填料吸收塔

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填料吸收塔的设计

中文摘要

对化工原理课程设计的认识 《化工原理》课程设计是学生学完本课程后进行的一个具有总结性、综合性和实践性的教学环节。通过设计,学生能更系统和牢固地掌握本课程的主要内容,且对前修课程以及学生在实验和实习中所获得的知识加以应用。通过课程设计使学生受到一次化工设计的基本训练，让学生进一步的了解化学在工业的应用。

吸收是化工及相关过程工业生产中重要的单元 操作。吸收设备有多种形式，工业上以填料塔的使 用最为普遍。填料吸收塔作为一种重要的气液传质 设备广泛应用于化工、石油、制药、环境、能源等行业 气体混合物的分离操作中。

填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。

填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。 关键词 填料 吸收 氨

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Machine Translation Oriented Stochastic Lexicla Semantic Driven Approach

Abstract

After the chemical principle curriculum project knew "Chemical Principle" the curriculum project is student study this curriculum carries on has the summary, the comprehensive nature and the practical teaching link. Through the design, the student can systematically and grasps this curriculum reliably the primary coverage, and repairs the curriculum as well as the student before in tests the knowledge which and in the practice obtains to apply. Causes the student through the curriculum project to receive a chemical design the basic training, lets the student further understanding chemistry in the industry application.

The absorption is chemical and in the related process industrial production the important unit operation. Absorbs the equipment to have many kinds of forms, in the industry is most common by the absorption chamber use. The padding absorption tower takes one kind of important gas fluid mass transfer equipment widely to apply in profession mixture of gases in and so on chemical industry, petroleum, drugs manufacture, environment, energy separation operations. The absorption chamber is by the tower in padding achievement was mad that the fluid two interactions contact component's mass transfer equipment. The absorption chamber tower body is the vertical cylinder, the base has been loaded with the padding support plate, the padding the way which or entire builds by the chaotic pile lays aside on the support plate. The padding place above installs the padding clamp, by against is moved by the ascendant current. The liquid goes against from the tower after the liquid spreader sprays to the padding on, and along padding surface current under. The gas sends from the tower bottom, (minor diameter tower does not suppose generally after the gas distribution installment gas distribution installment) distributes, with the liquid assumes the adverse current continuously through the padding level crevice, on the padding surface, was mad that the fluid two intimate contacts carry on the mass transfer. The absorption chamber belongs to the continual contact type to be mad that the fluid mass transfer equipment, two compose high along the tower changes continuously, under the normal operation condition, the gas phase is the continuous phase, the liquid phase is the dispersed phase.

When the liquid moves along the padding strike lower reaches, has gradually to the tower wall centralized tendency, causes the tower wall nearby liquid flow quantity to increase gradually, this kind of phenomenon is called the wall class. The wall class effect creates was mad that the fluid two distribute unevenly in the padding level, thus causes the mass transfer efficiency to drop. Therefore, when the padding level is high, needs to carry on the partition, the middle establishment distributes again installs. The liquid distributes the installment again including the liquid header and the liquid again spreader two parts, the liquid which the upper formation padding flows off after the liquid header collection, delivers the liquid

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again spreader, after distributes sprays to the lower level padding on.

The absorption chamber has the productivity to be big, the separation efficiency is high, the pressure drop is small, holds the liquid volume to be small, operation elasticity big and so on merits.

The absorption chamber also has some deficiencies, like the padding construction cost is high; When the liquid load is small cannot the moist padding surface, cause the mass transfer efficiency to reduce effectively; Cannot use in the material which directly has the suspension or easy to get together; Opposite side line feeding and material and so on complex selective evaporation not too suitable and so on.

Keys word: Filler Absorption Ammonia

目录

一 前言 ................................................................................................................ 1 二 填料吸收塔的工艺尺寸计算及校核 ............................................................... 2

2.1设计思路 ................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 设计方案的确定 ....................................................... 错误！未定义书签。 2.3确定氨-水平衡关系 ................................................... 错误！未定义书签。

2.3.1 非等温吸收的热衡算 ...................................... 错误！未定义书签。 2.3.2平衡关系的确定 ............................................................................. 3 2.4 吸收剂用量及操作线的确定 ................................................................... 5

2.4.1 吸收剂用量的确定 ......................................................................... 5 2.4.2 操作线温度的确定 .......................................... 错误！未定义书签。 2.4.3 操作线方程的确定 ......................................................................... 6 2.5 填料的选择 .............................................................. 错误！未定义书签。 2.6塔径的计算 ............................................................... 错误！未定义书签。

