合肥工业大学化工原理课程设计清水吸收变换气的填料塔装置设计

化工原理课程设计设计题目：清水吸收变换气的填料塔装置设计姓名：李红林组数：第2组成员：王志飞阴蔚豪程浩指导老师：张先龙一时间：2015年5月12日一5月29日化工原理课程设计任务书、设计题目：清水吸收变换气的填料塔装置设计二、设计任务及操作条件：变换气量1210标准m3/h。变换气组成（体积）为：组分CO2COH2N2进塔气体％27.92.547.322.3吸收剂采用清水。要求出塔净化气中CO2<1%。吸收温度：30r，连续操作。操作压力：1.8MPa。三、设计内容1）流程的确定与论证；2）吸收塔技术指标与操作指标确定，包括：塔径、填料层的高度、填料层的压力降等;3）工艺计算、结构设计；4）辅助设备选型。四、设计成果设计说明书一份工艺流程图（1#图纸）1张填料吸收塔的装配图（1#图纸）1张目录TOC\o"1-5"\h\z摘要1―、弓1言2\o"CurrentDocument"二、工艺流程52.1吸收工艺流程52.2吸收工艺流程的确定52.3吸收工艺流程图及工艺过程说明72.4吸收塔设备的选择72.5填料的选择8\o"CurrentDocument"三、物料衡算113.1混合气体中CO2进出塔的摩尔组成113.2混合气体中进出塔的摩尔比组成113.3混合气体中惰性气体的量12\o"CurrentDocument"四、气液平衡曲线及操作线124.1相平衡常数计算124.2平衡线12\o"CurrentDocument"五、最小液气比及吸收剂（水）的用量计算125.1最小液气比125.2吸收剂用量125.3塔底吸收液的组成135.4操作线13\o"CurrentDocument"六、塔径计算136.1填料选择及参数136.2液泛气速计算146.3塔径计算及圆整146.4填料塔喷淋密度及塔径校核15\o"CurrentDocument"七、填料层高度计算157.1传质单元数计算157.2传质单元高度计算167.3填料层高度19\o"CurrentDocument"八、塔径及其他数据校核19\o"CurrentDocument"九、压降计算209.1气体进出口压力降209.2填料层压降20\o"CurrentDocument"十、辅助设备及选型2110.1液体分布装置2210.2液体再分布装置2210.3填料的限位装置2210.4填料支撑装置2310.5裙座2310.6除沫器2310.7气体和液体进出口管径的计算2310.8离心泵的计算与选择24\o"CurrentDocument"十一、设计汇总2611.1主要计算数据2611.2填料塔的工艺尺寸26\o"CurrentDocument"十二、结论26\o"CurrentDocument"参考文献27\o"CurrentDocument"心得体会28\o"CurrentDocument"附录28清水吸收变换气的填料塔装置设计摘要:本次课程设计我们的任务是设计一个处理变换气量为1210L/h的填料吸收塔，选用的材料是塑料阶梯环。用水吸收CO属中等溶解度的吸收2过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。且CO2不作为产品，故采用纯溶剂水作为吸收剂，继而用空气进行解吸使部分水得以循环利用。水吸收二氧化碳为气体单纯溶解于液相的物理吸收过程，因此选择较低的操作温度和较高的操作压力有利于吸收进行。填料塔的经济优化和设备设计是关键部分，通过优化得到的最小液气比为101.73，从而得到塔径、填料层高度及填料层压降.通过对喷淋密度及塔径比的校核，最终确定整塔高为15.350m，填料层高度为11.55m，塔径为1m，则完成了主体设备的计算。辅助设备也是填料吸收塔的重要组成组分，综合考虑各个参数，我们选择的液体分布器、液体再分布器、除沫器、裙座及填料支撑装置分别为溢流型盘式分布器，分配锥再分布器，丝网除沫器、圆筒形裙座和波纹支撑结构。关键词：变换气，清水，填料塔，校核一、引言化工厂变换气是将煤或天然气等其它原料经蒸汽转化成合成气后，进入变换系统，进一步将合成气的中的CO（一氧化碳）经蒸汽转换成CO2（二氧化碳）与H2,转换后气体称为“变换气”，变换气组成，一般天然气为原料为H2：54.5%、CH4：1.91%、CO：2.87%、CO2：12.38%、H2O：28.24%、N2：0.09%，还有其它如未反应完全的c2h6、c3h8、o2等等。变换气进一步将水冷却并排掉，再进一步分离可以得到纯的h2,co,co2,下一步的关联产品主要有合成氨，甲醇，氨加工产品有尿素、各种铵盐（如氮肥和复合肥料）、硝酸、乌洛托品、三聚氤胺等。它们都是重要的化工原料。甲醇继续经氧化脱氢加工可得到甲醛，甲醇羰基化制得醋酸，由醋酸甲酯羰基化生产醋酐，还可由甲醇生产低碳烯烃，由甲醇同系化生产乙醇。还可以只提取日2做产品。交换气中的CO2的吸收方法主要分为三类：化学吸收法，物理吸收法和物理化学吸收法。