塔设计计算

目录

前 言…………………………………………….…………..…… 一 任务及操作条件………………………………….….………… 二 吸收工艺流程的确定…………………………………………… 三 物料计算………………………………………………………… 四 塔径计算………………………………………………………… 五 填料层高度计算………………………………...……………… 六 填科层压降计算…………………………………………........... 七 填料吸收塔的附属设备……………………….…………..……. 八 课程设计总结………………………………...…………………. 九 主要符号说明……………………………………...…………..... 十 参考文献………………………………………..……………….. 十一 附图……………………………………………………………

前 言

塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气

液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。工业上对塔设备的主要要求：（1）生产能力大（2）分离效率高（3）操作弹性大（4）气体阻力小结构简单、

设备取材面广等。

塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。板式塔的研究起步较早，具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大。 填料塔由填料、塔内件及筒体构成。填料分规整填料和散装填料两大类。塔内件有不同形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置及气体分布装置等。与板式塔相比，新型的

1

填料塔性能具有如下特点：生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等优点。一 设计任务书

（1） 题目 水吸收氨的填料吸收塔设计 （2）设计任务和操作条件: (1)生产能力4570㎡/h。 (2)操作温度 20℃

(3)工作日：年工作300天,每天24小时运行. （4）氨的含量4.9%

（5）气体混合物成分：空气和氨 (6)混合气体压力：101.3KPa

（3） 填料类型 聚丙烯阶梯环填料,规格自选. （4）设计内容 (1)收集基础数据 (2)确定吸收流程

(3)物料衡算，确定塔顶，塔底的气液流量和组成

(4)选择填料，计算塔径，填料层高度，填料的分层，塔高的确定。 (5)流体力学特性的交合：液气速度的求取，喷淋密度的校核，填料层压降p的计算。

(6)液体喷淋装置你，液体再分布器，气体进出口及液体进出口装置，栅板。 （5）典型辅助设备的选型和计算（略）

包括典型辅助设备(换热器及流体输送机械)的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。 （6）制图

（1）绘制带控制点的工艺流程图 （2）绘制主体设备图

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，成为目前使用的环形填料中最为优良的一种。

(

2.3.4填料规格的选择

2

本课设处理量不大，所用的塔直径不会太大，可选用50mm 。

选用50mm聚丙烯阶梯环塔填料，其主要性能参数查表2.1得： 比表面积a：114.2m2/m3 空隙率?：0.927 干填料因子?：143.1m?1 国内阶梯环特性数据见表2.1。

表2.1 国内阶梯环特性数据

材外径 外径×高×厚 比表面积 质 d，mm 塑 25 38 50 料 76 50×30×1.5 76×37×3 114.2 89.95 0.927 0.929 9980 3420 76.8 68.4 143.1 112 80 72 d×H×δ 25×17.5×1.4 38×19×1 23空隙率 33个数 3堆积密度 干填料因子 填料因子 33-1at，m/m ε，m/m n，个/m ρp，kg/m at/ε，m 228 132.5 0.90 0.91 81500 27200 97.8 57.5 313 175.6 Φ，m 240 120 -1 3.1物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成 空气和水的物性常数如下： 空气：

??1.81?10?5Pa?s?0.065kg/(m?h)??1.205kg/m3

水：

密度：?L?998.2kg/m3黏度:?L?100.4?10Pa?s?5

2

表面张力为：ζL=72.6 dyn/cm=940896 kg/h

已知20?C下氨在水中的溶解度系数H?0.725kmol/(m3?kpa) 亨利系数E??LHMSEP

m?相平衡常数

998.2???0.754HMSP0.725?18.02?101.3?L

E——亨利系数 H——溶解度系数

3

Ms——相对摩尔质量 m——相对平衡常数

进塔气相摩尔比为：Y1?0.049(1?0.049)?0.052 出塔气相摩尔比为：Y2?0.049?(1?0.981)?0.000978969

1?0.049对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：X2?0(清水)

混合气体的平均摩尔质量为：M?0.05?17?(1?0.05)?29?28.4(kg/kmol) 混合气体流量：4570?2731??190.09(kmol/h) 29322.4惰性气体流量：V?190.09?(1?0.049)?180.78(kmol/h)

