水吸收氯化氢填料塔设计

化工原理大作业

目录

1、填料塔主体设计方案的确定 (3)

1.1装置流程的确定 (3)

1.2 吸收剂的选择 (3)

1.3 填料的选择 (3)

2、基础物性数据及物料衡算 (4)

2.1 基础物性数据 (4)

2.1.1 液相物性数据 (4)

2.1.2气相物性数据 (4)

2.1.3 气液相平衡数据

2.1.4 物料横算 (5)

2．2填料塔工艺尺寸的计算 (6)

2.2.1 塔径的计算 (6)

2.2.2 填料层高度的计算及分段 (7)

2.2.3填料层压降计算： (10)

2.2.4 液体分布装置 (11)

3、附属设备的选择与计算 (12)

3.1填料支撑装置 (12)

3.2填料压紧装置 (12)

3.3吸收塔主要接管的尺寸计算 (12)

3.3.1液体进料接管 (13)

3.3.2气体进料接管 (13)

3.4填料塔附属高度的计算 (14)

3.5离心泵和风机的选择 (14)

4设计一览表 (15)

4.1基础物性数据和物料衡算结果汇总： (15)

4.2填料塔工艺尺寸计算结果表： (16)

4.3吸收塔设计一览表 (17)

前言

化工设计任务书

设计全套分离设备，以满足以下要求：

利用水吸收废气中的HCl气体，制备稀盐酸。温度为45℃的HCl的废气中的HCl的含量为1640.7mg/m3,吸收率高于95.37%，并且要求每年按运行10个月来计算，年产出2000吨4.0%以上的稀盐酸。

要求：从化工专业网站上查询塔参数，设计全套设备，并做出经费预算。

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，所以它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/d[]1。

综合考虑填料规格，种类和材质后，选用聚丙烯鲍尔环填料

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. 3

998.2/l kg m ρ=

2. 黏度：3^10005.1-?s Pa ?

3. 表面张力为:2

72.6/940896/z dyn cm kg h σ==

4. 20℃ HCl 溶解度系数：H ＝0.199)(3kPa m kmol ?

5. 20℃ HCl ：L D ＝ 2.8×10^-9 s 2m

6. 20℃ HCl ：V D ＝1.56×10^-5s 2m 2.1.2气相物性数据

1. 混合气体的平均摩尔质量为

)/(009.2929)0012.01(5.360012.0kmol kg M =?-+?= 2. 混合气体的平均密度

33

3/206.1293

314.810009.2910101.3m kg RT M P V =????==-ρ

R=8.314 3/m KPa kmol K ??

3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20C ?时，空气的黏度

注：211/N kg m s =? 2211/1/Pa N m kg s m ==? 1Pa.s=1kg/(m.s) 2.1.3 气液相平衡数据551.7310622810/v pa s kg m h μ--=??=?? 由手册查得，101.3kPa ，20℃时，HCl 在水中的亨利系数为 E=279kpa

20℃时，HCl 在水中的溶解度: H=0.199kmol/(m 3*kPa)

相平衡常数：751.23

.10100.18199.02.998=??===

P HM P E m S L ρ 溶解度系数: )/(199.03kpa m kmol H ?= 2.1.4 物料横算 1. 进塔气相摩尔比为

001201.00012

.010012

.01=-=

Y

2. 出塔气相摩尔比为

0000556.0)9537.01(001201.0)1(12=-?=-=A Y Y φ 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：02=X (清水)

混合气体流量：1）每小时HCl 的产量为：

h kg /11.1104.02430101020003

=????； 2）进气中HCl 物质的量为：h mol n /60.3125

.360937.01011.113

=??=

进气的物质的量为：h kmol n /50.2600012

.060

.312==气体

3）气体体积流量：363000012

.010*******

314.860.312m p RT n V s ≈???==

气体 惰性气体流量：h kmol V /19.260)0012

.01(5.260=-?= 最小液气比：

624

.20751

.2001201.00000556

.0001201.0)(21212

12

1min =--=--=

--=*X m Y Y Y X X Y Y V L 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：

)

/(83.17065.219.260624.2)(5.2min h kmol V V

L

L =??== 000174

.066.2050)0000556.0001201.0(22.312)

