吸收塔课程设计

煤化工课程设计

( 2014——2015年度第1学期)

名称：煤化工课程设计院系：环境学院

班级：应化1001

学号：201105020208 学生姓名：

设计周数：1周

成绩：

日期：2015 年 2 月16 日

《煤化工》课程设计3

任务书

一、设计目的

通过对气态污染物净化系统的工艺设计，初步掌握气态污染物净化系统设计的基本方法。培养学生利用所学理论知识，综合分析问题和解决实际问题的能力、绘图能力、以及正确使用设计手册和相关资料的能力。

二、设计任务

试设计常压填料塔，采用逆流操作，以水为吸收剂，吸收混合气中的丙酮。

三、设计资料

1）混合气（空气，丙酮蒸汽）处理量为1500m3/h，温度为35℃；

2）进塔混合气物性可近似看作空气物性，比如密度等；

3）进塔混合气含丙酮体积分数为1.5 %，要求达到的丙酮回收率为90%；

4）操作压力为常压，101.325 kPa。

5）进塔吸收剂为清水；

6）吸收操作为等温吸收，温度为35℃。

7）气液平衡曲线：t=15~45℃时，丙酮溶于水其亨利常数E(kPa)可用下式计算：lgE=9.171-[2040/(t+273)]

8）液气比倍数请自己选定。

9）气速u=0.77u F范围。(填料在矩鞍环、阶梯环、拉西环和鲍尔环中自行选用)

10）k G=1.795×10-3kmol/(m2·s·kPa)；k L=1.81×10-4m/s。

四、设计内容和要求

1）研究分析资料。

2）净化设备的计算，请计算出塔高、塔径、压降等，并校核。

3）编写设计计算书。设计计算书的内容应按要求编写，即包括与设计有关的阐述、说明及计算。要求内容完整，叙述简明，层次清楚，计算过程详细、准确，书写工整，装订成册。设计计算书应包括目录、前言、正文及参考文献等。

4）设计图纸。包括工艺流程图、塔器剖面结构图。应按比例绘制，标出设备、零部件等编号，并附明细表，即按工程制图要求。图纸幅面、图线等应符合国家标准；图面布置均匀；符合制图规范要求。有能力的同学采用计算机AUTOCAD制图。

五、设计进度安排

下达任务书后，开始进行课程设计计算。

1周内提交完成的课程设计说明书及图纸。

安排时间进行答辩。答辩时请携带纸张与笔。

目录

前言 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。第一部分丙酮填料塔的设计............................................................................................. - 1 -一．设计任务 ................................................................................................................ - 1 - 二．设计资料 ................................................................................... 错误！未定义书签。

三．设计流程的选择 ....................................................................... 错误！未定义书签。

四．吸收塔填料的选择 ................................................................................................ - 2 - 五．设计塔工艺的选择 ................................................................................................ - 2 -

5.1.1液相物性数据 ................................................................................................ - 4 -

5.1.2气相物性数据 ................................................................................................ - 4 -

5.1.3气液相平衡数据 ............................................................................................ - 4 -

5.2物料衡算 ................................................................................................................ - 5 -

5.3填料塔的工艺尺寸的计算 .................................................................................... - 6 -

5.3.1塔径的计算 .................................................................................................... - 6 -

5.3.2填料层高度计算 ............................................................................................ - 7 -

5.4填料层压降的计算 ................................................................................................ - 9 - 第二部分设计总结 ........................................................................................................... - - 9 -符号说明 ............................................................................................................................. - 11 -参考文献 ............................................................................................................................. - 11 -

前言

在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。其作用实现气—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。它广泛用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型设计将越来越受到关注和重视。塔设备有板式塔和填料塔两种形式，下面我们就填料塔展开叙述。

填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。过去，填料塔多推荐用于0.6至0.7m以下的塔径。近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展。

气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用气体混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。板式塔和填料塔都可用于吸收过程，此次设计用填料塔作为吸收的主设备。

第一部分丙酮填料塔的设计

一．设计任务

设计常压填料塔，采用逆流操作，以水为吸收剂，吸收混合气中的丙酮。

二、设计资料

1）混合气（空气，丙酮蒸汽）处理量为1500m3/h，温度为35℃；

2）进塔混合气物性可近似看作空气物性，比如密度等；

3）进塔混合气含丙酮体积分数为1.5 %，要求达到的丙酮回收率为90%；

4）操作压力为常压，101.325 kPa。

5）进塔吸收剂为清水；

6）吸收操作为等温吸收，温度为35℃。

7）气液平衡曲线：t=15~45℃时，丙酮溶于水其亨利常数E(kPa)可用下式计算：lgE=9.171-[2040/(t+273)]

