化工原理课程设计 年处理量为吨的水吸收氨气工艺设计

化工原理课程设计

题目年处理量为吨的水吸收氨气

工艺设计

教学院—

专业班级

学生姓名____________________

学生学号__________

指导教师____________________

2010年6月15日

课程设计任务书

1、设计题目：处理量为3000（m3/h）氨气的工艺设计；

试设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气体的处理量为3300（m3/h）,

其中含空气为95%,氨气为5%（体积分数），要求塔顶排放气体中含氨低于％（体积分数）,

采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小用量的倍。（20C。氨在水中的溶解度系数为H=）

2、工艺操作条件：

（1）操作平均压力常压

（2）操作温度t=20℃

（3）每年生产时间：7200ho

（4）选用填料类型及规格自选。

3、设计任务：

完成干燥器的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统的工艺流程图

和吸收塔的工艺条件图，编写设计说明书。

目录

摘要.___________________________________________________________错

目录______________________________________________________________________________111

第一章绪9〃2

吸收技术概况2

1.根据给定的分离任务,确定吸收方案;2

3.依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计;2

吸收设备的发展2

吸收在工业生产中的应用2

1.3.1吸收的应用概况2

1.3.2典型吸收过程3

吸收剂的选择4

吸收操作参数的选择4

2.2.1操作压力的选择

吸收压力高

优点：提高吸收过程的推动力,减少了气体的体积流量,可以减小塔径；

缺点：降低了吸收剂的选择性；吸收塔的造价可能升高.

吸收压力低则相反.

一般应该从过程的经济性角度出发,必须兼顾吸收和解吸以及整个工艺的操作条件,选择

合适的操作压力.4

2.2.2吸收温度的选择4

填料的选择5

2.3.1填料层5

2.3.2填料种类的选择5

2.3.3填料规格的选择5

2.3.4填料材质的选择6

填料的类型6

2.4液体分布装置8

吸收剂再生方法的选择9

第三章吸收塔的工艺计算._________________________________________________________11

基础物性数据11

3.1.1液相物性数据11

3.1.2气相物性数据11

3.2物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成11

塔径的计算12

3.3.1塔径的计算12

3.3.2泛点率校核13

3.3.3填料规格校核13

3.3.4液体喷淋密度校核13

填料层高度计算14

3.4.1传质单元高度计算14

3.4.2填料层高度的计算16

填料层压降的计算16

第四章塔附属设备工艺计算V18

塔附属高度的计算18

液体初始分布器和再分布器的选择与计算18

4.2.1液体分布器18

4.2.2液体再分布器19

4.2.3塔底液体保持管高度19

其它附属塔内件的选择20

4.3.1填料支撑装置20

4.3.2填料压紧装置21

4.3.3气体的进出口装置21

4.3.4液体的出口装置______________________________________________________________________22

4.3.5除沫装置_____________________________________________________________________________22

吸收塔的流体力学参数计算22

4.4.1吸收塔的压力降22

4.4.2吸收塔的泛点率22

4.4.3气体动能因子23

其他附属设备的计算与选择⑶23

4.5.1吸收塔的主要接管尺寸的计算23

4.5.2离心泵的计算与选择24

结论______________________________________________________________________________25

主要符号说明.______________________________________________________________________26

结束语____________________________________________________________________________28

参考文献.__________________________________________________________________________29

摘要

填料塔洗涤吸收净化工艺不单应用在化工领域，在低浓度工业废气净化方面也能很好地

发挥作用。工程实践表明，合理的系统工艺和塔体设计，是保证净化效果的前提。

此设计是在各种版本教材和资料的基础上、在吸收原理的支持下，由本人编辑设计而成

的，其中的各种物性数据全部来自于其他各种版本、各类于吸收有关的图书、教材之上，它

们仍保持着客观物质的特性。在选材和计算理论上，也有着与其它吸收设计相同的基本原理。

首先，在此设计中讲述了吸收技术的概况、发展以及应用，当今吸收技术的发展状况；

再讲述怎样根据所给的已知条件来确定吸收方案，如吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸

方法选择、设备类型选择、操作参数的选择等内容；在计算环节，先要集众家之所有--查出

所有相关的物性数据，由此计算出相应的理论结果，确定出理论上吸收的工程图。

关键词：水填料塔吸收氨气低浓度

第一章绪论⑴

吸收技术概况

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。

实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收过程应包

括吸收和解吸两部分，因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。

作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气体处理量、混合气体组成、温度、

压力以及分离要求的条件下，完成以下工作：

1.根据给定的分离任务，确定吸收方案；

2.根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；

3.依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计；

4.绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；

5.编写工艺设计说明书.

