学号：1203032025
设计名称：系 别：专 业：姓 名：完成时间：指导老师：HeFei University
4000m 3 化学与材料工程系 化学工程与工艺 汪涛涛 2015/1/22 胡科研
目 录
一、概述............................................................................................. 1 1.1 化工工艺设计的意义和主要内容 ........................................... 1 1.2 本设计的主要思路 ................................................................. 1 二、物料衡算与热量衡算 .................................................................. 3 2.1 基础物性数据 ......................................................................... 3 2.2 液相物性数据 ......................................................................... 3 2.3 气相物性数据 ......................................................................... 4 2.4 气液相平衡数据 ..................................................................... 4 2.5 物料衡算 ................................................................................ 4 2.6 热量衡算 ................................................................................ 5 三、塔的工艺尺寸计算 ...................................................................... 6 3.1 塔径的计算 . ............................................................................ 6 3.2 填料层高度的计算及分段 ...................................................... 8 3.3 填料层压降的计算 ................................................................11 四、总结........................................................................................... 12 参考文献........................................................................................... 14 附录 .................................................................................................. 14
一、概述
1.1 化工工艺设计的意义和主要内容
1.1.1设计的意义
专业课程设计是学生学完专业基础课及专业课之后，进一步学习工程设计的基础知识，培养学生工程设计能力的重要教学环节，也是学生综合运用相关课程知识，联系生产实际，完成以单元操作为主的一次工程设计的实践。为了加强本科学生专业课程设计这一重要实践教学环节的规范化管理，保证专业课程设计工作有序进行及教学质量，特制定专业课程设计的有关要求。
1.1.2化工工艺设计主要内容
⑴设计方案简介，对方案的工艺流程、主要设备、物料的选取进行简要概述。
⑵主要设备的工艺设计计算，包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸选择及结构设计。
⑶工艺流程简图，以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物流向、物流量、和主要化工参数测量点。
⑷主体设备工艺条件图（CAD 图），图纸上包括设备的标题栏、明细栏、管口表、设计数据表、技术要求。 1.2 本设计的主要思路
主要思路：
（1）根据设计任务和工艺要求，确定设计方案； （2）针对物系及分离要求，选择适宜填料； （3）确定塔径、填料层高度等工艺尺寸； （4）计算塔高及填料层的压降。
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）吸收剂的选择
因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。 （2）填料的类型与选择
填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。 （3）填料种类的选择
本次采用散装填料。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。鲍尔环是目前应用较广的填料之一，本次选用鲍尔环。
（4）填料规格的选择
工业塔常用的散装填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\Dn76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。
