填料吸收塔的设计

填料吸收塔的设计

水吸收氯化氢课程设计

教 学 院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师

时 间

目 录

第一节 前言 ............................................................ 5

1.1 填料塔的主体结构与特点 ......................... 错误！未定义书签。 1.2 填料塔的设计任务及步骤 .......................................... 6 1.3 填料塔设计条件及操作条件 ........................................ 6 第二节 填料塔主体设计方案的确定 ......................................... 6

2.1 装置流程的确定 .................................................. 6 2.2 吸收剂的选择 ................................................... 6 2.3填料的类型与选择.................................................. 7

2.3.1 填料种类的选择............................................ 7 2.3.2 填料规格的选择............................................ 7 2.3.3 填料材质的选择............................................ 7 2.4 基础物性数据 .................................................... 7

2.4.1 液相物性数据............................................. 8 2.4.2 气相物性数据............................................. 8 2.4.3 气液相平衡数据.......................... 错误！未定义书签。 2.4.4 物料横算................................................. 8 2.4.5 吸收剂的用量............................................. 8

第三节 填料塔工艺尺寸的计算 ............................................. 9

3.1 塔径的计算 ....................................................... 9 3.2 填料层高度的计算及分段 .......................................... 10

3.2.1 传质单元数的计算......................... 错误！未定义书签。 3.2.3 填料层的分段............................................. 10

第四节 填料塔内件的类型及设计 ......................................... 10

4.1 塔内件类型 ...................................................... 11 4.2 塔内件的设计 .................................................... 11

4.2.1 液体分布器设计的基本要求：...............................11 4.2.2 支撑装置的确定...........................................11

注:

计算结果及小结

1填料塔设计结果一览表 .................................................. 11

2 填料塔设计数据一览 ................................................... 12 3 参考文献 ............................................................. 14 4 致谢及其他 ........................................................... 15 附件一：塔设备设计图 ................................................... 16

摘要 本设计本设计采用填料塔，塔高1.78m，塔径1.4m，采用聚丙烯鲍尔环填料，具有通量大、阻力小、传质效率高等优点，可以达到较好的通过能力和分离效果。一般说来，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。在化工生产过程中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体，保护环境等方面都要用到气体吸收过程。填料塔作为主要设备之一，越来越受到青睐。填料吸收塔，以水为溶剂，经济合理，净化度高，污染小。

关键词 填料塔 水 氯化氢 吸收

概述 吸收剂的选择；各种形式的传质速率方程、传质系数和传质推动力的对应关系；各种传质系数之间的关系；填料塔的图解；填料塔的塔径计算。

第一节 前言

在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大应用面广的重要单元设备。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题。

在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。过程的优缺点：分离技术就是指在没有化学反应的情况下分离出混合物中特定组分的操作。这种操作包括蒸馏，吸收，解吸，萃取，结晶，吸附，过滤，蒸发，干燥，离子交换和膜分离等。利用分离技术可为社会提供大量的能源，化工产品和环保设备，对国民经济起着重要的作用。为了使填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计参数(如理论板数、热负荷等)和最优操作工况(如进料位置、回流比等),准确地计算出全塔各处的组分浓度分布(尤其是腐蚀性组分)、温度分布、汽液流率分布等,常采用高效填料塔成套分离技术。而且,20世纪80年代以来,以高效填料及塔内件为主要技术代表的新型填料塔成套分离工程技术在国内受到普遍重视。由于其具有高效、低阻、大通量等优点,广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。 利用混合气体中各组分在同一种液体(溶剂)中溶解度差异而实现组分分离的过程称为气体吸收气体吸收是一种重要的分离操作，它在化工生产中主要用来达到以下几种目的。(1)分离混合气体以获得一定的组分。(2)除去有害组分以净化气体。(3)制备某种气体的溶液。一个完整的吸收分离过程，包括吸收和解吸两个部分。典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等。

1.1 填料塔的主体结构与特点

塔设备按其结构形式基本上可分为两类；板式塔和填料塔。以前在工业生产中，当处理量大时多用板式塔，处理量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小、性能稳定等特点。因此，填料塔已经被推广到大型气、液操作中，在某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。

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：空气和氯化氢

2. 空气中氯化氢的含量: 5%（体积含量即为摩尔含量） 3. 混合气体流量2500m3/h 4. 操作温度293K 5. 混合气体压力1031KPa 6. 吸收率95 % 7. 采用水为吸收剂

8. 填料类型：采用鲍尔环填料

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

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 拉西环 鞍环 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍

D/d的推荐值 D/d20~30 D/d15 D/d10~15 D/d>8 D/d>8

2.3.3 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 Dn50

2.4 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：

3

998.2kg/ml1.

