化工原理課程設計設計題目：清水吸收變換氣的填料塔裝置設計姓名：李紅林組數：第2組成員：王志飛陰蔚豪程浩指導老師：張先龍一時間：2015年5月12日一5月29日化工原理課程設計任務書、設計題目：清水吸收變換氣的填料塔裝置設計二、設計任務及操作條件：變換氣量1210標準m3/h。變換氣組成（體積）為：組分CO2COH2N2進塔氣體％27.92.547.322.3吸收劑采用清水。要求出塔凈化氣中CO2<1%。吸收溫度：30r，連續操作。操作壓力：1.8MPa。三、設計內容1）流程的確定與論證；2）吸收塔技術指標與操作指標確定，包括：塔徑、填料層的高度、填料層的壓力降等;3）工藝計算、結構設計；4）輔助設備選型。四、設計成果設計說明書一份工藝流程圖（1#圖紙）1張填料吸收塔的裝配圖（1#圖紙）1張目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要1―、弓1言2\o"CurrentDocument"二、工藝流程52.1吸收工藝流程52.2吸收工藝流程的確定52.3吸收工藝流程圖及工藝過程說明72.4吸收塔設備的選擇72.5填料的選擇8\o"CurrentDocument"三、物料衡算113.1混合氣體中CO2進出塔的摩爾組成113.2混合氣體中進出塔的摩爾比組成113.3混合氣體中惰性氣體的量12\o"CurrentDocument"四、氣液平衡曲線及操作線124.1相平衡常數計算124.2平衡線12\o"CurrentDocument"五、最小液氣比及吸收劑（水）的用量計算125.1最小液氣比125.2吸收劑用量125.3塔底吸收液的組成135.4操作線13\o"CurrentDocument"六、塔徑計算136.1填料選擇及參數136.2液泛氣速計算146.3塔徑計算及圓整146.4填料塔噴淋密度及塔徑校核15\o"CurrentDocument"七、填料層高度計算157.1傳質單元數計算157.2傳質單元高度計算167.3填料層高度19\o"CurrentDocument"八、塔徑及其他數據校核19\o"CurrentDocument"九、壓降計算209.1氣體進出口壓力降209.2填料層壓降20\o"CurrentDocument"十、輔助設備及選型2110.1液體分布裝置2210.2液體再分布裝置2210.3填料的限位裝置2210.4填料支撐裝置2310.5裙座2310.6除沫器2310.7氣體和液體進出口管徑的計算2310.8離心泵的計算與選擇24\o"CurrentDocument"十一、設計匯總2611.1主要計算數據2611.2填料塔的工藝尺寸26\o"CurrentDocument"十二、結論26\o"CurrentDocument"參考文獻27\o"CurrentDocument"心得體會28\o"CurrentDocument"附錄28清水吸收變換氣的填料塔裝置設計摘要:本次課程設計我們的任務是設計一個處理變換氣量為1210L/h的填料吸收塔，選用的材料是塑料階梯環。用水吸收CO屬中等溶解度的吸收2過程，為提高傳質效率，選用逆流吸收流程。且CO2不作為產品，故采用純溶劑水作為吸收劑，繼而用空氣進行解吸使部分水得以循環利用。水吸收二氧化碳為氣體單純溶解于液相的物理吸收過程，因此選擇較低的操作溫度和較高的操作壓力有利于吸收進行。填料塔的經濟優化和設備設計是關鍵部分，通過優化得到的最小液氣比為101.73，從而得到塔徑、填料層高度及填料層壓降.通過對噴淋密度及塔徑比的校核，最終確定整塔高為15.350m，填料層高度為11.55m，塔徑為1m，則完成了主體設備的計算。輔助設備也是填料吸收塔的重要組成組分，綜合考慮各個參數，我們選擇的液體分布器、液體再分布器、除沫器、裙座及填料支撐裝置分別為溢流型盤式分布器，分配錐再分布器，絲網除沫器、圓筒形裙座和波紋支撐結構。關鍵詞：變換氣，清水，填料塔，校核一、引言化工廠變換氣是將煤或天然氣等其它原料經蒸汽轉化成合成氣后，進入變換系統，進一步將合成氣的中的CO（一氧化碳）經蒸汽轉換成CO2（二氧化碳）與H2,轉換后氣體稱為“變換氣”，變換氣組成，一般天然氣為原料為H2：54.5%、CH4：1.91%、CO：2.87%、CO2：12.38%、H2O：28.24%、N2：0.09%，還有其它如未反應完全的c2h6、c3h8、o2等等。