填料塔设计完全版.pdf

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1、化工原理课程设计 1 一、一、设计方案的确定设计方案的确定 吸收是根据气体混合物各组分在选定的液体吸收剂中溶解度的差异或化学 反应的不同而实现气体组分分离的传质单元操作。根据给定的吸收仟务，从技术 与经济相结合的观点选择合适的吸收剂，本次任务所用的吸收剂是清水。用水吸 收空气中的氨属于物理吸收过程，氨能与任何比例的水混合，分了量 17.03。 1装置流程的确定装置流程的确定 吸收装置的流程主要有逆流、并流、吸收剂部分再循环、多塔并联、串联 并联混合操作等方式。 逆流操作是指气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出。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

2、用率 高。工业生产中多采用逆流操作。从传质的效率等因素综合考虑，本吸收操作选 择单塔逆流吸收。 2吸收剂的选择吸收剂的选择 吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的 优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方面。 (1)溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂 的需用量。 (2)选择性 吸收剂对溶质组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他 组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。 (3)挥发度要低 操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程中 吸收剂的挥发损失。 (4)粘度 吸收剂在操作温度下的粘度

3、越低，其在塔内的流动性越好，有助于 传质速率传热速率的提高。 (5)其他 所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不 发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。 一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对具体情 况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。 本次吸收操作已经规定选择清水作为吸收剂。 3操作温操作温度与压力的确定度与压力的确定 (1)操作温度的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知温度降低可增加溶质 组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应由吸收系统的具体情况 决定；例如水吸收 CO2的操作中用水量极大，吸收温度主要出水温决定，而水

4、温 又取决于大气温度，故应考虑夏季循环水温高时补充定量地下水以维持适宜温 度。 (2)操作压力的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知， 压力升高可增加溶质 组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造 要求提高，且能耗增加，因此需结台具体工艺条件综合考虑，以确定操作压力。 本次任务已经规定吸收操作在常温常压下进行。 4填料的选择 塔填料的选择是填料塔设计中重要一环，一般要求塔填料具有较大的通量， 较低的压降，较高的传质效率，同时操作弹性大，性能稳定，能满足物系的腐蚀 性、污堵性、热敏性等特殊要求，填料的强度要高，便于塔的拆装、检修、并且 价格要低廉。为此填料应具有较大的

5、比表面积，较高的空隙率，结构要敞开，死 化工原理课程设计 2 角小， 液体的再分布性能好，填料的类型、尺寸、材质选择适当。 塑料填料的材质主要包括聚丙烯（PP） ，聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC） 等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，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。对于水吸 收氨过程，在常温常压下进行，所以采用工艺上采用塑料乱堆填料。塑料阶梯环 的综合性能比较好，所以选择 D38 聚丙烯阶梯环填料。 二、基础物性数据二、基础物性数据 1液相物性数据液相物性数据 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

6、册查得， 20水的有关物性 密度 L =998.2 kg/m 3 粘度 L=0.001 PaS=3.6 kg/（mh） 表面张力 L=72.6 dyn/cm=940896 kg/h NH3在水中的扩散系数为 DL=2.0410 -9 m2/s=2.0410-93600 m2/h=7.344 10-6m2/h 2气相物性数据气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 M混气=yiMi=0.05517.03+0.94529=28.34 混合气体的平均密度为 混气= PM混气/RT=101.32528.34/(8.314293.15)=1.178kg/m 3 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得

7、 20空气的粘度为: 空气=1.8110 -5 PaS=0.065 kg/(mh) 查手册得 NH3 在空气中的扩散系数为 D空气=1.8910-5m2/s=0.068 m 2/h 三、物料衡算三、物料衡算 进塔气相摩尔比：Yb=yb/(1-yb)=0.055/(1-0.055)=0.0582 NH3 吸收率（体积分数）：93%（已知）=(yb-ya)/yb NH3 排放含量（体积分数）：ya=yb-yb=0.055-0.0550.93=0.00385 出塔气相摩尔比：Ya=ya/(1-ya)=0.00385/(1-0.00385)=0.003865 进塔惰性气体流量： GB=2900273.

8、15(1-0.055)293.1522.4=114.0kmol/h, 由于该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系可按下式计算： 对于清水作吸收剂，Xa=0 (LS/GB)min=(Yb-Ya)/(Xb *-X a)=(Yb-Ya)/(Yb/m-Xa) =(0.0582-0.003865)/(0.0582/0.7541-0) =0.7040 取操作液气比为 1.6，则 (LS/GB)=1.6(LS/GB)min=1.60.7040=1.1264 L=1.1264114.0=128.4kmol/h 对全塔进行物料衡算，GB(Yb-Ya)=L(Xb-Xa) Xb=GB/LS(Yb-Ya)+Xa=114.0

