1、化工原理課程設計 吸收過程工藝設計學院：機械工程學院專業：過程裝備與控制工程班級：二班指導老師：丁文捷姓名：謝永芳學號：12012243722前言：課程設計是比較綜合性和實踐性較強的教學環節，是理論聯系實際的橋梁，是使學生體察工程實際問題復雜性、學習化工設計基本知識的初次嘗試。通過課程設計，要求學生能綜合利用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規定的時間內完成指定的化工設計任務，從而得到化工工程設計的初步訓練。通過課程設計，要求學生了解工程設計的基本內容，掌握化工設計的程序和方法，培養學生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以使學生樹立正確的設計思想，培養實

2、事求是、嚴肅認真、高度責任感的工作作風。課程設計是增強工程觀念，培養提高學生獨立工作能力的有益實踐。 經過學習,我知道，填料塔吸收凈化工藝不單應用在化工領域 ,在低濃度工業廢氣凈化方面也能很好地發揮作用。工程實踐表明 ,合理的系統工藝和塔體設計 ,是保證凈化效果的前提。這次課程設計利用低壓清水吸收氨過程的工藝設計以及工程問題。 在此處鍵入公式。第一章 緒論填料塔屬于化工單元操作中蒸餾（精餾）、吸收等的過程設備。物料在填料塔中的傳質、分離主要是分散在填料表面進行。 填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備填料塔的塔身 是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支

3、承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經氣體分布裝置（小直徑塔一般不設氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質。填料塔屬于連續接觸式氣液傳質設備，兩相組成沿塔高連續變化，在正常操作狀態下，氣相為連續相，液相為分散相。 當液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現象稱為壁流。壁流效應造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質效率下降。因此，當填料層較高時，需要進行分段，中間設置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和

4、液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經液體收集器收集后，送到液體再分布器，經重新分布后噴淋到下層填料上。 填料塔具有生產能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優點。 填料塔也有一些不足之處，如填料造價高；當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側線進料和出料等復雜精餾不太適合等。 規整填料塔的分離性能取決于內件，即填料、分布器、收集器等。同時也取決于許多參數，如氣體負荷、液體負荷、物料性質、操作壓力、填料濕潤性能和液體分布不均勻等等。至今不能由填料的幾何形狀來精確計算塔的分離性能，需要通過填料塔的理論和不同條件下通過試驗塔來

5、測定準確數據。可根據資料以一級近似程度確定塔的尺寸和需要的填料高度。 1、規整填料 2、支撐柵板 3、液體收集器 4、集液環 5、多級槽式液體分布器6、填料壓圈 7、支撐柵板 8、蒸汽入口管 9、塔底 10、至再沸器循環管 11、裙座 12、底座環第二章 填 料 塔 的 設 計 內 容和 設 計 條 件2.1填料塔的主體結構與特點 結構：圖1-1 填料塔結構圖2.2填料塔的設計任務 設計任務： 完成填料塔的工藝設計與計算，有關附屬設備的設計和選型，繪制吸收系統的工藝流程圖和填料塔裝置圖，編寫設計說明書。 2.3填料塔的設計條件 設計條件： 1、氣體混合物成分：空氣和氨； 2、氨的含量： 5.0

6、55kmol/m³；(y1=0.02n0.3 =0.02*220.3=0.05055)3、混合氣體流量： 7340m³/h； (qv=8000-30*22=7340)4、操作條件：293K/101.3KPa； 5、回收率： 91.76；（=0.9+0.0008*22=91.76）6、吸收劑：水；7、吸收流程：一步、單塔逆流吸收;8、吸收劑再生方法：加熱再生;9、塔設備：填料塔。第三章 填料塔的設計方案填料塔具有結構簡單、容易加工、生產能力大、壓降小、吸收效果好、操作彈性大等優點，所以在工業吸收操作中被廣泛應用。在這次課程設計中，有很多操作條件，所以我們需要準確的設計好填料塔

7、的每一部分。3.1裝置流程圖的確定及流程說明 流程說明： 該填料塔中，氨氣和空氣混合后，經由填料塔的下側進入填料塔中，與從填料塔頂流下的清水逆流接觸，在填料的作用下進行吸收。經吸收后的混合氣 體由塔頂排除，吸收了氨氣的水 由填料塔的下端流出。 3.2填料的類型與選擇 填料的種類很多，根據裝填方式的不同，可分為散裝填料和規整填料兩大類。填料的選擇主要根據以下幾個方面來考慮： 1.比表面積要大，有較高的傳質效率。 2.有較大的通量。 3.填料層的壓降小。 4.填料的操作性能好。 5.液體的再分布性能要好。 6.要有足夠的機械強度。 7.價格低廉。 填料的選取包括確定其種類、規格、及材質等。 3.2

