化工原理课程设计任务书
设计题目：水吸收氨过程填料吸收塔的设计
系别：食品科学系
专业：
学生姓名：学号:
起迄日期： 2010年11月25日~2010年11月27日
指导教师：
教研室主任：
化工原理课程设计任务书
化工原理课程设计任务书
天津农学院
课程设计说明书设计名称化工原理课程设计
设计题目水吸收氨过程填料吸收塔设计设计时间2010年11 月27日
系别食品科学系
专业
班级
姓名
指导教师
2010 年11 月27 日
化工原理课程设计说明书
目录
一.设计方案简介 (1)
二.设计计算 (2)
（一）设计方案的确定 (2)
（二）填料的选择 (2)
（三）基础物性数据 (2)
1.液相物性数据 (2)
2.气相物性数据 (2)
3.气液相平衡数据 (2)
（四）物料衡算 (3)
（五）填料塔的工艺尺寸的衡算 (3)
1.塔径计算 (3)
2.填料层高度计算 (4)
（六）填料层压降计算 (5)
（七）计算结果列表 (6)
三．设计体会 (6)
一、设计方案简介：
塔设备是化工、石油化工、生物化工、制药等生产过程中广泛采用的气液传质设备，根据塔内气液接触构件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。
板式塔内设置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上的液层，进行传质与传热。在正常操作下，气相为分散相，液相为连续相，气相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。
填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上流动，气液两相密切接触进行传质与传热。在正常操作下，气相为连续相，液相为分散相，气相组成呈连续变化，属微分接触逆流操作过程。
工业上，塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。蒸馏过程多选用板式塔，而吸收过程多选用填料塔。
二、设计计算：
（一）设计方案的确定
用水吸收3NH 属中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，且3NH 不作为产品，故采用纯溶剂。 （二）填料的选择
对于水吸收3NH 的过程，操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38N D 聚丙烯阶梯环填料。 （三）基础物性数据 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℃时水的有关物性数据如下：
密度为 3998.2/L kg m ρ=
粘度为 0.001 3.6/()L Pa s kg m h μ=?=? 表面张力为 272.6/940896/L dyn cm kg h σ==
3NH 在水中的扩散系数为 92621.7610/ 6.33610/L D m s m h --=?=? 2.气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为
0.0517.0310.952928.4m V i i M y M =?+?=∑ 混合气体的平均密度为
3101.32528.4
1.181/8.314293
m m V V PM kg m RT
ρ?=
=
=?
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20℃空气的粘度为
5
1.81100.065/()V Pa s kg m h μ-=??=? 查手册并计算得3NH 在空气中的扩散系数为
31522
522
11
2
33114.3610()
1.795100.0646/()A B V A B T M M D m s m h p v v --?+==?=+ 3.气液相平衡数据
由题目已经20℃下氨在水中溶解度系数为 30.725/()H kmol kPa m =?
则常压下20℃时3NH 在水中的亨利系数为
998.2
76.410.72518.02L s E kPa HM ρ===?
相平衡常数为
76.41
0.754101.325E m P ==
= （四）物料衡算
进塔气相摩尔比为
1110.05
0.0526110.05y Y y ===--
出塔气相摩尔比为
004218
.00042
.010042
.01222=-=-=y y Y 进塔惰性气体流量为
()h kmol V /96.16205.0120
273273
4.224124=-+?=
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，即
12min 12/Y Y L V Y m X -??
= ?-??
对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 6899.00754.0/0526.0004218
.00526.00min 2=--=
??? ??=V L X 由题意知，操作液气比为
()()()()0467.0065
.168004218
.00526.096.162/65.16896.1620349.10349.16899.05.15.122112121min =+-=+-=
-=-=?==?=???
??=X L Y Y V X X X L Y Y V h km ol L V L V L
（五）填料塔的工艺尺寸的计算
1.塔径计算
采用Eckert 通用关联图计算泛点气速。 气相质量流量为
h kg w V /44.4870181.14124=?= 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 h kg w L /07.303902.1865.168=?= Eckert 通用关联图的横坐标为
0215.02.998181.194.487007.30395
.05
.0=??
? ???=???
? ??L
V V
L
w w
ρρ
查通用关联图得
225.02
.02=L
L F V F g u ρμψρφ
查散装填料泛点填料因子平均值表得
s
m g u m L V F L
F F /059.11181.111702
.99881.9023.0023.01702
.02
.01=?????=
=
=-μψρφρφ 取 s m u u F /7413.0059.17.07.0=?== 由 m u V D s 40.17413
.014.33600
/412444=??==
π 圆整塔径，取m D 40.1=
泛点率校核：
()在允许范围内
%88.69%100059.174
.0/74.04.1785.03600/41242
=?==?=F u u s
m u
填料规格校核：
884.36381400
>==
d D 液体喷淋密度校核：
取最小润湿速率为
3min ()0.08/W L m m h =?
