合成氨碳酸丙烯酯(PC)脱碳填料塔设计

合成氨碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计
碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔的工艺设计
学校上海工程技术大学
专业环境工程
48000t/a合成氨碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计
目录
碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计工艺设计任务书 4 一、设计题目4
二、操作条件4
三、设计内容4
四、基础数据5
设计依据： (6)
一、计算前的准备 (6)
1.CO2在PC中的溶解度关系 (6)
2.PC密度与温度的关系 (7)
3.PC蒸汽压的影响 (8)
4.PC的粘度 (8)
二、物料衡算 (8)
1.各组分在PC中的溶解量 (8)
2.溶剂夹带量Nm3/m3PC (9)
3.溶液带出的气量Nm3/m3PC (9)
4.出脱碳塔净化气量 (10)
5.计算PC循环量 (10)
6.验算吸收液中CO2残量为0.15 Nm3/m3PC
时净化气中CO2的含量 (11)
7.出塔气体的组成 (11)
三、热量衡算 (12)
1.混合气体的定压比热容pV C (12)
2.液体的比热容pL C (13)
3.CO2的溶解热s (14)
4.出塔溶液的温度
T (14)
1L
5.最终的衡算结果汇总 (15)
四、设备的工艺与结构尺寸的设计计算 (16)
（一）确定塔径及相关参数 (16)
五、填料层高度的计算 (18)
六、填料层的压降 (26)
七、附属设备及主要附件的选型 (26)
1.塔壁厚 (26)
2．液体分布器 (26)
3．除沫器 (26)
4．液体再分布器 (27)
5．填料支撑板 (27)
6．塔的顶部空间高度 (27)
八、设计概要表
27
九、对本设计的评价
28
参考文献 (28)
化工原理课程设计任务书
碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔的工艺设计
一、设计题目44000
设计一座碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔，要求年产合成氨46000t/a。

二、操作条件
1.每吨氨耗变换气取4300Nm3变换气/ t氨；
2.变换气组成为：CO2：28.0；CO：2.5；H2：47.2；N2：22.3。

（均为体积%，下同。

其它组分被忽略）；
3.要求出塔净化气中CO2的浓度不超过0.5%；
4.PC吸收剂的入塔浓度根据操作情况自选；
5.气液两相的入塔温度均选定为30℃；
6.操作压强为1.6MPa；
7.年工作日330天，每天24小时连续运行。

三、设计内容
1.设计方案的确定及工艺流程的说明
2.填料吸收塔的工艺计算
3.塔和塔板主要工艺结构的设计计算
4.填料吸收塔附属结构的选型与设计
5.塔的工艺计算结果汇总一览表
6.吸收塔的工艺流程图
7.填料吸收塔与液体再分布器的工艺条件图
8.对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论。

四、基础数据
1.碳酸丙烯酯（PC ）的物理性质
2.比热计算式 ()C)kJ/(kg ︒⋅-+=1000181.039.1t c p
3.CO 2在碳酸丙烯酯（PC ）中的溶解度
4.CO 2在碳酸丙烯酯（PC ）中的溶解热 可近似按下式计算（以2
CO H Δ表示） ()676187.459.4=⨯=i
i
B B H KJ/kmol,2
CO Δ
5.其他物性数据可查化工原理附录。

设计依据：
吸收是利用各组分溶解度的不同而分离气体混合物的操作。

混合气体与适当的液体接触，气体中的一个或几个组分便溶解于液体中而形成溶液，于是原组分
的一分离。

对与此题中的易溶气体是CO2。

依题意：年工作日以330天，每天以24小时连续运行计，有：合成氨：44000t/a= 133.33t/d=5.56t/h
变换气：4300m3（标）变换气/t氨（简记为Nm3/t）
V = 5.56×4300=23908 m3
变换气组成及分压如下表
一、计算前的准备
在PC中的溶解度关系
1.CO
2
CO2在PC中亨利系数数据
作图得：亨利系数与温度近似成直线，且()3.101594.396204.1⨯+=t E kPa 因为高浓度气体吸收，故吸收塔内CO 2的溶解热不能被忽略。

