四川大学化工原理课程设计吸收塔

1、四川大学化工学院化工原理课程设计说明书题目：设计水吸收半水煤气体混合物中的二氧化碳的填料吸收塔专业：过程装备与控制工程年级： 2 0 1 1 级学生姓名_学号：指导老师：设计时间：33 / 30目录第一章设计任务 3第二章设计流程的选择 4第三章吸收塔的设计计算 53.1 气液平衡关系 63.2 确定吸收剂的用量 63.3 计算热效应 73.4 塔径的计算 83.4.1 混合气体的密度 83.4.2 填料的选择 83.4.3 计算塔径 113.5 喷淋密度的校核 123.6 总传质系数Kxa计算 133.7 填料层高度的计算 143.8 填料层阻力计算 16第四章附属设备的选型和计算 164.

2、1 液体喷淋装置 164.2 液体再分布器 184.3 塔附属高度 194.4 填料支撑板 194.5 填料限定装置 204.6 气体入口装置 204.7 除沫装置204.8 封头 214.9 泵的选择21第五章设计结果概览 23第六章设计评价 25主要符号说明 27参考文献 28第一章设计任务题目：设计水吸收半水煤气体混合物中的二氧化碳的填料吸收塔目的和意义：在合成氨工艺中，由任何含碳原料制得的原料气（半水煤气）都含有相当量 的二氧化碳，这些二氧化碳在进入合成工序以前必须消除干净，因为在合成过程中为高温高压，在高压下，二氧化碳很容易化成干冰，会堵塞设备和管道，给操 作带来很大的危害；另外，二

3、氧化碳的存在还会使氨合成的催化剂中毒， 而且还 给消除少量一氧化碳过程带来困难，同时二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢俊、纯 碱和干冰的重要原料。因此，合成氨生产中，二氧化碳的脱除极其回收利用往往 是脱碳过程的双重目的。已知数据（一）气体混合物：1 .组成（V%）:。°-0.2% , % 65% N2 21%CH. 0.5% ,CO 3.2% , 0, 01%2 .气体量：4200Nm3/h3 .温度：30 C4 .压力：1700 KN / m3（二）气体出 口要求（V%）: CO2 0.65%（三）吸收剂：水第二章设计流程的选择吸收装置的流程主要有一下几种：(1)逆流吸收：气体自塔底进入

4、由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此 即逆流操作。(2)并流操作：气液两相均从他塔顶流向塔底，此即并流操作。(3)吸收剂部分再循环操作：在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出的液体部分冷却后与新鲜吸收剂一同送回塔内。(4)多塔串联操作：若设计的填料层高度过大，或者由于所处理的物料等原因 需经常清理填料，为了便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收 塔通过的吸收剂和气体量都相等。各种操作的优缺点比较如下表1所示：逆流并流部分回流多塔串联操作优点传质推动力比较 大，传质速率快， 分离效率局。吸收 剂利用率高，可降 低吸收塔所需的传 质面积。当平衡曲线较平坦， 流向对推动力影响小 大；被处

5、理气体/、需 要吸收很完全；吸收 剂用量特别大时使 用。提高他的液体喷淋密 度，控制塔内的温升， 提高吸收剂的使用 率，特别适用于相平 衡常数很小的情况 下。降低单个塔的 填料层图度，便 于维修缺点液体的下流受到上 升气体的作用力， 因此限制了吸收塔 所允许的液体流速 和气体流速。相同分离程度F,平 均推动力下，所需要 的传质面积大较逆流操作的平均推 动力要低，且需设置 循划、泉，操作费用增 加。操作因塔内需 要留较大空间， 输液，喷淋，支 撑板等辅助装 置增加，使设备 投资加大。综合上面的分析，因二氧化碳属难溶气体，进出塔的吸收率较高，即要求处 理吸收的较为完全，为了减少设备的投资，所以从工

