填料吸收塔课程项目设计方案

1 填料吸收塔课程项目设计方案 一 设计任务书 （一）设计题目 水吸收 设计一座填料吸收塔，用于脱除焙烧炉送出的混合气体 (先冷却 )中的 其余为惰性组分，采用清水进行吸收。 混合气体的处理量 m3/h 2000 混合气体 积分数） 10% 97% 吸收剂的用量 与 最小用量 之比 二） 操作条件 （ 1）操作压力 常压 （ 2）操作温度 25 （三）设计内容 （ 1）吸收塔的物料衡算； （ 2）吸收塔的工艺尺寸计算； （ 3）填料层压降的 计算； （ 4）液体分布器简要设计； （ 5）吸收塔接管尺寸计算； （ 6）绘制吸 收 塔设计条件图； （ 7）对设计过程的评述和有关问题的讨论。 二 设计方案简介 案的确定 用水吸收 提高传质效率，选用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，且 采用纯溶剂。 料的类型与选择 2 对于水吸收 作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用 阶梯环是对鲍尔环的改进。 与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。 计步骤 本课程设计从以下几个方面的内容来进行设计 （一） 吸收塔的物料衡算 ；（二） 填料塔 的工艺尺寸计算；主要包括：塔径，填料层高度，填料层压降 ；（三） 设计液体分布器及辅助设备的选型 ；（四） 绘制有关吸收操作图纸 。 三 、 工艺计算 础物性数据 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，25 时水的有关物性数据如下： 密度为 L=997.1 kg/度为 L=as= mh) 表面张力为 L=32731 kg/0s=0h （依 . 518r 0 . 6()1 . 8 5 9 1 0 计算，查化学工程基础） 相物性数据 设进塔混合气体温度为 25 ， 混合气体的平均摩尔质量为 3 9=合气体的平均密度为 M/ 9 =合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得 25 空气的 粘度为 V=10s=mh) 查手册得 空气中的扩散系数为 0 s=m2/h （依1 000()P T 计算，其中 27300 s，查化学工程基础） 液相平衡数据 由手册查得，常压下 25 时 E=10 3 相平衡常数为 m=E/P=03/解度系数为 H=/03 物料衡算 (l). 进塔混合气中各组分的量 近似取塔平均操作压强为 ： 混合气量 2 7 3 . 1 5 12 0 0 0 ( ) 8 1 . 8 02 7 3 . 1 5 2 5 2 2 . 4 h 混合气 h h 设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空 气量 h 29 2135h (2)混合气进出塔的摩尔组成 4 120 . 18 . 1 8 ( 1 0 . 9 7 ) 0 . 0 0 3 3 27 3 . 6 2 8 . 1 8 ( 1 0 . 9 7 )（ 3）混合气进出塔摩尔比组成 进塔气相摩尔比为 111y 0 . 1 0 . 1 11 y 1 0 . 1Y 出塔气相摩尔比为 21 (1 ) 0 . 1 1 (1 0 . 9 7 ) 0 . 0 0 3 3 （ 4）出塔混合气量 出塔混合气量 =h =2135+h （ 5）吸收剂（水）的用量 L 该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算 12m i 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 m i n 0 . 1 1 0 . 0 0 3 3( ) 3 9 . 5 40 . 1 1 / 4 0 . 7 6 0取操作液气比为 m 3( ) . 3 3 9 . 5 4 5 1 . 4 0 5 1 . 4 7 3 . 6 2 3 7 8 4 . 0 7L h (6)塔底吸收液组成 2 1 2( ) ( )V Y Y L X X 1 7 3 . 6 2 ( 0 . 1 1 0 . 0 0 3 3 ) 0 . 0 0 2 0 83 7 8 4 . 0 7X (7)操作线方程 5 依操作线方程22 3 7 8 4 . 0 7( ) 0 . 0 0 3 37 3 . 6 2 Y X 5 1 3 3 料塔的工艺尺寸的计算 径的计算 采用 气相质量流量为 000 657.4 kg/h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 kg/h 其中： L =997.1 kg/ V =kg/m3 g = m/ 0 8 m/V = 2657.4 kg/h kg/h L =as （ 1）采用 通用 填料塔泛点和压降的通用关联图 如下 ： 6 图一 填料塔泛点和压降的通用关联图 （引自化工原理） 图中 空塔气速， m /s； 湿填料因子，简称填料因 子， 1 /m； 水的密度和液体的密度之比； g 重力加速度， m / V、 L 分别为气体和液体的密度， 分别为气体和液体的质量流量， s。 