HCl水吸收填料塔设计

1、设计任务书1 .水吸收HCl填料塔的设计（一）设计题目试设计一座填料吸收塔，用于回收空气中的HCl气体。混合气体处理量为 _3500_m3/h。进口混合气中含HCl 6%_ （体积百分数）；混合气进料温度为 30。采用20清水进行吸收。要求：HCl的回收率达到_99.85%_。 塔顶排放气体中HCl含量低于_0.15%_（二）操作条件（1）操作压力202.6 kPa（2）操作温度20（3）吸收剂用量为最小用量的倍数自己确定（4）塔型与填料自选，物性查阅相关手册。（三）设计容（1）设计方案的确定和说明（2）吸收塔的物料衡算；（3）吸收塔的工艺尺寸计算；（4）填料层压降的计算；（5）液体分布器简要

2、设计；（6）绘制液体分布器施工图；（7）其他填料塔附件的选择； （8）塔的总高度计算；(9)泵和风机的计算和选型； (10)吸收塔接管尺寸计算；(11)设计参数一览表；(12)绘制生产工艺流程图(A3号图纸)；(13)绘制吸收塔设计条件图(A3号图纸)；(14)对设计过程的评述和有关问题的讨论。前 言11、填料塔主体设计方案的确定21.1 装置流程的确定21.2 吸收剂的选择21.3填料的选择32、基础物性数据及物料衡算31.1.1 物性数据31.1.2 气相物性数据31.1.3 气液相平衡数据41.1.4 物料横算42 2填料塔工艺尺寸的计算52.2.1 塔径的计算52.2.3 填料层压降计

3、算：92.2.4 液体分布装置103、附属设备的选择与计算113.1 填料支撑装置113.2 填料压紧装置113.3 吸收塔主要接管的尺寸计算113.4 填料塔附属高度的计算133.5 离心泵和风机的选择13设计一览表151基础物性数据和物料衡算结果汇总：152填料塔工艺尺寸计算结果表：163吸收塔设计一览表18对本设计的评述18前言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

4、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、填料塔主体设计方案的确定1.1 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。1.2 吸收剂的选择因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。1.3 填料的选择塔填料的选择包括确定填料的种类、规格及材料。填料的种类主要从传质效 率、通量、填料层的压降来考虑，填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公 称直径比值D/dh。综合考虑填料规格，种类和材质后，选用聚丙烯鲍尔环

5、填料2、基础物性数据及物料衡算2.1 基础物性数据2.1.1 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. P = 998.2kg / m 32. i3. 黏度：1.005 x 10八3 Pa s4. 表面力为: 0 .= 72.6dyn / cm = 940896kg / h25. 20 HCl : H=0.199 kmol/(m3 . kPa)6. 20 HCl : DL = 2.8x10=9 m2；7. 20 HCl ： DV = 1.56x10-5m2/s2.1.2 气相物性数据1 .混合气体的平均摩尔质量为2 .混合

6、气体的平均密度Py=2.449kg / m3PM _ 202.6 x 103 x 29.45 x 10-3TT8.315 x 293R=8.314 m3 KPa /kmol - K3 .混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20时，空气的黏度H = 1.73 x 10-5 pa - s = 6228 x 10-5 kg / m h注：1 N = 1 kg - m / s2 1 Pa = 1N / m2 = 1 kg / s2 - m 1Pa.s=1kg/(m.s)2.1.3 气液相平衡数据由手册口查得，202.6 kPa，200C时，HCl在水中的亨利系数为E=275kpa200C时，HCl

7、在水中的溶解度:H=0.199kmol/(m3.kPa)相平衡常数：=1.375998.2P HM P 0.199 x 18.00x 202.6溶解度系数：H = 0.199kmol /(m3- kpa)2.1.4 物料衡算1 . 进塔气相摩尔比为Y = 0.06 = 0.06383 1 1 - 0.062 .出塔气相摩尔比为Y2 = 0.0015对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：X2 = 0 (清水) 2731一混合气体流量：3500xx= 145.59(kmol / h)293 22.4惰性气体流量：V = 145.59x(1 -0.06) = 136.85(kmol/h)min最小液气

8、比：Y-YY Y 12X * X0.06383 0.001512-=Y X m 20.06383 八-01.375=1.3427取实际液气比为最小液气比的2.5倍，则可得吸收剂用量为：L = 1.3427 x 136.85 x 2.5 , 459.37( kmol / h)V (Y Y )0.06383 一 0.0015 二 0.018571.3427 x 2.5V单位时间通过吸收塔的惰性气体量，kmol/s;L单位时间通过吸收塔的溶解剂，kmol/s;Y1、Y2分别为进塔及出塔气体中溶质组分的摩尔比，koml/koml;X1、X2分别为进塔及出塔液体中溶质组分的摩尔比，koml/koml;2