6、艺技术和经济两方面综合考 虑，初步采用单塔逆流操作吸收流程。当然工业生产中一般工艺流程都涉及吸收 和解吸联合流程，虽然本设计中吸收剂为水，价值不高，极易得到，所吸收的溶 质为二氧化碳，无毒，直接排放对环境的影响不大，但作为一个完整的工艺流程 还是必需有的，整个工艺流程图如下图所示：第三章吸收塔的设计计算3.1气液平衡关系本设计题目的操作压力为1700KN/m2,属于高压，因此压力影响产生对理想气体定律的偏差需进行校核。由化工原理（上册）附录四，查得：CO2的临界温度Tc=31.1C ,临界压力Pc=7.38Mpa求得：对比温度:丁 T30 273. 15Tr= = =0.9964,Tc31.1

7、273. 15对比压力:c P 1.7MpaPr=0.2304Pc7.38Mpa由物理化学58页，图2-2-5普遍化逸度系数图，查得： =0.925则可得逸度：f p1700Kpa 0.9251573KPa由物理化学64页，表2-4-1,查得T=30 C时CO2在水为溶剂的亨利常数 E=1.88 102MPa, m2-E 1.88 10MPa 119.551. 573MPamX119. 55X1(1m)X1(1 119. 55)X119. 55X1118. 55X3.2确定吸收剂的用量已知 y 二0.102, y2 =0.0065: Y0. 102 0.1136, 10. 102丫20. 00

8、65 0.006510.0065惰性气体的摩尔流量:v二翳（1y1)168. 38 Kmol/h最大出口浓度X1 maxX18. 5410 4该吸收过程属于低浓度吸收，最小液汽比可按下式计算即：对于纯吸收过程,进塔液相组成为X2=0；LVminY1X八 1 maxY2X20. 11360. 0065Z48. 5410125. 41第一组:第二组:X11,实际液气比,取1.3, 1.5, 1.8倍三组数据计算;163. 03Y丫2min1. 3 125. 4127451.50kmol /0. 1136 0. 0065163. 031. 5125. 41163. 036. 57 10 4188.

9、12min第三组:188.Y112 VY2L31674.0. 113619kmol /0. 0065188. 121. 8 125. 415.69 10225. 74min225. 7438009. 03kmol /X31Y1Y2-L0. 1136 0.00654.74 10225. 743.3计算热效应水吸收二氧化碳的量:G V(丫 Y2)168. 375查化工原理设计导论图(0. 11360.0065)18.03kmol/h4-5,得至I CO2的溶解热为：q=106kcal/kg查化工原理上册附录，用内插法得T=30 C时水的比热容为:Cp=4.174kJ/(kg - k)根据公式L 1

10、8 Cp t GA 44 q 4.18 ,可得:GA 44 q 4.18 .L 18 Cp'ti18.03 44106 4. 18八0. 1711 C27451.50 18 4. 17418. 03 44 106 4. 180/ 0. 148131674.19 18 4. 174 18. 03 44 106 4. 180. 1231 C38009. 03 18 4. 179上述计算可知，三组数据的溶液温度变化都很小，可视为等温吸收。3.4塔径的计算3.4.1 混合气体的密度由各组分浓度计算平均摩尔质量：M 4410.2%265%28 21% 160.5%283.2%320.1%12.6

11、76kg/kmol由化工原理(上册)附录四，查得各组分的临界压力和临界温度为：CO2： Tc=31.1 C , Pc=7.38Mpa , H2： Tc=-239.9 C , Pc=1.30MPaN2 : Tc=-147.13 C , Pc=3.39Mpa , CH 4： Tc=-82.15 C , Pc=4.62MPaCO： Tc=-140.2 C , Pc=3.50Mpa , O2 ： Tc=-118.82 C , Pc=5.04MPa求得假临界压力:3. 2% 3. 50假临界温度：0. 1% 5. 042.4498MPaPCmV ?旦 10.2% 7.38 65% 1.30 21% 3.

12、 39 0.5% 4.62Tmyi ?兀 10. 2% 31. 165%( 239. 9) 21%( 147. 13)0. 5% ( 82. 15) 3. 2% ( 140.2) 0. 1% ( 118. 82)188. 676 CPMZRmT由工程热力学附图1查得Z=1.03,38. 30kg / m1700 12.6761.03 8.314 (273. 15 30)3.4.2 填料的选择1. 填料类型的介绍：填料是填料塔的核心构件，它提供了塔内气-液两相接触而进行传质传热的 表面，与塔的结构一起决定了填料塔的性能。现代工业填料塔大体可分为实体填 料塔和网状填料塔两大类，而就装填方式可分为散