现假设出塔气体的温度为C 352︒=V T ，出塔液体的温度为C ︒=401L T ，并取吸收饱和度（定义为出塔溶液浓度对其平衡浓度的百分数）为70%，然后利用物料衡算结合热量衡算验证上述温度假设的正确性
在40℃下，CO 2在PC 中的亨利系数E 40=103.5×101.3 kPa=10485 kPa 1．出塔溶液中CO 2的浓度（假设其满足亨利定律）
()()()0299.00427.07.010485/4487.0/7.07.011=====*
E p x x （摩尔分数）
2．根据吸收温度变化的假设，在塔内液相温度变化不大，可取平均温度35℃下的CO 2在PC 中溶解的亨利系数作为计算相平衡关系的依据。

即：
()97563.101594.39356204.135=⨯+⨯=E kPa
CO 2在PC 中溶解的相平衡关系，即：
112.425
.644log log 22CO CO -+
=T
p X 式中：2CO X 为摩尔比，kmolCO 2/kmolPC ；2CO p 为CO 2的分压，kgf/cm 2；T 为热力学温度，K 。

用上述关联式计算出塔溶液中CO 2的浓度有
/kmolPC kmolCO 0402.0395
.1112.415
.31325
.644568.4log log 2CO CO 2
2=-=-+=X X
()22
CO 11CO 0.70.70.70.03860.02701X x x X *
==⨯
==+
与前者结果相比要小，为安全起见，本设计取后者作为计算的依据。

结论：出料10.0270x =（摩尔分数）
2.PC 密度与温度的关系
利用题给数据作图，得密度与温度的关联表达式为
t 9858.01223-=ρ（式中t 为温度，℃；ρ为密度，kg/m 3）
3.PC 蒸汽压的影响
根据变换气组成及分压可知，PC 蒸汽压与操作总压及CO 2的气相分压相比均很小，故可忽略。

4.PC 的粘度
1
.1535
.185822.0log -+
-=T μ mPa ·s （T 为热力学温度，K ）
5.工艺流程确定：
本次吸收采用逆流吸收的方法。

二、物料衡算
1.各组分在PC 中的溶解量
查各组分在操作压力为1.6MPa 、操作温度为40℃下在PC 中的溶解度数据，并取其相对吸收饱和度均为70%，将计算所得结果列于下表（亦可将除CO 2以外的组分视为惰气而忽略不计，而只考虑CO 2的溶解）：CO 2溶解量的计算如下：
各个溶质溶解量的计算如下：（以CO 2为例） 通过第一部分已知
CO 2在40℃的平衡溶解度
/kmolPC kmolCO 0402.02CO 2=X
44.101184
/09.1024
.220402.0/kmolPC kmolCO 0402.02CO 2=⨯=
=X Nm 3/m 3PC
式中：1184为PC 在40℃时的密度，102.09为PC 的相对摩尔质量。

CO 2的溶解量为（10.44-0.15）×0.7=7.203 Nm 3/m 3PC
说明：进塔吸收液中CO 2的残值取0.15 Nm 3/m 3PC ，故计算溶解量时应将其扣除。