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2.6.1 泛点气速的计算 ............................................. 错误！未定义书签。 2.6.2 塔径的计算 ................................................... 错误！未定义书签。 2.6.3 喷淋密度（U）的校核 .................................. 错误！未定义书签。 2.6.4 单位高度填料层压降（错误！未找到引用源。）的校核错误！未定义书签。

2.6.5 填料径比（错误！未找到引用源。）的校核：错误！未定义书签。 2.7填料层的高度的计算 ................................................ 错误！未定义书签。

2.7.1传质系数的计算 .............................................. 错误！未定义书签。 2.7.2液相传质系数错误！未找到引用源。 ............. 错误！未定义书签。 2.7.3气相传质系数错误！未找到引用源。 ............. 错误！未定义书签。 2.8填料层高度的计算 .................................................... 错误！未定义书签。 三 填料吸收塔附属装置的选型............................................ 错误！未定义书签。

3. 1液体分布器 .............................................................. 错误！未定义书签。 3. 2填料支撑板 .............................................................. 错误！未定义书签。 3. 3液体再分布器 .......................................................... 错误！未定义书签。 3. 4填料压板与床层限制板 ............................................ 错误！未定义书签。 四 辅助设备的选型 .............................................................. 错误！未定义书签。

4.1 管径的计算 .............................................................. 错误！未定义书签。 4.2 泵的选型 .............................................................................................. 20 4.3 风机的选型 .............................................................. 错误！未定义书签。 五 参考文献 ....................................................................... 错误！未定义书签。 六 致谢 ............................................................................... 错误！未定义书签。

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第一章 前言

吸收是利用气体在溶液中的溶解度差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。

用于吸收的设备类型很多，如：填料塔、板式塔、鼓泡塔和喷洒塔等。但工业吸收操中更多地使用填料塔，这是由于填料塔结构简单，容易加工，便于用耐腐蚀材料制造，以及压降小，吸收效果好，装置灵活等优点。尤其适用于小塔径的场合。

填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，它的结构和安装比较简单。塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌和乱堆两种形式，填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。填料层中的液体有向塔壁流动的“趋壁”倾向，因此，填料层较高时，往往将其分为几段，每一段填料层上方设有再分布器，将沿塔壁流动的液体导向填料层内。

填料塔的使用已有百余年的历史，人们对它的研究从未中断。特别是近些年，由于性能优良的新型填料不断开发，改善了填料层内气液两相的分布于接触情况，使填料塔的负荷通量增大，阻力降低，效率提高，操作弹性加大，所有这一切促使了填料塔的应用日趋广泛。

本次设计的内容就是对一定任务的要求下对填料吸收塔的设计。

第二章 填料吸收塔的工艺尺寸计算及校核

2.1 设计思路：

1、 设计方案的确定； 2、 确定气液平衡关系；

3、 确定吸收剂用量及操作线方程； 4、 填料的选择；

5、 确定塔径及塔的流体力学性能计算； 6、 填料层高度的计算；

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7、 附属设备的选型；

8、管路及辅助设备的计算 1、物性数据：

①、液相组成物性数据：

对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可以近似取纯水的物性数据。由手册查的，12℃水的有关物性数据如下：

粘度： L 1.2363 10 3Pa s 密度： L 99.94kg/m3

NH3在水中的扩散系数为： DL 1.76 10 9m2/s 6.34 10 6m2/h ②、气相组成物性数据：

混合气体的平均摩尔质量为：

MVm yiMi 0.6 29 0.4 17 24.2kg/m3 混合气体的平均密度： Vm

MVm

RT

101.33 24.2

0.97kg3/m3

8.314 (273.15 30)

混合气体的粘度可以近似的取为空气的粘度，查手册的30℃空气的粘度为： V 1.86 10 5Pa s

查手册得NH3在空气中的扩散系数为： DV 0.17cm2/s 0.0612m2/h

2.2 设计方案的确定：

吸收装置的流程主要有以下几种：

(1)逆流操作 气相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。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。工业生产中多用逆流操作。

(2)并流操作 气、液两相均从塔顶流向，此即并流操作。并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸

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收或处理的气体不需吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。 (3)吸收剂部分再循环操作 在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排除液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于以下操作：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度;对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应当指出，吸收剂部分再循环操作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。 (4)多塔串联操作 若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，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，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液、喷淋、支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。