此图适用于乱堆的颗粒形填料，如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。对于其他填料，尚无可靠的填料因子数据。 用关联图的横坐标为 7 0 . 5 0 . 5w 6 8 1 8 8 . 9 4 1 . 3 2 8 7( ) ( ) 0 . 9 3 7w 2 6 5 7 . 4 9 9 7 . 1 查图 一查得纵坐标值为 2 0 . 2u ( ) 0 . 0 2 2g L 表一 散装填料泛点填料因子平均值 填料类型 填料因子， 1/m 属鲍尔环 410 117 160 金属环矩鞍 170 150 135 120 金属阶梯环 160 140 塑料鲍尔环 550 280 184 140 92 塑料阶梯环 260 170 127 瓷矩鞍 1100 550 200 226 瓷拉西环 1300 832 600 410 （ 化工原理课程设计 附录十一） 查得： 1170F m 0 . 2 0 . 20 . 0 2 2 0 . 0 2 2 9 . 8 1 9 9 7 . 1 0 . 9 8 7 /1 7 0 1 1 . 3 2 8 7 0 . 8 9 3 7 V m s （ 2）操作气速 由以下公式计算塔径：（化工原理课程设计） 4 对于散装填料，其泛点率的经验值为 u/ u=0. 7s （ 3）塔径 8 由 4 4 2 0 0 0 / 3 6 0 0 1 . 0 1 23 . 1 4 0 . 6 9 1 圆整塔径，取 D= （ 4） 泛点率校核： 22 0 0 0 / 3 6 0 0 0 . 5 8 5 /0 . 7 8 5 1 . 1u m s 0 . 5 8 5 1 0 0 % 5 9 . 2 7 % (0 . 9 8 7 在 允 许 范 围 内 ） （ 5） 填料规格校核： 1100 2 8 . 9 4 838 （ 6） 液体喷淋密度校核： 取最小润湿速率为 （ m3/mh 查填料手册得 塑料阶梯环 比表面积 m2h 32 m i 1 8 8 . 9 4 / 9 9 7 . 2 7 1 . 9 9 m /0 . 7 8 5 1 . 1U m h U 经以上校核可知，填料塔直径选用 D=1100理。 (1)传质单元数 1 4 0 . 7 6 0 . 0 0 2 0 8 0 . 0 8 4 7 8Y m X 220Y m X 解吸因数为 : 4 0 . 7 6 7 3 . 6 2 0 . 7 9 33 7 8 4 . 0 7 气相总传质单元数为 : 9 12221 l n ( 1 ) 11 0 . 1 1 0l n ( 1 0 . 7 9 3 ) 0 . 7 9 3 9 . 8 5 71 0 . 7 9 3 0 . 0 0 3 3 0 Y （ 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 0 . 1 0 . 20 . 7 5 0 . 0 52 221 e x p 1 . 4 5w C L t L L L L a g a 查 表二 : 常见材质的临界表面张力值 材质 碳 瓷 玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 钢 石蜡 表面张力 , m 56 61 73 33 40 75 20 得 C= 33 427680 kg/体质量通量为 : 226 8 1 8 8 . 9 4 7 1 7 8 9 . 1 7 / ( )0 . 7 8 5 1 . 1LU k g m h 气膜吸收系数由下式计算： 0 . 0 5 0 . 20 . 7 5 0 . 1 22284 2 7 6 8 0 7 1 7 8 9 . 1 7 7 1 7 8 9 . 1 7 1 3 2 . 5 7 1 7 8 9 . 1 71 e x p 1 . 4 59 3 2 7 3 1 1 3 2 . 5 3 . 2 1 7 3 9 9 7 . 1 1 . 2 7 1 0 9 9 7 . 1 9 3 2 7 3 1 1 3 2 . 50 . 6 0 4 7 气体质量通量为 : 10 . 730 . 2 3 7 V V t V VU a R T 气体质量通量 : 222 0 0 0 1 . 3 2 8 7 2 7 9 7 . 7 0 / ( )0 . 7 8 5 1 . 1VU k g m h 10 . 7322 7 9 7 . 7 0 0 . 0 6 6 1 3 2 . 5 0 . 0 5 10 . 2 3 71 3 2 . 5 0 . 0 6 6 1 . 3 2 8 7 0 . 0 5 1 8 . 3 1 4 2 9 80 . 0 3 6 3 / ( )m o l m h k P a 10 液膜吸收系数由下式计算 : 2 113 231218 33260 . 0 0 9 57 1 7 8 9 . 1 7 3 . 2 1 7 3 3 . 2 1 7 3 1 . 2 7 1 00 . 0 0 9 50 . 6 0 4 7 1 3 2 . 5 3 . 2 1 7 3 9 9 7 . 1 6 . 2 0 6 1 0 9 9 7 . 11 . 