其他组分溶解度就微小，经解吸后的残值可被忽略。

平均分子量：
入塔混合气平均分子量：
kg/km ol 208.20223.028472.02025.02828.0441=⨯+⨯+⨯+⨯=m M
溶解气体的平均分子量：
kg/km ol 775.420207.0280207.020015.0289571.044=⨯+⨯+⨯+⨯=s M
2.溶剂夹带量Nm 3/m 3PC
以0.2 Nm 3/m 3PC 计，各组分被夹带的量如下： CO 2：0.2×0.28=0.056 Nm 3/m 3PC CO ： 0.2×0.025=0.005 Nm 3/m 3PC H 2： 0.2×0.472=0.0944 Nm 3/m 3PC N 2： 0.2×0.223=0.0446 Nm 3/m 3PC
3.溶液带出的气量Nm 3/m 3
PC
各组分溶解量：
CO 2： 7.203 Nm 3/m 3PC 95.71% CO ： 0.011 Nm 3/m 3PC 0.15% H 2： 0.156 Nm 3/m 3PC 2.07% N 2： 0.156Nm 3/m 3PC 2.07%
7.526 Nm 3/m 3PC 100%
夹带量与溶解量之和：
CO 2：0.056+7.203=7.259 Nm 3/m 3PC 93.96% CO ：0.005+0.011=0.016 Nm 3/m 3PC 0.21% H 2：0.0944+0.156=0.250 Nm 3/m 3PC 3.23% N 2：0.0446+0.156=0.201 Nm 3/m 3PC 2.60%
7.726 Nm 3/m 3PC 100%
4.出脱碳塔净化气量
以321V V V 、、分别代表进塔、出塔及溶液带出的总气量，以321y y y 、、分别
代表CO 2相应的体积分率，对CO 2作物料衡算有：
V1 = 23908 Nm 3/ h
123V V V =+ 332211y V y V y V +=
联立两式解之得
V3=V1(y1-y2)/(y3-y2)=4300× 5.56 (0.28－0.005)/(0.9396－0.005)= 7034.77Nm3/h
V2 = V1 - V3 =17697.549 Nm3/ h 16873.23 5.计算PC 循环量
因每1 m3PC 带出CO2为7.259 Nm3 ，故有： L=V3y3/7.259=7034.77×0.9396/7.259=910.58m3/h 操作的气液比为V1/L=23908/910.58=26.256
6.验算吸收液中CO2残量为0.15 Nm3/m3PC 时净化气中CO2的含量
取脱碳塔阻力降为0.3kgf/cm2，则塔顶压强为16.32-0.3=16.02 kgf/cm2，此时CO2的分压为0801
.0005.002.162=⨯=CO p kgf/cm2，与此分压呈平衡的CO2
液相浓度为：
112.425
.644log log 22CO CO -+=T p X PC
/m CO Nm 15.0PC /m CO Nm 216.01193
/09.10222.40.0008257/kmolPC
kmolCO 0008257.0083
.3112.415
.30325
.6440801.0log log 3233232CO CO 2
2
>=⨯=
=-=-+=X X
式中：1193为吸收液在塔顶30℃时的密度，近似取纯PC 液体的密度值。

计算结果表明，当出塔净化气中CO 2的浓度不超过0.5%，那入塔吸收液中CO 2的极限浓度不可超过0.216 Nm 3/m 3PC ，本设计取值正好在其所要求的范围之内，故选取值满足要求。

入塔循环液相
CO2：910.58×0.15=136.587
7.出塔气体的组成
出塔气体的体积流量应为入塔气体的体积流量与PC带走气体的体积流量之差。

CO2：23908×0.28-7.259×910.58=84.34Nm3/h 0.59%
CO：23908×0.025-0.016×910.58=583.13Nm3/h 3.42% H2：23908×0.472-0.250×910.58=11056.93Nm3/h 64.83% N2：23908×0.223-0.201×910.58=5331.49Nm3/h 31.69%
17055.89Nm3/h
100%
计算数据总表
三、热量衡算
在物料衡算中曾假设出塔溶液的温度为40℃，现通过热量衡算对出塔溶液的温度进行校核，看其是否在40℃之内。

否则，应加大溶剂循环量以维持出塔溶液的温度不超过40℃。

具体计算步骤如下：
1.混合气体的定压比热容pV
C
因未查到真实气体的定压比热容，故借助理想气体的定压比热容公式近似计算。

理想气体的定压比热容：32T d T c T b a C i i i i pi +++=，其温度系数如下表：
表中C p 的单位为（kcal/kmol ·℃）/（kJ/kmol ·℃） 进出塔气体的比热容
C kJ/kmol 34.31223.018.29472.090.28025.018.2928.038.371︒⋅=⨯+⨯+⨯+⨯==∑i
pi pV y C C
C pv2=∑C pi y i
=37.48×0.0050+29.18×0.0346+28.91×0.6553+29.18×0.3051 =29.04 KJ/Kmol ·℃
2.液体的比热容pL
C
溶解气体占溶液的质量分率可这样计算：
质量分率为
()%2.1012.01184
78.424.22526.7==⨯÷
其量很少，因此可用纯PC 的比热容代之。