變換氣進一步將水冷卻并排掉，再進一步分離可以得到純的h2,co,co2,下一步的關聯產品主要有合成氨，甲醇，氨加工產品有尿素、各種銨鹽（如氮肥和復合肥料）、硝酸、烏洛托品、三聚氤胺等。它們都是重要的化工原料。甲醇繼續經氧化脫氫加工可得到甲醛，甲醇羰基化制得醋酸，由醋酸甲酯羰基化生產醋酐，還可由甲醇生產低碳烯烴，由甲醇同系化生產乙醇。還可以只提取日2做產品。交換氣中的CO2的吸收方法主要分為三類：化學吸收法，物理吸收法和物理化學吸收法。用清水作為吸收劑吸收交換氣中的CO2屬于單純的氣體溶解于液相的物理吸收法，并且在吸收過程中，近似二氧化碳在交換氣中的溫度升高并不顯著，熱效應很小，近似認為是單組分等溫吸收過程。填料塔是一種連續接觸式的氣液傳質設備，結構簡單，壓降低，易用耐腐蝕材料制造，近年來，國內外對填料的研究及開發進展迅速，性能優良的新型填料不斷涌現，使填料塔的應用更加廣泛，本課程設計中根據一系列參數設計的填料塔，吸收劑利用率高，對二氧化碳的吸收可達到預期要求，且處理費用低，使社會經濟效益得到進一步提高。二、工藝流程2.1吸收工藝流程原~寸造氣工序|―4脫硫工序|―*ICO變換氣工序―4脫碳工序I~~?精制工序I―』壓縮工序|―H合成工序|~?產品氨1）經過壓縮有一定壓力的半水煤氣先經過油水分離器，除去煤氣中的油物。然后進入飽和塔的下部與熱水進行交換后升至一定溫度，經過氣水分離器分離出煤氣中的水份。去除水分的煤氣進入預熱交換器，與中變爐出口的高溫煤氣進行兩次熱交換后，進入中變爐，在觸媒的催化作用下，煤氣中的一氧化碳發生反應，生成二氧化碳，中變爐的爐體內有三層反應區，在正常的工藝狀況下，第一層的反應溫度控制在450°C左右，第二層反應溫度控制在400°C左右，第三層的反應溫度控制在380C左右。反應后出中變爐的變換氣進入與入口水煤氣進熱交換的兩級熱交換器后，再進入低變爐使變換氣中的一氧化碳進一步變換，經過兩次變換的水煤氣成為合格的變換氣后，經熱水塔，冷卻塔之后送入下一工段進行后續處理。2）含有一定濃度（CO2）的變換氣進入吸收塔內。氣體中CO2被逆流流下的水所吸收。凈化CO氣脫至所要求的濃度由塔頂排出，成為可供用戶使用的工藝2氣。3）將壓縮送來的合格精煉氣在適當的溫度、壓力和觸媒存在的條件下合成為氨，所得氣氨經冷卻水及液氨冷卻，冷凝為液氨，并將液氨從氫氮氣中分離出來，未合成的氫氮氣補充部分新鮮氣繼續在合成系統內循環合成。2.2吸收工藝流程的確定工業上使用的吸收流程多種多樣，可以從不同的角度進行分類，從所用的吸收劑的種類看，有僅用一種吸收劑的一步吸收流程和使用兩種吸收劑的兩部吸收流程，從所用的塔設備數量看，可分為單塔吸收流程和多塔吸收流程，從塔內氣液兩相得流向可分為逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，還有用于特定條件下的部分溶劑循環流程。（一）一步吸收流程和兩步吸收流程一步流程一般用于混合氣體溶質濃度較低，同時過程的分離要求不高，選用一種吸收劑即可完成任務的情況。若混合氣體中溶質濃度較高且吸收要求也高，難以用一步吸收達到規定的吸收要求，但過程的操作費用較高，從經濟性的角度分析不夠適宜時，可以考慮采用兩步吸收流程。（二）單塔吸收流程和多塔吸收流程單塔吸收流程是吸收過程中最常用的流程，如過程無特別需要，則一般采用單塔吸收流程。若過程的分離要求較高，使用單塔操作時，所需要的塔體過高，或采用兩步吸收流程時，則需要采用多塔流程（通常是雙塔吸收流程）。（三）逆流吸收與并流吸收吸收塔或再生塔內氣液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有傳質推動力大，分離效率高（具有多個理論級的分離能力）的顯著優點而被廣泛應用。工程上，如無特別需要，一般均采用逆流吸收流程。（四）部分溶劑循環吸收流程由于填料塔的分離效率受填料層上的液體噴淋量影響較大，當液相噴淋量過小時，將降低填料塔的分離效率，因此當塔的液相負荷過小而難以充分潤濕填料表面時，可以采用部分溶劑循環吸收流程，以提高液相噴淋量，改善塔的操作條件。單塔吸收流程是吸收過程中最常用的流程。本設計采用單塔逆流操作。由于逆流操作具有傳質推動力大，分離效率高（具有多個理論級的分離能力）的顯著優點。故本設計采用單塔逆流吸收操作。2.3吸收工藝流程圖及工藝過程說明吸收CO2的流程包括吸收和解吸兩大部分。從中溫變換爐流入的混合氣進入低溫變換爐，經變換后由泵送入氣體儲槽，控制流量送到脫碳塔。