用清水作为吸收剂吸收交换气中的CO2属于单纯的气体溶解于液相的物理吸收法，并且在吸收过程中，近似二氧化碳在交换气中的温度升高并不显著，热效应很小，近似认为是单组分等温吸收过程。填料塔是一种连续接触式的气液传质设备，结构简单，压降低，易用耐腐蚀材料制造，近年来，国内外对填料的研究及开发进展迅速，性能优良的新型填料不断涌现，使填料塔的应用更加广泛，本课程设计中根据一系列参数设计的填料塔，吸收剂利用率高，对二氧化碳的吸收可达到预期要求，且处理费用低，使社会经济效益得到进一步提高。二、工艺流程2.1吸收工艺流程原~寸造气工序|―4脱硫工序|―*ICO变换气工序―4脱碳工序I~~►精制工序I―』压缩工序|―H合成工序|~►产品氨1）经过压缩有一定压力的半水煤气先经过油水分离器，除去煤气中的油物。然后进入饱和塔的下部与热水进行交换后升至一定温度，经过气水分离器分离出煤气中的水份。去除水分的煤气进入预热交换器，与中变炉出口的高温煤气进行两次热交换后，进入中变炉，在触媒的催化作用下，煤气中的一氧化碳发生反应，生成二氧化碳，中变炉的炉体内有三层反应区，在正常的工艺状况下，第一层的反应温度控制在450°C左右，第二层反应温度控制在400°C左右，第三层的反应温度控制在380C左右。反应后出中变炉的变换气进入与入口水煤气进热交换的两级热交换器后，再进入低变炉使变换气中的一氧化碳进一步变换，经过两次变换的水煤气成为合格的变换气后，经热水塔，冷却塔之后送入下一工段进行后续处理。2）含有一定浓度（CO2）的变换气进入吸收塔内。气体中CO2被逆流流下的水所吸收。净化CO气脱至所要求的浓度由塔顶排出，成为可供用户使用的工艺2气。3）将压缩送来的合格精炼气在适当的温度、压力和触媒存在的条件下合成为氨，所得气氨经冷却水及液氨冷却，冷凝为液氨，并将液氨从氢氮气中分离出来，未合成的氢氮气补充部分新鲜气继续在合成系统内循环合成。2.2吸收工艺流程的确定工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同的角度进行分类，从所用的吸收剂的种类看，有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两部吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程，从塔内气液两相得流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程。（一）一步吸收流程和两步吸收流程一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同时过程的分离要求不高，选用一种吸收剂即可完成任务的情况。若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以用一步吸收达到规定的吸收要求，但过程的操作费用较高，从经济性的角度分析不够适宜时，可以考虑采用两步吸收流程。（二）单塔吸收流程和多塔吸收流程单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程，如过程无特别需要，则一般采用单塔吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程（通常是双塔吸收流程）。（三）逆流吸收与并流吸收吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质推动力大，分离效率高（具有多个理论级的分离能力）的显著优点而被广泛应用。工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。（四）部分溶剂循环吸收流程由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，当液相喷淋量过小时，将降低填料塔的分离效率，因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时，可以采用部分溶剂循环吸收流程，以提高液相喷淋量，改善塔的操作条件。单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程。本设计采用单塔逆流操作。由于逆流操作具有传质推动力大，分离效率高（具有多个理论级的分离能力）的显著优点。故本设计采用单塔逆流吸收操作。2.3吸收工艺流程图及工艺过程说明吸收CO2的流程包括吸收和解吸两大部分。从中温变换炉流入的混合气进入低温变换炉，经变换后由泵送入气体储槽，控制流量送到脱碳塔。混合气体冷却至20°C下进入吸收塔底部，水从塔顶淋下，塔内装有填料以扩大气液接触面积。在气体与液体接触的过程中，气体中的CO2溶解于水，使离开吸收塔顶的气体CO2含量降低至允许值，而溶有较多CO2的液体由吸收塔底排出。