本设计题目中
()1.390.0018110pl C t =+- kJ/kg ·℃
()()1 1.390.0018110 1.390.001814010 1.444kJ/kg C pL C t =+-=+-=⋅︒
()()C kJ/kg 426.1103000181.039.11000181.039.12︒⋅=-+=-+=t C pL
文献查得t C pL 0009863.03499.0+= kJ/kg ·℃,据此算得：
3894.01=pL C kJ/kg ·℃；3795.02=pL C kJ/kg ·℃
本设计采用前者。

3.CO 2的溶解热s
Q
12992187.467659.42
CO =⨯⨯=H ∆kJ/kmolCO 2
文献查得146542CO =H ∆ kJ/kmolCO 2（实验测定值） 本设计采用后者。

CO 2在PC 中的溶解量为7.203×910.58=6558.91Nm 3/h=292.81kmol/h 故Qs=14654×292.81=4290814.019kJ/h （修改后）
4.出塔溶液的温度1
L T
设出塔气体温度为35℃，全塔热量衡算有：
带入的热量（Q V 1+Q L 2）+ 溶解热量（Q s ）= 带出的热量（Q V2+Q L1） Q v1=V 1C pv1(T v1－T 0)=23908×31.34×30/22.4=1003495.607 kJ/h
Q L2=L 2C pL2(T L2－T 0)=910.58×1193×1.426×30=46472852.59kJ/h Q v2=V 2C pv2(T v2－T 0)= 16873.23×29.04×35/22.4=765622.81kJ/h Q L1=L 1C pL1(T L1－T 0)=1145626.766×1.44×T L1=1649702.543T L1kJ/h 式中：L
1
=910.58×1193+(7328.806-0.2×910.58)×
42.78/22.4=1145626.766 kg/h
1052432.679+48412751.48+4469909.62=803026.286+1649702.543T L1 T L1=32.21℃≈32℃
现均按文献值作热量衡算，即取3894.01=pL C kJ/kg ·℃；3795.02=pL C
kJ/kg ·℃
Q v1=V 1C pv1(T v1－T 0)=25026×31.34×30/22.4=1050421.661kJ/h Q L2=L 2C pL2(T L2－T 0)=948.590×1193×0.3795×30=12884038.7kJ/h Q v2=V 2C pv2(T v2－T 0)=17697.549×29.04×35/22.4=803026.286kJ/h Q L1=L 1C pL1(T L1－T 0)=1145626.762×0.3894×T L1=446107.061T L1kJ/h 式中：L
1
=948.590×1193+(7328.806-0.2×948.590)×
42.78/22.4=1145302.253 kg/h
1050421.661+12884038.7+4469909.62=803026.286+446107.061T L1
T L1
=39.5℃ 与理论值比较后，取T
L1
=39.5℃
5.最终的衡算结果汇总
四、设备的工艺与结构尺寸的设计计算
1确定塔径及相关参数
u
V D s
π4=
()F u u 8.0~5.0= 塔底气液负荷大，依塔底气液负荷条件求取塔径
采用Eckert 通用关联图法求取泛点气速F u ，并确定操作气速。

入塔混合气体的质量流量V ’=(25026÷22.4)×20.208=22577.27 kg/h 20.208为入塔混合气体的平均分子量 11.042为出塔混合气体的平均分子量
kg/km ol 208.20223.028472.02025.02828.0441=⨯+⨯+⨯+⨯=m M
M m2 = 44⨯0.005+28⨯0.0346+2⨯0.6553+28⨯0.3051= 11.042kg/kmol 塔底吸收液的质量流量L ’=1145302.253kg/h 入塔混合气的密度（未考虑压缩因子）
()()361kg/m 83.1215.3038314/208.20106.1/=⨯⨯⨯==RT pM m V ρ 吸收液的密度3kg/m 1184=L ρ（40℃） 吸收液的粘度，依下式计算得到：
374.01
.15315.3085
.185822.01.1535.185822.0log =-+-=-+
-=T L μ
368.2=L μmPa ·s （平均温度35℃时的值）
选50g D mm 塑料鲍尔环（米字筋），其湿填料因子1m 120-=φ，空隙率90.0=ε，比
表面积32/m m 4.106=t a ，Bain-Hougen 关联式常数75.10942.0==K A ，。