混合氣體冷卻至20°C下進入吸收塔底部，水從塔頂淋下，塔內裝有填料以擴大氣液接觸面積。在氣體與液體接觸的過程中，氣體中的CO2溶解于水，使離開吸收塔頂的氣體CO2含量降低至允許值，而溶有較多CO2的液體由吸收塔底排出。為了回收CO2并再次利用水，需要將水和CO2分離開，稱為溶劑的再生。解吸是溶劑再生的一種方法，含CO2的水溶液經過加熱后送入解吸塔，與上升的過熱蒸汽接觸，CO2從液相中解吸至氣相。CO2被解吸后，水溶劑得到再生，經過冷卻后再重新作為吸收劑送入吸收塔循環使用。由塔頂送出的變換氣經冷凝器冷凝后，送入甲烷化反應釜進行精制，后至氨合成車間。設計填料吸收塔實體主體結構示意圖見CAD圖。2.4吸收塔設備的選擇對于吸收過程，能夠完成其分離任務的塔設備有多種，如何從眾多的塔設備中選擇合適的類型是進行工藝設計得首要工作。而進行這一項工作則需對吸收過程進行充分的研究后，并經多方案對比方能得到較滿意的結果。一般而言，吸收用塔設備與精餾過程所需要的塔設備具有相同的原則要求，即用較小直徑的塔設備完成規定的處理量，塔板或填料層阻力要小，具有良好的傳質性能，具有合適的操作彈性，結構簡單，造價低，易于制造、安裝、操作和維修等。在液體流率很低難以充分潤濕填料，或塔徑過大，使用填料塔不很經濟的情況下，以采用板式塔為宜。但作為吸收過程，一般具有操作液氣比大的特點，因而更適用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于過程節能，所以對于吸收過程來說，以采用填料塔居多。本次吸收塔設計選擇填料吸收塔。2.5填料的選擇塔填料是填料塔中的氣液相間傳質組件，是填料塔的核心部分。其種類繁多，性能上各有差異。在選擇塔填料時，主要需考慮如下幾個問題。選擇填料材質選用塔填料材質應根據吸收系統的介質以及操作溫度而定。一般情況下，可以選用陶瓷、塑料、金屬等材質。對于腐蝕性介質應采用相應的耐腐蝕材料，石墨、玻璃不銹鋼、塑料、陶瓷等，對于溫度較高的情況，要考慮材料的耐溫性能。填料類型的選擇能夠滿足設計要求的塔填料不止一種，要在眾多的塔填料中選擇出最適宜的塔填料，以較少的投資獲得最佳的經濟技術指標。一般來說，同一類填料中，比表面積大的填料雖然具有較高的分離效率，但由于其在同樣的處理量下，所需塔徑較大，塔體造價升高。填料尺寸的選擇填料塔的塔徑與填料直徑的比值應保證不低于某一數值，防止產生較大的壁效應，造成塔的分離效率下降。一般來說，填料尺寸大，成本低，處理量大，但效率低。使用50mm的填料，其成本的降低往往難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填料時，效率并沒有顯著的提高。（1）拉西環填料拉西環填料于1914年由拉西（F.Rashching）發明，為外徑與高度相等的圓環，如圖片拉西環所示。拉西環填料的氣液分布較差，傳質效率低，阻力大，通量小，目前工業上已較少應用。（2）鮑爾環填料如圖片鮑耳環所示，鮑爾環是對拉西環的改進，在拉西環的側壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環壁的一側仍與壁面相連，另一側向環內彎曲，形成內伸的舌葉，諸舌葉的側邊在環中心相搭。鮑爾環由于環壁開孔，大大提高了環內空間及環內表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環相比，鮑爾環的氣體通量可增加50%以上，傳質效率提高30%左右。鮑爾環是一種應用較廣的填料。（3）階梯環（Stairswreath）填料如圖片階梯環所示，填料的階梯環結構與鮑爾環填料相似，環壁上開有長方形小孔，環內有兩層交錯45°的十字形葉片，環的高度為直徑的一半，環的一端成喇叭口形狀的翻邊。這樣的結構使得階梯環填料的性能在鮑爾環的基礎上又有提高，其生產能力可提高約10%，壓降則可降低25%，且由于填料間呈多點接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現象。階梯環一般由塑料和金屬制成，由于其性能優于其它側壁上開孔的填料，因此獲得廣泛的應用。（4）矩鞍填料如圖片矩鞍填料所示，將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時不會套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質材料制成，其性能優于拉西環。