(211=-?=-=

L

Y Y V X

V ——单位时间内通过吸收塔的惰性气体量，kmol/s; L ——单位时间内通过吸收塔的溶解剂，kmol/s;

Y 1、Y 2——分别为进塔及出塔气体中溶质组分的摩尔比，koml/koml; X 1、X 2——分别为进塔及出塔液体中溶质组分的摩尔比，koml/koml;

2．2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 33

3/206.1293

314.810009.29103.101m kg RT M P G =????==-ρ 填料总比表面积：32/115m m a t = 水的黏度s Pa L ??=-310005.1μ

采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点速度：

9773

.0)

2

.998206.1()206.163001883.1706(75.10942.0]lg[8

1

41

8

/14

/12

.032

-=????-=???

? ?????

? ??-=???L V V

L L L V t F

w w K A a g u ρρμρρεs

m u g a u F L L

V t F /2893.2005.1206.11152.99889.081.91054.01054.02

.03

2

.03

2

=?????==μρερ

μF ——泛点气速，m/s ； g ——重力加速度，9．81m/s 2 a t ——填料总比表面积，32m m ε——填料层空隙率，32m m ρV ,ρL ——气相、液相密度，k/m 3； μL ——液体粘度，mPa ·s;

取泛点率为0.85，即s m u u F /9460

.12893.285.085.0=?== m

u

V D S

0703.13600

9460.114.36300

44=???=

=π

圆整后取 m D 2.1= D ——塔径，m ；

V ——操作条件下混合气体的体积流量，m 3/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=1.2m （常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200）

泛点率校核：

s m u /5481.12

.1785.036006300

2

=?= 68.02893

.25481.1==F u u （对于散装填料，其泛点率的经验值为85.0~5.0/=F u u ）填料规格校核：

15~1058.3138

1200>==d D 液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为 )/(08.0)(3min h m m L W ?=

32/115m m a t =

所以 )/(20.911508.0)(23min min h m m a L U t W ?=?=?=

min

232

2

)/(23.272

.1785.02.9981883.1706785.0U h m m D L U h

≥?=?÷?=?=

经以上校核可知，填料塔直径选用m D 2.1=合理。 2.2.2 填料层高度的计算及分段 查表知， 0C

，101.3 kpa 下，HCl 在空气中的扩散系数s cm D /156.02=

由23

))((o

o o T T

P P D D G =，

则293k ，101.3kpa 下，l H C 在空气中的扩散系数为

s cm D G /1734.0)273

293)(3.1013.101(156.022

3

=?=

液相扩散系数s m D L /1050.125-?=

液体质量通量为)/(82.271782.1785.01883.17062

2

h m kg U L ?=??=

气体质量通量为)/(33.67212

.1785.0206

.1630022

h m kg U V ?=??= 0

0004787

.0000174.0751.22211===?==*

*

m X Y m X Y 脱吸因数为4195.03

.170619

.260751.2=?==

L mV S 气相总传质单元数为：

4130

.4]4195.00

0000556.00

001201.0)4195.01ln[(4195.011])1[(112

221=+--?-?-=+--?--=**

S Y Y Y

Y S Ln S N OG

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

})()()()(45.1exp{12.0205.022

1.075.0t L L L

L t L L t L L c t w a U g

a U a U a a σρρμσσ?????--=- 查表知，2/427680/33h kg cm dyn c ==σ

所以，

4772

.0})115

9408962.99882

.27178(

)1027.12.99811511.27178()6.311582.27178()940896427680(45.1exp{12.02

05

.08221.075.0=??????????--=-t w a a

气膜吸收系数由下式计算：

)

/(0724.0)293

314.810

360056.1115()36001056.1206.1065.0()065.011533.6721(237.0)

()()(237.025

31

5

7.031

7.0kpa h m km ol RT

D

a D a U V t V V V v t V G ??=???????????=??=--ρμμκ液膜吸收系数由下式计算：

0317

.1)2

.9981027.16.3()36001080.22.9986.3()6.31154772.082.27178(0095.0)