为了回收CO2并再次利用水，需要将水和CO2分离开，称为溶剂的再生。解吸是溶剂再生的一种方法，含CO2的水溶液经过加热后送入解吸塔，与上升的过热蒸汽接触，CO2从液相中解吸至气相。CO2被解吸后，水溶剂得到再生，经过冷却后再重新作为吸收剂送入吸收塔循环使用。由塔顶送出的变换气经冷凝器冷凝后，送入甲烷化反应釜进行精制，后至氨合成车间。设计填料吸收塔实体主体结构示意图见CAD图。2.4吸收塔设备的选择对于吸收过程，能够完成其分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备中选择合适的类型是进行工艺设计得首要工作。而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后，并经多方案对比方能得到较满意的结果。一般而言，吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，即用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，易于制造、安装、操作和维修等。在液体流率很低难以充分润湿填料，或塔径过大，使用填料塔不很经济的情况下，以采用板式塔为宜。但作为吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能，所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。本次吸收塔设计选择填料吸收塔。2.5填料的选择塔填料是填料塔中的气液相间传质组件，是填料塔的核心部分。其种类繁多，性能上各有差异。在选择塔填料时，主要需考虑如下几个问题。选择填料材质选用塔填料材质应根据吸收系统的介质以及操作温度而定。一般情况下，可以选用陶瓷、塑料、金属等材质。对于腐蚀性介质应采用相应的耐腐蚀材料，石墨、玻璃不锈钢、塑料、陶瓷等，对于温度较高的情况，要考虑材料的耐温性能。填料类型的选择能够满足设计要求的塔填料不止一种，要在众多的塔填料中选择出最适宜的塔填料，以较少的投资获得最佳的经济技术指标。一般来说，同一类填料中，比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率，但由于其在同样的处理量下，所需塔径较大，塔体造价升高。填料尺寸的选择填料塔的塔径与填料直径的比值应保证不低于某一数值，防止产生较大的壁效应，造成塔的分离效率下降。一般来说，填料尺寸大，成本低，处理量大，但效率低。使用50mm的填料，其成本的降低往往难以效率降低所造成的成本增加，所以，一般大塔常使用50mm的填料。但在大塔中使用20-25mm填料时，效率并没有显著的提高。（1）拉西环填料拉西环填料于1914年由拉西（F.Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环，如图片拉西环所示。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。（2）鲍尔环填料如图片鲍耳环所示，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%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。（3）阶梯环（Stairswreath）填料如图片阶梯环所示，填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错45°的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。（4）矩鞍填料如图片矩鞍填料所示，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。（5）金属环矩鞍填料如图片金属换环聚鞍填料所示，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.规整填料规整填料是由许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元，以整砌的方式装填在塔体中。规整填料主要包括板波纹填料、丝网波纹填料、格利希格栅、脉冲填料等，其中尤以板波纹填料和丝网波纹填料所用材料主要有金属丝网和塑料丝网。格栅填料(Spacegridfiller)是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中以图片3-12(b)所示的格里奇格栅填料最具代表性。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。