LY?Y2()min?1VX1??X2最小液气比：

Y1?Y20.052?0.000978969???0.740Y10.052?X2?0m0.754取实际液气比为最小液气比的1.9倍，则可得吸收剂用量为：

L?0.740?180.78?1.9?254.2(kmol/h)

V(Y1?Y2)L

0.052?0.000978969??0.03630.740?1.9X1?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;

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;

?254.2?18?0.68 液气比 L??V4570?1.125经计算该吸收过程为低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。混合气体的黏度可近似取为空气的黏度。

pM101.3?27.061?103?10?3??1.125 混合气体的密度??vRT8.315?293采用埃克特泛点关联式计算泛点速度： 气体质量流量：

WV?4570?1.125?5141.25kg/h

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：

4

WL?254.2?18.02?4580.684kg/h 填料总比表面积：at?114.2m2/m3 水的黏度?L?1.004mPa?s

lg[?wL?uat?V0.2??3???L]?A?K???g??Lw?V?142F1/4??V???????L?1/8?0.204?1.75?(24819.3231.183)?()5323.5?1.183998.218

uFat?V0.2??0.315Lg?3?LuF?0.315?9.81?0.927?998.2?4.26m/s0.2114.2?1.183?1.0043

μF——泛点气速，m/s； g——重力加速度，9．81m/s2 at——填料总比表面积，m2／m3 ε——填料层空隙率，m3／m3； ρV,ρL——气相、液相密度，k/m3； μL——液体粘度，mPa·s;

A,K——关联常数。 A、K取值可由表4.1

4.1不同类型填料的A、K值 散装填料类型 塑料鲍尔环 金属鲍尔环 塑料阶梯环 A 0.0942 0.1 0.204 K 1.75 1.75 1.75 规整填料类型 金属阶梯环 瓷矩鞍 金属环矩鞍 A 0.106 0.176 0.06225 K 1.75 1.75 1.75 取泛点率为0.6，即u?0.6uF?0.6?4.26?2.558m/s 则 D?4VS4?4500/3600??0.79m ?u??2.558 D——塔径，m；

5

V——操作条件下混合气体的体积流量，m/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.

3

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）

4500/3600?2.488m/s 泛点率校核：u?0.785?0.82u/uF?2.488/4.26?0.584（对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF?0.5~0.85）

D800??16?8 d50液体喷淋密度校核：

填料规格校核：

取最小润湿速率为：(LW)min?0.08m3/(m?h)

at?114.2m2/m3

所以 Umin?(LW)min?at?0.08?114.2?9.136m3/(m2?h)

U?Lh0.785?D2

267.443?1832??9.599m/(m?h)?Umin20.785?0.8?998.2经以上校核可知，填料塔直径选用D?0.8m合理。 查表知， 0?C，101.3 kpa下，NH3在空气中的扩散系数Do?0.17cm2/s

3PT由DG?Do(o)()2，

PTo则

293k，101.3kpa下，NH3在空气中的扩散系数为

3101.32932DG?Do()()?0.189cm2/s

101.3273液相扩散系数DL?1.80?10?9m2/s

267.443?18?9581.954618kg/(m2?h) 20.785?0.84500?1.1832?10596.13854kg/(m?h) 气体质量通量为UV?20.785?0.8液体质量通量为UL? 6

Y1?mX1?0.754?0.0349?0.0263 ?Y2?mX2?0mV0.754??0.501 L0.752?2气相总传质单元数为：

?脱吸因数为S?NOG?1Y?Y?ln[(1?S)?12??S]1?SY2?Y2?10.05263?0?ln[(1?0.501)??0.501]?11.061?0.5010.000105263?0

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

aw?UaUUL?1?exp{?1.45?(c)0.75?(L)0.1?(L2t)?0.05?()0.2} at?Lat??L?L?Lat?Lg不同材质的бc值见表5.2

5.2 不同材质的бc值

材质 322钢 陶瓷 61 聚乙烯 33 聚氯乙烯 40 碳 56 玻璃 73 涂石蜡的表面 20 表面张力，N/m×10 75 查表知，?c?33dyn/cm?427680kg/h2 所以，

2aw4276800.759581.9546180.19581.954618?114.2?0.05?1?exp{?1.45?()?()?()28at940896114.2?3.6998.2?1.27?10?(9581.954618)0.2}?0.345998.2?940896?114.212