()()(0095.03

1

82

1

932

3

1

2132=??????????=??????=---L

L L L L L w L L g D a U ρμρμμκ

查表得：45.1=ψ 则

h

a a kpa h m kmol a a w L L w G G 16900.6545.11154772.00317.1)/(9792.545.11154772.00724.04.04.031.11.1=???=??=??=???=??=ψκκψκκ5.068.0≥=F

u u

由

a u u

a a u u

a L F

L

G F

G

κκκκ?-?+='?-?+='])5.0(6.21[])5.0(5.91[2.24.1 得，

h

a kpa h m kmol a L

G 16171.686900.65])5.068.0(6.21[)/(1285.119792.5])5.068.0(5.91[2

.234.1=?-?+='??=?-?+='κκ

则 )/(0565.66900

.65199.01

1285.1111

1

113kpa h m km ol a H a a K L G

G ??=?+

=

?+

'=

κκ

由 m P a K V a K V H G Y OG 3752.02

.1785.03.1010565.618

.2602

=???=Ω??=Ω?=

由 m N H Z O G O G 6558.14130.43752.0=?=?= Z Z )5.1~2.1('=

设计取填料层高度取 3m

查表：对于鲍尔环填料，m h D

h

6,10~5max ≤= ，所以填料层不用分段。

2.2.3填料层压降计算：

采用Eckert 通用关联图计算填料层压降

横坐标为：

1406.0)2

.998206.1(206.163001883.1706)(5

.05.0=???=L V V L ρρωω 查表得：1114-=Φm P

纵坐标为：04884.0005.12

.998206

.181.945.11145481.12.02

2.02=????=??ΦL L V P g u μρρψ

查图得，

m pa Z

P

/4.392=? 填料层压降为：kpa pa P 650.06558.14.392=?=? 2.2.4 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 mm H 140=? 55.0=Φ mm 8d 0=

n=

H

d M L V ??????g 2785.0/2

0l

φρ水 1875.18614

.081.9255.0008.0785.0)

2.9983600(/188

3.17062

≈=???????=

注：因为填料层高度为3m ，少于6m ，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内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。对填料的基本要求是：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=1200mm，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，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。它适用于陶瓷、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10～30m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口管气速可取0.8～1.5m/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s m u /5.1=

h m W q L

L

L /78.302

.99818

83.17063=?=

=

ρ

设计液体进出口管内径： m u

q d L

0854.05

.14

14.3360078

.304

36001=??=??

=

π

管选用mm mm 5110?=φ的无缝钢管，内径为100mm

管内实际流速：s m d q u L /09.105.0785.03600284

.842

2=?==π，在符合范围内。 3.3.2气体进料接管 气体流速取 m/s 20＝气u

m u q d G 3334.00

.20785.03600

/63004

2=?=

=气

设计取气体进出管内径

π

管选用mm mm 10360?=φ的无缝钢管，内径为340mm 则实际通过气体接管的气速为：m/s q u

G 20.10333.0785.03600

/6300d 4

2

2

2

=?=

=π

气

，在符合

范围内。

按标准管规格进行圆整后得，气体进口出管直径D 1=100，厚度为7mm 液体进出管直径D 2=640m ，厚度为4mm 。

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的高度1.2m 。设塔定液相停留时间为1min ，则塔釜液所占空间高度为

() 1.672.1785.02.9983600186300604

602

2

2

=????=

?D

W O

H L

π

ρ

考虑到气相接管的空间高度，底部空间高度取为1.5米，那么塔的附属空间高度可以取为3.17。吸收塔的总高度为m H 37.62.1317.2=++=

3.5离心泵和风机的选择

吸收塔的压力降321'P P P P ?+?+?=?

气体进口压强为（突然扩大ξ=1）：Pa u P 61.24310.20206.12

12122

1

=??=?=?ρ 气体出口压强为（突然缩小ξ=0.5）a 81.12101.20206.12

15.02

15.0222P u P ＝＝???=???ρ

填料层压力降：a 6503P P ＝?