目前，國內絕大多數應用瓷拉西環的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（5）金屬環矩鞍填料如圖片金屬換環聚鞍填料所示，環矩鞍填料（國外稱為Intalox）是兼顧環形和鞍形結構特點而設計出的一種新型填料，該填料一般以金屬材質制成，故又稱為金屬環矩鞍填料。環矩鞍填料將環形填料和鞍形填料兩者的優點集于一體，其綜合性能優于鮑爾環和階梯環，在散裝填料中應用較多。2.規整填料規整填料是由許多相同尺寸和形狀的材料組成的填料單元，以整砌的方式裝填在塔體中。規整填料主要包括板波紋填料、絲網波紋填料、格利希格柵、脈沖填料等，其中尤以板波紋填料和絲網波紋填料所用材料主要有金屬絲網和塑料絲網。格柵填料(Spacegridfiller)是以條狀單元體經一定規則組合而成的，具有多種結構形式。工業上應用最早的格柵填料為木格柵填料。目前應用較為普遍的有格里奇格柵填料、網孔格柵填料、蜂窩格柵填料等，其中以圖片3-12(b)所示的格里奇格柵填料最具代表性。格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負荷大及防堵等場合。波紋填料(Ripplesfiller)目前工業上應用的規整填料絕大部分為波紋填料，它是由許多波紋薄板組成的圓盤狀填料，波紋與塔軸的傾角有30°和45°兩種，組裝時相鄰兩波紋板反向靠疊。各盤填料垂直裝于塔內，相鄰的兩盤填料間交錯90°排列。波紋填料按結構可分為網波紋填料和板波紋填料兩大類，其材質又有金屬、塑料和陶瓷等之分。金屬絲網波紋填料是網波紋填料的主要形式，它是由金屬絲網制成的。金屬絲網波紋填料的壓降低，分離效率很高，特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。盡管其造價高，但因其性能優良仍得到了廣泛的應用。金屬板波紋填料是板波紋填料的一種主要形式。該填料的波紋板片上沖壓有許多f5mm左右的小孔，可起到粗分配板片上的液體、加強橫向混合的作用。波紋板片上軋成細小溝紋，可起到細分配板片上的液體、增強表面潤濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強度高，耐腐蝕性強，特別適用于大直徑塔及氣液負荷較大的場合。金屬壓延孔板波紋填料(Themetalspressestopostponetheboreplankripplesfiller)是另一種有代表性的板波紋填料。它與金屬孔板波紋填料的主要區別在于板片表面不是沖壓孔，而是刺孔，用輾軋方式在板片上輾出很密的孔徑為0.4?0.5mm小刺孔。其分離能力類似于網波紋填料，但抗堵能力比網波紋填料強，并且價格便宜，應用較為廣泛。波紋填料的優點是結構緊湊，阻力小，傳質效率高，處理能力大，比表面積大(常用的有125、150、250、350、500、700等幾種)。

波紋填料的缺點是不適于處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料，且裝卸、清理困難，造價高。(4)脈沖填料(Pulsefiller)是由帶縮頸的中空棱柱形個體，按一定方式拼裝而成的一種規整填料。脈沖填料組裝后，會形成帶縮頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收縮和擴大，氣液兩相通過時產生強烈的湍動。在縮頸段，氣速最高，湍動劇烈，從而強化傳質。在擴大段，氣速減到最小，實現兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重復，實現了“脈沖”傳質過程。脈沖填料的特點是處理量大，壓降小，是真空精餾的理想填料。因其優良的液體分布性能使放大效應減少，故特別適用于大塔徑的場合。工業上常用規整填料的特性參數可參閱有關手冊。