化工原理课程设计吸收塔郑顺金.docx
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化工原理课程设计吸收塔郑顺金
西南交通大学生命科学与工程学院
化工原理课程设计
水吸收氯化氢填料吸收塔设计
设计者：
20095332郑顺金
班级：
09生物工程4班
指导老师：
王枢老师
设计日期：
2011-7-18
西南交通大学生命科学与工程学院化工原理课程设计
目录---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2填料吸收塔设计任务书--------------------------------------------------------------------------------------------3设计方案的选择及流程说明--------------------------------------------------------------------------------------4工艺计算---------------------------------------------------------------------------------------------------------------5
需用的气象数据-----------------------------------------------------------------------------------------------5在25℃，99.89kPa下的部分物性常数------------------------------------------------------------------5相平衡处理------------------------------------------------------------------------------------------------------5流量的计算------------------------------------------------------------------------------------------------------7填料的假设------------------------------------------------------------------------------------------------------8范点的计算------------------------------------------------------------------------------------------------------8主要设备工艺尺寸的计算-----------------------------------------------------------------------------------------9
塔径的计算------------------------------------------------------------------------------------------------------9传质单元的计算-----------------------------------------------------------------------------------------------9填料层的计算-------------------------------------------------------------------------------------------------11填料层压降校核----------------------------------------------------------------------------------------------11喷淋量的校核-------------------------------------------------------------------------------------------------12进出口管的设计----------------------------------------------------------------------------------------------12排气孔-----------------------------------------------------------------------------------------------------------12塔顶空间和塔底空间----------------------------------------------------------------------------------------13附属设备的计算-----------------------------------------------------------------------------------------------------14
填料支承装置-------------------------------------------------------------------------------------------------14液体分布装置-------------------------------------------------------------------------------------------------14风机、泵的选择----------------------------------------------------------------------------------------------14人孔和手孔-----------------------------------------------------------------------------------------------------14设计综述与思考-----------------------------------------------------------------------------------------------------16附录一符号表---------------------------------------------------------------------------------------------------17附录二埃克特图-------------------------------------------------------------------------------------------------18附录三参考资料-------------------------------------------------------------------------------------------------19图一相平衡图与传质单元数的求解------------------------------------------------------------------------20图二流程图--------------------------------------------------------------------------------------------------------21图三装配图--------------------------------------------------------------------------------------------------------22
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填料吸收塔设计任务书
一、设计题目：
水吸收氯化氢填料吸收塔设计
二、设计任务及操作条件
1、设计任务：
混合气（氯化氢、氢气）处理量：
6000Nm3/h进塔混合气中含氯化氢：
85%（V%）;
相对湿度：
69%；温度：
25℃
氯化氢吸收率：
99.0%
2、操作条件
操作压强：
常压操作
3、设备型式：
填料吸收塔
4、厂址：
山东菏泽
三、设计内容：
1、设计方案的选择及流程说明
2、工艺计算
3、主要设备工艺尺寸设计
（1）塔径的确定
（2）填料层高度计算
（3）总塔高、总压降及接管尺寸的确定
4、辅助设备选型与计算
5、设计结果汇总
6、工艺流程图及工艺条件图
7、设计评述
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设计方案的选择及流程说明