9、2填料塔工艺尺寸的计算2.2.1塔径的计算混合气体的密度PgPM _ 202.6 x 103 x 29.45 x 10-3而 一8.315 x 293=2.449kg / m3填料总比表面积：a, = 115m2 /m3水的黏度 匕=1.005 x 10人-3 Pa s L采用贝恩-霍根泛点关联式口计算泛点速度：lg屋 .fL Pv .日 0.2 二 A Kg £3 P lL1/4P lJ459.37 x 18 i2.449 i= 0.0942 1.75x ()4 x ()83500 x 2.449998.2二0.7241"。凡日 0.2 = 0.1888 g£

10、3 PlL;0.18 8 8 x 9.81x 0.893 x 998.2:= 2.1405m / s115 x 2.449 x 1.0050.2F泛点气速，m/s ；g重力加速度，9 - 81m/s2at填料总比表面积，m2,/m3£填料层空隙率，m2；m3pV, pL气相、液相密度，k/m3 ；L液体粘度，mPa-s;取泛点率为 0.6,即u = 0.85uF = 0.85 x 2.1405 = 1.8194 m / s4VD = 1 S ,兀u4x3500，3.14 x1.8194 x 3600=0.8250m / s圆整后取D = 1.0 mD塔径，m ；操作条件下混合气体的体

11、积流量，m3/s ;u 空塔气速，即按空塔截面积计算的混合气体线速度，m/s.圆整后取D=0.8m （常用的标准塔径为400、500、600、700、800 > 1000、1200 1400 > 1600 、 2000 、 2200)泛点率校核：3500u =3600 = 1.2385m / s0.785 x1.02（对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF = 0.50.85）填料规格校核：D 1000=26.3 > 1015d 38液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为（勺）min = 0.08m3/（m . h）a = 115 m 2 / m 3所以 U . 二 (LW)

12、;a, = 0.08x 115 = 9.20m3/(m2 h)U = Lh0.785 - D 2459.37 x18+998.20.785 x 1.02=10.55m3 /(m2 . h)Umin经以上校核可知，填料塔直径选用D = 1.0m合理。2.2.2填料层高度的计算及分段查表知，0oc ，101.3 kpa下，HCl在空气中的扩散系数D = 0.156cm2/s oP、,T、3由 D = D ()()2，G o P To则 293 k ， 202.6 kpa 下，HCl在空气中的扩散系数为101.3 293 3D = 0.156 x (-)()2 = 0.0867cm 2/sg202.

13、6 273液相扩散系数DL = 1.50 x 10 -5 m 2/s液体质量通量为 U =工?;I： = 10533.32kg/(m2 , h)L 0.785 x1.02一 一 一 3500 x 2.449一 一气体质量通量为 U =-= 10919.11 kg /(m 2 h)v0.785 x1.02Y * = mX = 1.375 x 0.01857 = 0.02553 iiY * = mX = 022脱吸因数为S =mV1.375 x 136.85 八459.37=0.4096气相总传质单元数为：NOG- Ln(1 - S ). 1 - SY - Y *-42Y - Y *2211 -

14、0.4096x Ln(1 - 0.40969) x0.06383 - 00.0015 - 0+ 0.4096 = 5.488气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：aa、，U 、， = 1 - exp-1.45 ()0.75 (l-)0.1 (aa a 日L-p 2LU2)-0.05 (L) 0.2 查表 口知，a = 33dyn /cm = 427680kg / h2所以，a427680、，10533.32、/ 10533.322 x115、f = 1 - eXp-1.45 x ()0.75 x ()0.1 x ()-0.05a940896115 x 3.69982 x1.27 x108

15、10533.322998.2 x 940896 x115)0.2: 0.3582气膜吸收系数由下式计算：K = 0.237( UV )0.7 . (V )3 . (aPv ) ga 口 p D RT10919.11、/0.0651115 x 1.56 x 3600 x 10-5、二 0.237 x ()0.7 x ()3 x ()115 x 0.0652.449 x 1.56x 10-5 x36008.314 x 293=0.0803kmol /(m2 h kpa)液膜吸收系数由下式计算：U 2 uK = 0.0095(一 )3 (产LLa u p D10533.322: 0.0095 x (

16、) 3 x (0.3582 x115 x 3.6 g ?( L- )3PL3.6998.2 x 2.80x10-9 x 3600、1 ,3.6 x 1.27 x108 1厂2 x ()3998.2=0.664查表得：v = 1.45kGa =kg a -V i-i = 0.0803 x 0.3582 x 115 x 1.451.1 = 4.9779kmol /(m3 h kpa)k a=k a.V0-4 = 0.664 x 0.3582 x 115 x 1.450-4 = 31.7350 / h上=0.580.5 uF-0.5)1.4.k a得，-0.5)2.2.k aK'a = 1

