四川大学化工原理课程设计(吸收塔)

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四川大学化工原理课程设计

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:

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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 ........................................... 5

3.1 气液平衡关系 ............................................... 6 3.2 确定吸收剂的用量 ........................................... 6 3.3 计算热效应 ................................................. 7 3.4 塔径的计算 ................................................. 8

3.4.1 混合气体的密度........................................ 8 3.4.2 填料的选择............................................ 8 3.4.2 计算塔径 ............................................................................... 11

3.5喷淋密度的校核 .................................................................................... 12

3.6总传质系数KXa计算 ......................................... 13 3.7 填料层高度的计算 ........................................... 14 3.8 填料层阻力计算 ............................................. 16 第四章附属设备的选型和计算 ...................................... 16

4.1 液体喷淋装置 .............................................. 16 4.2 液体再分布器 .................................................................................. 18 4.3 塔附属高度 ...................................................................................... 19 4.4 填料支撑板 ................................................ 19 4.5 填料限定装置 .............................................. 20 4.6 气体入口装置 .............................................. 20 4.7 除沫装置 ......................................................................................... 20 4.8 封头 ...................................................... 21 4.9 泵的选择 ......................................................................................... 21 第五章设计结果概览 ............................................. 23

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第六章设计评价 .................................................. 25 主要符号说明....................................................... 27 参考文献........................................................... 28

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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清除干净，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，二氧化碳的存在还会使氨合成的催化剂中毒，而且还给清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、碳酸氢铵、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%）：CO2 10.2% ，H2 65%，N2 21%，

CH4 0.5% ,CO 3.2% , O2 0.1%

2.气体量：4200Nm3/h

3.温度：30C 4.压力：1700KN/m3

（二）气体出口要求（V%）：CO2 0.65%

（三）吸收剂：水

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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：优点逆流传质推动力比较大，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。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。并流当平衡曲线较平坦，流向对推动力影响不大；被处理气体不需要吸收很完全；吸收剂用量特别大时使用。相同分离程度下，平均推动力下，所需要的传质面积大部分回流多塔串联操作提高他的液体喷淋密降低单个塔的度，控制塔内的温升，填料层高度，便提高吸收剂的使用于维修率，特别适用于相平衡常数很小的情况下。较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，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。缺点综合上面的分析，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：

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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=31.1C，临界压力Pc=7.38Mpa 求得：对比温度：Tr=

30273.15T= =0.9964，

31.1273.15TcP1.7Mpa0.2304 Pc7.38Mpa 对比压力：Pr=

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p1700Kpa0.9251573KPa

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

E1.88102MPa119.55 数E=1.8810MPa，mf1.573MPa2Y

mX1(1m)X119.55X119.55X

1(1119.55)X1118.55X3.2确定吸收剂的用量

已知y1=0.102，y2=0.0065：Y10.1020.1136，

10.102Y20.00650.0065

10.00654200(1y1)168.38Kmol/h 22.4惰性气体的摩尔流量：V=

最大出口浓度X1maxX18.5410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，

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进塔液相组成为X2=0；

LY1Y20.11360.0065125.41 V4XX8.5410min1max2

LL由于()(1.1~2)()min，实际液气比，取1.3，1.5，1.8倍三组数据计算；

VVLL第一组：1.31.3125.41163.03 VV1minL1163.03V27451.50kmol/h，

X11Y1Y20.11360.00656.57104；

163.03LV1LL第二组：1.51.5125.41188.12 VV2minL2188.12V31674.19kmol/h，

X21Y1Y20.11360.00655.69104；

188.12LV2LL第三组：1.81.8125.41225.74 VV3minL3225.74V38009.03kmol/h，

X31Y1Y20.11360.00654.74104；

225.74LV3

3.3计算热效应

水吸收二氧化碳的量：

GAV(Y1Y2)168.375(0.11360.0065)18.03kmol/h

查《化工原理设计导论》图4-5，得到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)

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根据公式L18CptGA44q4.18，可得：tGA44q4.18；

L18Cpt118.03441064.180.1711C

27451.50184.17418.03441064.180.1481C

31674.19184.17418.03441064.180.1231C，

38009.03184.179t2t3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4410.2%265%2821%160.5%283.2%320.1%12.676kg/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=1.30MPa N2：Tc=-147.13C, Pc=3.39Mpa ，CH4：Tc=-82.15C, Pc=4.62MPa