波纹填料(Ripplesfiller)目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有30°和45°两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90°排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，它是由金属丝网制成的。金属丝网波纹填料的压降低，分离效率很高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因其性能优良仍得到了广泛的应用。金属板波纹填料是板波纹填料的一种主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多f5mm左右的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。金属压延孔板波纹填料(Themetalspressestopostponetheboreplankripplesfiller)是另一种有代表性的板波纹填料。它与金属孔板波纹填料的主要区别在于板片表面不是冲压孔，而是刺孔，用辗轧方式在板片上辗出很密的孔径为0.4〜0.5mm小刺孔。其分离能力类似于网波纹填料，但抗堵能力比网波纹填料强，并且价格便宜，应用较为广泛。波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大(常用的有125、150、250、350、500、700等几种)。

波纹填料的缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。(4)脉冲填料(Pulsefiller)是由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成的一种规整填料。脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动。在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。工业上常用规整填料的特性参数可参阅有关手册。由于该过程处理量不大，所以所用的塔直径不会太大，以采用填料塔较为适a=132.5m2/m3e=0.90中=1.45d=115m-iFbC=33dyn/a=132.5m2/m3e=0.90中=1.45d=115m-iFbC=33dyn/cmP=57.5kg/m3y=0.279y2=0.013.2混合气体中进出塔的摩尔比组成=yi=—=0.3871-y1-0.279=y2=0,01=0.01011-y1-0.01工=0.387-0.0101=0.974Y10.3873.3混合气体中惰性气体的量标准状况下混合气体体积U=1210m3/hG=1210/22.4kmol/h=54.018kmol/hM=M-y+M-y+M-y+M-y混CO2co2cocoH2H2N2N2=44.01x0.279+28.01x0.025+2.02x0.473+28.02x0.223=20.183质量流率G，=GM混=54.018x20.183=1.090x103kg/h惰性气体量G^=54.018(1-0.279)=38.95kmol/h、气液平衡曲线及操作线4.1相平衡常数计算由手册查得，操作压力为1.8Mpa，温度为30°C下，CO2在水中的亨利系数为E=18.8x104kPa则相平衡常数m=E=庭"=104.4P总18004.2平衡线对清水吸收低浓度co2气体，气液平衡关系服从亨利定律，可用y=mx表示。该平衡线方程为y=104.4x五、最小液气比及吸收剂(水)的用量计算5.1最小液气比(Ls)=mn=104.4x0.974=101.73GminB5.2吸收剂用量吸收剂用量是影响吸收操作的重要因素之一，它直接影响设备尺寸和操作费用，选择适宜的液气比，可使两种费用之和最小。根据生产经验，一般情况下取吸收剂用量为最小用量的1.1-2.0倍是比较适宜的。

BS=1.2(取液气比为最小液气比的1.2倍，即BS=1.2(=1.2x101.73=122.07minB•(，)=38.95x122.07kmol/h=4.755x103kmol/hBL、-Mh^=4.755x103x18.02kg/h=8.568x104kg/h5.3塔底吸收液的组成清水吸收，X2=0.因为：G(Y-Y)=L(X-X)B12S12所以：X=G(Y-Y)=—1—X(0.387-0.0101)=0.003091L12122.07则塔底吸收液的组成为X1=3.09x10-35.4操作线操作线方程为y=宗-x+y1-'-X]BB=122.07X—0.097六、塔径计算6.1填料选择及参数填料的作用是为气液两相提供充分的接触面，并提高流体（主要是气相）的湍动程度，有利于传质。用水吸收二氧化碳操作温度不太高，且物系无显著腐蚀性时，可选择塑料阶梯环（乱堆）。其相关参数如下：参数直径dmm高乂厚Hx5mm/mm比面积am2/'m3空隙率EAK形状系数寸塑料阶梯环38.519x1.0132.50.910.2041.751.456.2液泛气速计算由化学工程手册查得，操作压力为1.8Mpa，温度为30C条件下，p=995.7kg/m3Lp=PM混=1800X20.183kg/m3=14.413kg/m3GRT8.3145X303.15L总L=8.568x104kg/h横坐标:纭土）2=睛68x104x（些）2=9.46G'p1.090x103995.7L查关联图得纵坐标值为0.001查工程手册得，温度为30°C时水的粘度为HlH=0.801x10-3pa-sg=9.807m/s2UF2•①叩（匚p

