最终版-化工原理课程设计(水吸收氨填料吸收塔设计)-重要.doc

西安工程大学
《化工原理》课程设计说明书

设计题目
学生姓名
学 号
专业班级
指导老师
学 院 环境与化工学院
完成时间

课程设计进度安排
1、查阅文献，熟悉项目情况； 2天
2、进行工艺计算及相关设计计算 2天
3、设计说明书的编写 1天
4、吸收生产工艺流程图及填料塔的结构简图绘制 4天
5、提交设计 1天
l 带控制点的工艺流程图：将设计的工艺流程方案用带控制点的工艺流程图表示出来，绘出流程所需全部设备，标出物流方向及主要控制点的控制参数值。
设计要求
（一）编制一份设计说明书，主要内容包括:
1. 摘要；
2. 流程的确定和说明（附流程简图）；
3. 生产条件的确定和说明；
4. 吸收塔的设计计算；
5. 附属设备的选型和计算；
6. 设计结果列表；
7. 设计结果的讨论和说明；
8. 主要符号说明；
9. 注明参考和使用过的文献资料；
10. 结束语
(二) 绘制一个带控制点的工艺流程图。
（三） 绘制吸收塔主体设备装配图

目 录
第一节 前言 5
1.1 填料塔的主体结构与特点 5
1.2 填料塔的设计任务及步骤 5
1.3 填料塔设计条件及操作条件 5
第二节 填料塔主体设计方案的确定 6
2.1 装置流程的确定 6
2.2 吸收剂的选择 6
2.3填料的类型与选择 6
2.3.1 填料种类的选择 6
2.3.2 填料规格的选择 6
2.3.3 填料材质的选择 7
2.4 基础物性数据 7
2.4.1 液相物性数据 7
2.4.2 气相物性数据 7
2.4.3 气液相平衡数据 8
2.4.4 物料衡算 8
第三节 填料塔工艺尺寸的计算 9
3.1 塔径的计算 9
3.2 填料层高度的计算及分段 10
3.2.1 传质单元数的计算 10
3.2.3 填料层的分段 12
3.3 填料层压降的计算 12
第四节 填料塔内件的类型及设计 13
4.1 塔内件类型 13
4.2 塔内件的设计 13
4.2.1 液体分布器设计的基本要求： 13
4.2.2 液体分布器布液能力的计算 13
注： 14
1填料塔设计结果一览表 14
2 填料塔设计数据一览 14
3 参考文献 16
4 后记及其他 16
附件一：塔设备流程图 17
附件二：塔设备设计图 17

4

第一节 前言
1.1 填料塔的主体结构与特点
结构：

图1-1 填料塔结构图
填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所以特别适用于处理量小，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。
1.2 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。
1.3 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: 6.0% （体积含量即为摩尔含量）
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. 回收率99 %
7. 采用清水为吸收剂
8. 填料类型：采用聚丙烯鲍尔环填料
第二节 填料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。
2-1 工业常用吸收剂
溶质
溶剂
溶质
溶剂
氨
水、硫酸
丙酮蒸汽
水
氯化氢
水
二氧化碳
水、碱液
二氧化硫
水
硫化氢
碱液、有机溶剂
苯蒸汽
煤油、洗油
一氧化碳
铜氨液
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/d20~30
鞍环
D/d15
鲍尔环
D/d10~15
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.
2.
3. 表面张力为:
4.
5.
6.
2.4.2 气相物性数据
1. 混合气体的平均摩尔质量为
(2-1)
2. 混合气体的平均密度
由 (2-2)
R=8.314
3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20时，空气的黏度

注： 1 1Pa..s=1kg/m.s
2.4.3 气液相平衡数据
由手册查得，常压下，20时，NH在水中的亨利系数为 E=76.3kpa
在水中的溶解度: H=0.725kmol/m
相平衡常数： (2-3)
溶解度系数: (2-4)
2.4.4 物料衡算
1. 进塔气相摩尔比为
(2-5)
2. 出他气相摩尔比为
(2-6)
3. 进塔惰性气体流量: (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：
(2-8)
因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成
所以
选择操作液气比为 （2-9）
L=1.2676356×234.599=297.3860441kmol/h
因为V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1
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=0.5~0.85
贝恩（Bain）—霍根（Hougen）关联式 ，即：
=A-K （3-1）
即：

所以：/9.81（100/0.917）（1.1836/998.2）=0.246053756
UF=3.974574742m/s

其中：
——泛点气速，m/s;
g ——重力加速度，9.81m/s

WL=5358.89572㎏/h WV=7056.6kg/h
A=0.0942； K=1.75；
取u=0.7 =2.78220m/s
（3-2）
圆整塔径后 D=0.8m
1. 泛点速率校核： m/s

则在允许范围内
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。
（3-3）
（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
（3-5）
（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
（3-7）
（3-8）
=
=0.006895

3.2.2 传质单元高度的计算
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：
（3-9）

即：αw/αt =0.37404748
液体质量通量为： =WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(㎡•h)
气体质量通量为： =60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡•h)
气膜吸收系数由下式计算：
（3-10）
=0.237(14045.78025÷100.6228×10-5)0.7(0.06228÷0.081÷1.1761)
0.3(100×0.081÷8.314÷293)
=0.152159029kmol/(㎡h kpa)
液膜吸收数据由下式计算：
(3-11）
=0.566130072m/h
因为
0.15215×0.3740×1.451.1×100 （3-12）
=8.565021kmol/(m3 h kpa)
=0.56613×100×0.37404×1.450.4 （3-13）
=24.56912/h
因为： =0.8346
所以需要用以下式进行校正：
（3-14）
=[1＋9.5(0.69999－0.5)1.4] 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa)
（3-15）
=[1＋ 2.6 (0.6999－0.5)2.2] 24.569123=26.42106/h
（3-16）
=1÷(1÷17.1358+1÷0.725÷26.4210)
=9.038478 kmol/(m3 h kpa)
（3-17）
=234.599÷9.03847÷101.3÷0.785÷0.64
=0.491182 m
（3-18）
=0.491182×9.160434=4.501360m,得
=1.4×4.501=6.30m
3.2.3 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(＝2.8886m/s) 代替纵坐标中的查表，DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子＝125代替纵坐标中的．
则纵标值为：
=0.1652 (3-19)
横坐标为：
=0.02606 (3-20)
查图得
981Pa/m (3-21)
全塔填料层压降 =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
4.2.1 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
4.2.2 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
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。

注：
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
E—亨利系数，
—气体的粘度，1.73=6228
—平衡常数 0.7532
—水的密度和液体的密度之比 1
—重力加速度， 9.81 =1.27
—分别为气体和液体的密度，1.1836；998.2；
=5358.89572㎏/h =7056.6kg/h—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
100
91.7%
—以分压差表示推动力的气膜传质系数，
—溶解度系数，0.725
—以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，
—气体常数，
—氨气在空气中中的扩散系数及氨气在水中的扩散系数;

液体质量通量为： =WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(㎡•h)
气体质量通量为： =60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡•h)

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, 1986.
[4] 周军.张秋利 化工AutoCAD制图应用基础 。北京. 化学工业出版社。

4 后记及其他
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。在课程设计过程中,使我加深了对课本知识的认识，也巩固了所学到的知识。此次课程设计按照设计任务书、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，发现自己基础知识不牢固，需加强学习，扩大知识面的广度。

附件一：塔设备流程图

附件二：塔设备设计图

水吸收氨填料吸收塔
工艺设计图

09.6.5
09.6.5

附图2 主体设备条件图

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