常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于下表。
表1 填料种类及D/d推荐值
填料种类 拉西环 鞍环 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍
（5）填料材质的选择
D/d的推荐值 D/d≥20~30 D/d≥15 D/d≥10~15 D/d>8 D/d>8
工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。
聚丙烯填料在低温（低于0度）时具有冷脆性，在低于0度的条件下使用要慎重，可选耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。
塑料鲍尔环特性数据如下表所示：
表2 塑料鲍尔环特性数据
规格 mm 16 25 38 50 76
外径×高×厚
mm 16×16×1.1 25×25×1.2 38×38×1.4 50×50×1.5 76×76×2.6
比表面积 m 2/m3 188 175 115 112 73
空隙率 m 3/m3 0.91 0.901 0.81 0.901 0.92
堆积个数 n/m3 112000 53500 15800 6500 1930
堆积重度 Kg/m3 141 91 71 56 60
干填料因子
m-1 249 239 220 154 94
综合以上：选择塑料鲍尔环散装填料Dn50。
二、物料衡算与热量衡算
2.1 基础物性数据
1. 气体混合物成分：空气和氨
2. 空气中氨的含量:5.0%（体积含量即为摩尔含量） 3. 混合气体流量4000m /h 4. 操作温度293K
5. 混合气体压力101.3KPa 6. 塔顶排放气体中含氨低于2%
7. 采用清水为吸收剂，吸收剂最小用量的1.1-2倍 8. 填料类型：采用聚丙烯鲍尔环填料 2.2 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：
31. ρl =998.2kg /m
3
2. 黏度：μl =0.001pa . s =3.6kg /m . h
2
3. 表面张力为:σz =72.6dyn /cm =940896kg /h
4. 20︒CNH 3:H =0.725kmol /m 3⋅kpa 5. 20︒CNH 3:D l =7.34⨯10-6m 2/h 6. 20︒CNH 3:D v =0.225cm 2/s =m 2/h 2.3 气相物性数据
1. 混合气体的平均摩尔质量为
M vm =∑y i m i =0.05⨯17.0304+0.95⨯29=28.4015 (2-1) 2. 混合气体的平均密度
由ρvm =
PM VM 101.3⨯28.4015
==1.1811kg /m 3 (2-2) RT 8.314⨯293
R=8.314 m 3⋅KPa /kmol ⋅K
3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20︒C 时，空气的黏度
μV =1.81×10-5Pa·s=0.065Kg/(m·h)
查手册得氨气在20℃空气中扩散系数：D v =0.189cm2/s=0.068m2/s 2.4 气液相平衡数据
20 C 下氨在水中的溶解度系数：H =0. 725kmol /(m 3⋅kpa ) , 常压下20℃时亨利系数：E =
ρL
HM S
=998.2/(0.725×18.02)=76.40Kpa
相平衡常数：m =
ρL E 998.2
===0.754 p HM S P 0.725⨯18.02⨯101.3
2.5 物料衡算 1. 进塔气相摩尔比为
Y 1=
y 10.05
==0.05263 (2-3) 1-y 11-0.05
2. 出塔气相摩尔比为
Y 2=Y 1(1-ϕA ) =0.05263⨯(1-0.98) =0.001053 (2-4) 3. 进塔惰性气体流量
V =
4000273
⨯(1-0.05) =158.0631 (2-5)
22.4273+20
因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。即：
Y 1-Y 2⎛L ⎫
⎪= (2-6)
V Y /m -X ⎝⎭min 12
因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成X 2=0
Y -Y 0.05263-0.001053⎛L ⎫
所以 ⎪=12==0.7389
Y ⎝V ⎭min 1-X 2取操作液气比为最小液气比1.8倍，则 选择操作液气比为
L ⎛L ⎫
=1. 80 0 (2-7) ⎪=1. 33V V ⎝⎭m i n
L=1.33×158.0631=210.2239 kmol/h
由全塔物料衡算得：
V （Y 1—Y 2）=L（X 1—X 2），得X 1=158.0631×(0.05263-0.001053)/ 210.2239=0.03878 2.6 热量衡算
假设氨溶于水放出的热量全部被水吸收，且忽略气相温度的变化及塔的散热损失。
氨的微分溶解热（氨的冷凝潜热+在水中溶解热）
H NH 3=18688.27+34748=53436.2KJ /kmol
吸收液(依水计) 平均比热容C L ＝75.366kJ/kmol·℃，通过下式计算
H
t n =t n -1+d 均(X n -X n -1) (2-8)
C L 对低组分气体吸收，吸收液浓度很低时，依惰性组分及比摩尔浓度计算较方便，故上式可写为：
t L =20+
53436.2
∆X (2-9)
75.366
液体入塔温度t 1=20℃，由上式可以得出液相浓度X 变化0.001时，温度升高0.71℃。
三、塔的工艺尺寸计算