8、.1 填料種類的選擇 顆粒填料包括拉稀環、鮑爾環、階梯環等，規整填料主要有波紋填料、格柵填料、繞卷填料等。本次課程設計采用散裝填料。階梯環是環形填料最為優良的一種，是對鮑爾環的改進，故選用階梯環。3.2.2 填料規格的選擇 工業塔常用的散裝填料主要有Dn16Dn25Dn38Dn50 Dn76等幾種規格。同類料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費用也增加很多。大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規定。 階梯環 D/d>8 。3.2.3 填料材質的選擇 工業上，填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三

9、大類。塑料材質主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，其特點是耐腐蝕性能好，質量輕，價格適中，但耐溫性及濕潤性較差。金屬材質有碳鋼、鋁鋼和鋁合金等，多用于操作溫度較高而無顯著腐蝕性的操作。陶瓷材質的材料耐腐蝕性較好，耐濕性強，價格便宜，但易破損。由于聚丙烯填料在低溫（低于0度）時具有冷脆性，在低于0度的條件下使用要慎重，所以本次課程設計我們選耐低溫性能良好的聚氯丙烯填料。 綜合以上：選擇塑料階梯環散裝填料 Dn38 3.2.4填料尺寸的選擇 徑比D/d有一個下限值（一般為10），若徑比低于此下限值時，塔壁附近的填料層孔隙率大而不均勻，氣流易走短路、液體壁流加劇。 綜上，由于該過程處理量不大，所用的塔

10、直徑不會太大，可選用38mm聚丙烯階梯環塔填料，其主要性能參數如下： 比表面積a=132.5m2/m3 空隙率=0.91泛點填料因子=170m-1降壓填料因子=116m-1第四章 填料塔的工藝計算 4.1、吸收劑的用量吸收劑用量可以根據過程的物料衡算，依據最小液氣比確定，依據混合氣的組成情況可知吸收塔的進出口氣相組成如下：y1=0.05055 ;y2=(1-)y1=0.0042; x2=0;查表知25氨氣溶于水的亨利常數E=99.78KPa；m=E/P=0.985 所以y=mx=0.985x；最小液氣比（qnL/qnG）min=y1-y2x1e-x2=y1-y2y1m-x2=0.9032因為q

11、nLqnG=(1.12)（qnL/qnG）min 取實際液氣比為最小液氣比的1.5倍qnG=qvG22.4=734022.4=327.68kmol/h M¯=17y1+29(1-y1)=17*0.05055+29*（1-0.05055）=28.39qmG=qnG*M¯=732.68*28.39=9302.79kg/hqnL=1.5*qnG*（qnL/qnG）min=1.5*327.68*0.9032=443.94kmol/LqmL=18*qnL*qnL=18*443.94=7990.9kg/h4.2、塔徑的計算混合氣體密度G=pM¯RT=101.3*28.398.

12、314*298=1.1kg/m3液相密度L=997.05kg/m3 液體粘度L=0.8937mPa.S計算泛點氣速：lgUf2g*a3*GL*0.2=A-1.75(qmLqmG)14(GL)18 =0.204-1.75*(9302.87790.9)14(1.161997.05)18 =-0.515 Uf2g*a3*GL*0.2=0.305 Uf=0.262*9.807*0.9273*997.05114.2*1.161*0.89370.2=7.93 取U=0.7Uf=0.7*3.968=4.756m/s qvsqmGG*3600=9302.7951.161*3600=2.349 D=4qvsU=

13、4*2.2263.14*2.4818=0.793 取整D=0.8m所以塔的總截面積為 S=0.785*1.02=0.628（m2）4.3、填料層高度計算4.3.1、傳質單元高度計算 塔內的液相及氣相物性參數如下： 密度：L=997.05kg/m3 G=1.161kg/m3 粘度：L=0.8937mPs G=0.0098mPs 擴散系數：DL=1.8*10-9m2/s DG=1.89*10-4m2/s 聚丙烯臨界表面張力c=54dyn/cm=5.4*10-2N/m 液體表面張力=71.9dyn/cm=7.2*10-2N/m 氣相及液相流速為： GG=qmG3600*0.785*D2=9302.7

14、953600*0.785*1=5.144kg/(m2.s) GL=7790.93600*0.785*D2=2.757 kg/(m2.s) 氣相傳質系數為： kG=0.237GGaG0.7GDGG13(aDGRT)1.1 =0.237*3.292114.2*0.0098*10-30.70.0098*10-31.161*1.89*10-513(114.2*1.89*10-58.314*298)1.451.1 =9.987*10-5 kmol/(m2.s.KPa)因為：(c)0.75=0.86 （GGaL）0.1=（2.757114.2*0.8937）0.1=0.697 （aGL2L2g）-0.05