Lg中=£水=1

pL川0.2=0.001L液泛气速:巫M=J0.001X9.807X995.7m/s=0.0789m/s\i中甲pHo.2\170x1x14.413x0.8010.26.3塔径计算及圆整气体沿塔径上升可视为通过一个空管，按流量公式计算塔径:式中D:塔径，m;qv：在操作条件下混合气体体积流量，m3/s;u:混合气体的空塔气速，m/s;选择低气速，压降小，动力消耗少，但塔径大，设备投资高，且不利于气液充分接触，传质效率低；选择高气速，塔径小设备投资小，但压降大，动力消耗大，操作不平稳。综合考虑，适宜操作气速通常取泛点气速的50%—85%。本设计取空塔气速：u=0.7u=0.7x0.0789m/s=0.055m/s

FV=1210(0，1013)(303,15)=75.57m3/h=0.021m3/ss1.8273.15D=-S，兀•u4x0.021=m=0.697mD=-S，兀•u•.冗x0.055根据压力容器公称直径标准，圆整为D=0.8m6.4填料塔喷淋密度及塔径校核填料塔内传质效率的高低与液体的分布和填料的润湿情况有关，为使填料能获得良好的润湿，应保证塔内液体喷淋密度不低于某一下限值。因填料尺寸小于75mm,故取(L).=0.08m3/(m•h)由Ln"(L/mm式中L.:最小喷淋密度，m3/(m•s);(L)「最小润湿速率，m3/(m•s);以:比面积，m2/m3.则L=(L)x以=0.08x132.5m3/(m•h)=10.6m3/(m2•h)操作条件下的喷淋密度为L=4Ls=4X8.568X104m3/(m•h)=171.3m3/(m•h)>L.兀D2p3.14x0.82x995.7min此外，为保证填料润湿均匀，还要使塔径与填料直径之比值D/刁在10以上，比值过大，液体沿填料流下时会出现壁流现象。校核径比:g=―—=21.779>10,可避免壁流现象。d0.0385土夫土云土口/后户、击4V4x0.021/校核操作气速：u=——给=m/s=0.0418m/svu兀D2兀x0.82F七、填料层高度计算7.1传质单元数计算清水吸收二氧化碳气液平衡关系服从亨利定律，故可用脱吸因数法计算传质单元数。mG104.4d===0.855L122.07.1^Y由N=ln[(1-S)ie2+S]得OG1-sY-Y2e210一387—0N=ln[(1-0.855)x+0.855]=12.81og1-0.8550.0101-07.2传质单元高度计算各关联式中的物性数据气体性质（以操作温度30°C,压强1.8Mpa的C。之计）T、匕，f%（273.15）m其中，旦为0oC,常压下纯气体组分的粘度，Pa•s,m为关联指数:GiCO2COH2N2I/Pa•sGi13.7x10-616.6x10-68.42x10-617.0x10-6m0.9350.7580.7710.756T一…303.15«…日=日o()m=13.7x10-6x(-)0.935Pa•s=1.510x10-5Pa•sGCOG(CO)'G(CO2)2273.15273.15……303.15一……日=16.6x10-6x(一)0.758Pa•s=1.796x10-5Pa•s^G(CO)273.15303.15匕(H)=8.42x10-6x(-__—)0.771Pa•s=9.055x10-6Pa•s一八…303.15一八—…匕(n)=17.0x10-6x(---—)0.756Pa•s=1.839x10-5Pa•sVUM0.5+VIM0.5+V」M0.5+V」M0.5p—CO2G(CO2)CO2H2G(H2)HCOG(CO)CON2G(N2')N2GVCO2MCO20.5+VH2MH20.5+VCOMCO庭+VN2MN^0.279x1.51x10-5x44.010.5+0.473x9.055x10-6x2.020.5八=Pa•s0.279x44.010.5+0.473x2.020.5+0.025x28.01。.5+0.223x28.020.50.025x1.796x10-5x28.010.5+0.223x1.839x10-5x28.020.5八+Pa•s0.279x44.010.5+0.473x2.020.5+0.025x28.010.5+0.223x28.020.5=1.514x10-5Pa•s扩散系数:34.36x10-5xT2:11—P(v；fBt)&MaMb气体分子体积H2COCO2N2V14.330.73431.23DCO2-H24.36x10-5x303.15211+m2/s=2.865x10-6m2/s\44.012.02111800x(343+14.33)2DCO2-N23_4.36x10-5x303.152;1,,+m2/s=7.517x10-7m2/s11.44.0128.021800x(343+312)2DCO2-CO3,4.36x10-5x303.152，11.