吸收设备的发展

对于吸收过程，能够完成分离任务的塔设备有多和，如何从众多的塔设备中选择合适类

型是进行工艺设计的首要任务。而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后，并经

多方面对比方能得到满意的结果。一般而言，吸收用塔设备与精锚过程所需要的塔设备具有

相同的原则要求，用较小直经的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良

好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，便于安装、操作和维修等。

但是吸收过程，一般具有液气比大的特点，因而更适用填料塔。此外，填料塔阻力小，

效率高，有利于过程节能。所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。近年来随着化工产

业的发展，大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产当中。具有了很高的吸收效率，以及在

节能方面也日趋完善。填料塔的工艺设计内容是在明确了装置的处理量，操作温度及操作压

力及相应的相平衡关系的条件下，完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内件设计。在今后的化学

工业的生产中，对吸收设备的要求及效率将会有更高的要求，所以日益完善的吸收设备会逐

渐应用于实际的工业生产中C

吸收在工业生产中的应用

1.3.1吸收的应用概况

吸收操作广泛地用于气体混合物的分离，其在工业上的具体应用大致有以下几种：

（1）原料气的净化。为出去原料气中所含的杂质，吸收可说是最常见的方法。就杂质的

浓度来说，多数很底，但因为危害大而仍要求高的净化率。例如用水或碱液脱除合成氨原料

气中的二氧化碳，用丙酮脱除裂解气中的乙快等。

（2）有用组分的回收。如从合成氨厂的放空气中用水回收氨：从焦炉煤气中以洗油回收

粗苯（包括苯、甲苯、二甲苯等）蒸气和从某写干燥废气中回收有机溶剂蒸气等,

（3）某些产品的制取。将气体中需用的成分以指定的溶剂吸收出来，成为溶液态的产或

半成品。如制酸工业中从含盐酸、氮氧化物、三氧化硫的气体制取盐酸、硝酸、硫酸；在甲

醇I（乙醇）蒸气经氧化后，用水吸收以制成甲醛（乙醛）半成品等。

（4）废气的治理。很多工业废气中含有二氧化硫、氮氧化物（主要是一氧化氮及二氧化

氮）、汞蒸气等有害成分虽然浓度一般很底，但对人体和环境的危害甚大而必须进行治理。这

类环境保护问题在我国已愈来愈受重视。选择适当的工艺和溶剂进行吸收，是废气治理中应

用教广的方法。

当然，以上目的有时也难于截然分开，如干燥废气中的有机溶剂，能回收下来就很有

价值，任其排放则会然大气c

1.3.2典型吸收过程

煤气脱苯为例:在炼焦及制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气内含有少量的苯、甲苯类

低碳氢化合物的蒸汽（约35g/〃?3）应予以分离回收，所用的吸收溶剂为该工业生产过程中

的副产物，即焦煤油的精制品称为洗油。

回收苯系物质的流程包括吸收和解吸两个大部分。含苯煤气在常温下由底部进入吸收塔,

洗油从塔顶淋入，塔内装有木栅等填充物。在煤气与洗油接触过程中，煤气中的苯蒸汽溶解

于洗油，使塔顶离去的煤气苯含量降至某允许值（＜2g/〃"），而溶有较多茶系物质的洗油（称

富油）由吸收塔底排出。为取出富油中的苯并使洗油能够再次使用（称溶剂的再生），在另一个

称为解吸塔的设备中进行与吸收相反的操作一一解吸。为此，可先将富油预热到170。。左右

由解吸塔顶淋下，塔底通入过热水蒸气。洗油中的苯在高温下逸出而被水蒸气带走，经冷凝

分层将水除去，最终可得苯类液体（粗苯），而脱除溶质的洗油（称贫油）经冷却后可作为吸

收溶剂再次送入吸收塔循环使用.

