《化工原理》课程教学资源（讲稿）化工原理课程设计_吸收塔设计范例

水吸收氨课程设计 目 录 第一节前言.。 .4 1.1填料塔的主体结构与特点。.4 12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.11 第四节填料塔内件的类型及设计.12

水吸收氨课程设计 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 . 11 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 42.2液体分布器布液能力的计算.12 注： 13 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后记及其他.15 附件一：塔设备流程图.16 附件二：塔设备设计图.16 2

2 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. 12 注： 13 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 后记及其他 . 15 附件一：塔设备流程图 . 16 附件二：塔设备设计图 . 16

化工学院关于专业课程设计的有关要求（草案） 专业课程设计是学生学完专业基础课及专业课之后，进一步学习工程设计的基础 知识，培养学生工程设计能力的重要教学环节，也是学生综合运用相关课程知识，联系 生产实际，完成以单元操作为主的一次工程设计的实践。为了加强我院本科学生专业课 程设计这一重要实践教学环节的规范化管理，保证专业课程设计工作有序进行及教学质 量，特制定专业课程设计的有关要求并请遵照执行。 一、选题要求 选题应以单元操作的典型设备为对象，进行单元操作过程中相关的设备与工艺设 计，尽量从科研和生产实际中选题。为了保证专业课程设计的质量和工作量，选题要求 1人1题。 二、设计说明书文本要求 (一)、字数要求：5000字以上 (二)、打印要求：用A4纸打印：左边距3厘米、右边距2厘米、上边距3厘米、 下边距2.5厘米：行距20磅：页码居中 字体、字号要求（包括装订顺序）： 1、封面 由学院统一制定格式 2、设计任务书 3、目录（宋体、4号），其余（宋体、小4号） 4、正文（宋体、小4号字）、一级标题（宋体、3号字、加粗）、二级标题（宋体 4号字、加粗) 正文内容主要包括：概述与设计方案简介：设计条件及主要物性参数表：工艺设计 计算（内容较多，应根据设计计算篇幅适当划分为若干小节，使之条理清晰）：辅助设 备的计算及选型：设计结果汇总表（物料衡算表，设备操作条件及结构尺寸一览表）： 设计评述（设计的评价及学习体会）。 5、参考文献（宋体、5号字） 6、附录：设计图纸（工艺流程图与主体设备装配图） 三、考核方式及成绩评定 专业课程设计的考核与成绩评定由指导教师进行。 考核内容：考勤、计算草稿或笔记、说明书和图纸的质量，独立完成设计情况 化工学院 二0一O年十二月一日

3 化工学院关于专业课程设计的有关要求（草案） 专业课程设计是学生学完专业基础课及专业课之后，进一步学习工程设计的基础 知识，培养学生工程设计能力的重要教学环节，也是学生综合运用相关课程知识，联系 生产实际，完成以单元操作为主的一次工程设计的实践。为了加强我院本科学生专业课 程设计这一重要实践教学环节的规范化管理，保证专业课程设计工作有序进行及教学质 量，特制定专业课程设计的有关要求并请遵照执行。 一、选题要求 选题应以单元操作的典型设备为对象，进行单元操作过程中相关的设备与工艺设 计，尽量从科研和生产实际中选题。为了保证专业课程设计的质量和工作量，选题要求 1 人 1 题。 二、设计说明书文本要求 (一)、字数要求：5000 字以上 (二)、打印要求：用 A4 纸打印；左边距 3 厘米、右边距 2 厘米、上边距 3 厘米、 下边距 2.5 厘米；行距 20 磅；页码居中 字体、字号要求（包括装订顺序）： 1、封面 由学院统一制定格式 2、设计任务书 3、目录 （宋体、4 号），其余（宋体、小 4 号） 4、正文（宋体、小 4 号字）、一级标题（宋体、3 号字、加粗）、二级标题（宋体、 4 号字、加粗） 正文内容主要包括：概述与设计方案简介；设计条件及主要物性参数表；工艺设计 计算（内容较多，应根据设计计算篇幅适当划分为若干小节，使之条理清晰）；辅助设 备的计算及选型；设计结果汇总表（物料衡算表，设备操作条件及结构尺寸一览表）； 设计评述（设计的评价及学习体会）。 5、参考文献（宋体、5 号字） 6、附录：设计图纸（工艺流程图与主体设备装配图） 三、考核方式及成绩评定 专业课程设计的考核与成绩评定由指导教师进行。 考核内容：考勤、计算草稿或笔记、说明书和图纸的质量，独立完成设计情况。 化工学院 二〇一〇年十二月一日

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 布器喷酒于填料顶部，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）

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6000m3/h 4.操作温度293K 5.混合气体压力101.3KPa 6.回收率99% 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 水、硫酸 丙酮蒸汽 水 氯化氢 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