CO：Tc=-140.2C, Pc=3.50Mpa ，O2：Tc=-118.82C, Pc=5.04MPa 求得假临界压力：

Pcmyiyi•Pci10.2%7.3865%1.3021%3.390.5%4.623.2%3.500.1%5.042.4498MPa

假临界温度：

Tcm•Tci10.2%31.165%(239.9)21%(147.13)0.5%(82.15)3.2%(140.2)0.1%(118.82)188.676C由《工程热力学》附图1查得Z=1.03，

vPM170012.6768.30kg/m3 ZRmT1.03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堆填料和规整调料。散装填料

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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%以上，传质效率提高30%左右。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

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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。

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，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50mm的聚丙烯阶梯环填料。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的填料，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的填料，故在本设计中选用50mm的填料。

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公称直径为50mm的聚丙烯阶梯环填料的结构特性参数如下表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) m3 度(p) kg/m3 (a/3) m1 () m1 mm m2/m3 m3/m3 25*1.5 114.2 0.927 10740 54.3 143.1 100 3.4.3计算塔径

应用散堆填料泛点气速联通关联式：贝恩-霍根泛点关联式：

1VWL10.2lg[3L]A1.75()4(V)8

gLWVLu2fa其中：公称直径为50mm的聚丙烯阶梯环填料a/3=143.1，关联常数A=0.204，

物性常数：V=8.3009kg/m3，L=995.7kg/m3，

L= 80.07×10−5Pa∙s 气体质量流量：

WV

TP273.1530101.3254200G42008.30092305.96kg/hTP273.151700 液体质量流量：WL1L11827450.9718494117.46kg/h

WL2L21831674.1918570135.42kg/h

WL3L31838009.0318684162.54kg/h

由关联式解得泛点速度：uf1 = 0.0536m/s，uf2=0.0459m/s，uf3=0.0374m/s

u/uf0.5~0.85，对于散装填料，其泛点率的经验值为：取泛点率为0.7得气速为：

u1=0.7×uf1=0.0375 m/s，u2=0.7×uf2=0.0321 m/s

u3=0.7×uf3=0.0262 m/s

操作条件下的气体流量：VS273.1530101.32542000.077m/s，

273.1517003600可由式 D4Vs 计算得塔径： u11

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4×0.0774×0.0774×0.077

D1=√=1.62m，D2=√=1.75m，D3=√=1.93m

π×0.0375π×0.0321π×0.0262

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=1.7m,D2=1.8m,D3=2.0m。再核算操作空塔气速：

4Vs由公式：，可得：u1=0.0339 m/s，u2=0.0303 m/s ，u3=0.0245 m/s。 uD2uuu

圆整后的泛点率分别为：1⁄uf1=0.632，2⁄uf2=0.660 ，3⁄uf3=0.701 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

Lh式为：U，其中Lh为液体喷淋量。 20.785D由《化工原理》附录五查得30C时，水的密度为L995.7kg/m3，则有：第一组：

Lh1=

U1=；

Lh1496.25

==218.74 m3/(m2∙h) 220.785×D10.785×1.7L1×1827450.97×18==496.25m3/h ρL995.7第二组：

Lh2

，

U2=

Lh2572.60

==225.13m3/(m2∙h) 220.785×D20.785×1.8L2×1831674.19×18

===572.60m3/h

ρL995.7第三组：

Lh3=

U3=

Lh3687.11

==218.82m3/(m2∙h) 220.785×D30.785×2.0L3×1838009.03×18==687.11m3/h ρL995.7对于散装填料，其最小喷淋密度的计算式为：

Umin(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

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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：U1Umin，U2Umin，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

传质单元高度的计算采用修正的恩田（Onde）公式：

kL0.0095(UL23L12Lg13)()() aWLLDLLkLakLaW0.4

0.750.10.20.05cULUL2atUL2aW其中：1exp1.452

atlatLLgLLat由《化工原理》附录五查得：30C时水的表面张力： σL=72.6×10−3 N/m

由《化工原理课程设计》表4-6，查得聚丙烯的表面张力：

σc=54×10−3 N/m

WL UL为液体质量通量：由UL 计算得： 20.785D494117.46

UL1==217802.42 Kg/(m2∙h) 20.785×1.7，

570135.42

UL2==224162.70 Kg/(m2∙h) 20.785×1.8，

UL3

684162

==217886.16 Kg/(m2∙h) 20.785×2.0g为重力加速度，1.27108m/h

代入上式可得填料的润湿比表面积：

αw1=101.69 m2/m3，αw2=102.01 m2/m3，αw3=101.70 m2/m3

DL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=2.00×10−9 m2/s

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水的黏度：L= 80.07×10−5 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：