13、堆填料和规整调料。 散装填料 是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又 称为乱堆填料或颗粒填料。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。现介绍几种较为典型的散装填料 ：图2：几种常用填料形状：（a）拉西环填料（b）鲍尔环填料（c）阶梯环填料（d）抓繁填料（e）矩鞍填料（f）金用环矩鞍填料（g）多面球形填料（h） TRI球形填料（o）金属板波纹填料（p）脉冲填料拉西环：拉西环填料于1914年由拉西（F. Rashching ）发明，为外径与高 度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目 前工业上已较

14、少应用。鲍尔环：是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔， 被 切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶 的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的 利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加 50%Z上，传质效率提高30流右。鲍尔环是一种应用较广的填料。阶梯环填料：是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半并 在一端增加了 一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径 大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度， 而且使填料之间由线接触为主变

15、成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空 隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填 料中最为优良的一种。弧鞍填料：属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成。弧鞍填料的特点是表面全部敞开， 不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利 用率高，流道呈弧形，流动阻力小。其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表面 被重合，使传质效率降低。弧鞍填料强度较差，容破碎，工业生产中应用不多。矩鞍填料：将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面， 且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均

16、匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。金属环矩鞍填料：环矩鞍填料（国外称为Intalox ）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。 环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。2. 填料材质的介绍：选塔填料时，首先应根据工艺的物料腐蚀性和操作温度，确定填料用材。一般可选用塑料，金属和陶瓷等。常用于制作填料的塑料有：聚丙烯，聚乙烯，聚氯乙烯及其增强塑料。其中聚丙烯使用最为普遍，一者耐腐蚀好，可耐一般无机酸

17、，碱和有机溶剂，二者质轻， 易于注塑成型，价格低。 塑料填料多用于操作温度较低的吸收，解析， 洗涤，除尘等过程，便于装卸和重复使用，能节省设备的投资和操作费用。值得注意的是：塑料填料表面有憎水特性，这使之不易被水所润湿，因此，使用初期有效湿润比表面积小，传质效果差。改善的办法是：一种进行表面处理，以改善表面对工艺流体的润湿性能；另一种是自然时效，经 10-15 天操作可使填料的分离效率达到正常值。此外，使用，检修时严防塑料填料超温，蠕变甚至熔融及至于起火燃烧等现象发生。金属材质主要是：碳钢，铝及合金0Cr13,1Cr13 等低合金钢及1Cr18Ni9Ti（不锈钢）等。金属填料多为薄金属片冲压制

18、成，空隙率高，通量大，流动阻力小，特别适用于真空解析或蒸馏。在某些场合下，金属填料塔板式塔更为优越，从而目前已有许多以金属填料塔取代板式塔，同时收到高产，优质， 低能耗的经济效益。瓷质填料历史最悠久，具有很好的耐蚀性，应用面最广。一般能耐除氢氯酸以外常见的各种无机酸，有机酸以及各种有机溶剂的腐蚀。对强碱性介质可选用耐碱配方制的耐碱瓷质填料。瓷填料耐温性能好，价廉， 因此它仍为优先考虑选用的填料材质。其缺点是质脆，易破碎。3. 填料的选择：在填料的选择上主要考虑填料的流体力学性能和质量传递性能，一般应具有以下特点：1. 具有较大的比表面积；2. 表面润湿性能好，有效传质面积大；3.结构上应有利于

19、气液相的均匀分布；4. 填料层内的持液量适宜；5. 具有较大的孔隙率，气体通过填料时的压降小，不易发生液泛现象。基于上述考虑，结合本题设计，常温高压操作，水吸收二氧化碳，我初步选择公称直径为50mmi勺聚丙烯阶梯环填料。选择的原因是：（1）选择填料的类型：阶梯环是环形填料中综合性能最优的，具有较大的比表面积，较均匀的气液相分布和较大的空隙率，因此分离效率较高且不易发生液泛。（ 2）选择填料的材质：选择塑料是因为本设计的塔高塔径较大，需要的填料体积也较大，出于处理量较大，而聚丙烯价廉、普遍易得、易于装卸且质量较轻的考虑而选择的。（ 3）选择填料的尺寸：填料塔的塔径与填料直径的比值应保持不低于某一