第二章设计方案⑴

吸收剂的选择

吸收剂又叫溶剂，吸收过程是依靠气体在吸收剂中的溶解来实现的，因此，选择良好的吸收

剂是吸收过程的重要一环

选择吸收剂的基本要求：

1.吸收剂应具有较大溶解度，以提高吸收速率减少吸收剂用量，降低输送与再生的能耗。

2.选择性好，吸收剂对混合气体的溶质要有良好的吸收能力，而对其它组分不吸收或吸收

甚微。以提高吸收速率，减小吸收剂用量。

3.操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以为离开吸收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸

收剂的挥发度愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。

4,粘度要低，以利于传质与输送；有利于气液接触，提高吸收速率。

5.具有较好的化学稳定性及热稳定性，以减少吸收剂的降解和变质，尤其在使用化学吸收

剂时。

6.其它，所选用的吸收剂还应满足无毒性，无腐蚀性，不易燃易爆，不发泡，冰点低，廉

价易得以及化学性质稳定等要求。

吸收操作参数的选择

吸收塔的操作参数主要指操作压力和操作温度

2.2.1操作压力的选择

吸收压力高

优点：提高吸收过程的推动力,减少了气体的体积流量,可以减小塔径；

缺点：降低了吸收剂的选择性；吸收塔的造价可能升高.

吸收压力低则相反.

一般应该从过程的经济性角度出发,必须兼顾吸收和解吸以及整个工艺的操作条件,选择

合适的操作压力.

2.2.2吸收温度的选择

对于物理吸收

吸收温度低：

优点溶质的溶解度增大，减少溶剂用量，推动力增大，降低塔高度，减轻解吸塔的负

荷.

缺点低于常温的操作会增加操作费用.

对于化学吸收

吸收温度高

优点化学反应速度快；

缺点传质推动力降低.

一般情况下,常温下的吸收和解吸操作,过程的操作费用最低

填料的选择

2.3.1填料层

填料塔内充以某种特定形状的固体填料以构成填料层。填料层是塔实现气、液接触的主

要部位。填料的主要作用是：①填料层内空隙体积所占比例很大，填料间隙形成不规则的弯

曲通道，气体通过时可达到很高的湍动程度；②单位体积填料层内提供很大的固体表面，液

体分布于填料表面呈膜状流下，增大了气、液之间的接触面积。

填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，

又要使设备投资和操作费用最低。

2.3.2填料种类的选择

填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选择填料既要满足生产工艺的要求,

又要使设备投资和操作费用较低。填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下儿

个方面：

(1)传质效率要高一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料

(2)通量要大在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能

因子的填料

(3)填料层的压降要低

(4)填料抗污堵性能强，拆装、检修方便

2.3.3填料规格的选择

填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。

(1)散装填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、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，通量减少，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，一般塔径与填料公称直径的比

值D/d应大于8o

(2)规整填料规格的选择工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习

惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格，同种类型的规整填

料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，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技术要求，又具有经济合理性。

应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型不同规格的

填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，

而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规

格。

2.3.4填料材质的选择

填料的类型

1拉西环填料

优点：易于制造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛

的应用。

缺点：由于高径比大，堆积时填料间易形成线接触，因此液体在填料层流动时，常存在严重

的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高

2阶梯环填料(Stairring)

填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错45°的十字

形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。

这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%,

压降则可降低25%,且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。

阶梯环一般由鳖料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应

用。

3鲍尔环填料

在拉西环的基础上发展起来的鲍尔环是在的侧壁上开一层或两层长方形小孔，小孔的母材并

不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。

同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气

液流通，使环内壁面充分利用。

比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也

大大降低。

鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。

金属英特洛克斯（Intalox）填料

将环形结构与鞍形结构的特点集于一体而形成的一种独特结构的填料，具有生产能力大、压

降低、液体分布性能好、传质速率高及操作弹性大等优良性能，因而获得广泛应用，在减压

蒸镭中其优势更为显著。

网体填料(Wiregauzepackings)