由于該過程處理量不大，所以所用的塔直徑不會太大，以采用填料塔較為適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混合氣體中進出塔的摩爾比組成=yi=—=0.3871-y1-0.279=y2=0,01=0.01011-y1-0.01工=0.387-0.0101=0.974Y10.3873.3混合氣體中惰性氣體的量標準狀況下混合氣體體積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質量流率G，=GM混=54.018x20.183=1.090x103kg/h惰性氣體量G^=54.018(1-0.279)=38.95kmol/h、氣液平衡曲線及操作線4.1相平衡常數計算由手冊查得，操作壓力為1.8Mpa，溫度為30°C下，CO2在水中的亨利系數為E=18.8x104kPa則相平衡常數m=E=庭"=104.4P總18004.2平衡線對清水吸收低濃度co2氣體，氣液平衡關系服從亨利定律，可用y=mx表示。該平衡線方程為y=104.4x五、最小液氣比及吸收劑(水)的用量計算5.1最小液氣比(Ls)=mn=104.4x0.974=101.73GminB5.2吸收劑用量吸收劑用量是影響吸收操作的重要因素之一，它直接影響設備尺寸和操作費用，選擇適宜的液氣比，可使兩種費用之和最小。根據生產經驗，一般情況下取吸收劑用量為最小用量的1.1-2.0倍是比較適宜的。

BS=1.2(取液氣比為最小液氣比的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塔底吸收液的組成清水吸收，X2=0.因為：G(Y-Y)=L(X-X)B12S12所以：X=G(Y-Y)=—1—X(0.387-0.0101)=0.003091L12122.07則塔底吸收液的組成為X1=3.09x10-35.4操作線操作線方程為y=宗-x+y1-'-X]BB=122.07X—0.097六、塔徑計算6.1填料選擇及參數填料的作用是為氣液兩相提供充分的接觸面，并提高流體（主要是氣相）的湍動程度，有利于傳質。用水吸收二氧化碳操作溫度不太高，且物系無顯著腐蝕性時，可選擇塑料階梯環（亂堆）。其相關參數如下：參數直徑dmm高乂厚Hx5mm/mm比面積am2/'m3空隙率EAK形狀系數寸塑料階梯環38.519x1.0132.50.910.2041.751.456.2液泛氣速計算由化學工程手冊查得，操作壓力為1.8Mpa，溫度為30C條件下，p=995.7kg/m3Lp=PM混=1800X20.183kg/m3=14.413kg/m3GRT8.3145X303.15L總L=8.568x104kg/h橫坐標:紜土）2=睛68x104x（些）2=9.46G'p1.090x103995.7L查關聯圖得縱坐標值為0.001查工程手冊得，溫度為30°C時水的粘度為HlH=0.801x10-3pa-sg=9.807m/s2UF2?①叩（匚p

Lg中=￡水=1

pL川0.2=0.001L液泛氣速:巫M=J0.001X9.807X995.7m/s=0.0789m/s\i中甲pHo.2\170x1x14.413x0.8010.26.3塔徑計算及圓整氣體沿塔徑上升可視為通過一個空管，按流量公式計算塔徑:式中D:塔徑，m;qv：在操作條件下混合氣體體積流量，m3/s;u:混合氣體的空塔氣速，m/s;選擇低氣速，壓降小，動力消耗少，但塔徑大，設備投資高，且不利于氣液充分接觸，傳質效率低；選擇高氣速，塔徑小設備投資小，但壓降大，動力消耗大，操作不平穩。綜合考慮，適宜操作氣速通常取泛點氣速的50%—85%。本設計取空塔氣速：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根據壓力容器公稱直徑標準，圓整為D=0.8m6.4填料塔噴淋密度及塔徑校核填料塔內傳質效率的高低與液體的分布和填料的潤濕情況有關，為使填料能獲得良好的潤濕，應保證塔內液體噴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.:最小噴淋密度，m3/(m?s);(L)「最小潤濕速率，m3/(m?s);以:比面積，m2/m3.則L=(L)x以=0.08x132.5m3/(m?h)=10.6m3/(m2?h)操作條件下的噴淋密度為L=4Ls=4X8.568X104m3/(m?h)=171.3m3/(m?h)>L.兀D2p3.14x0.82x995.7min此外，為保證填料潤濕均勻，還要使塔徑與填料直徑之比值D/刁在10以上，比值過大，液體沿填料流下時會出現壁流現象。校核徑比:g=―—=21.779>10,可避免壁流現象。d0.0385土夫土云土口/后戶、擊4V4x0.021/校核操作氣速：u=——給=m/s=0.0418m/svu兀D2兀x0.82F七、填料層高度計算7.1傳質單元數計算清水吸收二氧化碳氣液平衡關系服從亨利定律，故可用脫吸因數法計算傳質單元數。