20、值，防止产生较大的壁效应，造成塔德分离率下降。一般说来，填料的尺寸大，成本低，处理量大，但效率低。使用大于50mm勺填料，其成本的降低往往难以抵偿其效率降低 所造成的成本增加，所以，一般大塔常使用50mm勺填料，故在本设计中选用50mm 的填料。公称直径为50mmi勺聚丙烯阶梯环填料的2构特性参数如下表 2所示:高*厚比表面孔隙率个数堆积密干填料因子填料因子(H )积(at)()(n)度(p)3(a/ )()mmm2 / m33 . 3 m /mm 3,3kg /mm 1m 125*1.5114.20.9271074054.3143.11003.4.3计算塔径应用散堆填料泛点气速联通关联式：贝

21、恩-霍根泛点关联式: 211uf a V 0 2WlV qlg3 l. A 1.75 ( L)4()8gLW L其中：公称直径为50mmi勺聚丙烯阶梯环填料a/ 3 = 143.1,关联常数A=0.204,物性常数：V =8.3009kg /m3, L =995.7kg/m3,气体质量流量:T PW4200T P273. 1530273. 15101.325170042008. 30092305. 96kg / h液体质量流量:WLiLi1827450. 9718494117. 46kgW2L21831674.1918570135. 42kg由关联式解得泛点速度:W31838009. 0318

22、684162.54kguf1=0.0536m/s, uf2 =0.0459m/s, uf3 =0.0374m/s对于散装填料，具泛点率的经验值为：u/Uf 0.5 0.85 ,取泛点率为0.7得气速为:U = 0.7x% = 0Q375m%.=0.7 x U1£ = 0.0321 m/s% = 07 x 11日= 0,0262 m/s操作条件下的气体流量:273. 1530101. 3254200273. 077m/ s ,4 V计算得塔径:可由式 D4 x 0.077E =1 % it x 0.0375=1.62m, DI 4x 0,077n X 0.03

23、21 = 175m* /J 4 x 0.077Jjtx O.U262 = 1J3m由于计算出的塔径不是整数，要按国家压力容器公称直径标准进行圆整。 圆 整后可得填料塔直径：D1 = 1力明=L8mp广2,0m再核算操作空塔气速：由公式：u一、可得:ui= 0339 山川广 0.0303 m/s匕=S°245 m/s D2圆整后的泛点率分别为:都在0.5 0.85允许范围以内，校核合格3.5喷淋密度的校核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，其计算 式为：U Lo，其中Lh为液体喷淋量。0.785D2由化工原理附录五查得 30 C时，水的密度为l 995. 7k

24、g / m3,则有： 第一组：L1 乂 1927450,97 x 18胃L" = -= -= 496.25m /hLhl4962532U =z =z = 21874 m /(Hi h)0785 x % 0,785 x 17第二组：“X18 31674,19x18.3MM = 7=572.60m /hLhz572.60,7IL = =? = 225.13m /(m * h)0785 X * 0.7R5 X 1,0第三组：% * 18 38009.03 x 18.Lh3 = p = - = 687,11m /h687.11U 产j =t =h)0+785 X D； 0785 X 2.0对

25、于散装填料，其最小喷淋密度的计算式为:min(LW)min ? at其中(Lw)min是最小润湿速率，对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿(Lw)min 0.08m3/(m?h)代入上式可得：Umin 0.08 114.2 9.14m3/(m2?h),可知：Ui Umin, U2 Um., U3 Umin,即实际喷淋密度都大于最小喷淋密度， 液体喷淋密度验算合格。3.6总传质系数Kxa计算1 2 ( L g )1 3L传质单元高度的计算采用修正的恩田(Onde)公式:kL 0.0095(-UM23()aW LL DLkLakLaW0.4其中：aW 1 exp 1.45 at0.75c

26、l0.120.05Ul Ul2 at 2 atLLg20.2UlL Lat由化工原理附录五查得：30 C时水的表面张力：仃L = 72.6 X 10-3 N/m由化工原理课程设计表4-6,查得聚丙烯的表面张力:54 X 10-3 N/mUl为液体质量通量：由UlWL 2计算得:0.785D494117465 7 = 217802.42 Kg/(m ' h)0,785 x L7570135.42、Uf2 =224162.70 Kg/(m -h)0.785 x 1.86841629- = 217886.16 Kg/(m 'h) 0.765 x 2.0g为重力加速度，1.27 108