由于HCl极易溶于水，从成本角度考虑，用水进行吸收．为提高传递效率，全塔采取逆流操作．
由于氯化氢溶于水，相当于不同浓度的盐酸，故选择瓷质填料．从成本上考虑，选用乱堆瓷质拉西环．
采用的流程图及装配图附后．
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工艺计算
需用的气象数据
空气的年平均相对湿度φ=69%；
年平均大气压Ｐ=99.89kPa．
在25℃，99.89kPa下的部分物性常数
水的摩尔质量M水=18.015kg·kmol-1；
HCl的摩尔质量MHCl=36.461kg·kmol-1；
氢气的摩尔质量M氢=2.016kg·kmol-1；
平均摩尔质量MG=31.294kg·kmol-1；
水的密度ρ水=997.04kg·m-3；
水的粘度μ水=0.8937mPa·s；
水的表面张力σ水=72.0mN·m-1；
HCl的密度ρHCl=1.293kg·m-3；
HCl的粘度μHCl=0.0097mPa·s；
氢气的密度ρ氢=0.0893kg·m-3；
氢气的粘度μ氢=0.0068mPa·s；
进气密度ρG=0.85ρHCl+0.15ρ氢=1.100kg·m-3；
进气粘度μG=0.0096mPa·s
HCl和氢之间的扩散系数DHCl-氢=0.55cm2/s
相平衡处理
由于氯化氢溶于水不符合亨利定律，本实验需根据部分数
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据做平衡曲线．经估算可知，塔进出口的平均温度约为30摄氏度，为便于计算，在不会引起较大误差的前提下，视为30℃时的等温吸收．
根据手册已知的溶液的溶质质量比和平衡分压的关系，依照关于浓度表示的公式
pHClxy
X=，y=，Y=可得以下表．
1-xP1-y
kgHCl/
100kg水66.756.34738.931.62519.0513.648.74.172.04
p/kPa83.6255.941.320.290.640.01413.12×10-036.87×10-041.02×10-042.02×10-05
x
2.48×10-012.18×10-011.89×10-011.61×10-011.35×10-011.10×10-018.60×10-026.32×10-024.12×10-022.02×10-029.98×10-03
y
0.8250.2470.0580.013
2.86×10-036.32×10-031.39×10-043.08×10-056.78×10-061.01×10-061.99×10-07
102XY33.027.823.219.215.612.49.426.744.302.061.01
4.720.3280.06230.01322.87×10-036.36×10-031.39×10-043.08×10-056.78×10-061.01×10-061.99×10-07
为了便于在X较大位置作图，现根据盐酸水溶液的氯化氢分压图线查得30℃时分压和质量分数的近似关系，并求出X，Y如下．
质量分数32.0%33.0%34.0%35.0%36.0%37.0%38.0%39.0%39.5%
KgHCl/
p/kPaxy102X
100kg水47.10.05523.349.30.08324.351.50.11825.553.80.16826.656.30.23727.858.70.35529.061.30.46430.363.90.65131.665.30.75032.3
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Y6
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根据，物理化学手册可知，HCl在30℃时的溶解度为40.23%（质量分数），即此时
Xmax40.23%¸MHCl==0.330（1-40.23%）¸MHO2
故在本题中气相中HCl比例很大，会发生吸收直到达到饱和．流量的计算
进塔气体G6000Nm3/h
b=22.4m3/kmol=267.9kmol/h
进塔气相摩尔分数yb=0.85则，进塔气相摩尔比Yybb=1-y=5.67
b
则，出塔摩尔比Ya=Yb（1-η）=5.67´1%=0.057惰性成分GB=Gb（1-yb）=40.2kmol/h
由于进液体为纯水，则xa=0，Xa=0
则由平衡图线图查得此时已经超过溶解度，取
X*
b=Xmax=0.330
根据如图所示的曲线，显然最小液气比
（LSYb-Ya
G）X5.670-0.057
min=*=17.01Bb-Xa0.330-0
取实际液气比，（LS
G）=1.5（LS
G）min=22.52
BB
即吸收液的用量
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LSLs=GB（）=40.2kmol/h´22.52=1026kmol/hGB
则吸收液的体积流量VLS=LsM水/ρ水=18.54m/h3
填料的假设
先设用瓷质乱堆的80拉西环．
其特性数据如下表，实际尺寸
80*80*9.5堆积数量1910/m3ρ714kgm-3at
76m2m-3σC
61ε0.68σ/ε3243/m-1填料φ280
范点的计算
根据埃克特泛点图线（附后），可以求出泛点（图上A点）．
18.54FP===0.093VG6000.100GSVL水
从图线上查得，纵坐标为0.14．即，
2uFψφρG0.2水=0.14gρ水
解之得，泛点气速uF=2.13m/s．
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主要设备工艺尺寸的计算
塔径的计算
取设计气速u'=0.65uF=1.38m/s
G4´6000/3600理论塔径D'===1.24mπu'3.1416´1.38
根据压力容器的国标，将塔径圆整D
经验证，D/d>20，符合一般要求．=1400mm
4VG4´6000/3600则，u===1.08m/s22pD3.1416´1.4
传质单元的计算
由于氯化氢极易溶于水，故吸收过程为气膜控制．
h0=HOGNOG
根据恩田公式，
awsc0.750.1-0.050.2=1-exp{-1.45（）ReFrWe}ats水LLL
其中有液相、气象的质量流速
LM水1026/3600´18.015L'===3.34kg/（m2s）23.1416（）D（）1.42
44
GG267.9/3600´31.294G'===1.51kg/（m2s）23.14162（）D´1.444
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西南交通大学生命科学与工程学院化工原理课程设计L'3.34ReL===49.17-3atm水76´0.8937´10L'2at3.342´76-5Fr=2==8.69´102r水g997.04´9.81L
L3.34WeL===2.04´10-6atr水s水76´997.04´72.0
查表得，陶瓷的表面张力sc代入得，22=61mN×m-1
a=1-eat-1.45´（610.75）´49.170.1´（8.69´10-5）-0.05´（2.06´10-6）0.272=1-e=0.197
23则，a=0.197at=15.0m/m
可求，气相给质系数-0.220
kG=atCDHCl-氢
RT
-5mGG'0.7（）（）1/3（atdP）-2.0atmGrGDHCl-氢
m水
r水DHCl-水kL=0.051（=2.709´10mol×s/（kg×m）r水-1/3L'2/3m水g）（awm水）（）-1/2atdP
由于为气膜控制，KG»kG，不再具体计算kL．HOGGbGbG==»=1.17mKyaD2KaPD2kaPGG44
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填料层的计算
需要吸收的HCl浓度很高，不能用x，y来直接代替X，Y进行计算．操作线方程为，
LSLSY=X+（Ya-Xa）GBGB
代入液气比等数据，即，
Y=22.52X+（0.057-0）=22.52X+0.057查图，得NOG
则填料高度h=4.0=HOG×NOG=4.0´1.17m=4.68m可以圆整为4.8m．
填料层的分段h计算»3，则可不需分段．D
填料层压降校核
根据埃克特图确定压降（图附后）
已求得FP=0.093，u2ψφρG
纵坐标gρ水0.2水=0.034
在图上以点B表示．
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Dp»35
此时z，则Dp»164Pa，较适宜．喷淋量的校核
根据湿润率的公式，
L=UVLS18.54
Wσ=σS=76´（3.14/4）´1.42=0.16即，湿润率LW>0.12，符合要求．
进出口管的设计
进、出气管管径
dGG=pu=1416´15=0.37m
G3.