3 2 0 /L L L L 查表 三 : 常见填料塔的形状系数 填料类型 球形 棒形 拉西环 弧鞍 开孔环 值 设计填料类型为开孔环 所以 =则 1 . 11 . 1 30 . 0 3 6 3 1 3 2 . 5 0 . 6 0 4 7 1 . 4 5 4 . 3 7 6 9 k m o l / m k P wk a k 0 . 40 . 41 . 3 2 0 1 3 2 . 5 0 . 6 0 4 7 1 . 4 5 1 2 2 . 7 1 /L L wk a k 又因 u/ 50 需要按下式进行校正，即 1 . 42 . 21 9 . 5 0 . 51 2 . 6 0 . 5a k a k 可得： 1 . 432 . 21 9 . 5 0 . 5 9 2 7 0 . 5 4 . 3 7 6 9 5 . 8 5 k m o l / m k P . 6 0 . 5 9 2 7 0 . 5 1 2 2 . 7 1 1 2 4 . 4 1 /a hk a l h 则 11 311 1 . 2 9 7 k m o l / m k P 1 15 . 8 5 0 . 0 1 3 4 1 2 4 . 4 1a hk a H k a 由 27 3 . 6 21 . 2 9 7 1 0 1 . 3 0 . 7 8 5 1 . 10 . 5 9 0a K a （ 3）填料层高度的计算 由 0 . 5 9 9 . 8 5 7 5 . 8 2O G O N m 根据设计经验，填料层的设计高度一般为 Z ( (4式中 Z 设计时的填料高度， m； Z 工艺计算得到的填料层高度 ， m。 得 : Z = m 设计取填料层高度为 查： 表四 散装填料分段高度推荐值 填料类型 h/D m 拉西环 4 矩鞍 5 8 6 鲍尔环 5 10 6 阶梯环 8 15 6 环矩鞍 5 15 6 对于阶梯环填料， 8 15， 8则 h=81 100=8800 3 0 0 8 8 0 0m m m m 12 故需分为两段，每段高 采用 横坐标为 : 0 . 5 0 . 9 3 7 表五 散装填料压降填料因子平均值 填料类型 填料因子 , 1/m 属鲍尔环 306 - 114 98 - 金属 环矩鞍 - 138 1 36 金属阶梯环 - - 118 82 - 塑料鲍尔环 343 232 114 125 62 塑料阶梯环 - 176 116 89 - 瓷矩鞍环 700 215 140 160 - 瓷拉西环 1050 576 450 288 - 查表 得， p =116 坐标为 : 2 20 . 2 0 . 20 . 5 8 5 1 1 6 1 1 . 3 2 8 7 0 . 8 9 3 7 0 . 0 0 5 39 . 8 1 9 9 7 . 1 查 : P/Z = m 填料层压降为 : P=、 辅助设备的计算及 选 型 1. 除雾沫器 穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫， 3 防止泡沫随 出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。 丝网除雾沫器：一般取丝网厚度 H=100150 体通过除沫器的压降约为 120250 通过丝网除沫器的最大速 9 9 7 . 1 1 . 3 2 7 80 . 0 8 5 2 . 3 2 7 7 /1 . 3 2 7 8k m s 实际气速为最大气速的 所以 实际气速 u=. 3277=s （ 1） 液体分布器的选型 该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器。 （ 2） 分布点密度计算 表六 散装填料塔分布点密度推荐值 塔径 ,布点密度 ,点 / 截面 D=400 330 D=750 170 D 1200 42 按 因该塔液相负荷较大，设计 取喷淋点密度为 140点 / 布液点数为 n=. 121 40=3 3点 按分布点几何均 匀与流量均匀的原则，进行布点设计。 设计结果为：二级槽共设七道，在槽侧面开孔，槽宽度为 80槽高度为 210两槽中心矩为 160 分布点采用三角形排列，实际设计布点数为 n=132 点 . 14 图 二 槽式液体分布器二级槽的布液点示意图 （ 3） 布液计算 由 重力型液体分布器布液能力计算 由 20 24SL d n g H 式中 液体流量， m3/s； n 开孔数目 (分布点数目 )； 孔流系数，通常取 孔径， m ； H 开孔上方的液位高度， m。 取 = H =160则0 . 500 . 5424 6 8 1 8 8 . 9 4 / 9 9 7 . 1 3 6 0 03 . 1 4 1 3 2 0 . 6 2 9 . 8 1 0 . 1 60 . 0 1 3 1g 设计取0 14d 体分布器的安装一般高于填料层表面 150300 取决于操作弹性 )，槽式分布器主槽分槽高度均取 210槽宽度为塔径的 里取塔径的 15 分槽宽度 由 液体量及停留时间确定，最低液位为 50高液位由操作弹性塔内允许高度及造价确定，一般为 200 右 。 