填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计算及分段。 3.1 塔径的计算
P M 101. 3⨯103⨯28. 4⨯10-3
==1. 183kg /m 3 混合气体的密度： ρV =RT 8. 315⨯293
塔径气相质量流量为：ωV =3000×1.183=3549Kg/h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算
即:ωL =157.6704×18.02=2841.2206㎏/h
1. 空塔气速的确定—泛点气速法
对于散装填料其泛点率的经验值u/uf =0.5~0.85贝恩（Bain ）—霍根（Hougen ）关联式，即：
2
⎡u F lg ⎢⎣g
⎛w L ⎫⎛ρV ⎫⎛a 1⎫⎛ρV ⎫2⎤
⎪ ⎪ (3-1) ⎪μL ⎥=A-K 3⎪ w ρερ⎝⎭⎝L ⎭⎦⎝V ⎭⎝L ⎭
4查表得比表面积： a t =112m2/m3，A=0.0942,K=1.75，ε=0.901，得：
即：lg[
u 112⎛1.1836⎫0.2⎛2841.2206⎫⎛1.1811⎫
() 1]=0.0942-1.75 ⎪ ⎪ ⎪ 9.810.9013⎝998.2⎭3549998.2⎝⎭⎝⎭
2F
1418
2
所以：u F /9.81（112/0.9013）（1.1836/998.2）=0.2806578
U f =3.9059m/s 其中：
u f --泛点气速，m/s
g--重力加速度，9.81m/s2
αt --填料总比表面积，m 2/m 3
ε--填料层空隙率m 3/m 3
ρl =998.2kg /m 3 液相密度ρV =1.1836kg /m 气相密度
3
W L =2841.2206㎏/h，W V =3549kg/h A=0.0942；K=1.75； 取u=0.8 u
F =3.1247m/s
D =
=
=0.6730 （3-2）
圆整塔径，取 D=0.7m（常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200mm ） 2. 泛点速率校核：u =
4000
=2.8886m/s
0.785⨯0.72⨯3600
u 2. 8886==0. 739 5u F 3. 9059
则
u
在允许范围内 u F
根据填料规格校核：D/d=700/50=14>8 3. 液体喷淋密度的校核：
(1) 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。 (2) 最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积
流量。对于直径不超过75mm 的散装填料，可取最小润湿速率为：
(L w )m i 为n
0. 083
m /⋅m 。 h
U 2min =(L w )min αt =0.08⨯112=8.96m 3/m ⋅h U =
w L ρ⨯D 2=2841.2206
998.2⨯0.785⨯0.62
=10.0720>8.96=min L ⨯0.75经过以上校验，填料塔直径设计为D=700mm合理。 3.2 填料层高度的计算及分段
Y *1=mX 1=0.03878⨯0.754=0.02924 Y *2=mX 2=0 3.2.1 传质单元数的计算
用对数平均推动力法求传质单元数
N -Y 2
OG =
Y 1∆Y M
**∆Y =
(Y 1
-Y 1
)-(Y 2-Y 2)
M
* ln
Y 1-Y 1Y *2-Y
2
=
0.05263-0.001053-0.02924
ln
0.05263-0.02924
0.001053
=0.007204
3-3）
3-4）
3-5）
3-6） 3-7） 3-8）
（ （ （ （ （ （
N OG =
Y 1-Y 2
=0.05263-0.001053/0.007204=7.1595 ∆Y M
3.2.2 传质单元高度的计算
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：
0.750.1-0.052⎧0.2⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫αt σc U l U L αt ⎪⎪2
=1-exp ⎨-1.45 ⎪ U /ρσα()⎬ （3-9） ⎪ 2⎪L L V t αw σαμρg ⎝l ⎭⎝t l ⎭⎝L ⎭⎪⎪⎩⎭
即：αw /αt =0.38544748
液体质量通量为：u L =2841.2206/0.785×0.6×0.6=10053.8592kg/(㎡•h) 气体质量通量为： u V =3549/0.785×0.6×0.6=12558.3864kg/(㎡•h) 气膜吸收系数由下式计算：
⎛α⋅D U 0.7t K =0.237() μ/ρ⋅D v v V G αt μv ⎝RT
()
⎫
（3-10） ⎪⎪⎭
=0.237(12558.3864÷112÷0.065) 0.7(0.065÷1.18÷0.189×10-4×3600) 1/3(112×0.189×10-4×3600÷8.314÷293)=0.064482 kmol/(㎡h kpa)
液膜吸收数据由下式计算：
⎛U ⎫⎛μ⎫⎛μ⋅g ⎫
K L =0.0095 L ⎪ L ⎪ L ⎪ （3-11）
⎝αw μl ⎭⎝ρL D L ⎭⎝ρL ⎭=0.095×(10053.8592/0.534×112×3.6) 2/3(3.6/998.3×1.8×10-9×3600) -1/2×(3.6×1.27×108/998.2)1/3=0.216513 kmol/(㎡h kpa)
因为ψ=1.45
0.3740×1.451.1×112 （3-12） K G α=K G αW ϕ1.1=0.06448×
=4.0492kmol/(m3hkpa)