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傳質單元高度計算各關聯式中的物性數據氣體性質（以操作溫度30°C,壓強1.8Mpa的C。之計）T、匕，f%（273.15）m其中，旦為0oC,常壓下純氣體組分的粘度，Pa?s,m為關聯指數: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擴散系數:34.36x10-5xT2:11—P(v；fBt)&MaMb氣體分子體積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液體性質（以操作溫度30°C計）表面張力：b=71.20x10-3N/mCO2在液相中的擴散系數dlD=8.396x10-8T/旦=8.396x10-8x303.15+0.801m2/s=3.178x10-9m2/s氣體與液體的質量流速-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塑料階梯環的特性：以=132.5m2/m3b=33x10-3N/m(附查錄得)WL1.45(附錄查得)有效比表面積-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.液相傳質系數k=0.0095(-^)3(-^~

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

lappD47.37=0.0095x(97.52x0.801x10-3)-2(堅)；Wo.4PL危，0.801x10-3、10.801x10-3x9.8071,)3x()-2x()3m/s995.7x3.178x10-9995.7=8.537x10-4m/s④氣相傳質系數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計算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)溶解度系數:995.718.8x104X18.02則HOGkmol/(m3-kPa)=2.94x10-溶解度系數:995.718.8x104X18.02則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傳質單元高度HOGKaQy式中G：氣相摩爾流量，mol/s.。：吸收塔的橫截面積，m2.Ka:體積傳質系數，kmol/(m3-s).G54.018/3600=m=0.72m.Ka。4.17x10-2x0.785x0.827.3填料層高度Z=H-N=0.72x12.81m=9.24mZ=1.25Zog=1.25x9.24m=11.55m八、塔徑及其他數據校核nD23.14x0.82…填料體積V=Z==5.8m244根據實際情況，放大塔徑Z，=土=^1=7.4m3.14x12操作氣速u=E=4x0.021=0.0267m/s<uDn12xnf操作條件下的噴淋密度為L=44Ls=4X8,568X104m3/（m-h）=109.6m3/（m-h）>L.兀D，2p3.14X12乂995.7minL校核徑比D=1=25.97>10d0.385九、壓降計算9.1氣體進出口壓力降由后面主要接管尺寸計算可知，氣體的進出口接管內徑為52mm。則氣體的進出口流速為：4q4x0.0209八。，

u=——v==9.8m/s兀d23.14x0.052211則進口AP=-pu2=—x14.413x9.82=692.11P。（突然擴大&=1）12G21xX14.413x9.82=346.06Pa（突然縮&=0.5）22’G11出口AP=2x2pu29.2填料層壓降X=9.46u2?中叩pY=L（二）日gPL查Eckertffi用壓降關聯圖（延伸圖）得0.02672x115x1（y）0.8010.2=0.00016995.79.81AP/Z=30x9.81=294.3Pa/mAP=7.4x294.3Pa=2177.82Pa圖中k,L--分別為氣液相流率，kg/h.P/Pl--分別為氣液相密度，kg/m3.七--液相粘度，mpa-s.中七—實驗測取的填料因子，各種填料的值載于填料性能表中g--重力加速度，m/s2.