21217802.42⁄360080.07×10−5−

kL1=0.0095()3×()2−5−9101.69×80.07×10995.7×2.0×10−5

80.07×10×9.811×()3=7.737×10−4 m/s

995.7，

(KLαw)1≅(kLαw)1=7.737×10−4×101.69=0.0787/s

；

第二组：

21224162.70⁄360080.07×10−5−

kL2=0.0095()3×()2101.69×80.07×10−5995.7×2.0×10−980.07×10−5×9.811×()3=7.870×10−4 m/s

995.7(KLαw)2≅(kLαw)2=7.870×10−4×102.01=0.0803/s；第三组：

21217886.16⁄360080.07×10−5−

kL3=0.0095()3×()2101.69×80.07×10−5995.7×2.0×10−980.07×10−5×9.811×()3=7.738×10−4 m/s

995.7(KLαw)3≅(kLαw)3=7.738×10−4×101.70=0.0787/s；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：

KXaWKLCMaW，

其中

CM=

nρL995.7===55.317 Kmol/m3 VML18则可得：

(KXαw)1=0.0787×55.317=4.353 Kmol/(m3∙s)； (KXαw)2=0.0803×55.317=4.442 Kmol/(m3∙s)； (KXαw)3=0.0787×55.317=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L

KXaW14

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其中：塔截面积0.785D2 ∴ HOL1HOL2HOL3

27451.50⁄3600==0.772m 4.353×0.785×1.7231674.19⁄3600==0.779m 4.442×0.785×1.8238009.03⁄3600==0.772m 4.353×0.785×2.02

液相总传质单元数的计算：

∗∗ ×10−4 X2X1=8.54=5.40×10−5

由3.2的计算已知：X11=6.57×10−4，X21=5.69×10−4 ，X31=4.74×10−4

(X1X1)(X2X2)代入平均液相推动力计算式：Xm XX1ln(1)X2X2解得：∆Xm1=1.10×10−4，∆Xm2=1.39×10−4，∆Xm3=1.67×10−4；由液相总传质单元数的计算公式：NOL得：

NOL1

6.57×10−45.69×10−4

==5.97 NOL2==4.09 1.10×10−41.39×10−44.74×10−4

NOL3==2.84

1.67×10−4X1X2， Xm

工艺计算得到的填料层高度：ZNOLHOL，由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：

′

∴Z1=HOL1×NOL1=0.772×5.97=4.61m，Z1=Z1×1.25=5.76m，

′

Z2=HOL2×NOL2=0.779×4.09=3.19m，Z2=Z2×1.25=3.99m，

′

Z3=HOL3×NOL3=0.772×2.84=2.19m，Z3=Z3×1.25=2.74m；

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将三组数据汇总如下表3比较：最小液气比的倍数 1.3 1.5 1.8 水的用量L kmol/h 27451.50 31674.19 38009.03 水的出口浓度X1 6.57×10−4 5.69×10−4 4.74×10−4 泛点气uf (m/s) 0.0536 0.0459 0.0374 空塔气速u (m/s) 0.0375 0.0321 0.0262 塔径D (m) 1.7 1.8 2.0 填料层高度Z （m） 5.76 3.99 2.74 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：

PTh(6其中T1.2110，0.96710；

2GVV)10LL，

2气体质量流速：

WV2305.96

GV===1016.45Kg/m2∙h 220.785D0.785×1.7，

液体质量流速：

WL494117.462

L===217802.42Kg/m∙h

0.785D20.785×1.72，

填料层高度：h=5.76m

∴填料层压降为：

20.967×10−2×217802.421016.45

995.7∆P=1.21×10−6×5.76×()×10=113.12Pa

8.30

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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。

图3：液体分布器（a）喷头式（b）盘式筛孔型（c）盘式溢流型（d）槽管式（e）环管

式（f）槽式（g）槽盘式

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液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度，各布液点的布液均匀性决定，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：