17、+ 9.5 .(G由K'a = 1 + 2.6.(Lk' a = 1 + 9.5x (0.58 0.5)1.4x4.9779 = 6.3798kmol/(m3 . h. kpa)Gk ' a = 1 + 2.6 x (0.58 0.5)2.2 x 31.7350 = 32.0536 1h11+k' a H k aGL111+6.3798 0.199 x 31.7350=3.1746kmol /(m3 h . kpa)HOG=0.2710 mV _ V _136.85KYa -Q -k广. P-Q 3.1746 x 202.6x 0.785 x 1.02由 Z =

18、 HOG . N0G = 0.2710 x 5.488 = 1.4872mZ = (1.2 1.5)Z设计取填料层高度取3m查表：对于鲍尔环填料，=510, h < 6 m ，所以填料层不用分段。 Dmax2.2.3 填料层压降计算：采用Eckert通用关联图口计算填料层压降3 0、459.37 x 18 2449、八 o横坐标为：L (T )0.5 =x ()0.5 = 0.047783Vp L 3500 x 2.449 998.2查表得：=114m-1 一P纵坐标为u 2 V PP |Ll 0.2 =g PLL1.23852 x114 x1.45 2.449x9.81998.2x 1

19、.0050.2 = 0.06405查图得，A P Z=490.5pa / m填料层压降为：AP = 490.5x2pa = 0.981 kpa2.2.4 液体分布装置液体的分布装置性能对填料塔效率影响很大，特别是大直径、低填料层的填 料塔，尤其需要性能良好的液体分布装置。本设计选用槽式液体分布器。开孔数目的计算:取 AH = 140mmO = 0.55 d0 = 8mmn=水 0.785 xd2 xgjg xAH459.37 x 18/(3600 x 998.2)0.785 x 0.0082 x 0.55 x、2 x 9.81 x 0.14=50.2 氏 51注：因为填料层高度为3m少于6m，

20、所以可以不用设计再分液器。3、附属设备的选择与计算3.1 填料支撑装置填料支承结构用于支承塔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：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。对于散装填料，通常选用孔管型、驼峰型支撑装置。本设计选用孔管 型支撑装置。本设计塔径D=1000mm，采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小， 由竖扁钢制成的栅板作为支承板，将其分成三块，栅板条之间的距离约为26.6mm。 且需要将其搁置在焊接于塔壁的支持圈或支持块上，分块式栅板，每块宽度为 316mm

21、，以便从人孔进行装卸。3.2 填料压紧装置填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的型式，填料压 板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于瓷、石墨等制成的 易发生破碎的散装填料。床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散 装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安 装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则 用支耳固定。本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装了填料压紧栅板。3.3 吸收塔主要接管的尺寸计算气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽

22、量除去被夹带的液沫。最简单的装 置是在气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾器。由于本设计对排放的净化气体中的液相夹带要求不严，可不 设除液沫装置。常压塔气体进出口管气速可取1030m/s （高压塔气速低于此值）；液体进 出口管气速可取0.81.5m/s （必要时可加大些）。管径依所选气速决定后，应 按标准管规格进行圆整，并规定其厚度。3.3.1 液体进料接管进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。本设计采用 直管进料管，管径计算如下液体流速取u = 1.2 m / s459.37 义 18998.2=8.284m 3/h a'

23、;8.284设计液体进出口管径： d =l=3y4= 0.0494m1 13600 义：义 u3 3600 义? x1.2管选用。=60mmx5mm的无缝钢管，径为50mm8.284管实际流速：u = -qJ = /60? = 1.17m/s，在符合围。冗 0.785 x 0.052 a 243.3.2气体进料接管 气体流速取U气20m/s设计取气体进出管内径d =3500/3600 = 0.2488m2 i 九 0.785 x 20.0 u4 4气管选用。=273mmx11 mm的无缝钢管，径为251mm则实际通过气体接管的气速为：u = qc =金普丝处-=及66 m/s，在符合 气 L

24、d 2 0.785 x 0.25124 2围。按标准管规格进行圆整后得，气体进口出管直径D1=273mm，厚度为11mm液体进出管直径D2=60mm，厚度为5mm。设计位于塔底的进气管时，主要考虑两个要求：压力降要小和气体分布要均 匀。由于填料层压力降较大，减弱了压力波动的影响，从而建立了较好的气体分 布；同时，本装置由于直径较大，可采用简单的进气分布装置。由于对排放的净 化气体中的液相夹带要求不严，可不设除液沫装置。3.4填料塔附属高度的计算塔的附属高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，塔的底部空间高度等。塔的上部空间高度是为使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来而留取