上述几种形式的填料属实体填料，与之对应的另一类金属丝网制成的填料称为网体填料。网

体填料也有多种形式，如网环和鞍型网等。

优点：因网丝细密，填料的空隙很高，比表面积很大。由于毛细管作用，填料表面润湿性能

很好。故网体填料气体阻力小，传质速率高。

缺点：造价很高，故多用于实验室中难分离物系的分离。

®

规整填料规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。

使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。

优点：空隙大，故生产能力大，压降小，且因流道规则，所以只要液体初始分布均匀，则在

全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。

缺点：造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。

2.4液体分布装置

液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。

喷头式分布器如图4T6(a)所示。液体由半球形喷头的小孔喷出，小孔直径为3〜10mm,

作同心圈排列，喷洒角W80°,直径为(1/3~1/5)D。这种分布器结构简单，只适用于直径小

于600nmi的塔中。因小孔容易堵塞，一般应用较少。

盘式分布器有盘式筛孔型分布器、盘式溢流管式分布器等形式。如图3T6(b)、(c)所

示。液体加至分布盘上，经筛孔或溢流管流下。分布盘直径为塔径的〜倍，此种分布器用于

D<800mrn的塔中。

管式分布器由不同结构形式的开孔管制成。其突出的特点是结构简单，供气体流过的自

由截面大，阻力小。但小孔易堵塞，弹性一般较小。管式液体分布器使用十分广泛，多用于

中等以下液体负荷的填料塔中。在减压精饰及丝网波纹填料塔中，由于液体负荷较小故常用

之。管式分布器有排管式、环管式等不同形状，如图片3T6(d)、(e)所示。根据液体负荷

情况，可做成单排或双排。

槽式液体分布器通常是由分流槽(乂称主槽或一级槽)、分布槽(乂称副槽或二级槽)构

成的。一级槽通过槽底开孔将液体初分成若干流股，分别加入其下方的液体分布槽。分布槽

的槽底(或槽壁)上设有孔道(或导管)，将液体均匀分布于填料层上。如图片3T6(f)所

示。槽式液体分布器具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，特别适合于大气液负荷及含有

固体悬浮物、粘度大的液体的分离场合。由于槽式分布器具有优良的分布性能和抗污堵性能,

应用范围非常广泛。

槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它将槽式及盘式分布器的优点有机地结

合一体，兼有集液、分液及分气三种作用，结构紧凑，操作弹性高达10:1。气液分布均匀，

阻力较小，特别适用于易发生夹带、易堵塞的场合。槽盘式液体分布器的结构如图片3T6(g)

所示。

B93-16流年分布r

“)★失火；(b)金文舞孔交；(c)t大；(d)找管大；

(e)环皆火；(f)<A；(K)

吸收剂再生方法的选择

依据所用的吸收剂不同可以采用不同的再生方法，工业上常用的吸收剂再生方法主要有

减压再生，加热再生及气提再生等。

(一)减压再生(闪蒸)

吸收剂的减压再生是最简单的吸收剂再生方法之一。在吸收塔内，吸收了大量溶质后的

吸收剂进入再生塔并减压，使得溶如吸收剂中的溶质得以再生。该方法最适用于加压吸收，

而且吸收后的后续工艺处于常压或较低压力的条件，如吸收操作处于常压条件下进行，若采

用减压再生，那么解吸操作需在真空条件下进行，则过程可能不够经济。

(二)加热再生

加热再生也是吸收剂再生最常用的方法。吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔内并加

热使其升温，溶入吸收剂中的溶质得以解吸。由于再生温度必须高于解吸温度，因而，该方

法最适用于常温吸收或在接近于于常温的吸收操作，否则，若吸收温度较高，则再生温度必

然更高，从而，需要消耗更高品位的能量。一般采用水蒸汽作为加热介质，加热方法可以依

据具体情况采用直接蒸汽加热或采用缉间接蒸汽加热。

第三章吸收塔的工艺计算⑵

基础物性数据

3.1.1液相物性数据

pL=998.2(幅/加)4=1004xS)=3.6(必/wh)

冽)

5=72.6(dyn/c/w)=940896伏g/h2)2=1.76x10-9(3/$

3.1.2气相物性数据

混合气体平均密度：2=L181(依/〃力

空气黏度;人=1.8lxIO-(p〃.$)=0.065(例/7n・h)