查常用散装填料的特性参数表得
()h m m a L U m m a t W t ?=?===2
3min min 3
2/6.105.13208.0/5.132 经以上校核可知，填料塔直径选用mm D 1400=合理。 2.填料层高度计算
0350.00467.0754.02*21*
1===?==m X Y m X Y
脱吸因数为
725.065
.16896
.1620754.0=?==L mV S 气相总传质单元数为
()()179
.5725.0004218.00526.0725.01ln 725.0111ln 11
*
22*
21=???
???+?-?-=
??????+----=S Y Y Y Y S S N OG 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：
22
0.750.10.050.221exp 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-??=--????
查常见材质的临界便面张力值表得 233427680c dyn cm kg h σ==
液体质量通量为
()
059.05.132120.9402.99822.19751027.12.9985.13222.1975
6.35.13222.1975
94089642768045.1exp 1/22.19754
.1785.007
.30392.028221
.075.022
=????
?????????????? ????????? ?
???????? ??????? ???--=?=?=t w L a a h m kg U
气膜吸收系数由下式计算： 10.73
0.237()(
)()
V V
t V
G t V V V
U a D k a D
R T
μμρ= 气体质量通量为
()h m kg U V ?=??=2
2
/50.31654
.1785.0818.14124
()
kPa h m kmol K G ??=??
? ??????
?
? ??
????? ????=23
/17
.0/0531.0293314.8071.05.132071.0181.1065.0065.05.13250.3165237.0
液膜吸收系数由下式计算：
h
m k L /484.02.9981027.16.31046.42.9986.36.35.132059.022.19750095.03
/18
2
/163
/2=???
? ?
??????
?
??????
??
?????=--
由 1.1
G G w
k a k a ψ=，查常见填料的形状系数表得 1.45
ψ= 则 (
)
k P a
h m k m o l a k a k w G G ??=???==21.11.1/625.045.15.132059.00531.0ψ (
)
k P a h m k m o l a k a k w L L ??=???==24.04.0/39.445.15.132059.0484.0ψ
()在允许范围
内%88.69=F
u u
由 '1.4[19.5(0.5)]G G F u k a k a u =+-，'
2.2[1 2.6(0.5)]L L F u k a k a u =+-得
()[]()k P a
h m k m o l a k G ??=?-?+=3
4
.1'/244.1625.05.06988.05.91 ()[]h a k L /717.439.45.06988.06.212
.2'=?-?+=
则 ()
k P a h m k m o l a Hk a k a K L G G ??=?+
=
+=
3''/912.0717.4725.01
244.111
11
1
由 m aP K V H G OG 146.1325
.1014.1785.0912.096
.1622=???=Ω=
由 m N H Z O G O G 935.5179.5146.1=?==
m Z 122
.7935.52.1'
=?= 设计取填料层高度为
m Z 2.7'=
查表得，对于阶梯环填料， m h D
h
6,15~8max ≤= 取
8h
D
=，则 mm mm h 1120014008=?=
计算得填料层高度6000mm ，故需分段。 （六）填料层压降计算
采用Eckert 通用关联图计算填料层压降 横坐标为
0.5
()0.0216V L V L
w w ρρ= 查散装填料压降填料因子平均值表得 1116P m φ-=
纵坐标为
0077.012.998181.181.9111674.02.022.02=????=L L V P g u μρρψφ
查埃克特通用关联图得 05.49/=?z p 填料层压降为
Pa P 16.3532.705.49=?=? （七）计算结果列表
三、设计体会
计算时，首先要对设计任务要求及其工艺流程进行分析，再准确设计计算过程，进而对设备进行选型，最后用简洁的语言、清晰的图表来表达设计思路和设计结果。并对设计结果进行反复核算，而且要结合实际兼顾技术上的先进性、可行性以及经济上的合理性进行选型。
通过对本课程的设计，我对填料吸收的工艺流程、设备有了更深一步的了解，对填料吸收的计算有了进一步掌握。在动手查阅资料文献的过程中我不仅学到了很多专业知识，而且懂得了如何进行课程设计，如何充分运用周围的学习资源。本次课程设计中所用到的众多直接或间接的知识与经验使我受益匪浅，为我今后的学习与工作打下了坚实的基础。