(5)串联-并联混合操作 若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起塔的液泛），塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联、气相作并联的混合流程。

列出几种常见的吸收过程如下图。

（a）并流 （b）逆流

吸收流程

用水吸收NH3属高溶解度的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，所以，本设计选用逆流吸收流程。

根据设计说明书的要求吸收剂为地下水。 2.3 气液平衡关系：

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用水吸收NH3会产生很大的热效应，使塔内的温度显著升高，对气液平衡关系和吸收速率产生明显影响。所以此吸收过程为非等温吸收。 2.3.1 非等温吸收的热衡算： 计算相关参数的关系式为：

Hd 34900 6250x

Hd

ti ti 1 (xi xi 1)

CL

式中：ti，ti-1——第i段两端的液相温度，℃

L——溶液流速，kmol/h（由于xi-xi-1很小，L可视为常数） CL——溶液的平均比热，kJ/(kmol·℃)

Hd——溶质的微分溶解热，kJ/kmol (取xi与xi-1之间的平均数) 式中：CL CP M 4.174 18 75.132kg/(kmol oC)

logp 1.1lgx

1750

8.92 T

式中： x——氨在溶液中的摩尔分数； T——溶液温度，K；

p——溶液上方氨的平均分压，mmHg

本吸收塔为常压下吸收，气体可视为理想气体，按道尔顿分压定律，计算与

xi相平衡的yi： yi

p P

试中：p——操作压强，mmHg。 2.3.2 平衡关系的确定

①对氨在溶液中的摩尔分率由0.00～0.10取11个分点，且xi-xi-1=0.01。由相关关系式计算相关未知量：

对于氨在水中的微分溶解热Hd 按如下经验公式计算：

Hd 34900 6250x （kJ/kmol） ②依对应的xi，ti按式logp 1.1lgx p。

③该吸收塔为常压下吸收，气相可视为理想气体，按道尔顿分压定律，计算与

1750

8.92计算溶液上方氨的平衡分压T

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xi相平衡的yi： yi

p P

以第一段x=0.00～0.01为例，计算如下：

Hd 34900 6250x 34900 6250

0.00 0.01

34868.75kJ/kmol 2

ti ti 1

Hd34868.75o

(xi xi 1) 12 0.01 16.641C CL75.132

17501760

8.92 1.1log0.01 T273.15 16.641

logp 1.1logx

解得：p=4.8mmHg

换算得：p 4.8 13600 9.81 639.98Pa

p639.98

yi i 0.00632

p101.33

Xi

xi0.01

0.010 11 xi1 0.01

④以下段计算同上，将计算结果列表如下：（表一）

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⑤由上表所得出的Xi及yi*值以为Xi横坐标，yi*为纵坐标作平衡关系曲线图如下：（图一）

2.4 吸收剂用量及操作线的确定： 2.4.1 吸收剂用量的确定： 1、最小吸收剂用量： Lmin V

Y1 Y2

X1 X2

式中：V——惰性气体流率，kmol/h；

Lmin——最小吸收剂量，kmol/h； Y，X——气相和液相组成，摩尔比； Y

xy

X

1 x1 y

下标：1——塔底； 2——塔顶；

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X1*——与Y1平衡的液相组成，摩尔比。

Y1

y10.4

0.6671 y11 0.4

错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。

x由“图一”查的当y*=0.4时，对应的=0.104，

x

则计算得：X 1 =0.104 0.1161

1 x11 0.104

1

V

6000

0.6 160.71kmo/lh 22.4

Lmin V

Y1 Y20.667 0.0204

160.71 895.05kmo/hl

0.1161 0X1 X2

吸收剂的用量取 L 1.6Lmin得，L 1.6 895.05 1432.08mol/h 2.4.2 操作线温度的确定：

LY1 Y20.667 0.0204

160.71 VX1 X2X1 0

解得：X1=0.0726

又因为：X1

x1

1 x1

则：x1

X10.0726

0.0677 1 X11 0.0726

查“表一”，当x1=0.0643时，所对应的温度为tx，由内插法得：

0.07 0.0644.30 39.71

0.07 0.067744.30 tX

解得： tx=43.01℃

操作线温度：t

t0 tX12 43.01

27.51oC 22

即：T=273.15+27.51=300.66K 2.4.3 操作线方程的确定：

对于逆流操作的吸收塔在任意一截面m-n与塔顶或塔底的物料衡算:

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错误！未找到引用源。

于是，操作线方程为： Y 即

LL

X (Y1 X1) VV

yLxyLx (1 1) 1 yV1 x1 y1V1 x1

因为NH3%=40%>10%，故对于高浓度气体吸收，其操作线方程为：

y1432.08x0.41432.080.0677 ( ) 1 y160.711 x1 0.4160.711 0.0677

即

yx 8.91 0.02 为操作线方程。 1 y1 x

2.5 填料的选择：

根据选择填料要求比表面积要大，提供的流体通量要大，液体的再分布性能要好，机械强度要好，价格低廉等条件，本填料吸收塔的填料选择陶瓷拉西环（乱堆），由表查取该填料的特性如下表： 表2：

2.6 塔径的计算： 2.6.1 泛点气速的计算：

空塔气速由下经验公式确定：

u

0.5~0.8 uf

式中：uf——泛点速度，m/s； u——空塔速度，m/s；

填料塔底泛点气速与气液流量、物系性质及填料的类型、尺寸等因素有关，其计算方法很多，本次设计计算采用Eckert通用关联图法计算uf，

W

横坐标值：L

WV

V L

uf 纵坐标值： g

2

V 0.2 L L

首先，计算横坐标值及很坐标式中的未知量：

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1、WV: WV,1

WV,2

6000

MV 22.4

6000 0.6 MV 22.4 0.98

其中：MV,1 0.4 17 0.6 29 24.2kg/kmol MV,2 0.98 29 0.02 17 28.76kg/kmo l MV 所以：WV,1 WV,2

MV,1 MV,2

2

24.2 28.76

26.48 2

6000

26.48 7092.8571kg/h 22.4

6000 0.6

26.48 4342.5656kg/h 0.98

5717.7113kg/h

WV

WV,1 WV,2

2

2、WL: WL L 18 1432.08 18 25777.44kg/h WL,2 WL,1 WNH3(吸收)

WNH3(吸收) WNH3,1 WNH3,2

60006000 0.6 0.2 0.4 17 17 22.422.4 0.98

.67kg/h 1765

所以： WL,2=25777.44+1765.67=27543.11kg/h

WL,1 WL,2

2

WL

25777.44 27543.11

26660.275kg/h

2

3、 V

M

RT

101.33 26.48

1.073kg/m3

8.314 (273.15 27.51)

4、 错误！未找到引用源。:由操作线温度t=27.51错误！未找到引用源。水的物性表得：

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5、 表3：

由内差法求得操作线温度下的 L、 L及 L，

998.2 995.720 30

998.2 L20 27.51

即

得： L 996.323kg/m3

100.5 80.07 10 5 20 30 100.5 1 10 520 27.51

得： L 85.16 10 5Pa s

72.6 10 5 71.2 10 520 30

72.6 10 5 L20 27.51 错误！未找到引用源。

WL V

所以横标值：

WV L

26660.275 1.073 5717.7113 996.323

0.1530

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故由Eckert关联图通过垂线作图找到纵标值，即：

uf V 0.2

L 0.10 g L

有填料性质（见表2）计算相应错误！未找到引用源。值，其中上式的错误！未找到引用源。取值为1，即：

uf 1 220 1.073 5

85.16 10

9.81 996.323

2

0.2

0.10

解之的：uf 4.52m/s

uu

0.5~0.8 取 0.6 ufuf

因为：

计算u得：u 2.71m/s

有填料塔一般操作气速范围：（见表3-8）指导书P75

溶解度很大的吸收过程——用错误！未找到引用源。吸收错误！未找到引用源。，操作气速范围：1.0~3.0m/s对上所求两气速错误！未找到引用源。校核。均在此操作气速范围内，故符合。 2.6.2 塔径的计算：

用上述方法确定空塔气速错误！未找到引用源。后，按下式计算塔径：

式中：错误！未找到引用源。操作条件下混合气体体积流量，错误！未找到引用源。/s

D——塔径，m

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故：D=

4 6000

0.8851m 885.1mm

3.14 2.71 3600

圆整后得：D=1000mm 2.6.3 喷淋密度（U）的校核：

吸收剂的用量及塔径确定后还应校核液体的喷淋密度，即单位时间内每1错误！未找到引用源。塔截面上的吸收剂用量，错误！未找到引用源。,为了使填料表面充分润湿，应保证喷淋密度（U）高于最小喷淋密度（错误！未找到引用源。）,即U>错误！未找到引用源。