5 3. 混合气体流量 6000m3/h 4. 操作温度 293K 5. 混合气体压力 101.3KPa 6. 回收率 99 % 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Dml6\Dm25Dn38\Dm76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/的推荐值列于。 表3-1 填料种类 Dd的推荐值 拉西环 D/d≥20-30 鞍环 Dd≥15 鲍尔环 Dd≥10-15 阶梯环 D/d-8 环矩鞍 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D50 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： 1. A=998.2kg/m 2. 黏度：4=0.001pa.s=3.6kg/mh 3.表面张力为：.=72,6m/cm=94086g1h 4. 20CNH:H=0.725kmol/m.kpa 5.20CNH3:D,=7.34×10-m21h 6.20CNH2:D,=0.225cm1s=m21h 2.4.2气相物性数据 1.混合气体的平均摩尔质量为

6 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>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： 1. 3 998.2 / l   kg m 2. 0.001 . 3.6 / . l 黏度：   pa s kg m h 3. 表面张力为: 2 72.6 / 940896 / z    dyn cm kg h 4. 3 3 20 : 0.725 /    CNH H kmol m kpa 5. 6 2 3 20 : 7.34 10 / CNH D m h l     6. 2 2 3 20 : 0.225 / / CNH D cm s m h v    2.4.2 气相物性数据 1. 混合气体的平均摩尔质量为

Mm=∑ym,=0.06×17.0304+0.94×29=28.2818 (2-1) 2.混合气体的平均密度 由n-103=16e么 (2-2) 8.314×293 R=8.314 m2.KPa/kmol.K 3.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 4=1.73×10pa:s=6228×105g/mh IN=lkg.m/s2 11Pa=IN/m=lkg/s2.m 1Pa.s=1kg/m.s 2.4.3气液相平衡数据 由手册查得，常压下，20°C时，NH,在水中的亨利系数为E=76.3kpa 20°C时，NH,在水中的溶解度：H=0.725kmol/m 相平衡常数：m==0,7532 (2-3) 溶解度系数： H=EMs =998.2/76.3×18.02 (2-4) =0.726kmol/kpa-m 2.4.4物料横算 1.进塔气相摩尔比为 点08。-0kw (2-5) 2.出他气相摩尔比为 y2=Y1-p4)=0.06383×1-0.99)=0.0006383 (2-6) 3进搭情性气体流量-00-00=23459以人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： 份 (2-8) 因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成X2=0 >

7 0.06 17.0304 0.94 29 28.2818 M y m vm i i        (2-1) 2. 混合气体的平均密度 由 3 101.3 28.2818 1.1761 8.314 293 VM vm PM kg RT m       (2-2) R=8.314 3 m KPa kmol K   / 3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得 20 C 时，空气的黏度 5 5 1.73 10 6228 10 / v  pa s kg m h         注： 2 1 1 / N kg m s   1 2 2 1 1 / 1 / Pa N m kg s m    1Pa.s=1kg/m.s 2.4.3 气液相平衡数据 由手册查得，常压下，20 0C 时，NH 3 在水中的亨利系数为 E=76.3kpa 0 3 20 C时,NH 在水中的溶解度: H=0.725kmol/m 相平衡常数： 0.7532 E m P   (2-3) 溶解度系数: 3 998.2 / 76.3 18.02 0.726 / L S H EM kmol kpa m       (2-4) 2.4.4 物料横算 1. 进塔气相摩尔比为 1 1 1 0.06 0.06383 1 1 0.06 y Y y      (2-5) 2. 出他气相摩尔比为 2 1(1 ) 0.06383 (1 0.99) 0.0006383 Y Y       A (2-6) 3. 进塔惰性气体流量: 6000 273 (1 0.6) 234.599 22.4 273 20 V kmol h      (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： 1 2 min 1 2 / L Y Y V Y m X          (2-8) 因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成 2 X  0

以月=7=063830006383-074567 00638%.753 选祥操作液气比为片-17月_-1266 (2-9) L=1.2676356×234.599=297.3860441kmol/h 因为V(Y-Y,)=L(X-X)X=0.0498 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.空塔气速的确定一一泛点气速法 对于散装填料，其泛点率的经验值/u,=0.50.85 贝恩(Bain)一霍根(Hougen)关联式，即： a"a” (3-1) :,0}91=0o-170 473449982 所以：2/9.81(100/0.9173)(1.1836/998.2)=0.246053756 LF=3.974574742m/s 其中： 4一一泛点气速，m/s: g一一重力加速度，981m/s2 a-填料总比表面积，m2/m e-填料层空隙率m3/m3 p=9982kg/m液相密度。 A=11836kg/m3气相密度 W=5358.89572kg/hW=7056.6kg/h

