要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%;）

3. 混合气体流量6000m3/h

4. 操作温度293K

5. 混合气体压力101.3KPa

6. 采用清水为吸收剂，吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。

7. 填料类型：采用聚丙烯鲍尔环填料

第二节精馏塔主体设计方案的确定

2.1装置流程的确定

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。

2.2 吸收剂的选择

因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。

2.3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。

2.3.1 填料种类的选择

本次采用散装填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。鲍尔环是目前应用较广的填料之一，本次选用鲍尔环。

2.3.2 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。同类填料，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。而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。

表3-1

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

2.3.3 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

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，可选耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。

综合以上：选择塑料鲍尔环散装填料 Dn50

2.4 基础物性数据

2.4.1 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. 3998.2/l kg m ρ=

2. 0.001.

3.6/.l pa s kg m h μ==黏度：

3. 表面张力为:2

72.6/940896/z dyn cm kg h σ== 4. 3320:0.725/CNH H kmol m kpa ︒=⋅ 5. 62320:7.3410/l CNH D m h -︒=⨯ 6. 22320:0.225//v CNH D cm s m h ︒==

2.4.2 气相物性数据

1. 混合气体的平均摩尔质量为

0.0617.03040.942928.2818vm i i M y m =∑=⨯+⨯= (2-1)

2. 混合气体的平均密度

由3

101.328.2818 1.17618.314293

VM vm PM kg m RT ρ⨯===⨯

(2-2)

R=8.314 3/m KPa kmol K ⋅⋅

3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20C ︒时，空气的黏度

551.7310622810/v pa s kg m h μ--=⨯⋅=⨯⋅

注：211/N kg m s =⋅ 12211/1/Pa N m kg s m ==⋅ 1Pa..s=1kg/m.s

2.4.3 物料横算

1. 进塔气相摩尔比为

1110.06

0.06383110.06

y Y y =

==-- (2-5) 2. 出他气相摩尔比为

21(1)0.06383(10.99)0.0006383A Y Y ϕ=-=⨯-= (2-6)

3. 进塔惰性气体流量:6000273

(10.6)234.59922.427320

V kmol h =

⨯-=+ (2-7) 因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式

计算。即：

12min 12

/Y Y L V Y m X -⎛⎫

= ⎪-⎝⎭ (2-8) 因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成20X =

所以 121min 20.063830.00063830.74560.063830.753Y Y L Y V X m

--⎛⎫

=== ⎪⎝⎭-

选择操作液气比为

min

1.7 1.2676L L V V ⎛⎫

== ⎪⎝⎭ （2-9） L=1.2676356×234.599=297.3860441kmol/h 因为V(Y 1-Y 2)=L(X 1-X 2) X 10498.0=

第三节 填料塔工艺尺寸的计算

填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计算及分段

3.1 塔径的计算

1. 空塔气速的确定——泛点气速法

对于散装填料，其

泛点率的经验值

u/u f =0.5~0.85

贝恩（Bain ）—霍根（Hougen ）关联式 ，即：

221

3lg V F L L u a g ρμερ⎡⎤

⎛⎫⎛⎫⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣

⎦=A-K 14

18

V L V L w w ρρ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭

⎝⎭ （3-1） 即：1

124

8

0.23100 1.18363202.59 1.1836lg[

()1]0.0942 1.759.810.917998.24734.4998.2F

u ⎛⎫⎛⎫⎛⎫

=- ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭

所以：2

F u /9.81（100/0.9173）（1.1836/998.2）=0.246053756

UF=3.974574742m/s

其中：

f u ——泛点气速，m/s;

g ——重力加速度，9.81m/s 2

，

23t m /m α--填料总比表面积，33m /m ε--填料层空隙率

33

V 998.2/1.1836kg /m l kg m ρρ==液相密度。气相密度

W L =5358.89572㎏/h W V =7056.6kg/h A=0.0942； K=1.75； 取u=0.7 F u =2.78220m/s

0.7631D =

=

= （3-2）

圆整塔径后 D=0.8m 1. 泛点速率校核：2

6000

3.31740.7850.83600

u ==⨯⨯ m/s

3.31740.83463.9746

F u u == 则

F

u

u 在允许范围内 2. 根据填料规格校核：D/d=800/50=16根据表3-1符合 3. 液体喷淋密度的校核：

(1) 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量。

(2) 最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。对于直径不超过75mm 的散装填料，可取最小润湿速率