2

273K,.氨气在空气中扩散系数:Do=0.17(m/s)

3.2物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成

2C℃,下氨气在水中的溶解度系数H=0.725kmo〃府・kpa

998.2

m=A

-=0.754

/7MSP0.785x18x101.3

0.05八

进塔气相摩尔比：X---------=0.0526

1-0.05

0.05^0.996)

出塔气相摩尔比：X=0()00211

1-0.05

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成：X2=0

3000x273_

混合气体流量：।-293x22.4一24.787kmol/h

V

进塔惰性气体流量：=137,265x(1-0,05)=118.547kmoi/h

吸收过程属于底浓度吸收，平衡关系为直线，最小气液比可按下式计算:

K-K,0.0526-0.000211八^

2-\_____z=__________________________=U/si

k丫/min-%--X?一(0.0526/0.754)-0一,

m

取操作气掖比为最小气液比的2倍，可得吸收剂用量为:

L=0.75lxl.7xl30.402=]5\349Kmol/h

根据全塔物料衡算式：

v(^-K)=L(x.-x2)

=V(^-K)+=O.O526-O.OOO211=OO41O

L~0.751x1.7

VV；_151.349x18

液气比：=0.769

田—3000x1.181

塔径的计算

3.3.1塔径的计算

考虑到填料塔内塔的压力降，塔的操作压力为Ka

•・•M=0.05x17+0.95x29=28.4(Kg/Kmol)

PM33

101.3X10X28.4X10,IO1/EZ/N

'RT8.3145x(273-20),7

液体密度可以近似取为

q=998.2(Kg//叫

采用贝恩一一霍夫泛点关联式:

li2a

f,PV..0.28

=A-K出『2

3

g£PLW7\PL)

lg白粽)嫖C产

1.181V

=0.204-1.75x0.7694x

998.2)

=-0.502

w.=4.261m/sVM=(().5-0.8)wz

取泛点率为.即〃=0.6々=0.6x4.267=2.569"?/s

D=£=73000/(0.785x2.569x3600)=0.644(〃z)圆整后取£)=0.6(m)=600(〃〃〃)

3.3.2泛点率校核

•3()(X)…八/,、

u---------------r=2.949(，"/5)

3600x0.75x0.6217

2.949

=0.691

4.267

在（50%—80盼之间，所以符合要求.

3.3.3填料规格校核

根据要求应选择环形填料中的塑料阶梯环.由于所选用的塔径为700〃加，又根据填料与

塔径的对应关系及实际操作要求，区尺寸为50的塑料阶梯环,此填料规格如下：

公称直径:50mm孔隙率£:

比表面积a:"/1）填料因子：89〃尸填料常数A:

所以有0/1=600/50=12,即符合要求.见下图：3-1

3.3.4液体喷淋密度校核

最小的喷淋密度（向=0.08/7?/（力〃）

q=114.2(加2/局

4—而4

=0.08x114.2=9.136///(疗,力

"151.349x18/998.2

U==9.657nr/(nr*h)

0.785D20.785x0.62

U>Umin故满足最小喷淋密度的要求.

填料层高度计算

3.4.1传质单元高度计算

、3/2

T

273K,下，氨气在空气中的扩散系数a=0.17(c//s).由A=4Po，则293K,下,

、p

氨气在空气中的扩散系数2=0.189(C77?2/5)

293K,下，氨气在水中的扩散系数A=1.76xl()-9(〃?2/s)(查化工原理附录)

匕=M=0.754x0.0410=0.0309

Y：=mXy=0

脱吸因数为：S=—=0754=0.591

L0.751x1.7

1电-S)矮+s

气相总传质单元数为：N

OG\-S

1

1-0.591

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:

\O.75-0.05

a2

4

—=1-exp*-1.45—

IPQLD)

%151.349x18

液体质量通量为：U=二9640.06Kg/。7./?)