VL=

L（kmol/h）×M27451.50×18

==496.26m3/h=0.138m3/s

ρL995.7，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：

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0.24—0.30m/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30—60mm，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间的关系：

arctan(VL)

2.36h2.5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：

α=tan−1(

0.138

)=72.22°

2.36×0.6×0.252.518

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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4-9可查得一般推荐的分离段高度值，对于填料类型为阶梯环，其填料层高度与塔径之比为h/D=8—15处分段，而本设计中h⁄D=5.76/1.7=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1.2—1.5m，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=5.76+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%以上，且应大于填料的空隙率。此外，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。

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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。

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×A=300×0.785×1.72=680.60 N

4.6 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

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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，旋转板式除沫器，丝网除沫器。

在本设计中，选择最常用的丝网除沫器，这种除沫器由金属丝网卷成高度为

100~150mm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h0,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=1700mm，曲面高度h1=425mm，直边高度h2=40mm，内表面积F=3.34m2，容积V=0.734m3。

4.9 泵的选择

入口水的体积流量为：

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L（kmol/h）×M27451.50×18VL===0.138m3/s

ρL×3600995.7×3600，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1~3m/s。

因此，先初步取流速u2.5m/s。可算得所需管内径为：

VL0.138

d=√=√=0.265m

0.785u0.785×2.5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：

VL0.138

u===2.6m/s

0.785d20.785×0.2602可求得管中的雷诺数：

duρ0.260×2.60×995.7Re==≈840631

μ80.07×10−5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，λ=0.024

局部阻力损失：三个标准截止阀全开136.419.2，230.752.25 则，管路总压头损失为：

lu2Hf(d)2g

其中长度近似取为塔高：l=9.26m，将数据代入得：

9.262.602

∑Hf=(0.024×+19.2+2.25)×=7.69m

0.2602×9.81由水进口到出口截面列伯努利方程有：

2u12p1u2pZ1HL2Z2Hf 2gg2ggu2pZHf∴ HL2gg

2.602(1700−101.325)×1000

=++9.26+7.69=180.96m 2×9.81995.7×9.81体积流量有：

L（kmol/h）×M27451.50×18VL===496.26m3/h

ρL995.7由《化工工艺设计手册》第19章，选择泵的型号为ZA200-400A

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第五章设计结果概览

设计任务设计任务吸收任务（V%）气体处理量Nm3/h 操作温度C 操作压力吸收流程选择相平衡计算吸收塔设计计算相平衡常数 m 最小液气比实际液气比液体质量流量W （kg/h ）气体质量流量W （kg/h ）吸收剂出口浓度 X1 塔径计算混合气体密度 （kg/m3 ）泛点气速 uf （m/s）空塔气速 u （m/s）泛点率校核圆整后塔径D （m）填料的类型公称直径dp（mm 比表面积at（m2/m3）干填料因子at/3（m1） 23

清水吸收二氧化碳 CO210.2% 0.65% 4200 30 1700KN/m3 单塔逆流操作吸收流程 119.55 125.41 163.03 494117.46 2305.96 6.57×10−4 8.30 0.0536 0.0375 0.632 1.7 聚丙烯阶梯环填料 50 114.2 143.1 填料的选择四川大学化工原理课程设计

空隙率（m3/m3）喷淋密度校核最小喷淋Umin（m3/m2h）实际喷淋量U（m3/m2h）填料层高度计算液相传质单元高度HOL（m）液相总传质单元数NOL 填料层理论高度 Z （m）填料层安全高度 Z （m）填料层压降 pa 附属设备的选择喷淋器类型溢流堰口形状溢流口液位高mm 无总塔高度 m 支撑板类型类型形状类型封头曲面高度mm 封头直边高度mm 封头厚度mm 封头内表面m2 容积 m3 液体进口管规格 0.972 9.14 218.74 0.772 5.97 4.61 5.76 113.12 二级槽式溢流型分布器 72.22° 倒三角形 250 9.26 驼峰形支撑装置床层限定版进气管末端制成向下弯的喇叭形扩大口丝网除沫器 425 40 20 3.34 0.734 普通热轧无缝钢管压降计算液体喷淋装置液体再分布器塔附属高度填料支撑板填料限定装置气体入口装置除沫装置封头泵的选择 2736.5mm 水泵型号 ZA200-400A

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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，如二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢铵、纯碱和干冰的重要原料。故二氧化碳的回收方案很合理。