+m2/s=7.557x10-7m2/s1144.0128.011800x(343+30.73)2yHD2CO2-H21-yCO.+_A_+yCODco2-n2DCO2-CO1-0.2790.47302230.025—++2.865x10-67.517x10-77.557x10-7=1.457x10-6m2/s液体性质（以操作温度30°C计）表面张力：b=71.20x10-3N/mCO2在液相中的扩散系数dlD=8.396x10-8T/旦=8.396x10-8x303.15+0.801m2/s=3.178x10-9m2/s气体与液体的质量流速-L8.568x104x47L==kg/(m2-s)=47.37kg/(m2-s)g3600xO3600x兀x0.82G1.090x103x47V==kg/(m2-s)=0.602kg/(m2-s)g3600xO3600x兀x0.82塑料阶梯环的特性：以=132.5m2/m3b=33x10-3N/m(附查录得)WL1.45(附录查得)有效比表面积-L€^)0.2}pba、47.372x132.5、)0.1()-0.05995.72x9.807aw-L€^)0.2}pba、47.372x132.5、)0.1()-0.05995.72x9.807=1-exp{-1.45x(33x10-3IfZ^47.37271.2x10-3132.5x0.801x10-3x()0-247.372995.7x71.2x10-3x132.5=0.736以w=0.723以=0.736x132.5m2/m3=97.52m2/m3.液相传质系数k=0.0095(-^)3(-^~

lappD47.37=0.0095xk=0.0095(-^)3(-^~

lappD47.37=0.0095x(97.52x0.801x10-3)-2(坚)；Wo.4PL危，0.801x10-3、10.801x10-3x9.8071,)3x()-2x()3m/s995.7x3.178x10-9995.7=8.537x10-4m/s④气相传质系数k=0.237(匕)0.7(—Pg—)3(以Pg叩1.1gappDRT0.602__..,1.514x10-5=0.237()0-7(132.5x1.514x10-516.527x1.457x10-61132.5x1.457x10-6、)3()8.3145x303.15=8.44x10-7kmol/(m2-s-kPa)⑤计算Kyka=kaw0.4=8.537x10-4x97.52x1.450.4s-1=0.097s-1ka=ka^w11=8.44x10-7x97.52x1.451.1kmol/(m3-s-kPa)=1.24x10-4kmol/(m3-skPa)溶解度系数:995.718.8x104X18.02则HOGkmol/(m3-kPa)=2.94x10-溶解度系数:995.718.8x104X18.02则HOGTOC\o"1-5"\h\z,111，曰由=+得：K以k以Hk以111=+Ka1.24x10-42.94X10-4x0.097Ka=2.32x10-5kmol/(m3-s-kPa)Ka=KaP^=2.32x10-5x1800kmol/(m3-s)=4.17x10-2kmol/(m3-s)⑥传质单元高度HOGKaQy式中G：气相摩尔流量，mol/s.。：吸收塔的横截面积，m2.Ka:体积传质系数，kmol/(m3-s).G54.018/3600=m=0.72m.Ka。4.17x10-2x0.785x0.827.3填料层高度Z=H-N=0.72x12.81m=9.24mZ=1.25Zog=1.25x9.24m=11.55m八、塔径及其他数据校核nD23.14x0.82…填料体积V=Z==5.8m244根据实际情况，放大塔径Z，=土=^1=7.4m3.14x12操作气速u=E=4x0.021=0.0267m/s<uDn12xnf操作条件下的喷淋密度为L=44Ls=4X8,568X104m3/（m-h）=109.6m3/（m-h）>L.兀D，2p3.14X12乂995.7minL校核径比D=1=25.97>10d0.385九、压降计算9.1气体进出口压力降由后面主要接管尺寸计算可知，气体的进出口接管内径为52mm。则气体的进出口流速为：4q4x0.0209八。，