27、m/h代入上式可得填料的润湿比表面积： 2 , 3232 , 3= 101.69 m /m , aw2 = 102.01 m /m t %肯=10L70 m /mDl是二氧化碳在水中的扩散系数，由化工原理表2.7,查得30 C时CO2 在水中的扩散系数为DL = 2.00 x 10-9m7s水的黏度：L = X 10 Pa - s填料形状系数，由化工原理课程设计表 4-7查得： 1.45由于二氧化碳溶于水为液膜控制，因此 Kl kL则可以求得液相传质系数如下： 第一组:21217802,42/3600380.07 x 10-J-2二。.0095(r) x (-)101.69 x 20.07 x

28、 10995.7 x 2.0 x 10-y80.07 x 10 = x 9.81 3995.7)=7.737 X 10-4m/s(凡)产(4%) =7737 x 10-4 X 101.69 = 0.0787/s第二组：%21224162.70/3600380.07 x 10-J-2-0.0095(r) x (-)101.69 x 20.07 x 10995.7 x 2.0 x 10-y180.07 x 10 -5x 9.81 3X() =7.87。乂10一%/8(KLaw)三及) = 7.870 X 10-4 X 102.01 = 0.0803/s1- 580.07 X 102217886.1

29、6/36003第三组：二。.0095(7) x (101.69 x 20.07 x 10 995.7 x 2,0 x 1080.07 x 10X(995.7x 9.81 3)=7.738 X 10- m/s(KLaw) £(4 %) = 7738 X 10 X 10170 = 0,0787/5 31d将得到的传质系数换算成以摩尔分数差为推动力的传质系数:KxawKlCm aw ,其中n Pl 995.7鼻CM = v = bT= Is- = 551317 Kmol/mL则可得：(Kxaw)i = 0.0787 X 55.317 = 4353 Kmol/(m3 - s)(&%)

30、 = 0.0803 x 55.317 = 4.442 Kmol/(m3-s)(/%) = 0.0787 x 55.317 = 4.353 Kmol/(m3-s)3.7 填料层高度的计算液相总传质单元高度计算公式为：HOL -Kx aw其中：塔截面积0.785 D227451.50/3600HrtT =q = 0.772m4-353 x 0.785 x 1731674.19/3600 =CL77 gm4/12X 6785 x L838009. 03/3600HaT,=鼻=0772m4.353 x 0.785 x 2. 0液相总传质单元数的计算:X , = 8.54 x 10X* = 540 x

31、10一由3.2的计算已知:Xi = 6.57 x 10X?1 = 5,69 x 10J%1 =4.74 x 10代入平均液相推动力计算式:Xm(Xi Xi) (X2 X2)ln(XiX2解得:AX1l(l = 1,30 x 1CT4AX11； = 1,39 x 10-44AXI11, = 1.67 X10 Lil JixdF由液相总传质单元数的计算公式：N OLXi X2Xm，行：657 x 10-4'皿=五k=5切5.69 x 10-4也=409K - 44.74 X 10Ne -3 =nT = 2.84UL J= 4L67 x 10工艺计算得到的填料层高度:Z Nol Hol ,由

32、上述方法计算出填料层高度后，还应留出一定的安全系数，即填料层的设计高度:Z' 1.25 Z :OLI=0,772 X 5,97 =4,61 inZ = Z X 1,25 = 5,76mZ, = Z, x L25 = 2h74iti心=Hni, x Nor 9=0779 x 4,09 = 3.19m £ UL&- VL£z3=Hrtl, x Nor = 0772 x 2.84 = 2.19m J ULj VLj将三组数据汇总如下表3比较:最小液 气比的 倍数水的用量L kmol/ h水的出口浓度X泛点气Uf(m/s)空塔气 速U (m/s)塔径D (m)填料