在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体 便开始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心处填料的不到好的润湿，形成所谓的“干锥体”的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。因此每隔一定的距离设置液体再分布装置，以克服此现象。 由于塔径为 1100因此 可 选用升气管式再分布器 ， 分布外径 1180升气管数 8。 3 填料支承装置 填料支承结构用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。对填料的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量 ;提供足够的自由截面以使气液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。常用 填料支承板有栅板式和气体喷射式。这里选用分块梁式支承板 。 为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。 对于塑料散装填料， 本设计选用创层限制板 。 3气体和液体的进出口装置 管道的公称通径 75 80 90 100 120 130 140 160 185 205 235 260 315 （ 1）气体和液体的进出口直径的计算 由公式 4 流体的体积流量， m3/s u 为适宜的流体流速， m/s . 常压气体进出口管气速可取 1020m/s；液体进出口速度可取 .5 m/s（必要时可加大） 。 16 选气体流速为 15 m/s 由 000/3600=m3/s 代入上公式 得 d=217 气体进出口管径为 d=235液体流速为 2.0 m/s，由 （ 3600 =s 代入上公式得 d=110 整之后液体进出口管径为 d=120 2）底液出口管径：选 择 d= 75 3）泵的选型由计算结果可以选用 ： （ 4）塔附属高的确定 塔的附属空间高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器和液体再分度器所需的空间高度，塔的底部空间高度以及塔的群坐高度。塔的上部空间高度是指塔填料层以上，应有一足够的空间高度，以使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来，该高度一般取 装液体再分布器所需的塔空间高度依据所用分布器的形式而定一般需要 塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离。该空间高度含釜液所占的高度及釜液面上方的气液分离高度的两部分。 釜液所占空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及釜液在塔内的停留时间确定出空间容积，然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间高度。 塔底液相液相停留时间按 1塔釜液所占空间为 1 21 6 0 3 7 8 4 . 9 7 1 8 . 0 2 10 . 7 8 5 3 6 0 0 9 9 7 . 1 1 . 1 考虑到气相接管所占的空间高度，底部空间高度可取 以塔的附属空间高度可以取 。 （ 5）人孔 公称压力 公称直径 密封面型 标准号 常压 450 面 (17 五、 设计结果汇总 课程设计名称 水吸收 计 操作条件 操作温度 25摄氏度 操作压力：常压 物性数据 液相 气相 液体密度 997.1 kg/合气体平均摩尔质量 kg/体粘度 m h) 混合气体的平均密度 kg/体表面张力 932731 混合气体的粘度 0 -6 m2/h m2/h 重力加速度 0 8 m/h 气相平衡数据 相平衡常数 m 溶解度系数 H 0 3 料蘅算数据 2 2 气相流量 G 液相流量 L 最小液气比 操作液气比 h h 艺数据 气相质量流量 液相质量流量 塔径 气相总传质单元数 气相总传质单元高度 填料层高度 填料层压降 料塔附件 除沫器 液体分布器 填料限定装置 填料支承板 液体再分布器 丝网式 二级槽式 床层限制版 分块梁式 升气管式 18 六、 工艺流程图 下图是本设计的工艺流程简图 图二 工艺流程简图 19 七、课程设计总结 本次课程设计是在生产实习后进行的，是对化学工程的过程设计及设备的选择的一个深层次的锻炼，也是对实际操作的一个加深理解。 在设计过程中遇到的问题主要有：（ 1）未知条件的选取； (2)文献检索的能力；（ 3）对吸收过程的 理解和计算理论的运用；（ 4）对实际操作过程中设备的选择和条件的最优化；（ 5）对工艺流程图的理解以及绘制简单的流程图和设备结构；（ 6）还有一些其他的问题，例如计算的准确度等等。 当然，在本次设计中也为自己再次重新的复习化工这门学科提供了一个动力，对化工设计过程中所遇到的问题也有了一个更深的理解。理论和实际的结合也是本次设计的重点，为日后从事相关工作打下了一定的基础。 最后，深感要完成一个设计是相当艰巨的一个任务，如何细节的出错都有可能造成实际操作中的经济损失甚至生命安全。 八、 主要符号说明 填料的总 比表面积， m