u=——v==9.8m/s兀d23.14x0.052211则进口AP=-pu2=—x14.413x9.82=692.11P。（突然扩大&=1）12G21xX14.413x9.82=346.06Pa（突然缩&=0.5）22’G11出口AP=2x2pu29.2填料层压降X=9.46u2•中叩pY=L（二）日gPL查Eckertffi用压降关联图（延伸图）得0.02672x115x1（y）0.8010.2=0.00016995.79.81AP/Z=30x9.81=294.3Pa/mAP=7.4x294.3Pa=2177.82Pa图中k,L--分别为气液相流率，kg/h.P/Pl--分别为气液相密度，kg/m3.七--液相粘度，mpa-s.中七—实验测取的填料因子，各种填料的值载于填料性能表中g--重力加速度，m/s2.其它塔内间的压力降较小，因此可忽略。于是得到吸收塔的总压力降为AP=AP+AP+AP=3215.99Pa十、辅助设备及选型填料塔操作性能的好坏，与塔内辅助构件的选型和设计紧密相关，合理的选型与设计，可保证塔的分离效率，生产能力与压降要求。塔的辅助构件包括液体分布装置，再分布装置，除雾沫器，气体和液体的进出口管径，填料支撑装置，以及泵的选取。10.1液体分布装置一个理想的液体分布装置的要求是：通道不易阻塞，不需要很大的压头，气体通过时阻力小，结构简单，制造和安装方便等。该吸收塔塔径为1m，流体流量为：(8.568x104)/995.7=86.05m3/h溢流型盘式分布器：气体负荷量较小，而溢流型盘式分布器不易堵塞，操作弹性较好，自由表面积较小，适用于塔径小于1200mm，气液负荷小的塔，故选用溢流型盘式分布器。分布器内径约为塔内径的0.8〜0.85倍，即取内径0.8m，高度为1.5m。10.2液体再分布装置液体沿填料层向下流动时，易形成“壁流”，使液体的分布不均匀而使传质效率降低，严重时甚至使得中心填料不能被干燥而形成“十锥”。因此在出现严重壁流甚至“干锥”之前，应在各段设置液体再分布器以提高全塔效率。一个好的液体再分布器应尽量少占用塔的有效高度，有较大的自由截面积，压降小，结构简单可靠，又能承受气液流动的冲击，便于拆卸。锥形液体收集器：分配锥结构简单，适于直径小于1000mm的塔，选用分配锥，锥壳下端直径为。x0.8=800mm，该吸收塔选用塑料填料，每段高度不超过3〜4.5m，故安装1个分配锥，如下图：10.3填料的限位装置填料限位器用于金属、塑料制散装填料及所有规整填料，它的作用是防止高气速、高压降或塔的操作出现较大波动时，填料向上移动时而造成填料层出现的空隙，从而影响塔的传质效率。对于金属、塑料制散装填料，多采用网板结构作为填料限位器，因为这些填料有较好的弹性，且不易破碎，故一般不会下沉，所以填料限位器一般固定在塔壁上。10.4填料支撑装置常见的填料支撑结构型式有孔管型、格栅型、波纹型、等多种形式。一般地，格栅型多用于规整填料塔，其他几种型式则多用于散堆填料塔。故本此设计预选用波纹型。10.5裙座对于高大地塔设备，根据工艺要求和载荷特点，常采用裙座支撑塔体。圆筒形裙座制作方便，经济上合理，应用广泛。故该塔采用圆筒形裙座，取高度为1m。10.6除沫器穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫。除沫器一般设在塔的顶部，用于收集夹在气流中的液滴，适用高效的除沫器，对回收昂贵的物料，提高分离效率，改善塔后设置的操作状况，减少环境污染都是非常重要的。丝网除沫器：是最常用的除沫器，具有比表面积大，重量轻，空隙率大以及使用方便等优点，尤其是它具有除沫效率高，压降小的特点，是目前使用具广泛的除沫装置。该塔使用丝网除沫器，其外径稍小于800mm，与塔内径相近并且直接固定于塔壁上。10.7气体和液体进出口管径的计算有公式：d—当5uVs:为流体的体积流量，m3/su:为适宜的流体流速，m/s.10.7.1液体的进出口直径的计算初定液体流速为："液=2.0m/s8.568x104V=3600~9957—0.02390m3/s:W：4x0.02390d=撰——s—'—123.38mmnunx2.0取管径为133mm（采用可拆式孪管，133x4.5）（《化工设备机械基础》）液体实际流速为：u=4匕=_°"'）」°—1.98m/snd2兀x0.1242进出口管径均选用4133x4.5，流速为1.98m/sGB/T17395-19984133x4.5普通无缝钢管10.7.2气体进口管径的确定初定气体流速10m/sV=—0.02097m3/ss14.4142x3600,花4x0.02097ld=•—s==51.68mm*nu\‘nx10取管径为60mm实际气体流速为：u—兰—4x0.02097—9.88m/snd2nx0.0522GB/T17395-1998460x4普通无缝钢管10.8离心泵的计算与选择a）流量q=0.02394x3600m3/h=86.184m3/hb）流量所需的扬程H=AZ+翌+竺+SH+£hPg2gf1f2式中AZ一两截面处位头差；AP一两截面处静压头之差；Pg