25、60'p HH 2O 二兀CD 24的高度，可取1.2m。设塔定液相停留时间为1min，则塔釜液所占空间高度为60 x 8268.6%600x 998.2）0.785 x12=0.18m考虑到气相接管的空间高度，底部空间高度取为1.505米，那么塔的附属空 间高度可以取为2.705m。吸收塔的总高度为H = 2.705 + 3 = 5.705m3.5离心泵和风机的选择吸收塔的压力降A P'=N p + A P+A P气体进口压强为（突然扩大=1） ： AP =1 xpu2 =1 x2.449x19.662 = 473.29Pa i 22七 ZJ- >3 r rT 二 d

26、/ 加 Ab 4 1 1 _A 匚、11气体出口压强为（突然缩小 ¥-0.5） AP =0.5x-xpu2 = 0.5x-x2.449x 19.662=236.65Pa222填料层压力降：A=981Pa 吸收塔的压力降 A P' =A P1 +A P2 + A =473.29 + 236.65 + 981=1690.94P a二 58104.1791du p0.05 x1.17 x 998.2Re =口1005 x 10-6无缝钢管的绝对粗糙£ = 0.2/mm度，相对粗糙度e. d = °T50 = 0.004查表得摩擦系数九二0.03泵入口管长：0.2

27、m喷头前管长0.5m全程有1个标准截止阀（全开）：¥=6.4 三个90度弯头：¥=0.75带滤水器的底阀（全开）：¥=2吸入管伸进水里/' = 0.3 m出口突然扩大=1.0进口突然缩小自0.5立=6.4 x1 + 0.75 x 3 + 2 +1.0 + 0.5 = 12.15管路总压头损失=Z - +比上Id J2g2g0.03 x i+ ”I 0.05、+12.15 x J1.1722 x 9.81A P 扬程：H = AZ +=1.11 J；Kg01690.94+ H 3 +1.11 = 4.28 mf 998.2 x 9.81W 流量Q = LPL

28、'18 二 8.28m3 / h 998.2经查化工原理教材附表十二得，选用离心泵型号IS65-50-125的泵适合流量m3/h扬程H/m效率n /%功率/kw，必需汽蚀余量（NPSH）r /m转速(r/min)轴功电功率 率12.55640.270552.01450选用风机型号为：C4-72 机号3.6C转速（r/min）流量（m3/h）全压/ Pa功率/kW28002990545093115683设计一览表1基础物性数据和物料衡算结果汇总：项目符号数值与计量单位吸收剂（水）的密度Pl998.2(kg/m3)溶剂的粘度L1.005 x10-3 (Pa.S)溶剂表面力屐940896(k

29、g/h2)盐酸在水中扩散系数DL2.8x10-9(m2 /s)混合气体的平均摩尔质量MG29.45 kg/kmol混合气体的平均密度Pg2.449 kg/m 3盐酸在空气中扩散系数Dv1.56 x10 -5(m2/ s)亨利系数E275 KPa;气液相平衡常数m1.375溶解度系数H0.199kmol /(m3.KPa);盐酸进塔摩尔比Y10.06383盐酸出塔摩尔比Y20.0015惰性气体摩尔流量G136.85kmol/h ;吸收剂摩尔流量L459.37 kmol/h液相进口摩尔比X20液相出口摩尔比X0.018572填料塔工艺尺寸计算结果表：项目符号数值与计量单位气相质量流量Wv8386.

30、66kg/h液相质量流量WL8571.5kg/h塔径D1000mm空塔气速u1.2385 m/s泛点率u/u58%解吸因数S0.4096气相总传质单元数NOG5.448液体质量通量uL10533.32 kg /(m2 . h)气体质量通量Uv10919.11 kg /(m2 . h)气膜吸收系数k G0.0803kmol/(m2.h.kpa)液膜吸收系数kL0.664 (m/h)气相总吸收系数（校正后）k,Ga6.3798kmol/(m3.h.kpa)液相总吸收系数（校正后）KaL32.0536(l/h)气相总传质系数KGa4.9779kmol/(m3.h.kpa)液相总传质系数KLa31.7350kmol/(m3.h.kpa)气相传质单元高度HOG0.271 m填料层高度Z1.4872 m填料塔上部空间高度h11.2 m填料塔下部空间高度h21.505m塔附属高度h32.705m塔高HA5.705m布液孔数n51点孑径d00.008m开孔上方高度A H0.14m3吸收塔设计一览表项目选型数值与计量单位吸收塔类型聚丙烯鲍尔环吸收填料塔混合气处理量：3500m3/h液体进出口接管无缝钢管。60 mm