（1）选用Eckert 通用关联图法求解F u
关联图的横坐标：（ρv /ρl ）0.5L ’/V ’=(12.83/1184)0.51145302.253/22577.027=5.281
查Eckert 通用关联图得纵坐标值为0.0025，即：
()0025.0368.2118483.1281.91201184/10002.02
2.02=⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛F L L
V
F u g u μρρψφ m/s 14.0=F u
（2）选用Bain-Hougen 关联式求解F u
8
/14
/12.0328
/14
/12.032
118483.12027.22577253.114530275.10942.0368.2118483.129.04.10681.9lg lg ⎪⎭
⎫
⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛''-=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛F
L V L L
V t F u V L K A a g
u ρρμρρε
14m/s
.0m/s 12.0==F F u u 取
11m/s .0~07.0的取值范围则u
根据设计u=0.1m/s
2求取塔径
Vs=23908(0.1013/1.6)(303.15/273.15)=1680m 3/h=0.4667m 3/s D =(4×0.4667/3.14×0.1)0.5=2.438m 本次设计取D=2500mm
3核算操作气速
u=4Vs /3.14×D 2=4×0.4667/3.14×2.52=0.0951m/s 则操作气体速度取u=0.10m/s 合适
4 核算径比
D/d=2500/50=50>10~15（满足鲍尔环的径比要求）
5校核喷淋密度
采用聚丙烯填料表面
L 喷，min =（MWR ）a t =0.08×106.4=8.512m 3/(m 2.h) L 喷=
)/(512.8124.1214
495.21193253.1145302232h m m •>=⨯π
（满足要求）
五、填料层高度的计算
塔截面积∩=0.785D 2=4.906㎡
因其他气体的溶解度很小，故将其他气体看作是惰气并视作为恒定不变，那么，惰气的摩尔流率G '
G ’=25026(1-0.28)/(22.4×3600×∩)=0.0455kmol/(m 2·s)
又溶剂的蒸汽压很低，忽略蒸发与夹带损失，并视作为恒定不变，那么有 L ’=948.590×1193/(102.09×3600×4.906)=0.6276kmol/(m 2·s)
005.02=y ，000571.009
.102/11934.22/15.04
.22/15.02=+=
x
吸收塔物料衡算的操作线方程为
2
2
2211y x G Y L X y x ⎛⎫⎛⎫
''-=- ⎪
⎪--⎝⎭⎝⎭
将上述已知数据代入操作线方程，整理得
4100637.207256.0-⨯+=Y X
选用填料层高度表达式H=V / (Ky a ·∩) 采用数值积分法求解，步骤如下：
1.将气相浓度28.0~005.0=y 在其操作范围内10等份，其等份间距为0.0275，并将各分点的y 值代入式（1）计算出对应的x 值，并列入后面表格中的第1、2列中。