业一两截面处动压头之差；pgEHf1=^-2-一直管阻力;EH=E&巴一管件、阀门局部阻力；f22g根据前面设计资料对上述公式各项进行估算：△Z=13.5mAP=3215.99Pa管路总阻力和所需压头计算根据管路的平立面布置，计算所得雷诺数为:>4000(湍流)0.81x10-3Re=虹=124x10-3x「98x995.7=305198>4000(湍流)0.81x10-3利用柏拉修斯关系式有:0.3164Re0.0.3164Re0.250.3164305198.830.250.01346根据填料塔高及泵的大体位置，管路长l取20m,EH=土=0.0346x——20x—=0.43mf1d2g124x10-32x9.807选用三个90。弯头，三个截止阀全开EH=E&土=(3x0.75+3x6.00)1.982=4.05mf22g2x9.8H=AZ+AP+A"2+EH+EH=13.5+3215.99+pg2gf1f2995.7x9.80+0.43+4.05=18.31m考虑到安全系数，查得流量的安全系数为1.1,扬程的安全系数为1.05〜1.1q=94.8m3/hH'=1.1H=1.1x18.31m=20.141m因为该吸收以清水为吸收剂，选用离心泵型号为：IS125-100-250单级单吸离心泵，其性能参数如下：转速(r/min)流量m3/h扬程H/m效率n/%功率/kW必需汽蚀余量(NPSH)r/m轴功率电机功率2.5145010020767.1711十—、设计汇总11.1主要计算数据混合气体摩尔比Y=0.387Y=0.0101塔底吸收液组成X]=0.00309X=0平衡线方程y=104.4x操作线方程y=122.07x-0.097质量流率G=GM混=1.090x103kg/h惰性气体量G=38.95kmol/h液体吸收剂用量L；=8.568x104kg/h公称直径D=1m填料层高度Z=11.55m总压力降AP=3215.99Pa操作条件下的喷淋密度为L=109.6m3/(m-h)11.2填料塔的工艺尺寸项目填料塔塔径/mm填料层/mm液体分布器(包括空隙)/mm封头/mm裙座/mm全塔高度/mm尺寸1000115501500300100015350十二、结论此次课程设计我们设计的是一个处理变换气气量为1210Nm3/h的填料吸收塔。整个过程大致可以分为三个部分：方案的确定。通过查找资料以及一些基本的计算从而确定整个工艺流程，计算方法以及各部分需要计算的量。通过综合考虑，我们填料吸收塔的填料选用的是塑料阶梯环，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。优化。这是课程设计中最关键的环节，通过计算我们得到最小液气比，优化得到最小液气比系数为101.73,再计算出水的流量，从而得到填料层高度为11.55m，塔高为15.350m，塔径为1m。然后根据流量及相关参数选择填料塔设备及辅助设备。画图。经优化确定设计的塔高为15.350m，填料层高度为11.55m，塔径为1m，并在国标上查得各类附属零件参数，绘制出工艺流程图及填料塔装配图。根据工艺流程绘制了相应的PID图。参考文献王国胜，《化工原理课程设计》，大连理工大学出版社2005.2.柴诚敬、刘国维、李阿娜，《化工原理课程设计》，天津科学技术出版社1994.10.任晓光，《化工原理课程设计指导》，化学工业出版社2009.1.贾绍义、柴诚敬，《化工原理课程设计》，天津大学出版社2002.8.李平辉、田伟军，《合成氨原料气生产》，化学工业出版社2009.9.林玉波，《合成氨生产工艺》，北京：化学工业出版社，2006.俞金寿，《化工自动化及仪表》，上海:华东理工大学出版社，2011.2.崔鹏，《化工原理》，合肥工业大学出版社，2003.07.喻健良，《化工设备机械基础》，大连：大连理工大学出版社，2009.07.路秀林、王者相，《塔设备》，北京：北京工业大学出版社，2004.01.林大均、于传浩、杨静，《化工制图》，北京：高等教育出版社1,2007.08.胡健生，《化工制图》，北京：化学工业出版社,2010.07.方利国，《计算机在化学化工中的应用》，北京：化学工业出版社，2010.12.方利国，《计算机辅助化工制图与设计》，北京：化学工业出版社，2010.04.胡忆沩、余波、胡艳菊等，《化工设备与机器》，北京：化学工业出版社，2009.12.李功样、陈兰英、崔英德，《常用化工单元设备设计》，广州：华南理工大学出版社,2003.04.付家新、王卫国、肖稳发，《化工原理课程设计》，北京：化学工业出版社，2010.11.马江权、冷一欣，《化工原理课程设计》，北京：中国石化出版社,2009.心得体会我们觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用