8）液气比倍数请自己选定。

9）气速u=（0.6~0.8）uF范围。

10）kG=1.795×10-3kmol/(m2·s·kPa)；kL=1.81×10-4m/s。

三．设计流程的选择

采用常规逆流操作流程，流程如下：

四．吸收塔填料的选择

塑料填料的材质主要包括聚丙烯（PP），聚乙烯（PE）及聚氯乙稀（PVC）等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能好，可耐一般的无机酸，碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100℃以下使用，聚丙烯填料在低温（低于0℃）时具有冷脆性，在低于0℃的条件下使用要慎重，可选用耐低温性能好的聚氯乙稀填料。塑料填料具有质轻，价廉，耐冲击，不易破碎等优点，多用于吸收，解吸，萃取，除尘等装置中。塑料填料的缺点是表面润湿性能差，在某些特殊应用场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。

聚丙烯阶梯环具有压降低，通量大，效率高，负荷弹性性大，抗污性好等特性。广泛应用于合成氨厂脱碳、脱硫系统、原油分离常减压装置，各种分离装置，例如甲醇分离，有机酸分离等吸收及脱吸塔。

表4-1聚丙烯阶梯环特性参数

散装填料的规格通常是指填料的公尺直径。工业塔常用的散装填料主要有16N D 、

25

N D 、38N D 、50N D 、76N D 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定的规定。

表4-2 常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d 的推荐值 填料种类 D/d 的推荐值 拉西环 鞍环 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍

D/d≥20～25 D/d≥15 D/d≥10～15 D/d ＞8 D/d ＞8

同种类型的规整填料，其表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也明显增加。选用时应从分离要求，通量要求，场地条件，物料性质及设备投资，操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足工艺要求，又具有经济合理性。

填料尺寸的选择 实践表明，填料塔的塔径与填料直径的比值应保持不低于某一下限值，以防止产生较大的壁效应，造成塔的分离效率下降。一般来说，填料尺寸大，成本低，处理量大，但是效率低，使用大于50mm 的填料，其成本的降低往往难以抵偿其效率降低所造成的成本增加。所以，一般大塔经常使用50mm 的填料。

表4-3 填料尺寸与塔径的对应关系

塔径/mm 填料尺寸/mm

D≤250

20～25

规格D×H×δMM 比表面积αm 2

/m 3

空隙率εm 3

/m 3

堆积个数ηm -1

堆积重量y ρkg/m 3

填料因子α/ε3m -1

16×8.9×1 370 0.85 299136 135.6 602.5 25×17.5×1.0 228 0.90 81500 65.2 312.8 38×19×1.2 132.5 0.91 27200 54.5 175.8 50×25×1.5 114.2 0.927 12000 48 143.1 76×38×2.6

90

0.929

3420

51.3

112.3

250≤D≤900 D≥900

25～38 50～80

设计题目根据以上的设计原则和后面的计算得，采用塑料阶梯环N

D 38的填料。

五．吸收塔的工艺计算

5.1.1液相物性数据

对低浓度吸收过程，溶液的物性数据。由《化工原理》[1]查得35℃时水的有关数据如下：

密度： 3kg/m ρ=994

粘度： 0.7225 2.6/()L mpa s kg m h μ=?=? 表面张力： 2270.4/912384/L g s kg h σ==

5.1.2气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量： 0.015580.9852929.435/vm i M y Mi g mol ==?+?=∑ 混合气体的平均密度： 3101.32529.435

1.165/8.314308

vm vm PM kg m RT ρ?===?

5.1.3气液相平衡数据

根据气液平衡曲线：t=15~45℃时，丙酮溶于水其亨利常数E(kPa)可用下式计算：

lgE=9.171-[2040/(t+273)]

得常压下35℃时，丙酮在水中的亨利系数为：352.877E Kpa =

相平衡常数： 352.877

=

3.48101.325

E m P == 溶解度系数： 3994

0.156/()352.87718.02

L

s

H kmol Kpa m EM ρ=

=

=??

5.2物料衡算

如下图所示，全塔物料衡算是一个定态操作逆流式接触的吸收塔，各个符号表示的意义如下：

V ——惰性气体流量，Kmol/h ；

L ——纯吸收剂流量，Kmol/h ； Y 1、Y 2 ——进出吸收塔气体的摩尔比； X 1、X 2 ——进出塔液体中溶质质量的摩尔比

进塔气体摩尔比：

1110.015

0.0152110.015

y Y y =

==-- 出塔气体摩尔比： 2220.15%

0.0015110.15%

y Y y =

==-- 进塔空气相流量： 1500273

(10.015)58.46/22.427335

V kmol h =

?-=+ 该吸收塔过程属最低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：

12min 12

()Y Y L

Y V X m

-=-

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成： 02=X ；min 0.01520.0015

() 3.1370.015203.48

L V -==-

取操作液气比： min 1.6() 1.6 3.137 5.019L L

V V

==?=

58.46 5.019293.41/L kmol h =?= )()(2121X X L Y Y V -=-

158.46(0.01520.0015)