2.计算各分点截面处的气液相流率 G= G ’ /(1-Y) L=L ’/(1-X) （2） 将计算结果列入附表中的3、4列。

3.计算的传质系数
22
0.750.10.050.221exp 1.45()()()()W C L t L L
t L t L L L L t a U a U U a a g a σσμρρσ-⎡⎤=--⎢⎥⎣
⎦=1－exp
｛-1.45(33/39.1)0.75(225703/106.4·8.5248)0.1(2257032·106.4/11842·1.27×108)-0.05(2257032/1184×39.1×106.4)0.2｝≈1 由计算知a w ︽a t =106.423/m m 式中：U L =
=⨯=2
2495
.2785.0253
.1145302D 785.0L ’234373.960kg/(m . h) L μ、V μ－气体、液体的黏度，/()[13600/()]kg m h Pa s kg m h ⋅⋅=⋅ V ρ、L ρ－气体、液体的密度，3/kg m
L D 、V D －溶质在气体、液体中的扩散系数，h m /2
R －通用气体常数，38.314()/()m kPa kmol K ⋅⋅ T －系统温度，K
t a －填料的总比表面积，23/m m W a －填料的润湿比表面积，23/m m
g －重力加速度，1.27×108m/h
L σ－液体的表面张力，22/(1/12960/)kg h dyn cm kg h =
C σ－填料材质的临界表面张力，22/(1/12960/)kg h dyn cm kg h =
ψ－填料形状系数
上述修正的恩田公式只适用于F u u 5.0≤的情况，由计算得知u ≥0.5u F
气膜吸收系数计算： ⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=RT D D U k V t V V V V
t V
G αρμμ
α3
17
.0237.0 气体质量通量为 )/(149.4620495.2785.0208
.204.2225026
22
1h m kg U V ⋅=⨯⨯= )/(473.1810495
.2785.0042
.114.22459
.17947222h m kg U V ⋅=⨯⨯= ⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯=----303314.836001068.14.10636001068.183.12360010015.04.106360010015.0149.4620237.063
1637
.03
1
G k
= 0.237⨯108.235⨯0.886⨯2.55⨯10-4
=5.795⨯10-3
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯=----308314.836001068.14.10636001068.183.12360010015.04.106360010015.0473.1810237.063
1637
.03
2
G k = 0.237⨯56.094⨯0.886⨯2.51⨯10-4 =2.956⨯10-3
310376.4-⨯=均G k
液膜吸收系数计算： 3
113
20095.0⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=-L L L L L L w L
L g D U k ρμρμμ
α 液体质量通量为 )/(960.234373495
.2785.0253.11453022
2
h m kg U L ⋅=⨯=
3
18163
211841027.15248.810212.411845248.85248.84.106960.2343730095.0⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯⎪
⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=--L k = 0.0095⨯40.569⨯0..2418⨯97.06 = 0.9045
1.1G G W k a k a ψ== 4.376×10-3×106.4×1.451.1 = 0.7007 0.4L L W k a k a ψ== 0.9045×106.4×1.450.4 = 111.660
%50%44.69144
.01
.0≥==F u u 故修正：
3266.1677.05.0144.01.05.915.05.91'4.14.1=⨯⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=a k u u a k G F G
594.11688.1085.0144.01.06.215.06.21'2.22.2=⨯⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=a k u u a k L F L
a
Hk a k a K L G G 1
11+
=
a
K p a K G t y =
w
a a =
EMs
H ρ≈
=1184/(102.09×(1.6204×30+39.594)×101.3=1.29×10-3)
/(3m kPa kmol ⋅（稀
溶液）
1351.0594
.116101.291
327.111
3-=⨯⨯+
=
a K G
计算准备：
（1）两相摩尔流率与质量流率的转换 气相平均分子量为：()惰M y y -+144
()()92.1087.1096.102
1
51.3053.6546.351.302853.65246.3283.222.475.23.22282.4725.228212
1
顶惰底惰惰=+=⎪⎭⎫ ⎝⎛++⨯+⨯+⨯+++⨯+⨯+⨯=+=
M M M 气相平均分子量为：33.085y+10.915 V G =(33.085Y+10.915)G
L L G 09.102=（稀溶液）
（2）CO 2在气相和液相中的扩散系数 气相：分两步进行，定性温度取32.5℃。

首先计算CO 2在各组分中的扩散系数，然后再计算其在混合气体中的扩散系数。

计算公式如下：
()()
()
21/2
5 1.502
1/31/3114.3610A B CO i
t A B T M M D p V V --⎛⎫
⨯+ ⎪
⎝⎭=
+∑∑
D CO2-co
-7210/S m ⨯ D CO2-H2
-62
10/S m ⨯ D CO2-N2
-7210/S m ⨯
()
∑--=
i
CO i
CO G D y
y D 22
/1=（1-0.005）/（0.0346/8.67×10-7+0.6553/3.28×
10-6+0.3051/8.62×10-7）=1.676×10-6m 2/s
液相：文献介绍了CO 2在PC 中扩散系数两个计算公式，定性温度取35℃。