2. 黏度：l0.001pa.s3.6kg/m.h

2

72.6dyn/cm940896kg/hz3. 表面张力为: 4. 20下HCL的溶解度=0.002kmol/m3kpa

2.4.2 气相物性数据

1. 混合气体的平均摩尔质量为

Mvmyimi0.0536.50.952980.475 (2-1)

2. 混合气体的平均密度

PMVM101.380.475

3.3465kg由vm (2-2) 3

mRT8.314293

2.4.3 气液相平衡数据

由手册查得，常压下，200C时，HCL在水中的亨利系数为 E=4225.6kpa

200C时,HCL在水中的饱和蒸汽压为42256kPa

E

相平衡常数：m4.0985

P

2.4.4 物料横算

1. 进塔气相摩尔比为

Y1

y10.05

0.0526316 (2-5) 1y110.05

2. 出他气相摩尔比为

Y2Y1(1A)0.0526316(10.95)0.00263158

(2-6)

3.常压进塔惰性气体流量:VB

2500273

(10.05)98.78946kmol

22.427320

加压进塔惰性气体的流量：VB=98.7922.4=4.41

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：

Y1Y2L

(2-8) 

VminY1/mX2

因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成X20

YYL

所以 123.85

VminY1X

2选择操作液气比为4.吸收剂的用量

L98.795.833576.242kmol/h

LL

1.55.835 （2-9） VVmin

V(Y1Y2)L(X1X2)得出X1=0.00857 5. 进塔混合气中个组分的用量 取塔平均操压强为1013kPa，故：

混合气量=2500(273/273+20)1/22.4=103.989

混合气中HCL量Vb=0.05109.9895.1994kmolh189.8kgh 混合气中空气量103.9895.298.7kmolh2862.3kgh 塔气混合气流量V'189.82862.33052.1kgh

L'

吸收液流量'1.53.855.775,L'5.7753052.117625.9

V

3

进塔混合气密度PG29/22.41.206kgm

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. 经比较，选DN50mm聚丙烯阶梯环。查《化工原理》教材附录可得，其填料因子

=120m1

关联图的横坐标值

L`PG1/217625.91.2061/2

()1.96 ()=

V`PL3052.1998.2

由图查得纵坐标值为0.09

采用Eckert通用关联图法(图)计算泛点气速uF

F2即gG

 L0.2

=0.09

L

求得液泛气速uF=0.752m/s 操作气速

取u＝0.6uF＝0.6×0.752 ＝0.4512 m/s 塔径

D

2500

36000.7850.4152

= 1m

取塔径为1.4m(＝1400mm)

3.1.1 填料层高度计算

(1)传质单元数NOG

用对数平均推动力法求传质单元数

NY2

OG

Y1Y M

Y1=Y1-mX1=0.0526-4.0985×0.00857=0.017476

Y2=Y2mX2=0.0026

YY1Y2

m=

=0.00780 （3-8） 1Y)2

NY1Y2

OG=

Y= 6.41 m

所以:z=HOG×NOG=1.71

3.2.2 填料层的分段

根据所算填料层的高度和传质单元层高度，可将填料层分为7段第四节 填料塔内件的类型及设计

3-7）（

4.1 塔内件类型

填料塔的内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。

4.2 塔内件的设计

4.2.1 液体分布器设计的基本要求：

（1）液体分布均匀

（2）操作弹性大

（3）自由截面积大

4.2.2 支撑装置的分布

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。

注：(1)本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分布器。

(2)塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。

注：

1填料塔设计结果一览表

塔径

填料层高度

填料规格 1.4m 1.78m 50mm鲍尔环

压降

惰性气体流量

1031 Pa 2500kmol/h

2 填料塔设计数据一览

3 参考文献

[1] 夏清.化工原理（下）[M]. 天津:天津大学出版社, 2005.

[2] 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计[M]. 天津:天津大学出版社, 2002.

[3] 华南理工大学化工原理教研室著．化工过程及设备设计[M]．广州: 华南理工大学出版社, 1986.

[4] 周军.张秋利 化工AutoCAD制图应用基础 。北京. 化学工业出版社。

4致谢及其他

通过本次课程设计，使我对从填料塔设计方案到填料塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中,使我加深了对课本知识的认识，也巩固了所学到的知识。此次课程设计按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互讨论，同组成员齐心协力通过一周的努力才完成了本次课程设计，在老师的精心指导下我们客服了种种困难，更加巩固了我们的基础知识。

整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问题，发现自己基础知识不牢固，需加强学习，扩大知识面的广度。

附件一：塔设备流程图