2
3
-
1213
K L α=K L αW ϕ0.4 =0.2165×112×0.3740×1.450.4 （3-13） =10.5219/h
因为：F
=0.7395
所以需要用以下式进行校正：
1.4
⎡⎛u ⎫⎤'
k G ⋅α=⎢1+9.5 -0.5⎪⎥k G ⋅α （3-14）
⎢⎣⎝u F ⎭⎥⎦
=[1＋9.5(0.7395－0.5) 1.4]4.0492=9.2506 kmol/(m3h kpa)
k '
=⎡⎢⎢1+2.6⎛ u -0.5⎫2.2⎤l ⋅α⎪⎥k L ⋅α ⎣⎝u F ⎭⎥⎦
=[1＋2.6(0.7395－0.5) 2.2]10.5219=11.7010 1/h
K 1G α=
1 K ' α+1
HK '
G L α
=1÷(1÷9.2506+1÷0.725÷11.7010) =4.4252 kmol/(m3hkpa)
H OG =
V K Y αΩ
=
V K G αP Ω
=158.0631÷9.2506÷101.3÷0.785÷0.72 =0.4385 m
Z =H OG N OG =0.4385×7.1595=3.1394m,得 Z ' =1.4×2.6243=3.674m 3.2.3 填料层的分段
对于鲍尔环散装填料的分段高度推荐值为h/D=5~10。 h=5×600~10×600=3~6m
计算得填料层高度为4000mm ，故不需分段。
3-15）
3-16）3-17）3-18）（（
（
（
3.3 填料层压降的计算
取Eckert(通用压降关联图) ；将操作气速u ' (＝2.8886m/s)代替纵坐标中的u F
查表，DG50mm 塑料鲍尔环的压降填料因子φ＝125代替纵坐标中的．
则纵标值为：
u 2φP ϕρV 0. 2
=0.1652 (3-19) ∙∙μL
g ρL 横坐标为：
W L ⎛ρV ⎫ ⎪W V ⎝ρL ⎭
0.5
1894.147⎛1.183⎫= ⎪=0.02756 (3-20)
3549⎝998.2⎭
0.5
图2埃克脱通用关联图
查上图得：
∆P
=112×9.81=1098.72 Pa/m (3-21) ∆Z
全塔填料层压降 ∆P =1098.72×4=4394.88 Pa
至此，吸收塔的物料衡算、热量衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。
四、总结
本次我的化工原理课程设计题目是“4000m 3/h水吸收氨过程填料塔的设计”，这是关于吸收中填料塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。
本次设计采用逆流操作：吸收剂以塔顶加入自上而下流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。
在填料塔中，氨气和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排除，吸收了氨气的水，由填料塔的下端流出。
此次设计遵循成本最优原则，环境保护，三废处理等等要求。
注：
1. 填料塔设计结果一览表 塔径 填料层高度 填料规格 操作液气比 校正液体流速 压降
惰性气体流量
0.6m
4m
50mm 鲍尔环
1.2491 1.8倍最小液气比 2.78220/s
4394.88Pa
118.5474kmol/h
2. 填料塔设计数据一览表
E —亨利系数，
u V —气体的粘度，1.73⨯10-5Pa /s =6228⨯10-5kg /m . h
m —平衡常数 0.7532
ψ—水的密度和液体的密度之比 1
g —重力加速度，m 2/s 9.81 =1.27⨯108m /h
ρV ; ρL —分别为气体和液体的密度，1.1836kg /m ；998.2kg /m ；
W L =5358.89572㎏/h W V =7056.6kg/h—分别为气体和液体的质量流量
3
K Y a —气相总体积传质系数，kmol /(m ⋅s )
33
Z —填料层高度，m Ω—塔截面积，
Ω=
π
4
D 2
H OG —气相总传质单元高度，m N OG —气相总传质单元数
K G —以分压差表示推动力的总传质系数，kmol /(m 2⋅s ⋅kPa )
a W —单位体积填料的润湿面积
αt --填料总比表面积，m 2/m 3 100
ε--填料层空隙率m 3/m 3 91.7%
k G —以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmol /(m 2⋅s ⋅kPa )
H —溶解度系数，0.725kmol /(m 2⋅kPa )
k L —以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，m /s
R —气体常数，8.314kN ⋅m /(kmol ⋅K )
D V =0.081m 2/h ; D L =7.34⨯10-6m 2/h —氨气在空气中中的扩散系数及氨气在水中的扩散系数;
σL --液体的表面张力，=940896kg /h 2
σc --填料材质的临界表面张力，=427680kg /h 2；ψ--填料形状系数
开孔鲍尔环=145.
液体质量通量为：u L =10053.8592kg/(㎡•h) 气体质量通量为：u V =12558.3864kg/(㎡•h)
参考文献
[1]涂伟萍，陈佩珍，程达芳编. 化工过程及设备设计. 北京:化学工业出版社,2003 [2]付家新等. 化工原理课程设计(典型化工单元操作设备设计). 北京:化学工业出版社，2010
[3]谭天恩等. 化工原理. 第三版（上册）. 北京: 化学工业出版社,2010 [4]郑津泽，荣其伍，桑芝富编. 过程设备设计. 北京: 化学工业出版社，2004 [5] 华南理工大学化工原理教研室著．化工过程及设备设计[M]．广州:华南理工大学出版社,1986.