15、=（114.2*2.7572997.052*9.807）-0.05=1.594 （GL2La）0.2=（2.7572997.05*7.2*10-2*114.2）0.2=0.247aw=1-exp-1.45(c)0.75（GGaL）0.1（aGL2L2g）-0.05（GL2La）0.2 =114.21-exp(-1.45*0.806*0.697*1.594*0.247) =64.84 (GLawL)2/3=(2.75736.354*0.8937*10-3)2/3=19.312 (LLDL)-0.5=(0.8973*10-3997.05*1.8*10-9)-0.5=0.045 (GgL)1/3=(

16、0.8973*10-3*9.807997.05)1/3=0.021kL=0.0095(GLawL)2/3 (LLDL)-0.5(GgL)1/30.4 =0.0095*19.312*0.045*0.021*1.450.4 =3.65*10-4(m/s)kya=PkGaw=101.3*6.363*10-5*36.354=0.656kmol/(m3/s)kxa=CkLaw=LMkLaw=997.0518*2.81*10-4*36.35=1.309kmol/(m3/s)氣相總傳質單元高度為HOG=Gkya+Gmkya=0.08570.2397+0.0857*0.9850.6838=0.412(m)考慮

17、實際偏差，取HOG=1.4*0.697=0.577(m)4.3.2、傳質單元數的計算全塔物料衡算方程為 qnG(y1-y2) = qnL（x1-x2）依據該方程可以確定塔底水中NH3的組成為 x1=qnGqnL(y1-y2)+x2 =327.6844.94*(0.05055-0.0042)+0 =0.0342于是可以計算該塔的塔底、塔頂以及平均傳質推動力分別為 y1=y1-mx1=0.05055-0.985*0.0342=0.0169 y2=y2-mx2=y2=0.0042 ym=y1-y2lny1y2=0.0169-0.0042ln0.01690.0042=9.087*10-3求得該吸收過程

18、的傳質單元數為 NoG=y1-y2ym=0.05055-0.00429.087*10-3=5.14.3.3、填料層高度 h=HOGNoG=0.836*5.1=2.24（m） 因此實際填料層高度取h=3m。4.4、塔附屬高度 塔上部空間高度可取為1.2m，塔底液相停留時間按5分鐘考慮，則塔釜液所占空間高度為 h1=t*qvL0.785*D2=5*60*8.023600*0.785*0.82=1.33 考慮到氣相接管所占所占空間高度，底部空間高度可取1.5m，所以塔的附屬空間高度可以取為2.7m。4.5、液體初始分布器布液孔數 根據該物系性質可選用管式液體分布器，取布液孔數為100個/m2，則總布

19、液孔為 n=S*100=0.628*100=62.8 取60個液位保持管高度 取布液孔直徑為5mm，則液位保持管中的液位高度為 h=（4*qv3.14*0.0052*n*k）2/2g=（4*8.023600*3.14*0.052*62*0.62）2/（2*9.807）=0.445則液位保持管的高度為 h=1.15*h=1.15*0.445=0.51m4.6、其他附屬塔內件對于氨氣吸收可不設除液膜裝置。4.7、吸收塔的流體力學參數計算1、吸收塔的壓力降氣體進出口壓力降 取氣體進出口接管的內徑為0.4m，則氣體的進出口流速近似為18.7m/s。則進口壓降為P1=1/2u2=0.5*1.1*18.7

20、2=192.4出口壓降為P2=0.5*0.5u2=96.2填料層壓力降 氣體通過填料層的壓力降采用Eckert關聯圖計算，其中實際操作氣速為 u=qvs0.785*D2=2.350.785*0.82=18.7 m/s X=(qmLqmG)(GL)0.5=0.029 Y=Uf2GgL0.2=0.273差Eckert關聯圖得每米填料的壓力降為2000Pa，所以填料層的壓力降 P3=2000*3=6000Pa于是的吸收塔的總壓降為 Pf=192+96.2+6000=6288.62、吸收塔的泛點率 吸收塔的操作氣速為u=4.68m/s,泛點氣速為uf=7.73m/s f=4.687.92=0.58 該塔的泛點率合適。3、氣體動力因子 吸收塔的氣體動能因子為 F=uG0.5=4.68*1.1=4.8氣體動能因子在（說明：由于Excel最后有數據的變動，和上面有一定的誤差）5、設計結果匯總課程設計名稱水吸收NH3填料吸收塔的工藝設計操作條件常溫常壓物性數據液相氣相液體密度997.05kg/m3混合氣體平均摩爾質量28.39kg/kmol液體粘度0.89