()3min 0.08m /m h w L ⋅为。

()32min min 0.081008/w t U L m m h α==⨯=⋅ （3-3）

22

5358.8957

10.6858min 0.75998.20.7850.8L L w U D ρ=

==>=⨯⨯⨯⨯ （3-4）

经过以上校验，填料塔直径设计为D=800mm 合理。

3.2 填料层高度的计算及分段

*110.049850.75320.03755Y mX ==⨯= （3-5） *220Y mX == （3-6）

3.2.1 传质单元数的计算

用对数平均推动力法求传质单元数

12

OG M

Y Y N Y -=

∆ （3-7） ()*

*1

1

2

2*11*

22()

ln

M

Y Y Y Y Y Y Y Y Y ---∆=

-- （3-8）

=

0.063830.00063830.03755

0.02627ln

0.0006383

--

=0.006895

3.2.2 质单元高度的计算

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

()

0.75

0.10.05

2

0.2

2

21exp 1.45/t c l L t L

L V t w l t l L U U U

g ασαρσαασαμρ-⎧⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪

⎪

=--⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭

⎝⎭⎝⎭⎪

⎪⎩

⎭

（3-9）

即：αw/αt =0.37404748

液体质量通量为：L u =WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(㎡•h) 气体质量通量为： V u =60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡•h) 气膜吸收系数由下式计算： ()10.7

3

0.237(

)

/V

t V

G v v V t v

U D k D RT

αμραμ⋅⎛⎫

=⋅

⎪⎝⎭

（3-10） =0.152159029kmol/(㎡h kpa) 液膜吸收数据由下式计算：

2113

2

3

0.0095L L L L w l L L L U g K D μμαμρρ-⎛⎫⎛⎫⎛⎫

⋅= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

⎝⎭ (3-11）

=0.566130072m/h

因为 1.45

ψ= 1.1G G W K K ααϕ==0.15215×0.3740×1.451.1×100 =8.565021kmol/(m3 h kpa) （3-12）

0.4L L W K K ααϕ= =0.56613×100×0.37404×1.450.4 （3-13）

=24.56912/h 因为：F

u u =0.8346

所以需要用以下式进行校正：

1.4

'

19.50.5G G F u k k u αα⎡⎤⎛⎫⎢⎥⋅=+-⋅ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦

（3-14）

=[1＋9.5(0.69999－0.5)1.4] 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa)

2.2'

1 2.60.5l L F u k k u αα⎡⎤⎛⎫⎢⎥⋅=+-⋅ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦

（3-15）

=[1＋ 2.6 (0.6999－0.5)2.2] 24.569123=26.42106/h

''

111

G G L K K HK ααα

=

+ （3-16）

=1÷(1÷17.1358+1÷0.725÷26.4210)

=9.038478 kmol/(m3 h kpa)

OG Y G V V H K K P αα=

=

Ω

Ω

（3-17）

=234.599÷9.03847÷101.3÷0.785÷0.64

=0.491182 m

OG OG Z H N = （3-18）

=0.491182×9.160434=4.501360m,得 'Z =1.4×4.501=6.30m

3. 填料层的分段

对于鲍尔环散装填料的分段高度推荐值为h/D=5~10。 h=5×800～10×800=4～8 m

计算得填料层高度为7000mm ，，故不需分段

3.3 填料层压降的计算

取 Eckert (通用压降关联图)；将操作气速'u (＝2.8886m/s) 代替纵坐标中的F u 查表，DG50mm 塑料鲍尔环的压降填料因子φ＝125代替纵坐标中的．

则纵标值为：

2

.02L

L

V P g u μρρϕφ••=0.1652 (3-19) 横坐标为：

0.5

V L V L W W ρρ⎛⎫= ⎪⎝⎭

0.5

5358.89572 1.17617056.6998.2⎛⎫ ⎪⎝⎭

=0.02606 (3-20)

查图得

P

Z

∆=∆ 981Pa/m (3-21) 全塔填料层压降 P ∆=981×7=6867 Pa

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。

第四节 填料塔内件的类型及设计

4.1 塔内件类型

填料塔的内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收

集再分布装置等。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。

4.2 塔内件的设计

液体分布器设计的基本要求：（1）液体分布均匀（2）操作弹性大（3）自由截面积大（4）其他

液体分布器布液能力的计算

（1）重力型液体分布器布液能力计算

（2）压力型液体分布器布液能力计算

1填料塔设计结果一览表

塔径0.8m

填料层高度7m

填料规格50mm鲍尔环

操作液气比 1.2676356 1.7倍最小液气比校正液体流速 2.78220/s

压降6867 Pa

惰性气体流量234.599kmol/h

2 填料塔设计数据一览

3 参考文献

[1]夏清.化工原理（下）[M]. 天津:天津大学出版社, 2005.

[2]贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计[M]. 天津:天津大学出版社, 2002.

[3]华南理工大学化工原理教研室著．化工过程及设备设计[M]．广州: 华南理工大学出版社,

[4]周军.张秋利化工AutoCAD制图应用基础。北京. 化学工业出版社。

附件一：塔设备流程图

附件二：塔设备设计图

水吸收氨09.6.5

填料吸收塔

09.