0.0027293.41

X -=

=

5.3填料塔的工艺尺寸的计算 5.3.1塔径的计算

采用埃克特通用关联图计算泛点气速： 气相质量流量： 1500 1.1651747.5/V kg h ω=?= 液相质量流量课近似按纯水的流量计算，即：

293.4118.025287.248/L kg h ω=?=

图2 Eckert 关联图

埃克特通用关联图的横坐标： 0.50.5

5287.2481.165(

)()()0.10361747.5994

V L V L ρωωρ==

查《化工原理课程设计》[3]

得： 20.20.14V F L L

u g ρφψμρ=； 1

175.

8m φ-= 0.2

0.2

0.140.149.81994

2.667/175.81 1.1650.7225L

F V L g u m s ρφψρμ??=

=

=???；

取 0.730.6 2.667 1.6/F u u m s ==?=； 由 4415003600

0.5763.14 1.6

S V D m u π?=

==?； 圆整塔径，取 0.6D m =； 泛点率校核： 215003600

1.474/1 3.140.64

u m s =

=??；

1.474

100%55.26%

2.667

F u u =?=（在允许范围内） 填料规格校核：

60015.79838

D d ==>； 喷淋密度的校核：

因填料尺寸小于75mm ， 取最小润湿速率：h m m L V ?=/08.0)(3min 查《化工原理课程设计》[3]得该填料的比表面积：23132.5/t

a m m =；

32min min ()0.08132.510.6/w t U L a m m h ==?=?； ()

min 2

2

2/18.700.785L L

D L

U U D

ωρπ=

=

=>；

经以上校核可知，填料塔在直径选用D=600 mm 合理。

5.3.2填料层高度计算

*11 3.480.00270.0094Y mX ==?=； 02*

2==mX Y ； 脱因系数为： 3.4858.46

0.69293.41

mV S L ?=

==； 气相总传质单元数为：

*12*22110.01520

ln[(1)]ln[(10.69)0.69] 4.33110.690.00150

OG

Y Y N S S S Y Y --=-+=-+=----； 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

220.750.10.050.2

21exp{1.45()()()()}w c L t L L t L t L L L L t

a U a U U a a g a σσμρρσ-=--，查《化工原理课程设计》[3]

得： 2/427680/33h kg cm dyn c ==σ； 液体质量通量为：22

5287.248

18699.81/()0.7850.6

L U kg m h =

=??； 22

0.750.10.050.22842768018699.8118699.81132.518699.811exp{1.45()()()()}0.432912384132.5 2.6994 1.2710994912384132.5

w t a a -?=--=?????由 1.1G G W k a k a ?= 查《化工原理课程设计》[3]得 1.45?=；

则

1.13 1.1336001.795100.43213

2.5 1.45556.636/()G G w k a k a kmol m h Kpa ?-==?????=??；

0.440.4

3600 1.81100.432132.5 1.4543.274L L w

k a k a h

?--==?????=；

55.26%50%

F

u

u =>； 由 a k u u a k G F G ???????????? ??-+=4.1'5.05.91 ；a

k u u a k L F L ???????????? ??-+=2

.2'

5.06.21 得：

1.43'[19.5(0.55260.5)]556.63664

2.276/()G k a kmol m h Kpa =+-?=??；

2.21'[1 2.6(0.55260.5)]4

3.27443.447L k a h -=+-?=；

则 3'

'11

6.707/()1111

642.2760.15643.447

G G L k a kmol m h Kpa k a Hk a

=

=

=??++

? ；

由 2

58.46

0.3046.707101.3250.7850.6

OG Y G V V H m K a K aP =

===ΩΩ???； 由 0.304 4.33 1.316OG OG Z H N m ==?= 得 ' 1.3 1.3 1.316 1.711Z Z m ==?=； 设计填料层高度为2m 。