L0.785xD20.785x0.62

叱._3(XX)xl.l81

气体质量通量为：U-=12537.12&/(二.力)

v0.785xD20.785x0.62

故

x0.75z)\-0.05z、

‘4276809640.0619640.06?x114.2](9640.062

-exp.-1.45114.2x3.6J28

k998.2xL27xl())1k997.08x94()896x114.2>

4<940896

/12537.12、<0.065y[14.2x0.189x1()7x3600、

故心=0.237

JI4.2x0.065>J.⑻><0.189x107x3600/、8.314x293,

=Kmol/(m2-h•kpa)

液膜吸收系数

21।

…”(9640.06V(3.6丫，(3.6x1.27x10)

10.3435x114.2、3.6Jl<998.2xl.76xl0-9x3600J1998.2)

=0.5072(7?///?)

查表得-二故

Q404

KGa=七处,“‘二xxx1.45"/(加・力・切〃)K,a=Kfawy/xxx1.45l/h

以下公式为修正计算公式:

K>=1+9.5--0.5K.a

W)

=[l+9.5x(0.191)"]x7.679=8.186Kmo//(，/.a.mi)

z\2.2-

KLa=1+9.5—-0.5KLa

=(1+9.5x0.19122)x23.461=29.300^W/(m3・h,kpG)

则KGa=——(H为溶解度系数)；

-------1---------

f

KGaHKLa

1

---i-+-------i-----

8.1860.725x29.300

二KmolI(TIT-h•kpa)

,„VV

由H0c=-----=-------

KyaClKGCIPQ

二________130.402_______

7.679xl01.3x0.785x0.62

=0.701m

3.4.2填料层高度的计算

由Z=HOG-NOG=0.701X11.321=7.936/n

取上下活动系数为

故Z'=1.5Z=1.5x7.936=9.5痴故取填料层高度为10nl.

查化工原理课程设计145页表5-16散装填料分段高度推荐值查得:

塑料阶梯环h/du8~15/?nuix<6m

取h/d=9得h=x=5.4m

故填料层需要分为二段，分别高度为5口。

填料层压降的计算

填料层压降:气体通过填料层的压降采用Eckert关联图计算，

其中横坐标为：

\0.5

WLPv1.181

=0.769x

k998.2J

HI

查表5-18得

①/,=89"r’

纵坐标为

“2①X々J="*翳"

g

查图得

3-2Eckert图

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.1

0.08

0.06

0.04

0.02

0.01

0.008

0.006

0.004

0.002

△P

-----X790Pa/m

Z

填料层压力降△?=790x10=7.9(kPa)

第四章塔附属设备工艺计算⑶

塔附属高度的计算

取塔上部空间高度可取,塔底液相停留时间按5min考虑，则塔釜所占空间高度为

5x60x151.349x18

二().805(加)

40.62x0.785x3600x998.2

考虑到气相接管所占的空间高度，底部空间高度可取，所以塔的附属高度可以取.填料层在中

间高度取.

所以塔高为"=4.0+10+0.6=14.6m

液体初始分布器和再分布器的选择与计算

4.2.1液体分布器

液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液

体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，

液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好

也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的

填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。

液体分布器的性能主要由分布器的石液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均

匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定,设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸°

对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；

不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水

平。

液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动

力或按结构形式分。若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和

溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多

孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器

和溢流槽式液体分布器。

根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应依据所用

填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越高所需的喷淋点密度越大这

一规律。

分布点密度计算：

按Eckert建议值，Dg750时，喷淋点密度为170点/而，所以设计取喷淋点密度为170

点/m2o

总布液孔数n=O.785D2xl70=0.785x0.62xl70=48.04。

取布液孔数为：48点

布液计算：

由康瑞=7.583。，，"