气膜吸收系数由下式计算：

U?aD?G?0.237(V)0.7?(V)3?(tV)at?v?VDVRT10596.138540.70.065114.2?0.189?3600?10?43?0.237?()?()?()?4114.2?0.0651.183?0.189?10?36008.314?293?0.1133kmol/(m2?h?kpa)液膜吸收系数由下式计算：

1U?L?2?L?g3?L?0.0095?(L)3?()?()aw??L?L?DL?L1?9581.95461833.63.6?1.27?10832?0.0095?()?()?()0.372?114.2?3.6998.2?1.80?10?9?3600998.2?0.51121211 7

表5.3 各类填料的形状系数

填料类型 Ψ值 球 0.72 棒 0.75 拉西环 1 弧鞍 1.19 开孔环 1.45 查表4.2得：??1.45 则

?Ga??G?aw??1.1?0.1133?0.345?114.2?1.451.1?3.6517kmol/(m3?h?kpa)0.40.4

?La??L?aw???0.511?0.345?114.2?1.45?23.361hu/uF?2.488/4.26?0.584?0.5

??a?[1?9u1.4G.5?(u?0.5)]??Ga由

F 得，

??La?[1?2.6?(uu?0.5)2.2]??LaF??Ga?[1?9.5?(0.584?0.5)1.4]?6.718?8.71kmol/(m3?h?kpa)??a?[1?2.6?(0.584?0.5)2.2]?23.36?23.62

L1h?Ga?111则

??Ga?H??L?a1

?11?5.77kmol/(m3?h?kpa)8.71?0.725?23.48 kGa——气膜体积吸收系数，kmol/(m3?h?kPa)；

kLa——液膜体积吸收系数，1/h；

HVOG?由

KYa??

?V??177.8215.77?101.3?0.785?0.82?0.605mGa?P??HOG——气相传质单元高度，m ?——塔截面积，m2

由 Z?HOG?NOG?0.605?11.06?6.69m Z??1.20?6.69?8.03 Z——填料层高度，m

设计取填料层高度为：Z?9m

8

h?8~15,hmax?6m D将填料层分为2段设置，每段4.5m，两段间设置一个液体再分布器。 采用Eckert通用关联图计算填料层压降 对于阶梯环填料，横坐标为：

?L?V0.5267.443?181.1830.5()??()?0.031 ?V?L4500?1.183998.2已知：?P?116m?1

u2?P??V0.22.4882?116?11.183纵坐标为：???L???1.0040.2?0.0868

g?L9.81998.2

图6.1通用压降关联图

查图6.1得，

?P?735.75pa/m Z填料层压降为：?P?735.75?9pa?6.622kpa 分布点密度计算：

为了使液体初始分布均匀，原则上应增加单位面积上的喷淋点数。但是，由于结构的限制，不可能将喷淋点设计得很多。根据Eckert建议，当D?800mm时，每60cm2塔截面设一个喷淋点。则总布液孔数为：

0.785?0.82n??83.7?84 ?460?10布液计算：

由 LS??4267.443?183LS?m/s?0.0013396m3/s

3600?998.2取??0.60，?H?160mm

do2n?2g?H

do?则 ?4LS?n??2g?H4?0.0013396

3.14?85?0.6?2?9.81?0.16?0.00497m?4.97mm7.1液体再分布装置

9

可选用多孔盘式再分布器。分布盘上的孔数按喷淋点数确定，孔径为

?49.7mm。为了防止上一填料层来的液体直接流入升气管，应在升气管上设帽盖。它的设计数据如下：分布盘外径---785mm，升气管数量---6.

截锥体与塔壁的夹角一般取为35-400，截锥下口直径D1=（0.7～0.8）D。 截锥型再分布器适于直径800mm以下的塔应用。

边圈槽形再分布器。壁流液汇集于边圈槽中，再由溢流管引入填料层。边槽宽度为50～100mm，可依塔径大小选取，溢流管直径为16～32mm，一般取3～4根溢流管。此型结构简单，气体通过截面较大，可用于300～1000mm直径的塔中，其缺点是喷洒不够均匀。

为改进形分配锥，此型既改善了液体分布情况，又有较大的自由截面积，适用于600mm以下塔径。

本设计选用边圈槽形再分布器，边槽宽度为70mm，溢流管直径为25mm。 用竖扁钢制成的栅板作为支承板最为常用，。直径为600～800mm时，；栅板条之间的距离应约为填料环外径的0.6～0.7。。

