广东石油化工学院化工原理课程设计题目: 水吸收氨填料塔的设计指导教师: 李燕成绩评阅教师目录第一节前言 (4)1.1 填料塔的主体结构与特点 (4)1.2 填料塔的设计任务及步骤 (4)1.3 填料塔设计条件及操作条件 (4)第二节填料塔主体设计方案的确定 (5)2.1 装置流程的确定 (5)2.2 吸收剂的选择 (5)2.3填料的类型与选择 (5)2.3.1 填料种类的选择 (5)2.3.2 填料规格的选择 (5)2.3.3 填料材质的选择 (6)2.4 基础物性数据 (6)2.4.1 液相物性数据 (6)2.4.2 气相物性数据 (6)2.4.3 气液相平衡数据 (7)2.4.4 物料横算 (7)第三节填料塔工艺尺寸的计算 (8)3.1 塔径的计算 (8)3.2 填料层高度的计算及分段 (9)3.2.1 传质单元数的计算 (9)3.2.3 填料层的分段 (11)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 (12)4.1 塔内件类型 (12)4.2 塔内件的设计 (12)4.2.1 液体分布器设计的基本要求： (12)4.2.2 液体分布器布液能力的计算 (13)注：1填料塔设计结果一览表 (13)2 填料塔设计数据一览 (13)3 参考文献 (15)4 对本设计的评述或有关问题的分析讨论 (15)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，所以她特别适用于处理量肖，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: 5.0% （体积含量即为摩尔含量）液体捕沫器填料压板塔壳填料填料支承板液体再分布器填料压板填料支承板气体气体液体3. 混合气体流量2547m3/h4. 操作温度293K5. 混合气体压力101.3KPa6. 回收率99.98%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精馏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/d ≥20~30 鞍环 D/d ≥15 鲍尔环 D/d ≥10~15 阶梯环 D/d>8 环矩鞍D/d>82.3.3 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 Dn502.4 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. 3998.2/l kg m ρ=2. 0.001.3.6/.l pa s kg m h μ==黏度：3. 表面张力为:272.6/940896/z dyn cm kg h σ== 4. 3320:0.725/CNH H kmol m kpa ︒=⋅ 5. 62320:7.3410/l CNH D m h -︒=⨯ 6. 22320:0.225//v CNH D cm s m h ︒==2.4.2 气相物性数据1. 混合气体的平均摩尔质量为∑=⨯+⨯==3441.28299452.00304.170548.0i i VM m y M (2-1) 2. 混合气体的平均密度由1787.1293314.83441.283.101=⨯⨯==RT PM VM vm ρ (2-2) R=8.3143. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。
查手册得20C ︒时，空气的黏度551.7310622810/v pa s kg m h μ--=⨯⋅=⨯⋅注：211/N kg m s =⋅ 12211/1/Pa N m kg s m ==⋅ 1Pa..s=1kg/m.s2.4.3 气液相平衡数据由手册查得，常压下，200C 时，NH 3在水中的亨利系数为 E=76.3kpa0320NH C 时,在水中的溶解度: H=0.725kmol/m相平衡常数：0.7532Em P== (2-3) 溶解度系数:3998.2/76.318.020.726/LSH EM kmol kpa m ρ==⨯=⋅ (2-4)2.4.4 物料横算1. 进塔气相摩尔比为05798.00548.010548.01111=-=-=y y Y (2-5) 2. 出塔气相摩尔比为0000115.0)9998.01(05798.0)1(12=-⨯=-=A y Y ϕ (2-6) 3. 进塔惰性气体流量:h kmol V /138.100)0548.01(202732734.222547=-+⨯=. (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：12min 12/Y Y L V Y m X -⎛⎫= ⎪-⎝⎭ (2-8) 因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成20X =所以 7528.0753.0/05798.000001159.005798.0/)(2121min =-=--=X m Y Y Y V L选择操作液气比为2798.1)(7.1min ==VLV L （2-9） L=1.27984×100.138=128.1610297kmol/h 因为V(Y 1-Y 2)=L(X 1-X 2) X 10953.0=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 f =0.5~0.85贝恩（Bain ）—霍根（Hougen ）关联式 ，即：2213lg V F L L u a g ρμερ⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦=A-K 1418V L V L w w ρρ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ （3-1） 即：81412.02)2.9981787.1()15.300246.2309(75.10942.0]1)2.9981787.1)(917.0100(81.9lg[-=Fμ所以：1m/s 3.95892805=F μ 其中：f u ——泛点气速，m/s;g ——重力加速度，9.81m/s 223t m /m α--填料总比表面积， 33m /m ε--填料层空隙率33V 998.2/1.1836kg /m l kg m ρρ==液相密度。