附录
见附图一、附图二。
学号：1203032025
设计名称：系 别：专 业：姓 名：完成时间：指导老师：HeFei University
4000m 3 化学与材料工程系 化学工程与工艺 汪涛涛 2015/1/22 胡科研
目 录
一、概述............................................................................................. 1 1.1 化工工艺设计的意义和主要内容 ........................................... 1 1.2 本设计的主要思路 ................................................................. 1 二、物料衡算与热量衡算 .................................................................. 3 2.1 基础物性数据 ......................................................................... 3 2.2 液相物性数据 ......................................................................... 3 2.3 气相物性数据 ......................................................................... 4 2.4 气液相平衡数据 ..................................................................... 4 2.5 物料衡算 ................................................................................ 4 2.6 热量衡算 ................................................................................ 5 三、塔的工艺尺寸计算 ...................................................................... 6 3.1 塔径的计算 . ............................................................................ 6 3.2 填料层高度的计算及分段 ...................................................... 8 3.3 填料层压降的计算 ................................................................11 四、总结........................................................................................... 12 参考文献........................................................................................... 14 附录 .................................................................................................. 14
一、概述
1.1 化工工艺设计的意义和主要内容
1.1.1设计的意义
专业课程设计是学生学完专业基础课及专业课之后，进一步学习工程设计的基础知识，培养学生工程设计能力的重要教学环节，也是学生综合运用相关课程知识，联系生产实际，完成以单元操作为主的一次工程设计的实践。为了加强本科学生专业课程设计这一重要实践教学环节的规范化管理，保证专业课程设计工作有序进行及教学质量，特制定专业课程设计的有关要求。
1.1.2化工工艺设计主要内容
⑴设计方案简介，对方案的工艺流程、主要设备、物料的选取进行简要概述。
⑵主要设备的工艺设计计算，包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸选择及结构设计。
⑶工艺流程简图，以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物流向、物流量、和主要化工参数测量点。
⑷主体设备工艺条件图（CAD 图），图纸上包括设备的标题栏、明细栏、管口表、设计数据表、技术要求。 1.2 本设计的主要思路
主要思路：
（1）根据设计任务和工艺要求，确定设计方案； （2）针对物系及分离要求，选择适宜填料； （3）确定塔径、填料层高度等工艺尺寸； （4）计算塔高及填料层的压降。
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）吸收剂的选择
因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。 （2）填料的类型与选择
填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。 （3）填料种类的选择
本次采用散装填料。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。鲍尔环是目前应用较广的填料之一，本次选用鲍尔环。
（4）填料规格的选择
工业塔常用的散装填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\Dn76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。