8 所以 1 2 min 1 2 0.06383 0.0006383 0.7456 0.06383 0.753 L Y Y V Y X m             选择操作液气比为 min 1.7 1.2676 L L V V         （2-9） L=1.2676356×234.599=297.3860441kmol/h 因为 V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1  0.0498 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： 2 1 2 3 lg F V L L u a g                    =A-K 1 4 1 8 L V V L w w               （3-1） 即： 1 1 2 4 8 0.2 3 100 1.1836 3202.59 1.1836 lg[ ( ) 1 ] 0.0942 1.75 9.81 0.917 998.2 4734.4 998.2 F u                     所以： 2 F u /9.81（100/0.917 3 ）（1.1836/998.2）=0.246053756 UF=3.974574742m/s 其中： f u ——泛点气速，m/s; g ——重力加速度，9.81m/s 2 2 3 t  填料总比表面积，m / m 3 3   填料层空隙率m / m 3 3 V 998.2 / 1.1836kg / m l  kg m    液相密度。 气相密度 WL=5358.89572 ㎏/h WV=7056.6kg/h

A=0.0942K=1.75: 取u=0.74e=2.78220m/s D= 4听 4×6000 Y3.14x27820x3600=0,7631 (3-2) 圆整塔径后D=0.8m 6000 1.泛点速率校核：u=0785X08×360=3.3174/5 4-33174=0.8346 43.9746 则”在允许范围内 2.根据填料规格校核：D/d=800/50=16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75m的散装填料，可取最小润湿速率（亿.）为0.08m/mh。 Um=(L）a,=0.08×100=8m2/m2.h (3-3) U= Lx075xD2982x0.785x0.8=10.685>8=mim 5358.8957 (3-4) 经过以上校验，填料塔直径设计为D=800m合理。 3.2填料层高度的计算及分段 =mX,=0.04985×0.7532=0.03755 (3-5) 3=mX2=0 (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 (3-7) △YM 9

9 A=0.0942； K=1.75； 取 u=0.7 F u =2.78220m/s 4 4 6000 0.7631 3.14 2.7820 3600 Vs D        （3-2） 圆整塔径后 D=0.8m 1. 泛点速率校核： 2 6000 3.3174 0.785 0.8 3600 u     m/s 3.3174 0.8346 3.9746 F u u   则 F u u 在允许范围内 2. 根据填料规格校核：D/d=800/50=16 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   3 min 0.08m / m h L w 为  。   3 2 min min 0.08 100 8 / U L m m h      w t  （3-3） 2 2 5358.8957 10.685 8 min 0.75 998.2 0.785 0.8 L L w U  D          （3-4） 经过以上校验，填料塔直径设计为 D=800mm 合理。 3.2 填料层高度的计算及分段 * 1 1 Y mX     0.04985 0.7532 0.03755 （3-5） * 2 2 Y mX   0 （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 1 2 OG M Y Y N Y    （3-7）

4y,-）-G- (3-8) =0.06383-0.0006383-0.03755 0.02627 1n0.006383 =0.006895 3.2.2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： 3_145ae/Paa)2 (3-9) 即：aw/at=0.37404748 液体质量通量为：4，=L/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(mh) 气体质量通量为：4=60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(m·h) 气膜吸收系数由下式计算： k=0237严41pn色2】 (3-10) au, RI =0.237(14045.78025÷100.6228×10-5)0.7(0.06228÷0.081÷1.1761) 0.3(100×0.081÷8.314÷293) =0.152159029kmo1/(m'h kpa) 液膜吸收数据由下式计算： (3-11) =0.566130072m/h 因为w=1.45 Ka=Ka4wp"=0.15215×0.3740×1.451.1×100 (3-12) =8.565021kmo1/(m3hkpa)

10   * * 1 1 2 2 * 1 1 * 2 2 ( ) ln M Y Y Y Y Y Y Y Y Y        （3-8） = 0.06383 0.0006383 0.03755 0.02627 ln 0.0006383   =0.006895 3.2.2 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：   0.75 0.1 0.05 2 0.2 2 2 1 exp 1.45 / t c l L t L L V t w l t l L U U U g                                           （3-9） 即：α w/α t =0.37404748 液体质量通量为： L u =WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(㎡•h) 气体质量通量为： V u =60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡•h) 气膜吸收系数由下式计算：   1 0.7 0.237( ) / 3 V t V G v v V t v U D k D RT               （3-10） =0.237(14045.78025÷100.6228×10-5)0.7(0.06228÷0.081÷1.1761) 0.3(100×0.081÷8.314÷293) =0.152159029kmol/(㎡ h kpa) 液膜吸收数据由下式计算： 2 1 1 3 2 3 0.0095 L L L L w l L L L U g K D                            (3-11） =0.566130072m/h 因为  1.45 1.1 K K G G W      0.15215×0.3740×1.451.1×100 （3-12） =8.565021kmol/(m3 h kpa)