L
PC CO T
D μ8
100123069.92--⨯==1.17×10-5㎝2/s （T —K ；L μ—mPa ·s ；D —cm 2/s ）
L
PC CO T
D μ8
1078.72--⨯= =1.01×10-5 ㎝2/s （T —K ；L μ—mPa ·s ；D —cm 2/s ）
取大值2-521.1710cm /s CO PC D -=⨯ （3）气液两相的粘度
m
Gi Gi
T ⎪⎭
⎫ ⎝⎛=15.2730μμ（纯组分的粘度）
u G-CO2=1.34×10-2(305.5/273.15)0.935=0.015mPa ·s 同理：u G-CO =0.018 mPa ·s u G-H2=0.0093 mPa ·s u G-N2=0.018 mPa ·s
Gi μ为0℃、常压下纯气体组分的粘度，mPas 。

m 为关联指数（见下表）
气相：()底顶G G G μμμ+=
2
()()
∑∑=
5
.05.0i
i
i Gi i G M y M y μμ（气体混合物的粘度）
=(0.28×0.015×440.5+0.025×0.018×280.5+0.472×0.0092×20.5+0.223×0.018×280.5)/(0.28×440.5+0.025×280.5+0.472×20.5+0.223×280.5)=0.0150 mPa ·s
液相：1
.1535
.185822.0log -+-=T L μ mPa ·s
=2.368 mPa ·s
L
=2.368 mPa s=8.524/()kg m s μ⋅⋅
（4）吸收液与填料的表面张力
吸收液：t 116.016.43-=σ=39.1 mPa ·s 填料：查教材，如聚乙烯塑料33=c σ mPa ·s
4.气相总传质单元数
作CO 2在PC 中的相平衡曲线
X X
X
x y p p T
p X t ≈+==-+=1112.425
.644lg lg
将计算结果列表如下：
气相CO 2的组成y （摩尔分率）
0.005 0.050 0.100 0.200 0.280 气相CO 2的分压p （kgf/cm 2）
0.0816 0.816 1.632 3.263 4.570 30℃对应的液相平衡组成x
0.0008 0.0084 0.0169 0.0337 0.0472 35℃对应的液相平衡组成x
0.0008 0.0078 0.0156 0.0311 0.0436 40℃对应的液相平衡组成x
0.0007 0.0072 0.0144 0.0288 0.0404
y* = 6.4283x - 0.0002
00.05
0.10.150.20.250.30
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
因温度变化不大，故取平均温度下的数值作图得一直线，这说明CO 在PC 中的溶解情况满足亨利定律。