气相密度W L =2306.898535㎏/h W V =3002.6kg/h A=0.0942； K=1.75； 取u=0.7 1m/s 3.95892805=F μ5703.0360077123.214.3254744=⨯⨯⨯==πμSV D （3-2）圆整塔径后 D=0.6m 1. 泛点速率校核：s m /5035.236006.0785.025472=⨯⨯=μ6324.09589.35035.2==F μμ 则Fuu 在允许范围内 2. 根据填料规格校核：D/d=600/50=12根据表3-1符合 3. 液体喷淋密度的校核：(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()3min 0.08m /m h w L ⋅为。
()32min min 0.081008/w t U L m m h α==⨯=⋅ （3-3）min 81869.86.0785.02.9984618.230975.02=>=⨯⨯=⨯⨯=D w U L L ρ （3-4）经过以上校验，填料塔直径设计为D=600mm 合理。
3.2 填料层高度的计算及分段034119.07532.00453.01*1=⨯==mX Y （3-5）*220Y mX == （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12OG MY Y N Y -=∆ （3-7）()**1122*11*22()lnMY Y Y Y Y Y Y Y Y ---∆=-- （3-8）=00001159.0ln 034119.000001159.005798.0--=0.0031263.2.2 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：()0.750.10.0520.2221exp 1.45/t c l L t LL V t w l t l L U U Ug ασαρσαασαμρ-⎧⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪=--⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎩⎭（3-9）即：αw/αt =0.34369529液体质量通量为：L u =L W /0.785×0.6×0.6=8172.193047kg/(㎡•h) 气体质量通量为： V u =2547×1.1787/0.36=8339.3025kg/(㎡•h) 气膜吸收系数由下式计算：()10.730.237()/Vt V G v v V t vU D k D RTαμραμ⋅⎛⎫=⋅⎪⎝⎭（3-10） =0.237(10623.3159÷100×0.062287.0)0.06228÷1.1787÷0.0813.0)(100×0.081÷8.314÷293)=0.1250394926kmol/(㎡h kpa) 液膜吸收数据由下式计算：2113230.0095L L L L w l L L L U g K D μμαμρρ-⎛⎫⎛⎫⎛⎫⋅= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭ (3-11）=0.53980137m/h 因为 1.45ψ=1.1G G W K K ααϕ==0.12503×0.343695×1.145.1×100 （3-12）=6.46684742kmol/(m3 h kpa)0.4L L W K K ααϕ= =0.539801×100×0.34369529×4.045.1 （3-13）=21.52556kmol/h因为：Fuu =0.6324所以需要用以下式进行校正：1.4'19.50.5G G F u k k u αα⎡⎤⎛⎫⎢⎥⋅=+-⋅ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦（3-14）=[1＋9.5(0.6324－0.54.1)] 6.46684=10.089773kmol/(m3 h kpa)2.2'1 2.60.5l L F u k k u αα⎡⎤⎛⎫⎢⎥⋅=+-⋅ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦（3-15）=[1＋ 2.6 (0.6324－0.52.2)]21.52556=22.18031884/h''111G G L K K HK ααα=+ （3-16）=1÷(1÷10.089773+1÷0.726÷22.18031884)=6.203057 kmol/(m3 h kpa)OG Y G V V H K K P αα==ΩΩ（3-17）=100.138÷6.203057÷101.3÷0.36÷0.785 =0.56291mOG OG Z H N = （3-18） =0.56291×18.53617054=10.45277m,得'Z =1.2×10.45277=12.548m 设计取填料层高度为'Z =13m3.2.3 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。