9、(0.0582-0.003865)/128.4+0=0.04824 操作线方程：Y=(LS/GB)X+(Ya-(LS/GB)Xa)=1.1264X+0.003865 混气=1.178kg/m 3 Ya=0.003865 GB=114.0kmol/h 化工原理课程设计 3 四、四、填料塔的工艺尺寸计算填料塔的工艺尺寸计算 1.1.塔径的计算塔径的计算 气相质量流量：V=29001.178=3416.2kg/h 液相质量流量：L=128.418.02=2313.77kg/h 用纯水的流量计算 则，Eckert 通用关联图 1横坐标为： (L/V) (V/L) 0.5=0.0230, 查 Ecker

10、t 通用关联图得， 从横坐标 0.023 处引垂线与乱堆填料泛点线相交， 由该点的纵坐标得值为 0.21 左右 为计算方便，采用与液体喷淋密度无关的泛点填料因子平均值，查表（散装 填料泛点填料因子平均值） ，得 f=260m-1 (Dg25) sm g LVF L F /591 . 2 1178 . 1 1260 2 . 99881 . 9 21 . 0 21 . 0 u 22 . 0 = = 取 u=0.8uf=0.82.591=2.073m/s 则 m u Vs 704 . 0 073 . 2 14 . 3 3600/290044 D= = 圆整塔径 D=0.7m 泛点率的校核： u=4V

11、s/D2=42900/(36000.723.14)=2.094m/s u/uf=2.094/2.591=0.808 (不在允许范围 0.50.8 内） 填料规格校核： D/d=700/25=288 在允许范围内 液体喷淋密度的校核： 根据一些经验值，d75mm 散装填料的最小润湿速率(MWR) 可取最小润湿速率(LW)min=0.08m3/mh 查常用填料的特性数据表得 DN25 （2512.51.4）的比表面积 at=223m2/m3 U min=(LW)minat=0.08223=17.84m 3/(m3h) U=Lb/(0.785D2)=2691.78/(998.20.7850.7 2)

12、=7.01m3/(m3h) 8 在允许范围内 液体喷淋密度的校核： 查常用填料的特性数据表得 Dg38（38191.3）的比表面积 at=132.5m2/m3 U min=(LW)minat=0.08132.5=10.6m 3/(m3h) L=4699.6kg/h V=3416.2kg/h uF=3.048m/s D=0.7m 化工原理课程设计 5 U=Lb/(0.785D2)=4699.6/(998.20.7850.7 2)=12.2m3/(m3h) U min 此时，塔径 D 满足要求。 对一定塔径而言，满足径比下限的填料可能有几种尺寸，需据填料性能及经 济因素选定。一般来说，当塔径 D3

13、00mm 时选用 25mm 的填料，300nmD 900mm 时选用 2538mm 的填料；D900mm 时，选用 5076mm 的填料3。 此时塔径 D=700mm，选用 Dg38 应该是合理的。 2填料层高度的计算填料层高度的计算 脱吸因数 S=mG/L=0.7541114.0264.8=0.3247 气相总传质单元数 )1(ln 1 1 * * S mXY mXY S S N aa ab OG + = 481 . 3 3247 . 0 003865 . 0 0582 . 0 )3247 . 0 1(ln 247.301 1 =+ = 传质单元高度 HOG的计算 利用水吸收氨的经验公式计算

14、 用水吸收氨是易溶气体的吸收，吸收阻力主要集中在气膜层，但液膜阻力仍占相 当的比例(大于 10)。氨吸收系统的体积吸收分系数经验公式4为 式中 kGa气膜体积吸收分系数，kmol(m3hPa) kLa液膜体积吸收分系数，1/h； G气相空塔质量流速kg(m2h)； WL液相空塔质量流速，kg(m2h)。 式中各常数列于下表： kGa=0.0367(29001.178)0.724699.60.38=319.3kmol(m3hPa) kLa=0.0274699.60.78=19.75 h -1 )/(.713 5.719725 . 0 1 .3319 1 1 1 1 1 3 kPahmkmol a

15、Hkak aK LG G = + = + = m aPk V ak V Gy OG 213 . 0 7 . 0785 . 0 325.101.713 .0114 H 2 = = = = Z=HOGNOG=0.2133.481=0.742m NOG=3.481 HOG=0.213m 化工原理课程设计 6 Z=1.21.5Z,取 Z=1.4Z=1.40.7421.0m 查散装填料分段高度值推荐表5，对于阶梯环填料 h/D=815 hmax6m h/D=815 hmax6m 取 h/D=8， 则 h=80.7=5.6m 计算得填料层高度为 1.0m，所以不需要分段。 五、填料层压降的计算五、填料层压降的计算6 散装填料的压降值可由埃克特通用关联图计算。计算时，先根据气液负荷及 有关物性数据，求出横坐标(L/V)(V/L) 0.5值，再根据操作空塔气速 u 及 有关物性数据，求出纵坐标(u2p/g)(V/L)L0.2值。通过作图得出交点，读 出过交点的等压线数值，即得出每米填料层压压降值。 用埃克特通用关联图计算压降时，所需的料因子为操作状态下的湿填料因 子，称为压降填料因子，以由p表示。压降填料因子p与液体喷淋密度有关， 为了工业计算的方便，常采用与液体喷淋密度无关的压降填料因子平均值。 查散装填料压降填料因子平均值表得 p=116