33、层局 度Z (m)1.327451.506.57 x 10 - 10.05360.03751.75.761.531674.195. 69 X 10-40.04590.03211.83.991.838009.03174 乂 1。"0.03740.02622.02.74由上表数据可知，在这三组数据中，第一组水的用量最小，塔径最小，但填 料层高度最高。从经济方面考虑来说，第一组数据的水用量的经常费用最少，而 填料费用和泵所需的功率应较其他几组要更高。但由于是采用塑料填料，价廉， 且从吸收效率上来说，较小的塔径更有利于吸收过程的进行。因此，我选用第一组数据，即选用液气比为最小液气比的 1.3

34、倍的一组数据。3.8 填料层阻力计算计算气体通过填料层的阻力损失，在于确定输送气体所需的能耗，或判断在 允许的压降下塔内能否进行正常操作。根据公式：V其中 T 1.21 10 6,0,967 10wv2305,96Gv-l;0.785D0785 x 1.7液体质量流速：WL494117.46L _0785 D2 0.785 x L72填料层高度：h= 5.76m.填料层压降为：= 1.21 X Wbx 576 x (j- 1016.45Kg/mJ h=217802.42Kg/m" - h70.967 x 1C-2x217«02.42101645，9gs7E7-)X10=11

35、312Pa一 IJ气体质量流速：第四章 附属设备的选型和计算4.1 液体喷淋装置液体初始分布器设置于填料塔内填料层顶部，用于将塔顶液体均匀分布在填料表面上，液体初始分布器性能对填料塔效率影响很大，特别对于大直径，低填料层的塔，尤其需要性能良好的初始分布器。如果液体分布不良，必然减少填料的分离效率。逆流操作的填料塔，要求塔顶喷淋装置既结构简单，又要将液体均匀的喷洒在填料上，操作时本身不易堵塞，不产生过细的雾滴。常见的几种液体分布器如图3 所示。d）槽管式（e）环管图3：液体分布器（a）喷头式（b）盘式筛孔型（c）盘式溢流型式（f）槽式（g）槽盘式液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度，各布液点

36、的布液均匀性决定，设计液体分布器主要是确定决定这些参数的结构尺寸。就本设计而言，液体体积流量：L C kjnol/h ) x M 27451.50 x 18Pl995,7=496.26mJ/h = 0.138 m%,考虑到液体流量较大，本人选用二级槽式溢流型分布器，如下图所示:国d32槽式溢流分布器槽式溢流型分布器适用于高液量和易堵塞场合，但其分布质量不如槽式孔流 型，常用于散堆填料塔中。其中，二级槽式分布器具有优良的布液能力，结构简 单，气相阻力小，应用较为广泛。主要由主槽和分槽组成，液体物料由主槽上的 加料管进入主槽中，然后，通过主槽的布液结构按比例分配到各支槽中，并通过各支槽上的布液结构

37、均匀的分布在填料层表面上。主槽为矩形敞开槽，其长度由塔径和分槽的数量及间距决定， 其高度由最大 液体留下所需的液位高度决定。设计时一般应使其保持在200 300mm之间。其 宽度由槽内液体流速决定，一般要求流速在 0.240.30m/s之间。分槽的长度有塔径及排列情况而定，分槽的宽度主要由液体在槽内的流速决 定，其数值通常为3060mm,分槽高度也由液相最大负荷下的液位高度决定。 分槽高度大约为最大液位高度的1.25倍。溢流堰口一般为倒三角形或矩形。由于三角形堰口随液位的升高，液体流通 面积加大，故这种开口形式具有较大的操作弹性， 故在本设计中采用倒三角形堰 口。倒三角形堰溢流口夹角与液位高度

38、间的关系：1/ Vl 、arctan(27)2.36 h其中：h为溢流口液位高度，考虑到液体流量较大，取 h 0.25m；为流量系数，一般可取0.6 可解得倒三角形的溢流口夹角：0,138a = tan- (-) = 72.22°2,36 x 0,6 x 0.25溢流型分布器安装于填料表面的限定器以上，距填料表面距离约为50mm。4.2 液体再分布器液体沿填料层下流时，有逐渐向塔壁方向集中的趋势，形成壁流效应。壁流 效应造成填料层气液分布不均匀，使传质效率降低。因此，设计中，每隔一定的 填料层高度，需要设置液体收集再分布器装置，即将填料层分段。对于散装填料，根据化工原理课程设计表 4