其它塔內間的壓力降較小，因此可忽略。于是得到吸收塔的總壓力降為AP=AP+AP+AP=3215.99Pa十、輔助設備及選型填料塔操作性能的好壞，與塔內輔助構件的選型和設計緊密相關，合理的選型與設計，可保證塔的分離效率，生產能力與壓降要求。塔的輔助構件包括液體分布裝置，再分布裝置，除霧沫器，氣體和液體的進出口管徑，填料支撐裝置，以及泵的選取。10.1液體分布裝置一個理想的液體分布裝置的要求是：通道不易阻塞，不需要很大的壓頭，氣體通過時阻力小，結構簡單，制造和安裝方便等。該吸收塔塔徑為1m，流體流量為：(8.568x104)/995.7=86.05m3/h溢流型盤式分布器：氣體負荷量較小，而溢流型盤式分布器不易堵塞，操作彈性較好，自由表面積較小，適用于塔徑小于1200mm，氣液負荷小的塔，故選用溢流型盤式分布器。分布器內徑約為塔內徑的0.8?0.85倍，即取內徑0.8m，高度為1.5m。10.2液體再分布裝置液體沿填料層向下流動時，易形成“壁流”，使液體的分布不均勻而使傳質效率降低，嚴重時甚至使得中心填料不能被干燥而形成“十錐”。因此在出現嚴重壁流甚至“干錐”之前，應在各段設置液體再分布器以提高全塔效率。一個好的液體再分布器應盡量少占用塔的有效高度，有較大的自由截面積，壓降小，結構簡單可靠，又能承受氣液流動的沖擊，便于拆卸。錐形液體收集器：分配錐結構簡單，適于直徑小于1000mm的塔，選用分配錐，錐殼下端直徑為。x0.8=800mm，該吸收塔選用塑料填料，每段高度不超過3?4.5m，故安裝1個分配錐，如下圖：10.3填料的限位裝置填料限位器用于金屬、塑料制散裝填料及所有規整填料，它的作用是防止高氣速、高壓降或塔的操作出現較大波動時，填料向上移動時而造成填料層出現的空隙，從而影響塔的傳質效率。對于金屬、塑料制散裝填料，多采用網板結構作為填料限位器，因為這些填料有較好的彈性，且不易破碎，故一般不會下沉，所以填料限位器一般固定在塔壁上。10.4填料支撐裝置常見的填料支撐結構型式有孔管型、格柵型、波紋型、等多種形式。一般地，格柵型多用于規整填料塔，其他幾種型式則多用于散堆填料塔。故本此設計預選用波紋型。10.5裙座對于高大地塔設備，根據工藝要求和載荷特點，常采用裙座支撐塔體。圓筒形裙座制作方便，經濟上合理，應用廣泛。故該塔采用圓筒形裙座，取高度為1m。10.6除沫器穿過填料層的氣體有時會夾帶液體和霧滴，因此需在塔頂氣體排出口前設置除沫器，以盡量除去氣體中被夾帶的液體霧沫。除沫器一般設在塔的頂部，用于收集夾在氣流中的液滴，適用高效的除沫器，對回收昂貴的物料，提高分離效率，改善塔后設置的操作狀況，減少環境污染都是非常重要的。絲網除沫器：是最常用的除沫器，具有比表面積大，重量輕，空隙率大以及使用方便等優點，尤其是它具有除沫效率高，壓降小的特點，是目前使用具廣泛的除沫裝置。該塔使用絲網除沫器，其外徑稍小于800mm，與塔內徑相近并且直接固定于塔壁上。10.7氣體和液體進出口管徑的計算有公式：d—當5uVs:為流體的體積流量，m3/su:為適宜的流體流速，m/s.10.7.1液體的進出口直徑的計算初定液體流速為："液=2.0m/s8.568x104V=3600~9957—0.02390m3/s:W：4x0.02390d=撰——s—'—123.38mmnunx2.0取管徑為133mm（采用可拆式孿管，133x4.5）（《化工設備機械基礎》）液體實際流速為：u=4匕=_°"'）」°—1.98m/snd2兀x0.1242進出口管徑均選用4133x4.5，流速為1.98m/sGB/T17395-19984133x4.5普通無縫鋼管10.7.2氣體進口管徑的確定初定氣體流速10m/sV=—0.02097m3/ss14.4142x3600,花4x0.02097ld=?—s==51.68mm*nu\‘nx10取管徑為60mm實際氣體流速為：u—蘭—4x0.02097—9.88m/snd2nx0.0522GB/T17395-1998460x4普通無縫鋼管10.8離心泵的計算與選擇a）流量q=0.02394x3600m3/h=86.184m3/hb）流量所需的揚程H=AZ+翌+竺+SH+￡hPg2gf1f2式中AZ一兩截面處位頭差；AP一兩截面處靜壓頭之差；Pg