取中二，AH=m

也7.581xlO-4

=4.11x105m

兀〃①J2gV0.785x48x0.60x,2x9.81x0.2

取4=5mm

由计算得，设计布液点数为48点，直径为5mm

4.2.2液体再分布器

液体在乱堆填料层内向下流动时，有一种逐渐向塔壁流动的趋势，即壁流现象。为提高

塔的传质效果，当填料层高度与塔径之比超过某一数值时，填料层需分段。为改善壁流造成

的液体分布不均，在各段填料层之间安设液体再分布器，以收集来自上一填料层来的液体，

为下一填料层提供均匀的液体分布。在填料层中每隔一定高度应设置一液体再分布器。

在通常情况下，一般将液体收集器与液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。

液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。

液体收集再分布器的种类很多，大体上可分为两类：一类是液体收集器与液体再分布器

各自独立，分别承担液体收集和再分布的任务。另一类是集液体收集和再分布功能于一体而

制成的液体收集和再分布器C

液体再分布器有与百叶窗式集液器配合使用的管式或槽盘式液体再分布器、多孔盘式再

分布器和截锥式液体再分布器。最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器，其结构简单，

安装方便，一般多用于直径小于的填料塔中，以克服壁流作用对传质效率的影响C

由于此次设计填料层高度为10m需分段，根据实际情况选取多孔盘式液体再分布器。为

防止上一填料层来的液体直接流入升气管，应于升气管上设盖帽。

4.2.3塔底液体保持管高度

塔底液体保持管高度可以根据液体的流率及布液孔的直径选定。由《化工单元过程及设

备课程设计》［匡国柱史启才编北京化学工艺出版社］P277式(6-65)可知：

塔底液位保持管高度与所需的布液孔直径两者之间的关系如下

V=；d%k12gk

布液孔直径为4mm,液体保持管高度为

.（^\l.（7.581xlO-4GQin

h=\——？一/2g=--------------z-----/2x9.81=0.068m

[7id2nkJ/I（）.785x48x（）.（X）52x0.60）/

k为孔流系数，其值由小孔液体流动雷诺数决定，在雷诺数大于1000的情况下,可取。液

位高度的确定应和布液孔径协调设计,使各项参数均在一定范围。

对于重力式排管液体分布.器，液位保持管的高度由液体最大流率下的最高液位决定，一

般取最高液位的倍。

故液体保持管高度为〃'=1.15〃=1.15x0.068=0.079（a）=79（〃〃〃）

其它附属塔内件的选择

填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装

置等，还有封头、管法兰、筒体等。合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及

优良的传质性能十分重要。

4.3.1填料支撑装置

填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量，同时保证气液两相顺利通过。

支承若设计不当，填料塔的液泛可能首先发生在支承板上。为使气体能顺利通过，对于普通

填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。此

外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截

面。自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛。由

于填料支承装置本身对塔内气液的流动状态也会产生影响，因此作为填料支承装置，除考虑

其对流体流动的影响外，一般情况下填料支承装置应满足如下要求：

（1）足够的强度和刚度，以支持填料及所持液体的重量（持液量），并考虑填料空隙中的持

液量，以及可能加于系统的压力波动，机械震动，温度波动等因素。

（2）足够的开孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在支撑处发生液泛；为使气体

能顺利通过，对于普通填料塔,支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上,

且应大于填料的空隙率。此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，

所以设计时应取尽可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。增

加压强降，降低效率，甚至形成液泛。

（3）结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大于

20Pa）；

（4）结构简单，便于加工制造安装和维修。

（5）要有一定的耐腐蚀性。

常用的填料支承装置有栅板形和驼峰形及各种具有气升管结构的支承板。

由设计条件，本次设计中选用栅板形支承板。

4.3.2填料压紧装置

为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动,保持操作中填料床层为一恒定的固