查《化工原理课程设计》[3]得：对于阶梯环填料

15~8=D h

mm h 6max ≤，取8=D h

；

86004800h mm =?=

计算得填料层高度为2000mm ，故不需分段。

5.3.3填料塔附属高度的计算

一个完整的吸收塔，除了填料高度外，还有其他附属高度，因此塔高的计算还包括塔附属高度的计算。

塔填料层上部的高度：可取1h 0.5m =。塔底空间高度取0.3m 。 塔的附属总高为： 3120.50.30.8h h h m =+=+=。

所以塔的总高：'30.82 2.8h h z m =+=+=

5.4填料层压降的计算

采用埃克特通用关联图计算填料层压降： 横坐标： 0.5

(

)()0.1036L L V V

ωρωρ=，查《化工原理课程设计》[3]得：1116m φ-=； 纵坐标： 220.20.21.6175.81 1.165

0.72250.059.8994V L L u g ρφ?μρ??=?=×；

查《化工原理课程设计》[3]得： 459.81441.45/P Z pa m ?=?=；

填料层压降为：

441.452882.9P pa ?=?=

第二部分 设计总结

这次设计总体来说还比较合理，各项设计结果均符合设计要求，详见设计结果总汇

表及填料塔配图。由于该类型填料塔的一些物性参数均非化工手册中未能查到的确切数据，是通过分析计算得到的，这给计算带来了一定的误差。

这次课程设计，自己收获颇多。课程设计可谓是理论联系实际的桥梁，是我们学习化工设计基础的初步尝试。通过课程设计，使我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成了指定的化工设计任务，从而得到了化工程序设计的初步训练。通过课程设计，使我们更加深刻的了解了工程设计的基

本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养了我们分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使我们树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。

综上所述，这次课程设计对自己来说是一个提高的过程。在做课程设计的过程中，几次频繁的去图书馆找寻资料，不仅让自己现在能够熟悉查阅文献资料，还丰富了自己的课外知识。这个星期内，同学之间热烈讨论，各寝室间交流密切，极大增进了同学之间的友谊，这可算上是此次课程设计的额外收获。对于化工单元操作，从开始的陌生到现在的一知半解，有自己的努力，也有很多他人的帮助。

表5-1 填料设计总表

表5-2 吸收塔的吸收剂表

意义及符号 结果 混合气体处理量G 15003/m s 气液相平衡常数m 3.48 进塔气相摩尔比Y 1 0.0152 出塔气相摩尔比Y 2 0.0015 进塔液相摩尔比X 1 0.0027 出塔液相摩尔比X 2 0 最小液气比min (/)L V 3.137 混合气体平均试量M 29.435 混合气体的密度L ρ 1.1653/Kg m

吸收剂用量L 293.41/kmol h

吸收剂粘度L μ

0.7225mpa s ?

表5-3 塔设备计算表

意义及符号 结果 塔径D 0.6m 塔高H

2.8 m

意义及符号 结果 填料直径P d 38mm 填料比表面积t a 132.5m 2/m 3 散装填料干填料因子平均值

175.8(1/m)

填料层高'Z2m 填料塔上部高度h10.5m

填料塔下部高度

h0.3 m

2

气相总传质单元高度

H0.304 m

OG

气相总传质单元数

N 4.33

OG

空塔气速

u 2.667m/s

f

泛点率f 55.26%

符号说明

英文字母

A填料层的有效传质比表面积（m2/m3）

a w填料层的润滑比表面积m2/m3

A 吸收因数;无因次

D 填料直径，mm；

d f填料当量直径，mm

D扩散系数，m2/s；塔径; m;

E 亨利系数，KPa

G 重力加速度，9.81m/s2;

H 溶解度系数，kmol /(m3.KPa)

H G气相总传质单元高度，m

H L液相传质单元高度，m

H OG气相总传质单元高度，m

H OL液相总传质单元高度，m

k G气膜吸收系数, kmol /(m3.s.KPa)

k L液膜吸收系数, kmol /(m3.s.KPa)

M 相平衡常数无因次

N OG气相总传质系数，无因次

N OL液相总传质系数,无因次

P 总压，KPa

P 分压，KPa

R 气体通用常数，kJ/(kmol.K)

S 解吸因子

T 温度，0C

U 空塔速度，m/s

u f液泛速度，m/s

V 惰性气体流量，kmol/s

w v混合气体体积流量，m3/s

填料因子，m-1

下标

L液相的

G气相的

V混合气流量kmol/s

'V混合气质量流量

X 溶质组分在液相中的摩尔分率无因次

X 溶质组分在气相中的摩尔比无因次

Y 溶质组分在液相中的摩尔分率无因次

Y Y——溶质组分在气相中的摩尔比无因次Z 填料层高度m

希腊字母

μ粘度Pa.s

ρ密度kg/m3

σ表面张力N/m

M 平均的，对数平均的

min 最小的

2 塔底

1 塔顶

max 最大的

参考文献：

1.丙酮-水相平衡常数

汤金石主编.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，1990.

2.填料塔的设计

赵毅李守信主编，有害气体控制工程北京;化学工业出版社，2001 3.填料塔附属设备的设计

汤金石主编.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，1990

.4.化学工程手册