常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于下表。
表1 填料种类及D/d推荐值
填料种类 拉西环 鞍环 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍
（5）填料材质的选择
D/d的推荐值 D/d≥20~30 D/d≥15 D/d≥10~15 D/d>8 D/d>8
工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。
聚丙烯填料在低温（低于0度）时具有冷脆性，在低于0度的条件下使用要慎重，可选耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。
塑料鲍尔环特性数据如下表所示：
表2 塑料鲍尔环特性数据
规格 mm 16 25 38 50 76
外径×高×厚
mm 16×16×1.1 25×25×1.2 38×38×1.4 50×50×1.5 76×76×2.6
比表面积 m 2/m3 188 175 115 112 73
空隙率 m 3/m3 0.91 0.901 0.81 0.901 0.92
堆积个数 n/m3 112000 53500 15800 6500 1930
堆积重度 Kg/m3 141 91 71 56 60
干填料因子
m-1 249 239 220 154 94
综合以上：选择塑料鲍尔环散装填料Dn50。
二、物料衡算与热量衡算
2.1 基础物性数据
1. 气体混合物成分：空气和氨
2. 空气中氨的含量:5.0%（体积含量即为摩尔含量） 3. 混合气体流量4000m /h 4. 操作温度293K
5. 混合气体压力101.3KPa 6. 塔顶排放气体中含氨低于2%
7. 采用清水为吸收剂，吸收剂最小用量的1.1-2倍 8. 填料类型：采用聚丙烯鲍尔环填料 2.2 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：
31. ρl =998.2kg /m
3
2. 黏度：μl =0.001pa . s =3.6kg /m . h
2
3. 表面张力为:σz =72.6dyn /cm =940896kg /h
4. 20︒CNH 3:H =0.725kmol /m 3⋅kpa 5. 20︒CNH 3:D l =7.34⨯10-6m 2/h 6. 20︒CNH 3:D v =0.225cm 2/s =m 2/h 2.3 气相物性数据
1. 混合气体的平均摩尔质量为
M vm =∑y i m i =0.05⨯17.0304+0.95⨯29=28.4015 (2-1) 2. 混合气体的平均密度
由ρvm =
PM VM 101.3⨯28.4015
==1.1811kg /m 3 (2-2) RT 8.314⨯293
R=8.314 m 3⋅KPa /kmol ⋅K
3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20︒C 时，空气的黏度
μV =1.81×10-5Pa·s=0.065Kg/(m·h)
查手册得氨气在20℃空气中扩散系数：D v =0.189cm2/s=0.068m2/s 2.4 气液相平衡数据
20 C 下氨在水中的溶解度系数：H =0. 725kmol /(m 3⋅kpa ) , 常压下20℃时亨利系数：E =
ρL
HM S
=998.2/(0.725×18.02)=76.40Kpa
相平衡常数：m =
ρL E 998.2
===0.754 p HM S P 0.725⨯18.02⨯101.3
2.5 物料衡算 1. 进塔气相摩尔比为
Y 1=
y 10.05
==0.05263 (2-3) 1-y 11-0.05
2. 出塔气相摩尔比为
Y 2=Y 1(1-ϕA ) =0.05263⨯(1-0.98) =0.001053 (2-4) 3. 进塔惰性气体流量
V =
4000273
⨯(1-0.05) =158.0631 (2-5)
22.4273+20
因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。即：
Y 1-Y 2⎛L ⎫
⎪= (2-6)
V Y /m -X ⎝⎭min 12
因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成X 2=0
Y -Y 0.05263-0.001053⎛L ⎫
所以 ⎪=12==0.7389
Y ⎝V ⎭min 1-X 2取操作液气比为最小液气比1.8倍，则 选择操作液气比为
L ⎛L ⎫
=1. 80 0 (2-7) ⎪=1. 33V V ⎝⎭m i n
L=1.33×158.0631=210.2239 kmol/h
由全塔物料衡算得：
V （Y 1—Y 2）=L（X 1—X 2），得X 1=158.0631×(0.05263-0.001053)/ 210.2239=0.03878 2.6 热量衡算
假设氨溶于水放出的热量全部被水吸收，且忽略气相温度的变化及塔的散热损失。
氨的微分溶解热（氨的冷凝潜热+在水中溶解热）
H NH 3=18688.27+34748=53436.2KJ /kmol
吸收液(依水计) 平均比热容C L ＝75.366kJ/kmol·℃，通过下式计算
H
t n =t n -1+d 均(X n -X n -1) (2-8)
C L 对低组分气体吸收，吸收液浓度很低时，依惰性组分及比摩尔浓度计算较方便，故上式可写为：
t L =20+
53436.2
∆X (2-9)
75.366
液体入塔温度t 1=20℃，由上式可以得出液相浓度X 变化0.001时，温度升高0.71℃。
三、塔的工艺尺寸计算