最小喷淋密度能维持填料的最小润湿速率，它们之间的关系为 Umin LW mia nt

式中：错误！未找到引用源。——填料的比表面积，错误！未找到引用源。/错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。 ——最小喷淋密度，错误！未找到引用源。/(错误！未找到引用源。)

LW mi——最小润湿速率，错误！未找到引用源。/(m.s) n

因为对于直径不大于75mm的拉西环及填料，取 (错误！未找到引用源。=0.08错误！未找到引用源。/(错误！未找到引用源。)

而所选取的填料直径为25mm<75mm，故取(错误！未找到引用源。) 由式3-17得：Umin 0.08 93 7.44m3/m2 s 喷淋的密度U：D=1m

U=

WL,2

2

D

1432.08 18 4

32.96 2

996.323 3.14 1

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所以：U>错误！未找到引用源。 故校核符合要求。

2.6.4 单位高度填料层压降（错误！未找到引用源。）的校核：

Eckert 关联图除了液泛线外，还有许多的等压降线。由已知参数及所用的填料的压降填料因子错误！未找到引用源。代替填料因子错误！未找到引用源。计算出该图的纵坐标与横坐标值查图读取相应压强降线的值（若交点正好没有落在压强线上，可用相邻的两条线用内插法读取的）即为单位高度填料层压降错误！未找到引用源。。

WL

已求横坐标值=

WV

V L

0.1530

压降填料因子错误！未找到引用源。查表（3-9）得： 陶瓷拉西环d=50mm 错误！未找到引用源。=288

且拉西环的U值由范围错误！未找到引用源。 知错误！未找到引用源。适用。

故其纵坐标值：

uf V 0.2

L g L

4.5202 1 288 1.073 5

= 85.16 10

9.81 996.323

0.2

=0.1571

查Eckert通用关联图得： 拉西环：

p

392.4Pa/m 40 9.81Pa/m z

所设计的为错误！未找到引用源。塔，在常压塔中，一般错误！未找到引用源。在145错误！未找到引用源。490Pa/m较为合理,如果超出这个范围应按要求

p

值，由Eckert关联图反求空塔气速，从新计算塔径，故以拉西环的错误！z

未找到引用源。=288（陶瓷）值反算U方案。 的

取单位高度填料层压降降线可得 纵坐标：错误！未找到引用源。=0.035

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u2 1 288 1.073 5

即 85.16 10

9.81 996.323

0.2

0.035

u 2.13m/s

错误！未找到引用源。=0.5错误！未找到引用源。 此次取错误！未找到引用源。=0.5 u 4.26m/s

错误！未找到引用源。溶解度很大 ，所以操作气速范围：1.0错误！未找到引用源。。

所反求的空塔气速u值符合上述要求。 塔径的再计算：

D

4Vs4 6000

0.9976m 997.6m u3.14 2.13 3600

圆整后得D=1000mm

填料的选择：因为：错误！未找到引用源。 所以 d选用50-70mm的填料 所以 填料选择及物性如下： 表4：

填料径比（错误！未找到引用源。）的校核：

实验证明：塔径（D）与填料外径（d）之比值（简称径比）有一个下限若径比低于下限值是，塔壁附近的填料层空隙率大而不均匀气流易走短路及液体壁流等现象。所以径比值错误！未找到引用源。径比下限值可行。

径比： 20

拉西环的径比下限值为20～30（最小不低于8～10） 所以径比满足校核要求。 2.7填料层的高度的计算 2.7.1传质系数的计算

科大学子的福音

1. 有效面积（润湿面积）a：

0.10.75

c UL UL2ataW

2 1 exp 1.45 at L at L 1g

0.05

UL2

a LLt

0.2

式中： at ——单位面积填料的总面积，m2/m3 ； aW——单位面积填料的总表面积，m2/m3；

L——液体的表面张力，kg/h21dyn/cm 12960kg/h2； c——填料材质临界表里面张力kg/h2；

UL——液体通过空塔截面积的质量流速，kg/(m2·h) L——液体粘度，kg/(m·h) L——液体密度，kg/m3

g ——垂直加速度，1.27 108m/h2

由表3-10

知陶瓷：错误！未找到引用源。，

由前面所选的填料特性可知拉西环的比表面积at=93m2/m3 由内插法得：

L 71.549 10 5N/m 71.549 10 2dyn/cm

71.549 10 2 12960 9.273 103kg/h2

L 85.16 10 5Pa s 85.16 10 5 3600 3.066kg/(m h)

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