39、-9可查得一般推荐的分离段 高度值，对于填料类型为阶梯环，具填料层高度与塔径之比为h/D=815处分段, 而本设计中h/D=S76/1.7 = 3.34 < 8,故不用分段，也无需液体再分布器。4.3 塔附属高度塔的附属空间高度包括上部空间高度，安装液体分布器和液体再分布器所需 的空间高度，塔底部空间高度以及塔裙座高度。塔上部空间高度是指塔内填料层以上， 应有足够的空间高度，以使气流携带 的液滴能够从气相中分离出来，该高度一般取 1.21.5m,由于本设计采用二级 槽式溢流型分布器，安装分布器的所需高度较大，取 1.5m。由于本设计中不涉 及再分布器，因此不占高度空间。考虑到气相接管所占

40、的空间高度 ，底部空间高 度可取2m所以塔的附属高度可以取3.5m,因此本设计中吸收塔的总高度为：H = 576 + 3.5 = 9.26m。4.4 填料支撑板填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量，同时保证气液两相顺利通过。一般情况下填料支承装置应满足如下要求：（1）足够的强度和刚度，以支持填料及所持液体的重量（持液量），并考虑 填料空隙中的持液量，以及可能加于系统的压力波动，机械震动，温度波动等因 素。（2）足够的开孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在支撑处发生 液泛；为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面 积为填料面的50%Z上，且应大于填料

41、的空隙率。止匕外，应考虑到装上填料后要 将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。 自由截面太 小，在操作中会产生拦液现象。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛。（3）结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大于 20Pa）; （4）结构简单，便于加工制造安装和维修。（5）要有一定的耐腐蚀性。常用的填料支承装置有栅板形、孔管型、驼峰形及各种具有气升管结构的支 承板。图仪42栅格形支承装置M6-43鸵峰形支承装置本设计中选用驼峰型支承装置。选择原因是：驼峰形支撑板装置适合于散堆 填料支撑，一般用于直径在1.5m以上的大塔，本设计中的塔径为1.7m,选用

42、较 为合适。此种支撑装置具有气体流通自由截面积率大，阻力小，承载能力强，气 液两相分布效果好等优点。4.5 填料限定装置为保证填料塔在工作状态西填料床层能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然 变动时填料层发生松动,破坏填料层结构,甚至造成填料流失,必须在填料层顶 部设置填料限定装置。图644棚条形玉板图64S丝网压板填料限定装置可分为两类，一类是放置于填料上端，仅靠自身重力将填料压 紧的填料限定装置，成为填料压板。另一类是将填料限定装置固定在塔壁上，称为床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料，以免陶瓷发生移动撞击，造成填料破 碎。床层限定版多用于金属和塑料填料， 以防止由于填料膨胀，改变其初始堆积 状

43、态而造成的流体分布不均匀现象。在本设计中，由于是采用塑料填料，故只需采用质量较轻的床层限定板， 根 据一般值，取每平方米300N计算，本设计中所需的限定板重量为：G = 300 x A = 300 x 0.785 x 1.72 = 680.60 N4.6 气体入口装置一般来说，实现气相均匀分布相对容易一些，故气体入塔的分布装置也相对 简单一些。但对于大塔径低压降填料塔来说，设置性能良好的气相分布装置仍然 是十分重要的。在本设计中，由于塔径为1.7m,较小，故采用进气管末端制成向下弯的喇 叭形扩大口，或制成多环管式分布器。4.7 除沫装置气体在塔顶离开填料层时，带有大量的液沫和雾滴，为回收这部分

44、液体，常 需在塔顶设置除沫器，常用的除沫器有如下几种：折流板式除沫器，旋转板式除100150mm的盘状，可捕集5 m以上的微小雾滴。气体通过除沫器的压降约为120 250Pa ,丝网除沫器直径由气体通过丝网的最大气速决定。4.8 封头采用标准椭圆封头。查国标JB/T4729-94可知该封头是由1/4椭圆线和平行 于回转轴的短直线光滑的连接而成的，故它由半个椭圆球和一个高度为ho,的圆柱短节（称它为封头的直边部分）构成。由化工原理设计导论表4-8续表，可查得以内径为公称直径的椭圆封头 的尺寸，选用封头尺寸如下：公称直径为Dg = "OUinm ,曲面高度 = 425mm直边高度 =内表