吸收塔的压力降a 42.101565081.12161.2433

21'P P P P P ＝＝++?+?+?=? 2.15395110

10052

.99855.11.0Re 6

=???=

=

-μ

ρ

du 无缝钢管的绝对粗糙mm /2.0=ε度，相对粗糙度004.0502.0==d ε 查表得摩擦系数03.0=λ

泵入口管长：0.2m 喷头前管长0.5m

全程有1个标准截止阀（全开）：ξ＝6.4 三个90度弯头：ξ＝0.75 带滤水器的底阀（全开）：ξ＝2 吸入管伸进水里m l 3.0=' 出口突然扩大0.11=ξ 进口突然缩小5.0=ξ

15.125.00.12375.014.6=+++?+?=∑ξ

管路总压头损失

Kg

J u d l H f 50.181.9255

.115.121.07.52.03.003.0g 22

2=??

??? ??+++?=??? ??∑+=∑ξλ

扬程：m H g P Z H f 60.450.181

.92.99842

.10153'g =+?+=+?+?=ρ

流量 h

W L L /m 78.302

.99818

83.1706Q 3=?=ρ＝

经查化工原理教材附表十五得 ，选用离心泵型号IS100-80-125的泵适合

流量m 3

/h 扬程H/m 效率η/% 功率/kw

必需汽蚀余量 (NPSH)r /m 转

速

（r/min ） 轴功

率

电功率 30 6

64

0.77

1

2.5

1450

选用风机型号为：C4-72 机号 3.6C 转速（r/min ）

流量 (m 3/h)

全压/ Pa 功率/kW

2800 2990~5450 931~1568

3

4设计一览表

4.1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 ρL 998.2(kg/m 3)

溶剂的粘度 μL 310005.1-?(Pa.S)

溶剂表面张力 δL 940896(kg/h 2)

盐酸在水中扩散系数 D L

）（s m /108.229

-?

混合气体的平均摩尔质量 G M

.)/(009.29kmol kg 混合气体的平均密度

G ρ

1.2063m kg

盐酸在空气中扩散系数 D v )/(m 1056.125s -? 亨利系数 E

279 KPa; 气液相平衡常数 m 2.751

溶解度系数 H 0.199kmol /(m 3.KPa); 盐酸进塔摩尔比 Y 1 0.001201 盐酸出塔摩尔比 Y 2 0.0000556 惰性气体摩尔流量 G 260.17kmol/h ; 吸收剂摩尔流量 L 1706.83 kmol/h 液相进口摩尔比 X 2 0 液相出口摩尔比 X 1

0.000174

4.2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 v W

7597.8kg/h 液相质量流量 L W

30722.94kg/h 塔径 D 1200mm 空塔气速 u

1.5481s m 泛点率 F u u

68% 解吸因数

S

0.4195 气相总传质单元数 OG N 4.430

液体质量通量

U L

32.10533)/(2h m kg ?

气体质量通量 U v

11.10919)/(2h m kg ?

气膜吸收系数 G k

0.724kmol/(m 2.h.kpa) 液膜吸收系数

L k

1.0317 (m/h)

气相总吸收系数(校正后)

a k G

' 6.3798kmol/(m 3.h.kpa) 液相总吸收系数（校正后） a '

L

K 65.690(l/h)

气相总传质系数 a K G

6.0565kmol/(m 3.h.kpa) 液相总传质系数 a

L K

65.690kmol/(m 3.h.kpa) 气相传质单元高度 OG H 0.3752m 填料层高度 Z ′

3m 填料塔上部空间高度 1h 1.2m 填料塔下部空间高度 2h

1.5m 塔附属高度 3h 1.67m 塔高 A H

6.37m 布液孔数 n 187点 孔径

d 0

0.008m 开孔上方高度 H ?

0.14m

4.3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： 6300m 3/h 液体进出口接管 无缝钢管mm mm 7100?φ 液体实际流s m u /09.1=液 气体进出口接管 无缝钢管.440mm mm ?φ 气体实际流m/s u

20.01=气

离心泵的选型

IS65-50-125单级单吸离心泵

扬程 H=4.8m

5设备经费预算

设备单价数量合计

离心泵400 1 400

填料塔20000 1 20000

填料5000 3.4m317000

通风机1000 1 1000

标准管75/m 20m 1500

储料罐800 1 800

温度计10 5 50

流量计100 3 300

其他5000

总计46050

塔设备流程图

参考文献

[]1柴诚敬，贾绍义.《化工原理》.高等教育出版社，2009.8

]2[申迎华，郭小刚《化工原理课程设计》化学工业出版社,2009.9 ]3[常用钢管国家标准，2010,4