填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计算及分段。 3.1 塔径的计算
P M 101. 3⨯103⨯28. 4⨯10-3
==1. 183kg /m 3 混合气体的密度： ρV =RT 8. 315⨯293
塔径气相质量流量为：ωV =3000×1.183=3549Kg/h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算
即:ωL =157.6704×18.02=2841.2206㎏/h
1. 空塔气速的确定—泛点气速法
对于散装填料其泛点率的经验值u/uf =0.5~0.85贝恩（Bain ）—霍根（Hougen ）关联式，即：
2
⎡u F lg ⎢⎣g
⎛w L ⎫⎛ρV ⎫⎛a 1⎫⎛ρV ⎫2⎤
⎪ ⎪ (3-1) ⎪μL ⎥=A-K 3⎪ w ρερ⎝⎭⎝L ⎭⎦⎝V ⎭⎝L ⎭
4查表得比表面积： a t =112m2/m3，A=0.0942,K=1.75，ε=0.901，得：
即：lg[
u 112⎛1.1836⎫0.2⎛2841.2206⎫⎛1.1811⎫
() 1]=0.0942-1.75 ⎪ ⎪ ⎪ 9.810.9013⎝998.2⎭3549998.2⎝⎭⎝⎭
2F
1418
2
所以：u F /9.81（112/0.9013）（1.1836/998.2）=0.2806578
U f =3.9059m/s 其中：
u f --泛点气速，m/s
g--重力加速度，9.81m/s2
αt --填料总比表面积，m 2/m 3
ε--填料层空隙率m 3/m 3
ρl =998.2kg /m 3 液相密度ρV =1.1836kg /m 气相密度
3
W L =2841.2206㎏/h，W V =3549kg/h A=0.0942；K=1.75； 取u=0.8 u
F =3.1247m/s
D =
=
=0.6730 （3-2）
圆整塔径，取 D=0.7m（常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200mm ） 2. 泛点速率校核：u =
4000
=2.8886m/s
0.785⨯0.72⨯3600
u 2. 8886==0. 739 5u F 3. 9059
则
u
在允许范围内 u F
根据填料规格校核：D/d=700/50=14>8 3. 液体喷淋密度的校核：
(1) 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。 (2) 最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积
流量。对于直径不超过75mm 的散装填料，可取最小润湿速率为：
(L w )m i 为n
0. 083
m /⋅m 。 h
U 2min =(L w )min αt =0.08⨯112=8.96m 3/m ⋅h U =
w L ρ⨯D 2=2841.2206
998.2⨯0.785⨯0.62
=10.0720>8.96=min L ⨯0.75经过以上校验，填料塔直径设计为D=700mm合理。 3.2 填料层高度的计算及分段
Y *1=mX 1=0.03878⨯0.754=0.02924 Y *2=mX 2=0 3.2.1 传质单元数的计算
用对数平均推动力法求传质单元数
N -Y 2
OG =
Y 1∆Y M
**∆Y =
(Y 1
-Y 1
)-(Y 2-Y 2)
M
* ln
Y 1-Y 1Y *2-Y
2
=
0.05263-0.001053-0.02924
ln
0.05263-0.02924
0.001053
=0.007204
3-3）
3-4）
3-5）
3-6） 3-7） 3-8）
（ （ （ （ （ （
N OG =
Y 1-Y 2
=0.05263-0.001053/0.007204=7.1595 ∆Y M
3.2.2 传质单元高度的计算
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：
0.750.1-0.052⎧0.2⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫αt σc U l U L αt ⎪⎪2
=1-exp ⎨-1.45 ⎪ U /ρσα()⎬ （3-9） ⎪ 2⎪L L V t αw σαμρg ⎝l ⎭⎝t l ⎭⎝L ⎭⎪⎪⎩⎭
即：αw /αt =0.38544748
液体质量通量为：u L =2841.2206/0.785×0.6×0.6=10053.8592kg/(㎡•h) 气体质量通量为： u V =3549/0.785×0.6×0.6=12558.3864kg/(㎡•h) 气膜吸收系数由下式计算：
⎛α⋅D U 0.7t K =0.237() μ/ρ⋅D v v V G αt μv ⎝RT
()
⎫
（3-10） ⎪⎪⎭
=0.237(12558.3864÷112÷0.065) 0.7(0.065÷1.18÷0.189×10-4×3600) 1/3(112×0.189×10-4×3600÷8.314÷293)=0.064482 kmol/(㎡h kpa)
液膜吸收数据由下式计算：
⎛U ⎫⎛μ⎫⎛μ⋅g ⎫
K L =0.0095 L ⎪ L ⎪ L ⎪ （3-11）
⎝αw μl ⎭⎝ρL D L ⎭⎝ρL ⎭=0.095×(10053.8592/0.534×112×3.6) 2/3(3.6/998.3×1.8×10-9×3600) -1/2×(3.6×1.27×108/998.2)1/3=0.216513 kmol/(㎡h kpa)
因为ψ=1.45
0.3740×1.451.1×112 （3-12） K G α=K G αW ϕ1.1=0.06448×
=4.0492kmol/(m3hkpa)