業一兩截面處動壓頭之差；pgEHf1=^-2-一直管阻力;EH=E&巴一管件、閥門局部阻力；f22g根據前面設計資料對上述公式各項進行估算：△Z=13.5mAP=3215.99Pa管路總阻力和所需壓頭計算根據管路的平立面布置，計算所得雷諾數為:>4000(湍流)0.81x10-3Re=虹=124x10-3x「98x995.7=305198>4000(湍流)0.81x10-3利用柏拉修斯關系式有:0.3164Re0.0.3164Re0.250.3164305198.830.250.01346根據填料塔高及泵的大體位置，管路長l取20m,EH=土=0.0346x——20x—=0.43mf1d2g124x10-32x9.807選用三個90。彎頭，三個截止閥全開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考慮到安全系數，查得流量的安全系數為1.1,揚程的安全系數為1.05?1.1q=94.8m3/hH'=1.1H=1.1x18.31m=20.141m因為該吸收以清水為吸收劑，選用離心泵型號為：IS125-100-250單級單吸離心泵，其性能參數如下：轉速(r/min)流量m3/h揚程H/m效率n/%功率/kW必需汽蝕余量(NPSH)r/m軸功率電機功率2.5145010020767.1711十—、設計匯總11.1主要計算數據混合氣體摩爾比Y=0.387Y=0.0101塔底吸收液組成X]=0.00309X=0平衡線方程y=104.4x操作線方程y=122.07x-0.097質量流率G=GM混=1.090x103kg/h惰性氣體量G=38.95kmol/h液體吸收劑用量L；=8.568x104kg/h公稱直徑D=1m填料層高度Z=11.55m總壓力降AP=3215.99Pa操作條件下的噴淋密度為L=109.6m3/(m-h)11.2填料塔的工藝尺寸項目填料塔塔徑/mm填料層/mm液體分布器(包括空隙)/mm封頭/mm裙座/mm全塔高度/mm尺寸1000115501500300100015350十二、結論此次課程設計我們設計的是一個處理變換氣氣量為1210Nm3/h的填料吸收塔。整個過程大致可以分為三個部分：方案的確定。通過查找資料以及一些基本的計算從而確定整個工藝流程，計算方法以及各部分需要計算的量。通過綜合考慮，我們填料吸收塔的填料選用的是塑料階梯環，為提高傳質效率，選用逆流吸收流程。優化。這是課程設計中最關鍵的環節，通過計算我們得到最小液氣比，優化得到最小液氣比系數為101.73,再計算出水的流量，從而得到填料層高度為11.55m，塔高為15.350m，塔徑為1m。然后根據流量及相關參數選擇填料塔設備及輔助設備。畫圖。經優化確定設計的塔高為15.350m，填料層高度為11.55m，塔徑為1m，并在國標上查得各類附屬零件參數，繪制出工藝流程圖及填料塔裝配圖。根據工藝流程繪制了相應的PID圖。參考文獻王國勝，《化工原理課程設計》，大連理工大學出版社2005.2.柴誠敬、劉國維、李阿娜，《化工原理課程設計》，天津科學技術出版社1994.10.任曉光，《化工原理課程設計指導》，化學工業出版社2009.1.賈紹義、柴誠敬，《化工原理課程設計》，天津大學出版社2002.8.李平輝、田偉軍，《合成氨原料氣生產》，化學工業出版社2009.9.林玉波，《合成氨生產工藝》，北京：化學工業出版社，2006.俞金壽，《化工自動化及儀表》，上海:華東理工大學出版社，2011.2.崔鵬，《化工原理》，合肥工業大學出版社，2003.07.喻健良，《化工設備機械基礎》，大連：大連理工大學出版社，2009.07.路秀林、王者相，《塔設備》，北京：北京工業大學出版社，2004.01.林大均、于傳浩、楊靜，《化工制圖》，北京：高等教育出版社1,2007.08.胡健生，《化工制圖》，北京：化學工業出版社,2010.07.方利國，《計算機在化學化工中的應用》，北京：化學工業出版社，2010.12.方利國，《計算機輔助化工制圖與設計》，北京：化學工業出版社，2010.04.胡憶溈、余波、胡艷菊等，《化工設備與機器》，北京：化學工業出版社，2009.12.李功樣、陳蘭英、崔英德，《常用化工單元設備設計》，廣州：華南理工大學出版社,2003.04.付家新、王衛國、肖穩發，《化工原理課程設計》，北京：化學工業出版社，2010.11.馬江權、冷一欣，《化工原理課程設計》，北京：中國石化出版社,2009.心得體會我們覺得做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用