本设计塔径D=800mm，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，将其分成两块，栅板条之间的距离约为24.7mm。为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后整砌一、二层按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支承，以取得较大的孔隙率。由于采用的是φ50mm的填料，所以可用φ75mm的十字环。

由于采用的是?38mm的填料，所以可用?75mm的十字环。

塔径D?800mm，设计栅板由2块组成。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400mm，每块重量不超过700N，以便从人孔进行装卸。

为防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。

常压塔气体进出口管气速可取10～20m/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。

气体进气口气速取15m/s，液体进液口流速取1.2m/s 气体进出口管直径： D1?4Vs4?4500??0.106m?106mm ?u3.14?15?3600 10

液体流量： L?267.443kmol/h?液体进出口管直径： D2?267.443?18.02?4.828m3/h

998.24?4.828?0.0377m?37.7mm

3.14?1.2?3600按标准管规格进行圆整后得，气体进口出管直径D1=115.9mm，厚度为10mm 液体进出管直径D2=41.63mm，厚度为8mm。 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，本装置由于直径较小，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。

主要符号说明

英文字母

a—填料的有效比表面积，m2m3；

23mmat—填料的总比表面积，；

h—填料层分段高度,m;

hmax—允许的最大填料层高度,m; H—塔高,m;

HB—塔底空间高度,m; HD—塔顶空间高度,m; HOG—气相总传质单元高度,m; K—稳定系数，无因次; Lh—液体体积流量,m3h; Ls—液体体积流量,m3s; LW—润湿速率,m3(m?s); m—相平衡常数，无因次; n—筛孔数目;

NOG—气相总传质单元数; P—操作压力,pa;

?P—压力降,pa;

aw—填料的润湿比表面积，m2m3； Aa—塔板开孔区面积，m2; Af—降液管截面积，m2; A0—筛孔总面积，m2; At—塔截面积，m2;

C—计算umax时的负荷系数,ms; Cs—气相负荷因子,ms; d—填料直径,m; d0—筛孔直径,m; D—塔径,m;

DL—液体扩散系数,m2s; DV—气体扩散系数,m2s; g—重力加速度,9.81ms;

2t—筛孔的中心距,m;

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u—空塔气速,ms; uF—泛点气速,ms;

u0—气体通过筛孔的速度,ms; uo,min—漏夜点气速,ms; U—液体喷淋密度,m3(m2?h); UL—液体质量通量,kg(m2?h); Umin—最小液体喷淋密度,m3(m2?h); UV—气体质量通量,kg(m2?h);

希腊字母

?—充气系数，无因次; ?—筛板厚度,m;

?—空隙率，无因次;

?—液体在降液管内停留时间,s; ?—黏度,mpa?s; ?—密度,kgm3;

?—表面张力,?m;

?—开孔率或孔流系数，无因次；

?—填料因子,1m; ?—液体密度

下标

max—最大的； min—最小的；

Vh—气体体积流量,m3h; Vs—气体体积流量,m3s;

?L—液体质量流量,kgs; ?V—气体质量流量,kgs;

x—液相摩尔分数; X—液相摩尔比; y—气相摩尔分数; Y—气相摩尔比; Z—填料层高度,m;

L—液相的； V—气相的。

度校正系数，无因次。

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河南城建学院化学化工系高分子材料与工程1124081班

4 设计一览表

经上述论述和计算得填料吸收塔设计一览表（见表4.1）

表4.1 填料吸收塔设计一览表

吸收塔类型：聚丙烯阶梯环吸收填料塔 混合气处理量： 4500m3/h 名称 物料名称 操作压力，kPa 操作温度，℃ 流体密度，kg/m3 黏度，kg/(m*h) 表面张力，kg/h 流量，kg/h 流速，m/s 接管尺寸（直径） 塔径，mm 填料层高度，mm 压降，KPa 操作液气比 分布点数 清水 101.3 20 998.2 3.6 940896 4819.323 9581.954618 41.63 800 900 6.622 0.904 84 工艺参数 混合气体 101.3 20 1.205 0.065 427680(聚乙烯) 5323.5 10596.13854 115.9

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hpr3.html