45、面积卜.=334nll容积，=0.734】精4.9 泵的选择入口水的体积流量为:L (krnol/h) x M 27451.50 x 18PL X 36009957 X 3600=0.138 m%,由化工原理（上册）表3.3可知，水在管道中的常用流速范围在13m/s因此，先初步取流速u 2.5m/so可算得所需管内径为：由化工原理（上册）附录21查得，选取采用普通热轧无缝钢管，外径为 273mm,壁厚为6.5mm,则可得内径为：d 273 6.5 2 260mm,则管中实际 流速为：VL0.138u 0785d 0.785 x 0.260可求得管中的雷诺数：dup 0.260 x 2.60 x

46、 9957Re =：注 840631P 80.07 m 10 一口可知Re>4000,处于湍流区由化工原理（上册）表2.3查得具有轻微腐蚀的无缝钢管的绝对粗糙度0.3mm, .相对粗糙度 /d 0.3mm/260mm 0.0012由化工原理（上册）图2.13,可查得，入= 6024局部阻力损失：三个标准截止阀全开i 3 6.4 19.2,2 3 0.75 2.25则，管路总压头损失为:Hf (2)2g其中长度近似取为塔高： =中26m ,将数据代入得:24二(0,024 x9.26正而+22+工25) 乂2.6O22 x 9.81=7,69in由水进口到出口截面列伯努利方程有:Hl2g2

47、.602 X *),81 +2UiPi2gHl2U2P22gZ2HfHf(1700-101.325) X 1000995.7 X 9,81+ 926 + 7.69 = 180.96m体积流量有:L (kmol/h) x M 27451.50 X 18%_ ? _ = 4g6.26m由化工工艺设计手册第19章，选择泵的型号为ZA200-400A第五章设计结果概览设计任务设计任务清水吸收二氧化碳吸收任务(V%)CO2 10.2%0.65%气体处理量Nm3/h4200操作温度C30操作压力 31700KN /m吸收流程选择单塔逆流操作吸收流程吸收塔设计计算相平衡计算相平衡常数m119.55最小液气比

48、125.41实际液气比163.03液体质量流量W (kg/h )494117.46气体质量流量W (kg/h )2305.96吸收剂出口浓度Xi657x10*,塔径计算混合气体密度(kg/m3)8.30泛点气速uf(m/s)0.0536空塔气速u (m/s)0.0375泛点率校核0.632圆整后塔径d(m)1.7填料的选择;填料的类型聚丙烯阶梯环填料公称直径dp ( mm50比表曲积at ( m /m)114.2干填料因子a" 3 ( m 1)143.1空隙率 (m3 / m3)0.972喷淋密度校核最小喷淋U min ( m3 / m2 h)9.14实际喷淋量U ( m3 / m2

49、 h)218.74填料层图度计算液相传质单元高度Hol(m)0.772液相总传质单元数Nol5.97填料层理论高度z (m4.61填料层安全高度z (m5.76压降计算填料层压降pa113.12附属设备的选择液体喷淋装置喷淋器类型二级槽式溢流型分 布器溢流堰口形状7222°倒三角形溢流口液位高mm250液体再分布器无塔附属图度1总塔图度m9.26填料支撑板支撑板类型驼峰形支撑装置填料限定装置 气体入口装置形状床层限定版进气管末端制成向卜弯 的喇叭形扩大口除沫装置丝网除沫器封头封头曲曲高度mm425封头直边高度mm40封头厚度mm20封头内表面m3.34容积m30.734泵的选择液体进口管规格普通热轧无缝钢管273 6.5mm水泵型号ZA200-400A第六章 设计评价（ 1）从最后的计算结果来看，塔高9.26在正常范围内，即可证明在一开始初步选用的单塔逆流吸收操作是合理的。逆流操作传质推动力比较大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高，可降低吸收塔所需的传质面积。若采用并联操作，塔高必然增加，吸收剂用量也会加大，从而增加成本。由于处理量并未很大，也无需多塔串联。（ 2）本设计为吸收塔配有解析塔和回收装置，既脱除了二氧化碳，又得到了由一定纯度的二氧化碳，做工业上的其他用途，如二氧