2
3
-
1213
K L α=K L αW ϕ0.4 =0.2165×112×0.3740×1.450.4 （3-13） =10.5219/h
因为：F
=0.7395
所以需要用以下式进行校正：
1.4
⎡⎛u ⎫⎤'
k G ⋅α=⎢1+9.5 -0.5⎪⎥k G ⋅α （3-14）
⎢⎣⎝u F ⎭⎥⎦
=[1＋9.5(0.7395－0.5) 1.4]4.0492=9.2506 kmol/(m3h kpa)
k '
=⎡⎢⎢1+2.6⎛ u -0.5⎫2.2⎤l ⋅α⎪⎥k L ⋅α ⎣⎝u F ⎭⎥⎦
=[1＋2.6(0.7395－0.5) 2.2]10.5219=11.7010 1/h
K 1G α=
1 K ' α+1
HK '
G L α
=1÷(1÷9.2506+1÷0.725÷11.7010) =4.4252 kmol/(m3hkpa)
H OG =
V K Y αΩ
=
V K G αP Ω
=158.0631÷9.2506÷101.3÷0.785÷0.72 =0.4385 m
Z =H OG N OG =0.4385×7.1595=3.1394m,得 Z ' =1.4×2.6243=3.674m 3.2.3 填料层的分段
对于鲍尔环散装填料的分段高度推荐值为h/D=5~10。 h=5×600~10×600=3~6m
计算得填料层高度为4000mm ，故不需分段。
3-15）
3-16）3-17）3-18）（（
（
（
3.3 填料层压降的计算
取Eckert(通用压降关联图) ；将操作气速u ' (＝2.8886m/s)代替纵坐标中的u F
查表，DG50mm 塑料鲍尔环的压降填料因子φ＝125代替纵坐标中的．
则纵标值为：
u 2φP ϕρV 0. 2
=0.1652 (3-19) ∙∙μL
g ρL 横坐标为：
W L ⎛ρV ⎫ ⎪W V ⎝ρL ⎭
0.5
1894.147⎛1.183⎫= ⎪=0.02756 (3-20)
3549⎝998.2⎭
0.5
图2埃克脱通用关联图
查上图得：
∆P
=112×9.81=1098.72 Pa/m (3-21) ∆Z
全塔填料层压降 ∆P =1098.72×4=4394.88 Pa
至此，吸收塔的物料衡算、热量衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。
四、总结
本次我的化工原理课程设计题目是“4000m 3/h水吸收氨过程填料塔的设计”，这是关于吸收中填料塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。
本次设计采用逆流操作：吸收剂以塔顶加入自上而下流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。
在填料塔中，氨气和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排除，吸收了氨气的水，由填料塔的下端流出。
此次设计遵循成本最优原则，环境保护，三废处理等等要求。
注：
1. 填料塔设计结果一览表 塔径 填料层高度 填料规格 操作液气比 校正液体流速 压降
惰性气体流量
0.6m
4m
50mm 鲍尔环
1.2491 1.8倍最小液气比 2.78220/s
4394.88Pa
118.5474kmol/h
2. 填料塔设计数据一览表
E —亨利系数，
u V —气体的粘度，1.73⨯10-5Pa /s =6228⨯10-5kg /m . h
m —平衡常数 0.7532
ψ—水的密度和液体的密度之比 1
g —重力加速度，m 2/s 9.81 =1.27⨯108m /h
ρV ; ρL —分别为气体和液体的密度，1.1836kg /m ；998.2kg /m ；
W L =5358.89572㎏/h W V =7056.6kg/h—分别为气体和液体的质量流量
3
K Y a —气相总体积传质系数，kmol /(m ⋅s )
33
Z —填料层高度，m Ω—塔截面积，
Ω=
π
4
D 2
H OG —气相总传质单元高度，m N OG —气相总传质单元数
K G —以分压差表示推动力的总传质系数，kmol /(m 2⋅s ⋅kPa )
a W —单位体积填料的润湿面积
αt --填料总比表面积，m 2/m 3 100
ε--填料层空隙率m 3/m 3 91.7%
k G —以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmol /(m 2⋅s ⋅kPa )
H —溶解度系数，0.725kmol /(m 2⋅kPa )
k L —以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，m /s
R —气体常数，8.314kN ⋅m /(kmol ⋅K )
D V =0.081m 2/h ; D L =7.34⨯10-6m 2/h —氨气在空气中中的扩散系数及氨气在水中的扩散系数;
σL --液体的表面张力，=940896kg /h 2
σc --填料材质的临界表面张力，=427680kg /h 2；ψ--填料形状系数
开孔鲍尔环=145.
液体质量通量为：u L =10053.8592kg/(㎡•h) 气体质量通量为：u V =12558.3864kg/(㎡•h)
参考文献
[1]涂伟萍，陈佩珍，程达芳编. 化工过程及设备设计. 北京:化学工业出版社,2003 [2]付家新等. 化工原理课程设计(典型化工单元操作设备设计). 北京:化学工业出版社，2010
[3]谭天恩等. 化工原理. 第三版（上册）. 北京: 化学工业出版社,2010 [4]郑津泽，荣其伍，桑芝富编. 过程设备设计. 北京: 化学工业出版社，2004 [5] 华南理工大学化工原理教研室著．化工过程及设备设计[M]．广州:华南理工大学出版社,1986.
附录
见附图一、附图二。