定床，从而必须保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，故需在填料层上方设置填料

压紧装置。

填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类。对于散装填料，可选用压紧网板，也

可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定；对

于规整填料，通常选用压紧栅板。设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛,

要求填料压紧装置的自由截面积应大于70%o

填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧，它适用于陶瓷、石墨制成的

散装填料。它的作用是在高气速（高压降）和负荷突然波动时，阻止填料产生相对运动，从

而避免填料松动、破损。由于填料易碎，当碎屑淤积在床层填料的空隙间，使填料层的空隙

率下降时，填料压板可随填料层一起下落，紧紧压住填料而不会形成填料的松动、降低填料

塔的生产能力及分离效率。

床层限制板用于金属散装填料、塑料散装填料及所有规整填料它的作用是防止高气速

高压降或塔的操作突然波动时填料向上移动而造成填料层出现空洞，使传质效率卜.降。由于

金属及塑料填料不易破碎，且有弹性，在装填正确时不会使填料下沉，故床层限制板要固定

在塔壁上。

为了便于安装和检修，填料压紧装置不能与塔壁采用连续固定方式，对于小塔可用螺钉

固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。

本次设计的填料塔采用押金网板，设置自由截面积为85%。采用支耳固定。

4.3.3气体的进出口装置

填料塔的气体进口装置尽量使气体分散均匀，同时还能防止塔内下流的液体流入气体管路

中。常用的办法是使进气管伸至塔的中心线位置,管端为向下的45°切口或向下的缺口。这样

气体从切口或缺口处折转向上。由于这种进气管不能使气体分布均匀，所以只能用于直径在

500mm以下的塔中。对于直径较大的塔，进气管的末端为向下的喇叭口，对于直径更大的塔，

则应采取气体均布措施。

气体的出口装置既要保证气流畅通，又要能除去被气体夹带的液体液雾。目前常用的除雾

装置存折板除雾器和丝网除雾器。折板除雾器，这种装置较简单，除雾效果较好。丝网除雾

器，这种装置效率高，可除去直径大于5um的液滴。

4.3.4液体的出口装置

填料塔的出口装置既能使液体通畅引(排)出外，还要保证形成对塔内气体的液封，并能

防止液体夹带气体。常用的液体出口装置可采用水封。本设计中塔内外压差较大时，可采用

但U形管密封装置。

4.3.5除沫装置

由于气体在塔顶离开填料塔时，带有大量的液沫和雾滴，为回收这部分液相，经常需要在顶设置除沫

器。常用的除沫器有以下几种：折流板式除沫器，它是一种利用惯性使液滴得以分离的装置，一般在小塔

中使用。旋流板式除沫器，由几块固定的旋流板片组成，气体通过时，产生旋转运动，造成一个离心力场,

液滴在离心力作用下，向塔壁运动实现了气液分离。适用于大潜径净化要求高的场合。丝网除沫器，它由

金属丝卷成高度为100-150的盘状使用。安装方式多种多样，气体通过除雾沫器的压强降约为120-250Kp,

丝网除沫器的直径由气体通过丝网的最大气速决定。

根据本吸收特点及要求，本吸收操作选用金属丝网除沫器。

吸收塔的流体力学参数计算

吸收塔的流体力学参数主要包括气体通过填料塔的压力降、泛点率、气体动能因子等，

此外，还应了解塔内液体和气体的分布状况。

4.4.1吸收塔的压力降

由4.5.2离心泵的选择计算全塔压降〃=△〃+△〃1++Ebp=7900+145.55+72.77=8118.32(pr/)

4.4.2吸收塔的泛点率

填料塔的泛点率是指塔内操作气速与泛点气速的比值。操作气速是指操作条件的空塔气

速，泛点气速采用贝恩一霍艰关系式计算。尽管近年来，有些研究者认为填料塔在泛点附近

操作时，仍具有较高的传质效率，但由于泛点附近流体力学性能的不稳定性，一•般较难稳定

操作，故一般要求泛点在50%85%之内，而对于易起泡的物系可低至40%。

吸收塔操作气速为s,泛点气速为s所以泛点率为

2949

/=--=0.691

4.267

对于散装填料，其泛点率的经验值为:二〜所以符合。

4.4.3气体动能因子

气体动能因子是操作气速与气相密度平方根的乘积，简称F因子，其定义为“=〃而

故吸收塔内气体动能因子为

R=/0=2.949x71.181=3.205mls（kg/m3）＜），5气能因子在常用的范围内。

从以上的各项指标分析，该吸收塔的设计合理，可以满足吸收操作的工艺要求。

其他附属设备的计算与选择⑷

4.5.1吸收塔的主要接管尺寸的计算

1、气体进料管

由于常压下塔气体进出口管气速可取10〜20机/$，故若取气体进出口流速近似为16m/s,

则由公式外=巳”2〃可求得气体进出口内径为

4

,瓯13000/3600___

d==J--------------=257.58/w/w

VV0.785x16

采用直管进料，由《化工原理》第三版［王志魁主编化学工业出版社］P381查得

选择中273〃"〃x6.5〃"7?热轧无缝钢管，则

,_4^_3000/3600

z=15.70m（在符合范围内）

-Td1~0.785x(0.273-0.0065x2)2