填料吸收塔设计示例

填料吸收塔课程设计说明书专业班级姓名班级序号指导老师日期目录前言 (2)水吸收丙酮填料塔设计 (2)一任务及操作条件 (2)二吸收工艺流程的确定 (2)三物料计算 (3)四热量衡算 (4)五气液平衡曲线 (5)六吸收剂(水)的用量Ls (5)七塔底吸收液浓度X1 (6)八操作线 (6)九塔径计算 (6)十填料层高度计算 (9)十一填科层压降计算 (13)十二填料吸收塔的附属设备 (13)十三课程设计总结 (15)十四主要符号说明 (16)十五参考文献 (17)十六附图 (18)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。

水吸收丙酮填料塔设计一任务及操作条件①混合气(空气、丙酮蒸汽)处理量：12493/m h。

②进塔混合气含丙酮 2.34％(体积分数)；相对湿度:70％；温度:35℃；③进塔吸收剂(清水)的温度25℃；④丙酮回收率：90％；⑤操作压力为常压。

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（27327335+）×122.4＝ 49.42kmol ／h混合气中丙酮量＝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＝4.56237.0103.1017.04.56233⨯⨯⨯-=0.0404 kmol （水气）/ kmol （空气十丙酮）混合气中水蒸气含量＝0404.010404.042.49+⨯＝1.92kmol ／h （《化工单元操作及设备》P18916-23）＝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 1y ＝0.0234,则2y =)9.01(16.192.134.46)9.01(16.1-⨯++-⨯=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 ／hY 1=26.4816.1=0.024kmol(丙酮)/kmol(惰气) Y 2=26.48)9.01(16.1-=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)：d H 均=30230＋10467.5=40697.5 kJ ／kmol吸收液(依水计)平均比热容L C ＝75.366 kJ ／kmo l ·℃，通过下式计算1d n n LH t t C -=+均n n-1（x -x ） 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：40697.62575.366L t X =+∆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L t ，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注：（1）气相浓度1Y 相平衡的液相浓度X 1＝0.0049，故取n X ＝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，丙酮溶于水其亨利常数E 可用下式计算： 1gE ＝9.171－[2040／(t 十273)]由前设X 值求出液温L t ℃，依上式计算相应E 值，且m ＝EP，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Y 1＝0.024时,X 1*=0.0089,计算最小吸收剂用量,min S L12,min 12*S BY Y L V X X -=-=48.26×0.00890.0024-0.024＝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X 1 依物料衡算式：B V (12Y Y -)＝S L （12X X -） 1X =48.26×210.80.0024-0.024=0.0049八 操作线依操作线方程式22S S B B L L Y X Y X V V =+- =26.488.210X+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。

4S V D uπ==（0.6~~0.8）F u （《化工单元操作及设备》P20616-45）（1）.采用Eckert 通用关联图法(图2)计算泛点气速F u 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G ρ＝4.2229×35273273+＝1.15kg ／3m (混合气浓度低，可近似视为空气的密度)吸收液密度L ρ＝996.7kg/3m 吸收液黏度L μ＝0.8543mP a ·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φ=1201m -，比表面积A ＝106.423/m m ②关联图的横坐标值``V L (L G ρρ)1/2=14463855(7.99615.1)1/2=0.090 ③由图2查得纵坐标值为0.13即L L G2F g μρρμ）（Φ0.2=8543.07.99615.181.91202F ⨯⨯）（μ0.2=0.01372F u =0.13 故液泛气速F u =0137.013.0=3.08m/s(2)．操作气速u ＝0.7F u ＝0.7×3.08 ＝2.16 m/s (3).塔径D =16.2785.036001249⨯⨯= 0.453 m=453mm取塔径为0.5m(＝500mm) (4)．核算操作气速U=25.0785.036001249⨯⨯=1.768m/s< F u(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0.083m ／(m ·h),由式（4-12）：最小喷淋密度min L =喷（MWR ）A ＝0.08×106.4＝8.512 3m /(m 2·h) 因L 喷＝25.0785.07.9963855⨯⨯＝19.73m /(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 ＝12*Y B OG OG Y Ya V dYH N K Y Y =Ω-⎰ (1)．传质单元高度OG H 计算OG H =BYa V K Ω，其中Ya K =Ga K P | 111Ga Ga LaK k Hk =+（《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a w 作为传质面积a ，依改进的恩田式分别计算L k 及G k ，再合并为La k 和Ga k 。

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)：G ρ＝1.15 kg/3m (前已算出)；G μ＝0.01885×310-.Pa s (查附录)；G D ＝1．09×510-2/m s （依翻Gilliland 式估算)；液体性质(以塔底27．16℃水为准)：L ρ＝996.7 kg/3m ；L μ＝0.8543×310-Pa ·s ；L D =1.344×910-2/m s (以120.67.4*10L L AD V βμ-=0.5s （m ）T式计算)(《化学工程手册》 10-89)，式中A V 为溶质在常压沸点下的摩尔体积，s m 为溶剂的分子量，β为溶剂的缔合因子。

L σ＝71．6×310-N ／m(查化工原理附录)。

气体与液体的质量流速：L G `=25.0785.036003855⨯⨯=5.5/kg 2（m .s ）V G `=25.0785.036001446⨯⨯=2.0/kg 2（m .s ）50Dg mm 塑料鲍尔环(乱堆)特性：p d ＝50mm ＝0.05m;A ＝106.423/m m ;C σ=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ψ，ψ=1.45（鲍尔环为开孔环） ②依式⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎩⎨⎧--=2.022'05.02'1.075.02')(45.1exp 1g L G L L G t G g a L L a L c at aw t ρρμσσ =1exp -{-1.45（33106.711040--⨯⨯）0.75（3108543.04.1065.5-⨯⨯）0.1（81.97.9964.1065.522⨯⨯）-0.05（4.106106.717.9965.532⨯⨯⨯-）0.2}=1exp -{-1.45（0.646）（1.51）（1.49）（0.33）} =1exp -（-0.695）=0.501 故w a =.wa A A=0.501×106.4=53.323/m m ③依式K L =0.0051(L t G a L μ`)2/3(LL L D ρμ)1/\3(L L g ρμ)1/3(a t d p )0.4 =0.0051(3108543.03.535.5-⨯⨯)2/3(9310334.17.996108543.0--⨯⨯⨯)1/3(7.99681.9108543.03⨯⨯-)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k G= 5.23(G t G a V μ`)0.7(G G G D ρμ)1\3(RTD a Gt )(a t d p ) = 5.23(510885.14.1060.2-⨯⨯)0.7(551009.115.110885.1--⨯⨯⨯)1/3(308314.81009.14.1065⨯⨯⨯-)(5.32)=5.23(125.6)(1.146)(4.529×10-7)(5.32) =1.814×10-3kmol/(m 2·S ·kPa)故L L w k a k a ==1.61×410-×53.3=1.04×10-2 (m/s)G G w k a k a ==1.814×10-3×53.3=9.67×10-22/(..)kmol m s kPa(2)计算Y K aY K a ＝G K aP ，而111Ga Ga La K k Hk =+，H=L SEM ρ（（《化工单元操作及设备》 P189 16-21a ）。