但因操作关系不为直线，故仍需采用图解积分或数值积分。

5.气相总传质单元数
采用传质单元数的近似简化法计算
图中数据源于下表数据，y 、x 数据由操作线方程（1）计算而得。

y *由y *=6.4283x-0.0002计算而得。

0.03
0.060.090.120.150.180.210.240.270.30
0.00450.0090.01350.0180.02250.0270.03150.0360.04050.045
y ×10-2 0.5 3.25 6.0 8.75 11.50 14.25 17.00 19.75 22.50 25.25 28.00 x ×10-2
0.057
0.255
0.454
0.653
0.852
1.051
1.249
1.448
1.647
1.845
2.043
现采用Smipson 公式求区域的面积—数值积分法（亦可采用图解积分）
()()[]()()()()[]
49
.117.113433.68252.661009167.046.756.930.1388.2150.61438.812.1155.1628.32272.68.654103005.028.04239753186420211
2
=++=⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡++++++++++⨯-=
++++++++++-=-⎰
*
f f f f f f f f f f f n y y y
y dy
n y y
162.028
.01005.01ln 2111ln 2112=--=--y y
652.11162.049.11=+=OG N
6.气相总传质单元高度OG H 计算OG H ：
由于对于PC ，CO 2为易吸收气体，为气膜控制
×p y g v K k k ==
0.71/32(
)(
)()V
V v v t V
V V
U k RT aD ad D μαμρ-=
0.71/3
2()()()V V v t V V V
U aD k ad RT D μαμρ-=
86
109.6308
314.81068.14.106--⨯=⨯⨯⨯=RT aD 075.10836004.10610015.0495.2785.0027.225777
.032
7
.0=⎪⎪⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛
⨯⨯⨯⨯=
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-V V a U μ
886.01068.183.12105.13
165
3
1=⎪⎪⎭
⎫ ⎝
⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛--v v v D ρμ
()
2
0.0353ad -=
()723
17
.010332.2--⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=
ad D U RT
aD k V V V V
t V V
V ρμμα
47107312.310332.21600--⨯=⨯⨯==p k k v y 03970.04.106107312.34=⨯⨯==-a k a K y y 0605.14
.1061062.30421
.04
=⨯⨯==
-a k V H y m OG m 填料层的有效传质高度OG OG N H H ==1.0605⨯11.652=12.356m 设计高度H=1.29⨯12.356=15.940m
六、填料层的压降
用Eckert 通用关联图计算压降
横坐标：307.52
/1=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛''L
G
V L ρρ（前已算出）
纵坐标：
()=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛ψ2
.02L L G
g u μρρφ0.00133 查图得：=f p ∆30mmH 2O/m
七：附属设备及主要附件的选型
1.塔壁厚 操作压力为1.6Mpa 壁厚：
39
.2116
.11.185.013322600
6.11.122=+⨯-⨯⨯⨯⨯=+-=
C p p
D i d σφδ
圆整后取22mm 选用 22R 钢板 2．液体分布器
液体分布器是保持任一横截面上保证气液均匀分布。

本次使用分布较好的槽盘式分布器。

它具有集液、分液和分气三个功能，结构紧凑，操作弹性高，应用广泛。

3．除沫器
除沫器用于分离塔顶端中所夹带的液滴，以降低有价值的产品损失，改善塔后动力设备的操作。

此次设计采用网丝除沫器。

U=K 0.1071.02m /s == 除沫器直径
m
u V d 574.002
.1360059
.9484360042
111=⨯⨯⨯=
⎪
⎪⎭⎫
⎝
⎛=πρπ
4．液体再分布器
液体向下流动时，有偏向塔壁流动现象，造成塔中心的填料不被润湿，故使用液体再分布器，对鲍尔环而言，不超过6m。

故在填料3m处装一个再分布器。

本次使用截锥式再分布器。

5．填料支撑板
填料织成板是用来支撑填料的重量，本次设计使用最为常用的栅板。

本次塔径为2600〉1400mm，使用四块栅板叠加，直径为850mm
6．塔的顶部空间高度
塔的顶部空间高度指顶第一层塔盘到塔顶封头的切
线距离。

为减少雾沫夹带的液体量，一般取1.2~1.5m，本次设计取1.2m
八设计概要表
九对本设计评价
该实验荣阔了填料塔的各种公式，让同学在设计实验的同时回忆并加深了对公式以及其他内容的记忆。

该设计符合市场要求，能有效的投入生产并产生经济效益，为同学们进入社会增加了经验。

做好该设计，必须大量查询填料塔的资料，并对其有较深的理解。

参考文献
1.化工原理课程设计（天大教材）
2.化学工程手册（第三版，上）
3.《现代填料塔技术指南》王树楹中国石化出版社出版。

4.《大学工程制图》钱自强林大钧蔡祥兴东华理工大学出版社
5.《填料塔》唐盛伟北京化学工业出版社
6. 常用化工单元设备的设计上海华东理工大学出版社
7．化工设备机械基础（第二版）华东理工出版社——塔设备的机械设计
8．化工原理课程设计（第二版）大连理工大学出版社——塔设备的设计
9．化工过程及设备设计华南理工大学化学工业出版社——填料吸收塔装置的设计10．《化工原理》（下册）夏清陈常贵主编天津大学出版社
11.《化工原理》陈敏恒丛德滋方图南齐鸣斋化学工业出版社。