（3）本设计中，由于考虑到在高压操作条件下，实际气体对理想气体偏差，而进行了一系列的计算，后计算结果得出其压缩因子Z很小，即与理想气体相差很小

（4）在选定液气比用量时，取最小液气比的1.3、1.5、1.8倍分别进行计算，计算出塔高塔径后，比较三组数据。由于考虑到：1.3倍最小液气比计算出的塔高塔径更为合理，更大的塔径其内部气液分布不如小塔径分布得均匀；且液气比小，其吸收剂的用量小，也更加经济，因此得出液气比为最小液气比的1.3倍时的计算结果最佳，而被采用。

（5）填料的选择在本设计中至关重要：填料类型选择了环形填料中综合性能较优的阶梯环，主要是考虑到其气液扰动能力更强，孔隙率更大，由于本设计中的液体流量较大，故这一方面为重点考虑。填料材质选择了最常用也最常见的聚丙烯材料，主要是考虑到其价廉，质轻，但其表面的润湿性能较差。填料尺寸也选用了很常见的50mm：由于填料的尺寸大，成本低，处理量大，但效率低，因此综合考虑50mm为最优。

由于本人缺乏经验和一些专业常识，并不了解在特定的高压下水吸收二氧化碳，什么因素应该成为考虑重点，一般选用什么填料等，因此在选用填料这一环节比较薄弱。

（6）考虑到各个生产环节可能出现的复杂情况，为了确保生产任务的完成，提高设计的可靠性和安全性：在计算出理论高度后都填乘以了1.25的安全系数而得到实际填料层高度；在选择泵时也都是选择了流量和扬程都大于理论值的离心泵。

（7）在选择液体分布装置时，主要考虑到本设计中高液量，易堵塞的情况，而选定了二级槽式溢流型分布器，这样的分布器结构简单，以装卸，选用应该较为合理。

分布器中槽的宽度、高度、长度、数量、溢流口夹角和排布等，由于由塔径、液相负荷、喷淋点数、液体在槽内流速、气相流通截面积等因素决定，需要全面协

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调后确定，较为复杂，故在本设计中并未深入讨论，仅做了简单的计算了初步的溢流槽液位高度和溢流口夹角。

（8）在本设计中，塔的直径和管道的直径，都在计算出数值后以国家标准进行了圆整和重新校核，采用的所有设备零件都是国家标准，不用特制，更加易得且方面维修和拆换。

（9）本设计在计算过程中采用了大量的经验式和经验关联式，由于不同的经验式很多，故每种算法之间肯定存在偏差，且与实际情况也肯定存在一定的偏差。

主要符号说明

at填料的总比表面积 m2/m3aw填料的润湿比表面积 m2/m3d填料直径 mD-塔径 mDL液体扩散系数 m2/sg重力加速度 m/s2h填料层分段高度 mHD塔顶空间高度 mHOG气相总传质单元高度 mNOG气相总传质单元数kL液膜吸收系数 m/sLv液体体积流量 m3/sLw润湿速率 m3/(ms)m相平衡常数，无因次P压力降 Pau-空塔速率 m/suf泛点速率 m/s

U-喷淋密度 m3/(m2h)26

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UL液体质量通量 kg/(m2h)Umin最小喷淋量 m3/(m2h)Vh-气体体积流量 m3/hWL-液体质量流量 kg/sWv-气体质量流量 kg/s x-液相摩尔分数 y气相摩尔分数X-液相比摩尔分数Y-气相比摩尔分数Z-填料层高度 m-空隙率，无因次-粘度 Pas-密度 kg/m3表面张力 N/mL液相V气相

参考文献

1.《化工原理》第二版上下册叶世超夏素兰易美桂科学出版社 2.《化工原理课程设计》王国胜大连理工大学出版社

3.《工程热力学》第二版毕明树冯殿义马连湘化工工业出版社

4.《化工单元过程及设备课程设计》匡国柱史启才主编化学工业出版社 5.《化工原理课程设计》马江权冷一欣等编中国石化出版社

6.《化工原理设计导论》成都科技大学《化工原理设计导论》编写组编成都科技大学出版社

7.《物理化学教程》周鲁主编科学出版社

8.《化工工艺设计手册》中国石化集团上海工程有限公司化学工业出版社 9.《合成氨工学》第三卷姜圣阶石油化学工业出版社

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