则使用400mm管．
进、出液管管径
dLS
L=pu=4´18.54/3600
3.1416´0.8=0.091m
L
则，选用100mm管．
排气孔
根据排气孔和直径的关系，此处应开4个排气孔．
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塔顶空间和塔底空间
塔顶空间Ha=1.5m
塔底空间Hb=3m
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附属设备的计算
填料支承装置
由于吸收塔自顶至下相当于浓度不同的盐酸，对有较强的腐蚀性，故用陶瓷多孔板作为支承材料．
液体分布装置
为了保证每一截面上都有气液的均匀分布，须选用液体分布装置，选用排管式布液器．
风机、泵的选择
风机的功率
VGDp6000´164Pa===4.5kW3600´102×h3600´102´60%
输液泵的功率同样合理选取．
人孔和手孔
依照规范，1400的设备应开一人孔．
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设计结果汇总设计名称水吸收氯化氢填料吸收塔设计
操作条件25℃，99.89kPa（绝）[单塔逆流操作]进气量6000Nm3/h含85%HCl液体用量18.54m3/h纯水
塔径1400mm采用耐盐酸材质填料80乱堆拉西环
填料高度4.80m不分层
传质单元数4.0
传质单元高度1.17m
进、出气管Φ400mm耐酸腐蚀进、出液管Φ100mm耐酸腐蚀全塔压降164Pa
布液装置排管式
填料支承装置陶瓷多孔板
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设计综述与思考
本填料塔设计用以工业上吸收氢气与氯气点燃产生的混有氢气的氯化氢气体，在常温常压下采用逆流方式操作，以常温清水进行吸收，吸收较为完全．
另一方面，塔填料采取不分段、以80瓷质拉西环填料，在保证传质的前提下，简化了填料的过程，更有利于控制成本．
在设计过程中，考虑到自上至下盐酸浓度逐渐增大，要求材料有较高的耐受还原性无机酸的能力，所以填料、支承多采取陶瓷材质的材料．
通过本次化工原理课程设计，我巩固了化工原理理论课的理解，在读图画图的过程中，进一步熟悉了工程制图的知识，以及初步掌握了AutoCAD2008的使用。
当然，由于我平时努力不够，以及对CAD的学习不够深入，我的这份设计可能存在着许许多多这样或那样的问题，可能有些地方背离国家标准甚至在工业技术上无法实现。
但是无论如何，我通过这次课程设计，掌握了许多，也收获了很多。
我想，这也许是开设这个实习的目的之一吧。
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附录一符号表
符号ADGaGbGBGGGLG’GG’LgHOGh0
意义传质面积扩散因数出塔气相摩尔流量进塔气相摩尔流量惰性气相摩尔流量气相质量流量液相质量流量气相质量流速液相质量流速重力加速度传质单元高度填料高度
符号kyLSLWL’MNOGpPΔpXYxyμρσσCφψ
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意义
Δy示气相给质系数吸收液摩尔流量
润湿率液相质量流速摩尔质量传质单元数分压总压压降液相摩尔比气相摩尔比液相摩尔分率液相摩尔比粘度密度表面张力临界表面张力填料因子水与液体密度比
Kx摩尔分数差示液总传质系数Ky摩尔分数差示气总传质系数KxaKyakGkLkx
Δx示液相体积总传质数Δy示液相体积总传质数Δp示气相给质系数Δc示液相给质系数Δx示液相给质系数
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续上页
下标
意义初始值或定值溶质组分塔顶（出气、进液）
惰性气体塔底（出液、进气）
气相
意义液相吸收液平均意义平衡
G
上标*
附录二埃克特图
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西
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